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LF高压电参数软测量系统

童年1，史艳霞2，周皓3，陶百生1

(1.北京金自天正智能控制股份有限公司辽宁子公司，北京 100070；2.天津中德职业技术学院；3.杭州钢铁股份有限公司)

摘 要：为了获得LF高压设备故障时的电压和电流等参数的畸变波形及异常数据，北京金自天正智能控制股份有限公司开发了一种LF高压电参数软测量系统，通过该系统可以完整记录LF高压设备运行期间的电压及电流数据，并直观、有效地通过波形予以显示，为设备维护人员快速分析和排除故障提供了第1手资料。现场运行结果表明，该技术满足高压设备维护人员的需求。

关 键 词：软测量技术；高压系统；波形记录；故障分析；LF

0 引言

在我国，LF(钢包精炼炉)是一种广泛使用的炉外精炼设备，它能够提供多种精炼功能，其中包含钢水的加热升温，而这一功能需要有一套可靠的高压设备(系统)作保障。受高压设备参数设计是否合理与匹配、设备运行是否老化等若干复杂因素的影响，在现场运行过程中，高压设备时常会发生故障，进而影响LF的正常生产节奏。当设备发生故障后，为了尽快恢复生产，如何快速发现和解决问题就显得十分重要与迫切。

解决问题的前提是定位故障发生的时刻，同时弄清故障发生时高压系统的电压、电流畸变情况。这就需要有一套系统，能够详细记录整个高压系统运行期间的电参数(变压器原边及副边的电压与电流)数据。虽然LF现场一般均配置工控软件，如WinCC或In Touch等，但这些工控软件只能记录电参数多个周波有效值的平均值，如1min内副边电压有效值的平均值。然而，电参数波形畸变信号往往幅值很高但带宽很窄，且可能只发生在1个周波(20ms)内，因此有效值的平均值反映不出1个周波内的波形畸变情况。尽管有特殊的波形记录仪可以捕获并记录这些畸变波形，但其价格十分昂贵且需要进口。基于此，北京金自天正智能控制股份有限公司开发了一种LF高压电参数软测量系统，由于该系统为北京金自天正所开发的LF智能电极调节器[1]的一个附属部分，所以没有额外的硬件费用负担，现场应用时仅仅提供一些软件费用即可，也不存在仪器老化与维护的问题，经济实惠，使用方便。该系统于2012年4月应用在涟源钢铁集团有限公司一炼轧1#～3#LF上，取得了良好的效果。

1 系统组成

如图1所示，LF高压电参数软测量系统主要由以下3个单元组成：高速数据采集(硬件)单元、数据文件(波形)记录和管理单元、数据文件(波形)图形化显示和处理单元。

(1)高速数据采集(硬件)单元：主要由1台工控机、1块高速数据采集卡及1块以太网卡组成。工控机是数据采集与处理系统的硬件平台，高速数据采集卡[2]完成LF高压系统电参数的高速数据采集，以太网卡完成与LFPLC系统的数据通信。

(2)数据文件(波形)记录和管理单元：实现对高压电参数数据的文件存储，即按照一定的规格要求把采集的实时高压电参数数据存储在磁盘文件中，同时，依据用户的需求进行历史文件的删除处理。这一功能必须在现场实时完成，此功能通过VisualC++[3]开发工具实现。

(3)数据文件(波形)图形化显示和处理单元：对数据存储文件进行处理，即在一个HMI界面上复原原始的高压电参数(图形化显示)，并进行一些其他功能处理，如图形打印(需配置1台打印机)、数据导出到Excel文件及文件切割等。这一功能可离线完成，在任何一台具备一定配置的计算机上就可以进行，此功能通过Visual Basic[4]开发工具实现。

2 系统功能及实现

LF高压电参数软测量系统由硬件和软件两部分构成，硬件完成原始数据的采集，而软测量功能的实现主要通过软件处理技术，即数据文件(波形)存储和管理技术及数据文件(波形)图形化显示和处理技术来完成。

2.1 高速数据采集

LF变压器原边及副边的电压、电流信号经变送器送入高速数据采集卡，在一定的触发条件下进行数据采集。高速数据采集卡主要技术参数为：每通道样本采样速率，5k/s；通道数，12；一个采集周期(100ms)内的总样本数，6000个。

高速数据采集卡采集数据的触发方式有自动和手动两种，在自动触发方式下，软测量系统与现场LFPLC通信，获得的开关量信号(合闸或分闸信号)作为数据采集的触发条件；在手动触发方式下，操作人员通过HMI人工触发数据采集。

2.2 文件存储和管理

高压电参数数据文件的存储和管理按以下要求进行。

(1)存储参数数量：包括变压器原边与副边的电压和电流12路参数及原边与副边每相的功率因数6个计算参数，总共存储18个参数。

(2)数据存储密度：即需要存储的数据采集密度，对于变压器原边与副边的电压和电流这12路参数，为每路每秒存储5000个数据点；对于原边与副边每相功率因数这6个计算参数，为每个参数每秒存储50个数据点。每个原始数据采用单精度浮点数表示，即占用4B磁盘空间，所有数据以二进制格式存储。

(3)磁盘空间占用量：在存储新文件前，先判断当前计算机是否有足够的空余磁盘空间，如果磁盘空间不足，则给出提示，同时停止新文件的存储；如果用户需要继续存储新文件，则必须先删除一些旧文件以确保磁盘有足够的空间后才可以继续存储，这样就保护了计算机系统。本软测量系统每持续记录1s，1min，1h或1d的数据所需磁盘空间Ss，Sm，Sh和Sd分别为：

Ss=(12×5000+6×50)×4=241200(B)

Sm=Ss×60≈14.5(MB)

Sh=Sm×60≈868(MB)

Sd=Sh×24≈20.8(GB)

(4)历史数据记录与数据文件处理：通过软测量系统的HMI界面，用户可以约定数据文件的记录期限，超过这个期限的文件将被软测量系统自动删除，这样不但可以做好历史数据的备份，而且可以自动删除过期文件，以使系统有更多的磁盘空间记录新数据。

(5)数据文件名称格式：为了便于查询及归档，定义数据文件名称格式为“变压器电参数记录<时间>.dat”。

2.3 文件图形化显示和处理

高压电参数数据文件的显示和处理按以下要求进行。

(1)图形化显示：HMI界面从所选择的数据文件中复原文件记录的所有参数(即图形化显示)。另外，依据查看数据的需求不同，HMI界面提供不同数据显示密度的图形化方式，本系统有3种，分别为满屏显示5个周波(100ms期间)、1s和60s期间内的各种电参数数据。第1种方式下，设备维护人员可以详细地查看各种电参数在某个周波内的波形畸变情况及异常数据，而后两者主要是为了便于观察数据变化的总体趋势。

(2)界面数据导出：通过点击HMI界面的“导入Excel”按钮，系统将当前界面数据导出到一个Excel文件中，以便现场设备维护人员定量分析发生的故障。还可进行当前界面的图形化拷贝、存储及打印，这为用户提供了便利的数据归档途径。

(3)数据文件截取：通常每个数据文件都很大，但在一个数据文件中，有价值的数据往往只有极少一部分，如果整个文件都保存的话，则势必占用很大的磁盘空间；如果只把有用的那部分数据截取出来另存为一个很小的数据文件，则可以大大减小磁盘需求量，这样的数据文件管理方式无疑是最恰当的。数据文件截取时，用户通过观察HMI界面的波形，发现异常的部分或者认为需要保留的波形后，用鼠标点击界面的“截取数据”按钮，系统就自动把当前界面波形所对应的数据另存为一个小数据文件。判断数据是否有用的标准是，如果显示的二次电压数据明显偏离变压器铭牌表对应档位下的二次电压值，则表明设备此时存在异常现象，这时的数据应该保留，以便进一步分析。

(4)处理参数数量选取：每次处理的参数个数通过HMI界面进行选择，可以选择一次处理某一路参数或同时处理多路参数，这使操作更加有效、简便。

(5)参数按阈值显示：界面参数的量程范围(显示范围)可由用户依据需要调整。1s或1min期间内，满屏显示的数据量非常大，如果全部显示将占用大量的CPU时间，但本系统的主要目的是捕获畸变波形，也就是说幅值较小(小于指定阈值)的数据点可以不显示，为此系统设置按阈值显示功能选项，可以通过设定阈值和勾选此功能只显示阈值以外的数据点。

数据文件处理界面如图2所示，显示分辨率选为60s。

HMI界面图中，横坐标为时间轴，范围为0～100ms；纵坐标中，左侧两组坐标分别表示原边电压(-80000～80000V)与副边电压(-600～600V)；右侧两组坐标分别表示原边电流(-600～600A)与副边电流(-80000～80000A)。总共有12路参数，通过图中选择具体的参数来显示对应的波形。

3 现场应用情况

实际LF冶炼生产中，由于不知高压系统发生故障的时间点，所以适合采用全程记录的方式，即在高压开关合闸前5s开始记录、直到分闸且断弧后5s结束，这样就完整记录了整个高压系统1个运行周期内高压信号的全部数据。通过分析，发现高压系统发生波形畸变的时间点不是在起弧开始点或断弧点前后，也不是在稳定的通电(加热升温)期间，而是在高压开关合闸和分闸期间。

(1)高压开关合闸期间

合闸时，变压器原边形成了通电回路，而由于此时电极还未下降，所以副边不能形成通电回路，这时副边是断开的。图3显示了合闸期间波形发生畸变的情况，可以看出：此时原边励磁电流最大达到400A，而副边电流为0；波形畸变发生在变压器的副边，副边最大畸变电压幅值达到-565V，是正常值-240V的2倍多。

与图3相对应的Excel文件数据如表1所示，表1中副边电流显现出的数据为现场小的干扰(噪声)信号，不代表实际的副边电流值(后同)。由于数据量太多(序号1～500共500个点)，因此表中只列出少部分数据。

(2)高压开关分闸期间

分闸时，变压器原边通电回路断开，因为此时电极已经提升，即副边也是断开的，所以原副边均不能形成通电回路。图4充分显示了在分闸期间波形发生畸变的情况，可以看出：此时原边没有励磁电流，副边电流为0；副边最大畸变电压达到-561V，是正常值-240V的2倍多。

通过分析现场记录的高压数据得到的基本结论是：在高压开关合闸与分闸期间，电压畸变发生在变压器副边，幅值较大，一般为二次电压铭牌值的2～3倍，但其带宽很窄，只有约0.1ms；而在起弧、断弧及通电期间没有发现高压信号产生严重畸变的情况。以上情况说明系统能够捕捉1个周波内的高压电参数畸变情况。

4 结束语

本文介绍的LF高压电参数软测量系统于2012年4月应用在涟钢一炼轧1#～3#LF上，系统可以完整记录现场高压设备发生故障时的波形畸变情况，给出定量的波形数据及直观的波形变化趋势图，为设备维护人员提供精确的第1手技术数据。通过分析记录的实际数据，现场设备维护人员能够及时地分析和解决问题，为现场设备的安全可靠运行做出了贡献。

参 考 文 献:

[1]   陶百生，童年，孙彦广，等.二次短网特性参数分析与计算及智能电极调节器参数计算[J]. 冶金自动化，2012，36(1) : 47-52.

[2]   Keithley. Data Acquisition Products[EB/OL].[2011-08-10]. http: / / www. keithley. com / support / keidoc _searchre-sult? keyword = KPCI-3102&item_type = Manual.

[3]   Jeff Prosise. MFC Windows 程序设计[M].北京:清华大学出版社，2007.

[4]   吕伟臣. Visual Basic 2005入门与提高[M].北京:清华大学出版社，2006.