一种矿热炉炉况数字化管理系统、控制方法及其监测装置与流程

本发明涉及一种矿热炉炉况数字化管理系统、控制方法及其监测装置。

背景技术：

矿热炉是将电能转换为冶炼热能的大功率电气设备，矿热炉运行过程中的电气参数直接反映和影响着其运行状况的优劣，也直接影响着产品的产量、电耗和产品品质，因此，合理设置和控制电气参数无疑具有重要的现实意义。

现有的炉况检测技术是基于综合电量检测模块开发的系统，综合电量检测模块在数据存储、显示、报表打印、越限报警等方面存在不足，基于FFT算法的矿热炉数字化管理系统采用采集卡PCI-9111，采集得到变压器两侧三相的电压、电流参数以及电极的电压、电流参数，运用FFT算法计算得到幅值、频率、相位等参数，基于这些参数计算出的变压器两侧的有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、不平衡度以及电弧功率、操作电阻等多种实时参数，为了完成数据的计算、显示、存储、报警等功能，有必要研究一种矿热炉炉况数字化管理系统。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种矿热炉炉况数字化管理系统、控制方法及其监测装置，其目的在于合理设置和控制电气参数，由此解决产品的产量、电耗和产品品质的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种矿热炉炉况数字化管理系统，其特征在于，包括：变压器一次侧第一电压互感器和电流互感器、变压器二次侧第二电压互感器和PCB空芯线圈、电极线电压测量装置和监测装置，所述监测装置分别与所述变压器一次侧第一电压互感器和电流互感器，所述变压器二次侧第二电压互感器和PCB空芯线圈以及所述电极线电压测量装置电连接；

所述变压器一次侧第一电压互感器用于检测变压器一次侧三相线电压，并将变压器一次侧三相线电压参数提供给所述监测装置；

所述变压器一次侧电流互感器用于检测变压器一次侧三相相电流，并将变压器一次侧三相相电流参数提供给所述监测装置；

所述变压器二次侧第二电压互感器用于检测变压器二次侧三相线电压，并将变压器二次侧三相线电压参数提供给所述监测装置；

所述变压器二次侧PCB空芯线圈用于检测变压器二次侧三相相电流，并将变压器二次侧三相相电流参数提供给所述监测装置；

所述电极线电压测量装置用于检测电极端口的三相线电压，并将电极端口的三相线电压参数提供给所述监测装置；

所述监测装置用于接收变压器一次侧三相线电压参数，变压器一次侧三相相电流参数，变压器二次侧三相线电压参数，变压器二次侧三相相电流参数以及电极端口的三相线电压参数；完成电压、电流信号的采样、存储，基于采样得到的电压、电流数据，完成电弧炉炉内运行参数的计算，并将数据存储起来，用于参数的显示、查阅以及预警等功能。

优选地，提供了一种矿热炉炉况数字化管理系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、设定采样率，采集并存储变压器一次侧和二次侧的电压、电流参数，以及电极端口电压参数；

步骤二、基于存储的电压、电流参数，运用FFT算法计算得到电压、电流的基波幅值、基波频率、基波相位、以及电压、电流的直流分量幅值和2～31次谐波的幅值；

步骤三、根据电压、电流的基波幅值、基波频率、基波相位、以及电压、电流的直流分量幅值和2～31次谐波的幅值，计算出的变压器两侧的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数及不平衡度多种实时参数，基于电弧炉等效电路模型，计算得出电弧电压、电弧电流、电弧阻抗，实现炉的实时监测；

步骤四、对数据库系统进行管理操作，实现炉况参数历史数据的绘制和分析，实现电压、电流不平衡事件的预警功能。

优选地，所述矿热炉炉况数字化管理系统的控制方法的步骤二中，包括以下步骤：

(1)对采样数组过零检测，由负变为正，选择第一个大于或等于0的数作为第一个点，依次向后取点，共取N个采集点，得到一个长度为N的数组U_AB(n)；

(2)生成hanning窗函数，汉宁窗的表达式如下

$w\left(n\right)=0.5(1-cos(2\mathrm{\π}\frac{n}{N-1}\left)\right),0\≤n\≤N-1$

代入采样点数N，可得到一组长度为N的数组w(n)。

(3)U_AB(n)与w(n)进行点乘，得到一个新的长度为N数列如下

U′_AB(n)＝w(n)*U_AB(n)，0≤n≤N-1

(4)将新数组U_AB’(n)通过快速傅里叶变换，得到一个复数数组FFTU_AB(n)

FFTU_AB(n)＝fft(U′_AB(n))

这个复数数组是在全频域的，取数组的一半得到长度为N/2的单边复数谱FFTU_AB′

${{\mathrm{FFTU}}_{AB}}^{\′}\left(n\right)=\frac{2*{\mathrm{FFTU}}_{AB}\left(n\right)}{N},0\≤n\≤N/2-1$

根据单边复数谱求单边幅值谱即复数幅值FFTmag(n)，单边功率谱即幅值的平方FFTpower(n)如下

FFTmag(n)＝abs(FFTU_AB′(n))，0≤n≤N/2-1

FFTpower(n)＝FFTmag(n)²，0≤n≤N/2-1

(5)找出单边功率谱数组FFTpower(n)中值最大的元素，坐标为I，由此可求得归一化校正后的基波频率f、基波幅值magcorrect、基波相位phasecorrect，其中基波相位phasecorrect在–π～π范围内，f’为频域校正频率，fs为采样率，由采集卡驱动程序设定，

$f^{\′}=\frac{A_1+A_2+A_3+A_4+A_5}{B}$

$f=\frac{A_1+A_2+A_3+A_4+A_5}{B}*\frac{fs}{N}$

$magcorrect=\frac{\sqrt{2.667*B}}{\sqrt{2}}$

phasecorrect＝angle(FFTU_AB(I))+π*(I-f′)

其中，A₁＝(I-2)*FFTpower(I-2)

A₂＝(I-1)*FFTpower(I-1)

A₃＝I*FFTpower(I)

A₄＝(I+1)*FFTpower(I+1)

A₅＝(I+2)*FFTpower(I+2)

B＝FFTpower(I-2)+FFTpower(I-1)+FFTpower(I)+FFTpower(I+1)+FFTpower(I+2)

(6)根据坐标I，可得到2～31次谐波的坐标I′依次为

I′＝(2～31)*I，

类似于求基波幅值的方法一样，带入下面公式得各个谐波的幅值为

${\mathrm{magcorrect}}^{\′}=\frac{\sqrt{2.667*B^{\′}}}{\sqrt{2}}$

B′＝FFTpower(I′-2)+FFTpower(I′-1)+FFTpower(I′)

+FFTpower(I′+1)+FFTpower(I′+2)

对于0次谐波即直流s₀，幅值公式：

$s_0=\frac{\sqrt{2.667*FFTpower\left(0\right)}}{\sqrt{2}}.$

优选地，还提供了一种用于实现权利要求书1所述矿热炉炉况数字化管理系统的监测装置，其特征在于，所述监测装置包括以下模块：

数据通信与采集模块，所述数据通信与采集模块用于设定采样率，采集并存储变压器一次侧和二次侧的电压、电流参数；

FFT算法模块，所述FFT算法模块基于所述数据通信与采集模块存储的电压、电流参数运用FFT算法计算得到电压、电流的基波幅值、基波频率、基波相位、以及电压、电流的直流分量幅值和2～31次谐波的幅值；

炉况实时监测模块，所述炉况实时监测模块根据所述FFT算法模块得到电压、电流的基波幅值、基波频率、基波相位、以及电压、电流的直流分量幅值和2～31次谐波的幅值计算出的变压器两侧的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数及不平衡度多种实时参数，基于电弧炉等效电路模型，计算得出电弧电压、电弧电流、电弧阻抗，实现炉的实时监测；

数据分析与预警模块，所述数据分析与预警模块用于对数据库系统进行管理操作，实现炉况参数历史数据的绘制和分析，实现电压、电流不平衡事件的预警功能，所述数据系统是指由数据库及其管理软件组成的系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用FFT算法，将采集卡将采集得到的电压、电流参数运用FFT算法计算得到变压器两侧电压、电流的基波及直流、2～31次谐波的幅值、频率、相位等参数，可实现对电压谐波的实时分析，实现电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、三相电流不平衡度、零序电压、零序电流的监测。

(2)本发明可对炉况各类参数进行实时监测，实现数据的计算、显示、存储，可对炉况各类参数进行历史数据的访问与分析，实现电压、电流不平衡等事件的预警。精确分析各个部分或设备各自电气参数的合理性，指导用户合理调节矿热炉变压器的挡位，进行合理的无功补偿，适时控制三相电极升降，从而达到：三相电极负荷平衡，埋深合理，压放适时；变压器二次电压在合理范围；无功补偿装置合理投入，满足一次侧功率因数的考核，提高炉内的有功功率。最终实现电能利用率的最大化以及生产效益最大化。

(3)本发明系统提供大容量的存储空间及便捷的数据存储及导出功能，由液晶屏构成显示屏，实现矿热炉各电气参数的实时数据显示、电气参数变化曲线、历史数据查询，报警及报警阈值设置；对数据的深度加工包括主要数据的自动保存、各类相关报表的自动生成；为矿热炉的运行建立完整的数据库，便于用户分析数据，从而更加科学合理的操作及管理矿热炉。

附图说明

图1是根据本实发明优选实施例的矿热炉炉况数字化管理系统的结构示意图；

图2所示为加hanning窗校正的FFT算法流程图；

图3为本发明采用的变压器二次侧等效电路图；

图4为软件的简化流程图；

附图标记：1-变压器一次侧电压互感器，2-变压器一次侧电流互感器，3-变压器二次侧电压互感器，4-变压器二次侧PCB空芯线圈，5-监测装置，6-液晶显示屏，7-电极线电压测量装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，1是变压器一次侧电压互感器，2是变压器一次侧电流互感器，3是变压器二次侧电压互感器，4是变压器二次侧PCB空芯线圈，5为监测装置，6为液晶显示屏，7为电极线电压测量装置。变压器一次侧电压互感器1、变压器二次侧电流互感器2分别测得变压器一次侧的三相线电压和三相相电流；变压器一次侧电压互感器3、变压器二次侧PCB空芯线圈4分别测得变压器二次侧的三相线电压和三相相电流；电极线电压测量装置7测得电极端口的三相线电压，信号处理器5按硬件模块划分可分为信号调理模块、信号采集模块、信号处理模块、供电模块和输入输出模块。信号调理模块包含9个霍尔电压模块和6个霍尔电流模块，通过信号调理模块得到可采集的输出信号。信号采集模块采用16通道采集卡。信号处理模块通过FFT算法得到原始电压、电流的幅值、频率、相位等参数，基于得到这些电气参数计算变压器两侧以及电极端口的有功功率、无功功率、视在功率、功率因素及不平衡度等多种实时参数，以及电弧电压、电弧电流、点弧阻抗等参数。

参见图2，所示为加hanning窗校正的FFT算法流程图。

以变压器一次侧A相与B相线电压为例，采样率为fs(由采集卡驱动程序设定)，采集卡采集得到17408个点(数组坐标都从0开始)，FFT算法的具体步骤如下。

(1)对采样数组过零检测，由负变为正，选择第一个大于或等于0的数作为第一个点，依次向后取点，共取N个采集点，得到一个长度为N的数组U_AB(n)；

(2)生成hanning窗函数，汉宁窗的表达式如下

$w\left(n\right)=0.5(1-cos(2\mathrm{\π}\frac{n}{N-1}\left)\right),0\≤n\≤N-1$

代入采样点数N，可得到一组长度为N的数组w(n)。

(3)U_AB(n)与w(n)进行点乘，得到一个新的长度为N数列如下

U′_AB(n)＝w(n)*U_AB(n)，0≤n≤N-1

(4)将新数组U_AB’(n)通过快速傅里叶变换，得到一个复数数组FFTU_AB(n)

FFTU_AB(n)＝fft(U′_AB(n))

这个复数数组是在全频域的，取数组的一半得到长度为N/2的单边复数谱FFTU_AB′

${{\mathrm{FFTU}}_{AB}}^{\′}\left(n\right)=\frac{2*{\mathrm{FFTU}}_{AB}\left(n\right)}{N},0\≤n\≤N/2-1$

根据单边复数谱求单边幅值谱即复数幅值FFTmag(n)，单边功率谱即幅值的平方FFTpower(n)如下

FFTmag(n)＝abs(FFTU_AB′(n))，0≤n≤N/2-1

FFTpower(n)＝FFTmag(n)²，0≤n≤N/2-1

(5)找出单边功率谱数组FFTpower(n)中值最大的元素，坐标为I，由此可求得归一化校正后的基波频率f、基波幅值magcorrect、基波相位phasecorrect，其中基波相位phasecorrect在–π～π范围内，f’为频域校正频率，fs为采样率，由采集卡驱动程序设定，

$f^{\′}=\frac{A_1+A_2+A_3+A_4+A_5}{B}$

$f=\frac{A_1+A_2+A_3+A_4+A_5}{B}*\frac{fs}{N}$

$magcorrect=\frac{\sqrt{2.667*B}}{\sqrt{2}}$

phasecorrect＝angle(FFTU_AB(I))+π*(I-f′)

其中，A₁＝(I-2)*FFTpower(I-2)

A₂＝(I-1)*FFTpower(I-1)

A₃＝I*FFTpower(I)

A₄＝(I+1)*FFTpower(I+1)

A₅＝(I+2)*FFTpower(I+2)

B＝FFTpower(I-2)+FFTpower(I-1)+FFTpower(I)+FFTpower(I+1)+FFTpower(I+2)

(6)根据坐标I，可得到2～31次谐波的坐标I′依次为

I′＝(2～31)*I，

类似于求基波幅值的方法一样，带入下面公式得各个谐波的幅值为

${\mathrm{magcorrect}}^{\′}=\frac{\sqrt{2.667*B^{\′}}}{\sqrt{2}}$

B′＝FFTpower(I′-2)+FFTpower(I′-1)+FFTpower(I′)+FFTpower(I′+1)+FFTpower(I′+2)

对于0次谐波即直流s₀，幅值公式：

$s_0=\frac{\sqrt{2.667*FFTpower\left(0\right)}}{\sqrt{2}}.$

以上是以变压器一次侧A相与B相线电压为例，运用FFT算法计算得到该电压的基波幅值、基波频率、基波相位、以及电压的直流分量幅值和2～31次谐波的幅值。类似地，我们可以得到变压器一次侧其他两相的电压、电流参数以及变压器二次侧的电压、电流的参数。

参见图3，变压器二次侧等效电路图。基于FFT算法模块得到的参数，计算出的变压器两侧的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数及不平衡度等多种实时参数，基于电弧炉等效电路模型，计算得出电弧电压、电弧电流、电弧阻抗，整理公式如下：

表1Y-△接法公式总结

参见图4，所示为软件的简化流程图。为保证软件的良好运行，计算机使用windows7系统，安装好Microsoft.NET Framework 4.0、Microsoft Visual Studio2010和SQL Server2008，使用C#语言进行开发。信号处理器5按软件模块划分包括数据通信与采集模块、FFT算法模块、炉况实时监测模块、数据分析与预警模块划分，分别进行开发。该系统软件的建模方法包括通信与采集模块、炉况实时监测与报警模块、炉况数据存储管理模块，数据分析与预警模块。

数据通信与采集模块运行采集卡驱动程序，在预设的采样率下完成12通道模拟数据的采集，并存入数据库中。

FFT算法模块对12通道采集得到的12组数组进行加hanning窗校正的FFT算法，得到变压器一次侧和二次侧的电压和电流的幅值、相位、频率等系列参数，共12组数组数据存入数据库中。

炉况实时监测模块根据FFT算法得到的一次侧电压电流参数，计算得出变压器一次侧的视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、电压不对称度、电流不对称度、负序电压、负序电流等参数，并存入数据库；根据FFT算法得到的电压电流参数，计算得出变压器二次侧的视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、电压不对称度、电流不对称度、负序电压、负序电流，根据二次侧等效电路模型，计算得出电弧电压、电弧功率、操作电阻、电弧功率因数、电效率等参数，并存入数据库。

数据分析与预警模块通过数据库，实现变压器一次侧电压、电流、有功功率、无功功率等参数的波形绘制，实现炉况实时监测模块得出的变压器一次侧系列参数的实时显示、历史数据浏览查询、报表打印，通过外部人工设置输入报警参数，实现变压器一次侧电压越限、电流越限、有功越限、电压不平衡度越限、电流不平衡度越限的预警。实现变压器二次侧电压、电流、有功功率、无功功率、操作电阻、电弧电压、电弧功率等参数的波形绘制。实现炉况实时监测模块得出的二次侧系列参数及计算得出的炉内电弧系列参数的实时显示、历史数据浏览查询、报表打印。通过外部人工设置输入报警参数，实现变压器二次侧电压越限、电流越限、有功功率越限、电压不平衡度越限、电流不平衡度越限的预警，以及电极电流越限、操作电阻越限的预警。

软件开发语言为C#，开发工具为Microsoft Visual Studio 2010，支持运行库为Microsoft.NET Framework4.0，数据库管理系统为SQL Server 2008，软件运行环境为Microsoft的Windows 7及以上版本的操作系统，采集卡驱动程序为PCI-9111驱动。

人机交互功能有如下几部分:

(a)用户信息、基本参数设置部分，包括用户姓名、认证密码、通信IP、端口、数据采集间隔时间等等；

(b)设备信息输入部分，包括预警上下限等等；

(c)实时监控部分，包括对单个或多个炉况参数实时监控绘图显示，以及所有实时图像说制图打印功能；

(d)数据分析管理部分，可对单个或多个炉况参数历史数据查询、绘图分析、预警并将分析结果以及图表打印。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。