（检测技术与自动化装置专业论文）锌电解供电过程电力负荷优化分配与监控系统.pdf

摘要 电解是锌、铝等有色金属冶炼的主要方法，而电能是有色金 属电解过程中的重要能源。对锌电解生产过程中供电系统的监控 和优化对提高锌电解过程安全性和可靠性，实现锌电解过程节能 降耗和增强企业的经济效益具有非常重要的意义。 本文首先在分析锌电解及其电解供电过程的基础上，针对株 洲冶炼集团的锌电解供电系统的实际情况，采用多层网络结构搭 建系统硬件平台，构成一个多层实时递阶控制系统以实现锌电解 供电过程的优化与监控，接着分析了系统的工作过程，并分析了 系统架构的特点。然后以实现锌电解过程能耗与用电费用最低为 优化目标建立电力负荷优化分配模型，并采用带变异的自适应粒 子群算法进行优化，得到锌电解系列电流最优值以指导生产。最 后利用s q ls e r v e r 数据库平台构建系统数据库，采用w i n s o c k e t 技术实现监控计算机与通信控制器的通信，并采用v i s u a lc + + 6 0 编程软件开发了监控系统应用软件。 该系统已成功应用于株洲冶炼集团锌电解供电过程综合自 动化中。工业应用结果表明，该系统较全面地实现了锌电解供电 过程优化和监控，达到了集中监控、无人值班的目的，并实现了 企业的节能降耗，取得了非常可观的经济效益。 关键词锌电解，供电，优化，监控 a b s t r a c t e l e c t r o l y s i si st h em a i nm e t h o do fs m e l t i n gn o n f e r r o u sm e t a l s s u c ha sz i n c ，a l u m i n i u ma n ds oo n e l e c t r i cp o w e ri st h ei m p o r t a n t e n e r g yw h e ne l e c t r o l y z i n gn o n f e r r o u sm e t a l s i ti sv e r yi m p o r t a n t f o re n h a n c i n gt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fz i n ce l e c t r o l y t i e p r o c e s s ，r e d u c i n ge n e r g ys o u r c e sa n ds w e l l i n gt h ee c o n o m i cb e n e f i t o ft h ec o r p o r a t i o nb ym o n i t o r i n g ，c o n t r o l l i n ga n do p t i m i z i n gt h e p o w e rs u p p l ys y s t e mo fz i n ce l e c t r o l y t i ep r o c e s s t h ec h a r a c t e r so ft h ee l e c t r o l y t i cz i n ca n di t sp o w e rs u p p l y p r o c e s sa r ea n a l y z e df i r s t l yi nt h i sp a p e r a f t e rc o n s i d e r i n gt h er e a l c o n d i t i o no ft h ez i n ce l e c t r o l y t i cp o w e rs u p p l yp r o c e s si nt h e z h u z h o um e t a l l u r g i c a lg r o u pt h es y s t e m sh a r d w a r ep l a t f o r mi s c o n s t r u c t e db yu s i n gm u l t i l a y e rn e t w o r ks t r u c t u r e t h em u l t i l e v e l h i e r a r c h i c a lr e a lt i m ec o n t r o ls y s t e ma r cg i v e nt o r e a l i z et h e m o n i t o r , c o n t r o la n do p t i m i z a t i o no ft h ez i n ce l e c t r o l y t i cp o w e r s u p p l yp r o c e s s t h e nt h ec h a r a c t e r sa n dt h ew o r kp r o c e s so ft h e s y s t e ma r ed i s c u s s e d t h ee l e c t r i cp o w e rc h a r g eo p t i m i z a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e do nt h ea i mo fm i n i m i z i n gt h ee n e r g ys o u r c e se x p e n s e a n dt h ee l e c t r i cp o w e rf e e s ap a r t i c l es w a r l na l g o r i t h mw i t h m u t a t i o ni su s e dt oo p t i m i z et h em o d e la n dg e tt h ez i n ce l e c t r o l y t i c s e r i e sc u r r e n tf o rg u i d i n gm a n u f a c t u r i n g t h es y s t e m sd a t a b a s ei s b u i l tb yu s i n gs q ls e r v e rd a t a b a s ep l a t f o r m t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h em o n i t o ra n dc o n t r o lc o m p u t e r sa n dt h ec o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e r si sr e a l i z e db yu s i n gw i n s o c k e tt e c h n o l o g y a tl a s tt h e s o f t w a r eo ft h em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n g v i s u a lc + + 6 0p r o g r a m m a b l es o f t w a r e t h es y s t e mi ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oi n t e g r a t e dp o w e rs u p p l y a u t o m a t i o no ft h ez i n ce l e c t r o l y s i si nz h u z h o um e t a l l u r g i c a lg r o u p t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a st o t a l l yr e a l i z e dt h e f u n c t i o no fz i n ce l e e t r o l y t i co p t i m a z a t i o n ，m o n i t o ra n dc o n t r 0 1 a n d t h ep u r p o s e so fc e n t r a l i z e dm o n i t o ra n dk e e p i n gu n m a n n e dd u t ya r e r e a l i z e d i ta l s o g e t sg r e a ts u c c e s si ne n e r g ys a v i n ga n dg r e a t l y i n c r e a s e se c o n o m i ce f f i c i e n c y k e yw o r d sz i n ce l e c t r o l y s i s ，p o w e r s u p p l y , o p t i m i z a t i o n ， m o n i t o ra n dc o n t r o l m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：丑丝趣 日期：缨年上月丝日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 日期：蛰年互月丝日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源、背景及意义 课题来源于国家自然科学重点基金项目“面向节能降耗的有色冶金过 程控制若干理论与方法研究”( 6 0 6 3 4 0 2 0 ) 以及国家高技术研究发展计划8 6 3 项目“锌电解过程节能降耗智能集成优化控制技术与应用” ( 2 0 0 6 a a 0 4 2 1 8 1 ) ，以湖南省株洲冶炼集团供电系统综合自动化项目为应用 背景。 锌冶炼包括火法冶炼与湿法冶炼两种方法。随着各国对环保要求的日 趋严格，湿法冶炼成为有色金属工业中生产锌的主要方法，世界上9 0 的 锌都是用湿法冶炼技术生产出来的。锌的湿法冶炼是一个十分复杂的物理 化学过程，整个冶炼过程主要由以下几个子过程组成：锌精矿的焙烧、锌 焙砂的浸出、硫酸锌溶液的净化和硫酸锌溶液的电解沉积。其中，硫酸锌 溶液的电解过程是最大的电能消耗过程，其消耗电量约占整个锌湿法冶炼 过程耗电量的7 5 8 0 t u ，这在很大程度上影响着锌产品的生产成本。因 此，如何在锌电解中减少电能消耗、降低用电费用是锌湿法冶炼行业一个 值得深入研究和探讨的课题。 我国电力部门为提高功率因数和用电效率，改变过去的用电不合理的 状况，采用了新的电费计价方法，即峰谷计价方式。针对这种情况，如果 在保证产量的前提下，在不同的用电负荷段采用不同的电流密度进行锌电 解，即在计价费用低的用电低谷段，采用较高的电流密度生产，在计价费 用高的高峰段，采用较低的电流密度生产，则可以显著降低锌电解过程的 用电费用。但是，电流密度过高或过低，将会导致锌析出状况差、电能消 耗高、电流效率低等情况。因此，综合考虑锌电解生产状况和供电系统运 行状态，探索研究电解过程供电的优化分配问题，保证以最低的电能消耗、 较高的电流效率、最低的用电费用进行生产，不仅可以给企业带来巨大的 经济效益，而且，合理的负荷分配对于平衡电网负荷、确保电力设备的安 全稳定运行也是极有意义的，其经济效益和社会效益也是不可估量的。 电力系统的监视与控制是对电力系统运行状态进行在线监视并对远 方设备进行操作控制，其目的在于保障电力系统的安全经济运行；监视是 指对电力系统运行信息的采集、处理、实现、报警和打印，以及对电力系 统异常或事故的自动识别；控制则是指通过人机联系工具对断路器、隔离 硕士学位论文 第一章绪论 开关等设备进行远方操作；监控系统是供电系统信息化的基础，是实旅企 业资源规划的基础信息来源之一，对提高企业信息化程度及企业生产效 率，保障设备的安全可靠运行，增强企业的经济效益具有非常重要的意义。 1 2 锌电解供电系统国内外现状 要提高锌电解供电系统运行的可靠性及经济性，最基本的方法就是提 高整流变电站运行管理的自动化水平，以微机化的新型二次设备取代传统 使用的分立式设备。集保护、控制、监测及调度等功能为一体，做到设备 共享、信息资源共享，使变电站设计简捷、布局紧凑，运行更加安全可靠。 锌电解供电系统的综合自动化的发展与应用首先是建立在铝行业。而 铝行业整流所综合自动化的发展和应用是建立在电力系统综合自动化的 基础上的1 2 l 。 国外变电站自动化技术始于2 0 世纪7 0 年代中后期。英国、意大利、 法国、西德、澳大利亚等国均于7 0 年代末新装了微机型远动装置，个别 有用1 6 位小型计算机的。1 9 8 1 年5 月在英国召开的第6 届国际供电会议 的有关文章指出，变电站监控系统的功能正以综合自动化为目标迅速发 展，除了具有遥测、遥信、遥控功能，还要具备寻找处理单相接地故障功 能、负荷管理功能、成组数据记录功能、自动重和闸及继电保护等功能。 德国西门子公司于1 9 8 5 年在德国汉洛威正式投运了第一套变电站自 动化系统l s a 一6 7 8 ，此后陆续在德国以及欧洲投运了3 0 0 多套该种型号的 变电站自动化系统。该系统结构有两类，一类是全分散式的系统，另一类 是集中和分散相结合的系统。两类系统均由6 m b 测控系统、7 s 7 u 保护系 统、8 t k 开关闭锁系统三部分构成。从此，变电站综合自动化在国外开始 得到普遍的应用。 日本在2 0 世纪9 0 年代也在其新建和扩建的高压变电站采用了以计算 机监控系统为基础的运行支援系统【4 l 。其主要特点是继电保护装置下放至 开关现场，并设置微机控制终端，采集测量值和开关接点信息，通过光缆 传输至主控制室的后台计算机系统，开关及隔离开关操作命令也由主控制 室通过光缆下达至终端执行。主控制室计算机系统采用双以太网。保护有 直接置于各高压开关旁密闭箱内的，有置于开关附近保护室内的。 美国变电站自动化技术目前投运的大体有三类：一类是以远动终端设 备( r 1 u ，r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 为基础进行实时数据采集，配置微机作当 地功能，并和上级调度中心通信；另一类以通用计算机为数据采集设备， 2 硕士学位论文 第一章绪论 不但采集实时数据而且建立历史数据库，并通过计算机网( 以太网) 与远程 工作站联络；第三类采用m o d b u s p l u s ( 1 m b i t s ) ，保护监控i 0 等部件 均通过规约转换器( g a t e w a y ) 接入该网，并通过r t u 与调度中心联系，网 上标准计算机建立实时、历史数据库和提供人机联系画面等。 现在，国外大多数变电站都实现了综合自动化及无人值班方式。最早 的应用是在八十年代后期新建的大量预焙电解系列的整流供电站，早期应 用主要是以监控为主，采用微机进行监控，保护独立。到9 0 年代初期， 电力系统综合自动化应用己日趋完善，在新建的铝厂中开始采用综合自动 化系统。 国内铝厂综合自动化技术的发展比国外晚，八十年代末九十年代初从 国外引进了大型预焙电解生产系列的技术后，微机监控技术应用于整流变 电所开始起步【5 】。到1 9 9 6 年，由于国内电力系统综合自动化技术的应用越 来越成熟，铝行业第一套集保护、控制、测量管理于一体的综合自动化系 统在云南铝厂“九五”技改工程的2 2 0 k v 整流变电站工程上开始应用1 6 1 。 该系统采用美国w e s c o n 公司技术和美国s e l 公司的保护单元，构成了 完整的综合自动化系统。开创了国内铝电解整流所使用综合自动化系统的 先侧，为整流供电综合自动化技术的发展总结了许多实践经验，也为锌电 解供电综合自动化系统奠定了一定的基础。 1 3 负荷优化分配现状与常用优化算法 国内有色金属冶炼企业一般采用固定电流密度或者说恒定电流强度 的供电方式组织电解生产，针对电力部门市场化的电费政策，国内少数锌 湿法冶炼企业为了降低电解过程中的用电费用与能耗，通过人为的方法适 当调整电解负荷。文献【7 ，8 】提出了通过降低槽电压、实施移峰填谷方式生 产的方法来降低电解过程中的用电费用与能耗。但这通常是建立在人为经 验上的，难以综合考虑电解生产过程中工艺参数的影响和供电系统状态， 无法同时保证电解生产过程和电解供电系统的优化运行。 目前对负荷优化的研究多是集中在对火电厂发电机组的优化上。优化 技术是一种以数学为基础，用于求取各种工程问题优化解的应用技术。作 为一个重要的科学分支，它一直受到人们的广泛重视，并在科学、经济以 及工程领域得到迅速推广和应用。鉴于实际工程问题的复杂性、约束性、 非线性以及多局部极小等特点，传统的优化方法如牛顿法、共轭梯度法、 单纯形法和p o w e l l 法等往往不能有效得到最优解。因此，寻求适合于工程 3 硕士学位论文第一章绪论 实践需求的高效智能优化算法已经成为科学工作者的一个重要的研究目 标。 自2 0 世纪8 0 年代以来，一些新颖的优化算法，如遗传算法、禁忌搜 索、粒子群等，通过模拟或揭示某些自然现象或过程而得到发展，其思想 和内容涉及数学、物理学、生物进化、人工智能、神经科学和统计力学等 方面，为解决复杂问题提供了新的思路和手段【9 】。这些算法独特的优点和 机制，引起了国内外学者的广泛重视并掀起了该领域的研究热潮，且在诸 多领域得到了成功应用。在优化领域，由于这些算法构造的直观性与自然 机理，因而通常被称作智能优化算法，或称现代启发式算法。 1 3 1 遗传算法 遗传算法( g a ) o 】是目前广泛研究和应用得模拟自然界生物进化过程 的组合优化算法1 1 1 , 1 2 j 。遗传算法是一个框架性的算法，可以根据具体问题 进行不同的考虑。文献1 1 3 将遗传算法应用于机组组合问题，为克服简单遗 传算法过早收敛的缺陷，引入变化性质函数技术，并对具体问题加入特殊 的算子。文献【1 4 1 用遗传算法解决机组组合和经济调度问题，在机组组合问 题中，用惩罚项的办法处理约束。 遗传算法的优点是：对目标函数形态没有特殊要求，从理论上来说可 以找到全局最优解；可以得到多个可选方案；方法比较灵活，可以考虑多 种约束；适合于并行处理。其缺点是：本质上属于无约束优化算法，如何 处理约束条件将在很大程度上影响算法的效率；由于是随机优化算法，不 能保证得到全局最优解；计算量比较大，所需时间长。 1 3 2 禁忌搜索算法 禁忌搜索算法是一种人工智能算法，是局部搜索算法的扩展，它的一 个重要的思想是标记已得到的局部最优解，并在进一步的迭代中避开这些 局部最优解。采用了t a b u 表技术及“特赦规则”，以避免陷入局部最优解 和失去全局最优解。 禁忌算法最重要的特征是禁忌对象和长度选取，候选集的生成，评价 函数的选取。在电力负荷分配中一般选用目标函数作为评价函数，目标值 是一个非常直观的指标，目标函数作为评价公式比较容易理解，评价函数 的作用是选取候选集中的元素。所谓禁忌就是禁止重复前面达到的局部最 优的状态，在计算过程中解的状态是不断变化的，状态变化主要归结为三 种形式：简单的解的变化，解向量的分量变化和目标值的变化。应用中根 4 硕士学位论文 第一章绪论 据实际情况采用一种来确定采用的禁忌对象。禁忌长度是被禁对象不允许 选取的迭代次数，它是可以变化的数，它的变化是依据被禁对象的目标值 和领域的结构确定的【”1 。 禁忌算法的搜索速度很快，但是它对初始解的依赖性很强，一个好的 初始解可以是禁忌算法在解的空间很快的搜索到更好的最优解。禁忌搜索 是单对单的操作，初始解只能有一个，每一次移动也只能移动一个解。 1 3 3 粒子群优化算法 粒子群优化算法1 1 6 ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，简称p s o ) 是源于群 体智能和人类认知的学习过程而发展的另外一种智能优化算法。p s o 与遗 传算法有些类似之处。首先，它们都是基于群体的优化技术，亦即有多条 搜索轨迹，显示出较强的并行性。其次，无需梯度信息，只需利用目标函 数的取值信息，具有很强的通用性。但是，p s o 比遗传算法更简单，操作 实现也更方便。 p s o 的基本模型最早是由美国的k e n n e y 博士和e b e r h a r t 博士于1 9 9 5 年提出的。两位研究者提出的p s o 基本模型同遗传算法类似，是一种基于 迭代的优化工具，但是在算法实现过程中没有交叉和变异操作，而是以粒 子对解空间中最优粒子的追随进行解空间的搜索 文献【1 7 】中，s h i 等提出惯性权重的概念，并对基本模型的粒子速度更 新公式进行修正，以获得更佳的全局优化效果。在这篇文献中，作者还提 出采用随时间递减的动态惯性权值设置方法以提高算法的有效憔和可靠 性。文献 1 8 d i a 又提出了使用模糊控制系统自适应调整惯性权值和针对动 态优化问题的随机惯性权值等方法。 文献 1 9 】系统地分析了不同的种群拓扑结构对p s o 算法效能的影响， 以说明构造种群结构的基本原则。文中分析了影响种群结构的节点连接方 式、节点聚合问题、节点间最短平均距离，以及拓扑结构与具体优化问题 的相关性等问题，为具体优化问题的p s o 算法种群结构调整提供了理论基 础。 文献【2 0 】使用了不同连接拓扑的p s o 进行实验。实验结果都表明了选 择一种合适的邻近群拓扑，对算法性能的影响是明显的，然而没有一种邻 近群拓扑对所有基准函数都是最合适的，具体选择哪一种邻近群拓扑与具 体的问题有关。 文献 2 l 】中，c l e r e 和k e n n e d y 针对p s o 的基本原理和工作方式进行 了深入剖析，在分析了离散时间和连续时间两种不同情况下粒子运动轨迹 5 硕士学位论文 第一章绪论 的基础上，对于p s o 原型动态性能不理想的问题，以及基于粒子速度控制 的搜索轨迹保持问题，提出了一种可全面描述p s o 系统的五坐标描述方 式，并利用其建立了算法的一般模型。另外，文中通过对算法基本公式由 繁到简和由简到繁的两次逆变分析过程，提出了添加所需的运算系数，从 而实现对算法收敛趋势的控制。 粒子群优化算法，可以解决几乎所有的优化问题，或者是可以转换为 优化问题进行求解的问题。其中最具有应用前景的领域包括多目标问题的 优化、系统设计、分类、模式识别、生物系统建模、规划、信号处理、决 策和模拟等。目前，在模糊控制器的设计、车间任务调度、实时机器人路 径规划、图像分割、e e g 信号模拟、语音识别、烧伤诊断以及探测移动目 标等方面已经有成功应用的先例1 2 2 2 3 1 。文献【2 4 】中采用p s o 对神经网络进 行了优化，并利用其设计电力变压器的智能保护机制。研究证明，在神经 网络优化应用中，p s o 能够适应大多数网络结构( i e 反馈、回归网络等1 或 训练方法( 反向传播、径向基函数等) ，并再次显示了其简洁有效的特点 文献1 2 5 利用p s o 实现对卫星无线网络路由的自适应调整，以提高网络容 量的有效利用率。文献 2 6 冲将p s o 用于p c h a ( 剖面波状喇叭天线) 的设 计优化，并与g a 的优化效果进行了比较，在此基础上又研究了二者混合 应用的可行性。其中所完成的一系列实验证实p s o 作为一种新型的优化算 法具备解决复杂工程优化问题的能力。文献2 7 利用p s o 实现了对各种连 续和离散控制变量的优化，从而达到了通过控制核电机组电流稳定输出电 压的目的，并设计了算法的二进制形式和实数形式混合运算的新版本。 1 4 论文研究内容及结构安排 在本论文中，对锌电解供电过程系统电力负荷优化分配与监控系统的 架构、电力负荷优化分配的实现过程以及监控系统应用软件的设计过程进 行了较为深入的研究。论文中对系统总体架构进行探讨，分析了系统的特 点。在对锌电解工艺过程以及影响锌电解过程的因素进行分析的基础上， 给出了锌电解整流供电过程电力负荷优化分配的数学模型，并采用带变异 的自适应粒子群优化算法对优化问题进行了求解。然后研究了监控系统应 用软件的设计过程，包括监控系统软件的总体框架、数据库的设计、通信 的实现以及人机界面的设计。 论文的章节安排如下： 第一章为绪论，介绍了课题的研究背景、目的和意义，并介绍了锌电 6 硕士学位论文 第一章绪论 解供电系统的国内外研究现状、负荷优化分配现状与常用的优化算法，最 后是研究内容和论文的章节安捧。 第二章针对株洲冶炼集团的锌电解供电系统的实际情况，设计了系统 架构。对系统的工作过程进行了分析。对系统中的关键设备进行了介绍， 并对系统架构的特点进行了分析。 第三章阐述了电力负荷优化分配问题数学模型的建立过程和求解方 法。分析了影响锌电解过程的因素，讨论了锌电解过程参数模型，建立了 锌电解负荷优化分配数学模型。紧接着提出了一种智能优化算法带变 异的自适应粒子群算法( a p s o w m ) ，将a p s o w m 算法应用于该优化模型求 解，并进行了仿真，给出了仿真结果。 第四章分析了监控系统应用软件的总体设计，给出了监控系统应用软 件的总体框架。对系统数据库的分类进行了描述，采用接口技术实现了对 系统数据库的访问。然后分析了系统通信功能的实现过程，最后对监控系 统的人机界面进行了介绍。 第五章介绍了该系统在株洲冶炼集团的实际运行情况，并对工业应用 情况进行了分析。 结束语中对论文的工作进行了总结，同时针对实际应用的进一步工作 提出了想法。 7 硕士学位论文 第一二章系统总体架构 第二章系统总体架构 2 1 锌电解过程供电网络概况 株洲冶炼集团是中国大型有色金属企业之一，拥有铜、铅、锌、金、银、钴 等二十余种产品，年生产能力已达到4 5 万吨，其中电锌生产能力达3 2 万吨。锌 冶炼采用湿法冶炼、电解沉积生产电锌的方法。株洲冶炼集团电解过程供电网络 如图2 1 所示。 网 圉2 - 1 株冶电解i 圭程整流供电网络图 供电分厂接收来自供电局的2 2 0 k v 高压电经过变配电后送给各用电单位。 电解整流供电系统主要包括锌供电系统和铅供电系统。锌供电系统包括i 整流所 和整流所，i 整流所为i 、系列电解槽供电，l i 整流所为v 、 系列电解槽供电。 其中，i 整流所由4 0 2 、4 0 4 、4 4 0 三条3 5 k v 进线经过3 5 k v 高压母线及多 路油开关向1 8 台变压器供电。1 8 台变压器依次为：l l o 整变、l o 整变、9 0 整变、 8 4 整变、7 0 整变、6 “整变、5 0 整变、矿整变、2 4 所变、2 圹变、3 0 厂变、3 4 整变、 2 0 整变、l 妒4 变、l 。所变、l 。整变、1 3 。整变、1 2 。整变。l # 、矿、3 0 厂变为全厂动 力变压器，提供全厂动力用电；l 、2 0 所变为所内用电变压器，提供整流所内的 照明系统、水泵系统等用电；l 扩、矿、8 0 、矿、矿、3 0 、1 2 8 变压器经过半控桥式 可控硅整流装置向直流母线供电：l i o 、4 0 变压器经过超前整流机组向直流母线 供电；l # 、矿、5 0 、1 3 4 变压器通过二极管整流装置向直流母线供电8 0 0 v 直流 母线通过直流刀闸开关和联络开关分别对i 、i i 、四个直流电解系列供电， s 硕士学位论文第二章系统总体架构 且保证各系列直流电流依据工艺要求而基本平衡。 l i 整流所由4 0 2 、4 0 4 两条3 5 k v 进线经过3 5 k v 高压母线及隔离开关向l o 台变压器供电。其中l o 、2 0 厂变为全厂动力变压器，提供全厂动力用电；l 。所变 为所内用电变压器，提供整流所内的照明系统、水泵系统等用电；l 。、3 。、穸、 7 0 变压器通过二极管整流装置向直流母线供电；少、矿、8 。变压器经过三相全控 桥式可控硅整流装置向直流母线供电。7 1 0 v 直流母线通过直流刀闸开关和联络 开关分别对v 、三个直流电解系列供电，且保证各系列直流电流依据工艺 要求而基本平衡。 2 2 系统总体架构 2 2 1 系统架构及工作过程 根据株洲冶炼集团有限责任公司锌电解整流供电过程概况，应用分层分布式 嗍结构，采用企业内部网、以太网 2 9 1 和现场总线1 3 0 , ”1 多层网络结构搭建系统硬件 平台，构成一个多层实时递阶控制系统，分别在总调度层、分调度层、工段层设 置优化计算机与监控计算机。系统架构如图2 - 2 所示。 l 直漉电力管理1 分调度级 黻冈崮由 i 整流机组 ii 。| i 优化运行ii 一”i 双以太同 i 通信控制嚣i l ( r a 一o 工段级 整流机组电流 智能数字化控镧 现场级 图2 - 2 系统架构 系统主要共由电力负荷优化分配、整流机组优化运行、整流机组电流智能数 字化控制、各级监控四大子系统组成。 在锌电解过程中，电流密度在一定范围的调整不会引起锌电解生产状态的波 动，一般来说，电流密度高时锌的析出速度快，电流密度低锌的析出速度慢。因 9 硕士学位论文 第二章系统总体架构 此，操作人员可以根据供电系统运行状态适当调整电解负荷以降低电解过程的电 能损耗和用电费用，但是电流密度过高或过低，会带来析出状况差、电流效率下 降等影响。 电力负荷优化分配子系统的目的就是综合考虑锌电解生产状况和供电系统 运行状态，探索研究电解过程供电的优化分配问题，从而提高电解供电系统的电 能利用率、降低用电费用，为企业带来巨大的经济效益。 通过分析影响锌电解过程的因素；在不同生产条件f 电流密度、电解液中硫 酸及锌的浓度) 下，模拟生产现场的环境( 电解液温度、电解液的纯度以及电解液 中添加剂的使用情况等1 ，进行锌电解试验。试验获取了不同硫酸及锌的浓度、 不同电流密度下，在一定的电解时间内对应的槽电压、析出锌量、电流效率以及 电耗的数据。利用实验所得的一系列数据进行分析处理，得到在不同硫酸及锌的 浓度的情况下，电流密度与电流效率以及电流密度与槽电压的关系，最终建立锌 电解过程电力负荷优化分配模型，并采用带变异的粒子群优化算法对优化模型进 行求解，得出各时段系列电流的最优值，下达给整流机组优化运行机。 整流机组优化运行子系统的目标是：在满足总调分配的直流供电量的前提 下，协调好多台整流机组的组合状况，并合理分配各台整流机组的电流，使得供 电过程中的损耗最小，达到节能的目的，从而获得最高的整流效率。这是一个带 约束条件的多目标组合优化问题，求解问题的关键在于建立整流供电系统优化控 制模型和选择多目标优化算法。 整流机组优化运行子系统的工作过程为：系统接收来自电解过程电力负荷优 化分配子系统设定的各系列电流值，通过整流机组优化运行控制器决定机组投运 组合和各机组电流分配值，再通过档位控制器控制每台机组的电流，从而改变系 列电流输出值。而系列电流又反馈给整流机组优化运行控制器由优化控制器进行 偏差调节。 整流机组优化运行控制器的任务就是分配机组电流给定值，同时由反馈回来 的系列电流实际值与各台机组电流给定值之和进行偏差比较，由偏差再对机组电 流给定值进行修正，从而实现智能优化。整流机组优化运行整体结构如图2 3 所 示。 图2 3 中，厶舞表示系列电流给定值，厶旅示系列实际电流输出值，m 表示 电解槽系列数。辨表示机组电流给定值，正。口表示机组电流实际输出值，以表 示某一系列的整流机组数。 整流机组电流智能数字化控制子系统由上位工控机、可编程逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l o r 即p l c ) 和全数字恒流触发控制器组成，采用双闭 环结构。外环为系列电流控制环，由上位工控机进行优化；内环为单台机组电流 1 0 硕士学位论文 第二章系统总体架构 闭环控制。其中二极管整流机组经基于p l c 的档位控制器自动调节调变档位， 可控整流机组由档位控制器自动调节调变档位进行粗调，再由全数字恒流触发控 制器进行细调，保证稳流精度，并设计欠支路和过流保护功能，确保整流供电系 统安全可靠运行。 1 镛 图2 - 3 整流机组优化运行整体框图 上位机优化系统完成系列电流的大闭环控制，在满足锌电解需电量和功率因 素要求的前提下，以尽量提高整流效率、减少供电过程中电能损耗为目标，对电 力负荷优化分配的电流进行整流机组的优化，自动选择组合投入的整流机组和各 投入机组的最佳电流分配值，将各台机组电流传递给基于p l c 的档位控制，由 p l c 与全数字恒流触发控制器进行协调控制，既保证电解槽系列供电量，又保证 整流系统经济运行。 由电力负荷优化分配子系统优化得到的系列电流给定通过以太网传输至整 流机组优化运行子系统，整流机组优化运行子系统计算出各机组给定电流后通过 以太网传输至安装在各整流所控制室的远程控制终端( r e m o t et e r m i n a lu n i t 即 r t u ) 上，r t u 通过m o d b u s 总线将各机组给定电流传输给安装在现场的档位 控制器，档位控制器通过r s 4 8 5 总线将机组给定电流传输至全数字恒流触发控 硕士学位论文 第一二章系统总体架构 制器。信号的传递过程如图2 4 所示。 由图2 _ 4 可以看出，系统中的控制信号如系列电流、机组电流等的传递通过 网络进行。为了保证传输的安全可靠性和控制的实时性及可靠性，采用双以太网 与双r t u 的方式构建网络结构。 实际 系列电流 图2 - 4 信号传递过程图 2 2 2 系统中关键设备的选型 系统在总调度级、分调度级与整流所设置优化计算机与监控计算机，实现对 锌电解整流供电过程的优化与监控。系统硬件结构如图2 5 所示。 图2 - 5 系统硬件结构 1 2 硕士学位论文第二章系统总体架构 图中第一层为总调度层，由电力负荷优化分配计算机和调度监控计算机组 成，这两台计算机放置于总调度室：第二层为分厂调度级，由两台直流电力管理 计算机组成，放置于供电分厂调度室；第三层为工段层。由i 整流所监控计算机、 i 整流所通信控制器d 2 0 0 ( 两台1 、整流所监控计算机、i i 整流所通信控制器 d 2 0 0 ( 两台) 、整流机组优化运行机、2 2 0 k v 总降通信控制器d 2 0 0 ( 两台) 和两台 l e d 大屏幕显示器组成。i 整流所监控计算机与l i 整流所监控计算机分别监控 所辖范围内的供电过程，并分别通过各自的l e d 大屏幕显示器进行显示，以便 使工作人员了解现场供电状况；第四层为安装在各现场的电压电流检测装置、直 流强电测量仪和各系列电解槽的整流装置组成。 电力负荷优化分配计算机与调度监控计算机通过企业内部网络与直流电力 管理计算机相连；直流电力管理计算机与整流所监控计算机通过双以太网与各通 信控制器d 2 0 0 相连，采用d n p 3 0 规约与通信控制器d 2 0 0 进行通信；工段级 设备通过现场总线与现场级设备相连，其中工段级设备与现场的电压电流检测装 置，直流强电测量仪( 远程终端装置) 问采用h d l c 现场总线相连，工段级设备与 各系列电解槽的整流装置采用m o d b u s 总线相连。 系统选用d 2 0 、d 2 5 作为远程终端装置，d 2 0 0 作为通信控制器。d 2 0 0 、d 2 0 、 d 2 5 为g eh a r r i s 公司生产的智能电子装置。图2 5 中两台d 2 0 0 完全处在并 行运行模式，其控制和数据处理由外部计算机和设备进行选择，任何一台都可以 作主处理机运行，当其中的一台故障时，设备能够自动切换到另一台d 2 0 0 系统 上运行；系统由全球定位系统( g l o a b a lp o s i t i o ns y s t e m 即o p s ) 实现系统时钟的一 致。系统选用l e d 大屏幕显示器作为监控系统的显示器。 l 、通信控制器 对于系统而言，由于同时采用了以太网、h d l c 总线和m o d b u s 总线进行 设备间的互连，要实现不同网络之间的相互通信，必须使用网络转换设备进行网 络协议的转换，以保证测控网络的可靠性和实时性，实现信息共享，同一监视和 操作控制。通信控制器的主要作用就是实现不同网络之间的相互通信和实现不同 网络协议间的相互转换。系统采用美国g eh a r r i s 公司生产的智能电子装置 d 2 0 0 ，作为通信控制器1 3 2 捌。智能电子装置( i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c e 即l e d ) 是 一台具有微处理器、输入输出部件以及串行通信接口，并满足各种不同工业应用 环境的嵌入式装置【弭j 。 d 2 0 0 具备处理电力系统各种测量和控制功能，同时具有强大通信能力，集 成了电压及无功控制、低频减载及自诊断的功能。d 2 0 0 既可以作为远程终端 r t u ) 应用在变电站的间隔层，也可以作为保护管理机应用在变电站的控制平台 1 3 ，l 。其功能结构如图2 - 6 所示。 1 3 硕士学位论文第二章系统总体架构 图2 - 6 中的各功能模块独立设计，各功能模块可以根据实际需要进行选择。 同时其所支持的通性接口是国际上得到了广泛应用的，例如工业以太网等。 系统选用了d 2 0 0 的绝大多数功能模块，例如交、直流模拟量输入等。d 2 0 0 与底层各测控单元间的通信采用h d l c 协议进行通信，与各监控子系统间采用 d n p 3 0 规约进行通信。 维护口i 闩 = 二二二 测量 厂蔼信撵酉电能质量监视 i 盘裂慧卜 可编程逻辑控制 等) 故障录渡 自诊断 图2 - 6d 2 0 0 功能结构图 2 、远程终端单元限e m o t et e m i n a lu n i t 即r t u ) 远程终端单元( r t i o 是安装在远程现场的电子设备，用来监视和测量安装在 远程现场的传感器和设备。r t u 将测得的状态或信号转换成可在通信媒体上发 送的数据格式。它还将从中央计算机发送来的数据转换成命令，实现对设备的功 能控制。r t u 已在各行各业的自动化系统中得到广泛应用口”9 l 。与常用的可编程 控制器p l c 相比，r t u 要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶 劣的温度和湿度环境，可提供更多的计算功能。 系统选用美国g eh a r r i s 公司的d 2 0 与d 2 5 采集现场的数据。d 2 0r t u 是g eh a r r i s 生产的用于s c a d a 系统中的中央控制产品。它由硬件和软件两 大部分组成。由一块( 或两块) d 2 0 m 主板和一块电源模块构成d 2 0 硬件的核心部 分，统称d 2 0 主机。此外，还可以选择性地配备各种外设模块f 比如d 2 0 a 板、 d 2 0 s 板、d 2 0 k 板、d 2 0 c c + & 、d 2 0 a c 板等、。 d 2 5 是g eh a r r i s 公司最新研制的新一代产品。它是一个针对间隔层单元 化设计的超级r t u ，可在超高压环境运行，它把电力质量监视，数字故障记录， 越限报警，故障检测，操作闭锁，同期检测，可编程逻辑控制，保护功能等集于 一个设置。它采取了与一次设备相对应的单元化设计。根据间隔电器设备的不同， 可灵活设置。根据硬件上不同的测量方式，测量线路数量选定所需模块，可大可 小，最大限度保证设备的利用率。 3 、全球卫星定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m 即o p s ) 随着人们对电力供给质量要求的不断提高，对电力测量和电力控制的实时性 和时间准确性也提出了更高的要求。全球卫星定位系统g p s 为卫星导航、定位 1 4 硕士学位论文第二章系统总体架构 和校时系统。g p s 信号接收机捕获到卫星信号，实时地计算出接收机所在的三维 位置、速度和时间 4 0 l 。基于g p s 时钟同步的应用系统在电力系统自动化领域中 已得到广泛推广1 4 1 - 4 3 1 系统中采用挂接在双以太网上的g p s 接收机捕获时间，同时由安装在d 2 0 0 和监控计算机上的对时软件进行时钟校准，以保证系统内时钟的一致。 4 、大屏幕显示器 目前市面上的大屏幕显示器主要有l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 即l c d ) 液晶 显示器、d l p ( d i g t a ll i g h tp r o c e s s i o n 即d l p ) 显示器、l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e 即l e d ) 发光二极管显示器等。其性能对比如表2 1 所示。 袁2 - 1l c d ，d l p 。l e d 显示器性能对比 由于系统显示的主要是系统的接线图、历史曲线、报警等色彩要求比较单一 的画面，同时基于性价比与环境的考虑，选用l e d 发光二极管显示器作为系统 的大屏幕显示设备。基于成本的考虑，选用的是红、绿两基色的l e d 大屏幕显 示器。l e d 大屏幕显示器与监控主机问通过以太网相连，以显示所要监控的画 面。 硕士学位论文 第二章系统总体架构 2 3 系统架构特点 系统在总调度级与工段级设置两级优化计算机，总调度级优化锌电解系列电 流，工段级优化锌电解整流机组电流，达到了节能降耗、降低企业锌电解成本、 提高企业经济效益的目的。 系统采用开放、分层分布式模式。厂级采用1 0 0 m 光纤以太网结构，通讯规 约符合t c p i p 标准；现场级网络采用现场总线网络，将多台现场智能设备相连 接，形成全数字化通讯网络。由于采用分层分布式控制方式，系统具有下列优点： ( 1 ) 在较低层实现不涉及整个系统性质的监控功能，不仅加速了控制过程的 实现，即提高了响应性能而且减轻了控制中心的负担，减