锌电解整流经济运行智能优化决策控制
摘要：科技进步、节能降耗、提高劳动生产率是当前企业提升竞争力的重要手段。本文对株冶锌电解七系列整流经济运行智能优化决策控制系统的结构、整流效率数学模型、系统控制原理和系列电流的闭环调节控制原理等方面进行了阐述。
关键词：电解整流，优化，整流效率，专家系统
1. 概述
能源是现代化社会前进与发展的物质前提与基础，节能降耗已成为全世界关注的主题。提高电能的利用率具有重大的社会效益和经济效益。电解是湿法锌冶炼中重要部分，其耗电量占整个工艺耗电量的75%以上。减少电能损耗、提高整流效率是锌电解直流整流工艺过程中减低生产成本的关键因数。
株冶集团公司主要生产线是消耗电能巨大的锌冶炼，电费计算是分时段分价计费，公司总调在综合考虑全公司生产负荷和电价因数后，协调分配一天中不同时段的直流供电量，随时发出电力负荷指标。因此，整流机组的合理投退，各运行机组电流的优化分配，是提高系列整流效率的重要组织措施。锌电解七系列电解整流为新建5万吨炼锌工程，开发锌电解系列整流机组经济运行智能优化决策系统，实现锌电解整流经济运行、提高整流效率、降低劳动强度、提高生产效率具有重大经济效益。
2. 系统结构
锌电解七系列电解整流由2套整流机组并列运行，一台为7#，另一台为8#，其中7#为二极管整流方式，8#为晶闸管整流方式。二极管机组直接用有载开关调节输出电流；晶闸管机组采用有载开关调节和数字触发器调节相结合，通过档位与导通角之间的配合使得输出电流稳定可靠。
锌电解系列整流机组经济运行智能优化决策系统由三部分组成：
综合自动化基础平台。
智能优化专家子系统。
整流机组电流全数字闭环控制子系统。
综合自动化基础平台是为了保障七系列的数据处理和综合自动化的可靠要求，综合自动化采用双机双网双后台监视的冗余结构[1]。A、B网通过光纤从主控制室延伸至七系列电解整流所现场。七系列电解整流所现场综合自动化采用间隔单元管理、集中分布。
智能优化子专家系统以综合自动化作为基础平台，接收MMI人机接口指令，利用不断丰富的数据库、知识库，依托推理机进行优化七系列直流供电运行方式和运行给定电流值。
整流机组电流全数字闭环控制采用双闭环调节。外环为系列电流控制环，由优化决策机精心进行优化决策与控制。内环为单台机组电流闭环控制。每台机组由PLC根据D25传送信息进行数据处理与判断，进行整流变压器有载开关档位的升降调节或向晶闸管数字触发控制器发送给定电流值。
图1是智能优化控制系统信息流程图。
3. 整流效率的数学模型
这种电解大电流、多机组并列整流实现无人值班、电流智能、自动优化控制的技术核心是创建合适的数学模型。对于株冶集团这种锌电解，决定电解电耗的因数是电解槽电压、电流效率及整流效率，其电耗关系可用下式表示：
式中:——电解电耗，kWh/t析出锌
——电解槽压，V
——电流效率，%
——整流效率，%
因此，要减低锌电解电耗，必须尽量降低槽电压，提高电流效率和整流效率。对于七系列电解整流而言，主要降耗措施是提高整流效率。这是因为七系列电解整流具有2套机组4台整流柜并列运行，每天不同时段的系列电流给定值不同。整流效率的高低的决定因数有：设备负荷百分比（经济运行点）、运行人员电流调节的随意性、环境温度、设备性能等，这就造成经济运行点是非线性的、离散性的，并且很难找出整流效率的最优解。利用传统方法来实现经济运行，具有很大的难度，且无法在线跟踪。
这种对含有高维数的各种损耗或效率计算的方法，理论上讲可能极为精确，但现实中却很难做到。本决策系统利用直流供电过程中，以动态寻优的方式达到同样的目的。即采用计算机专家系统思想，将现场操作经验和已有的相关知识结合起来，建立专家知识库，并在运行过程中使知识自动刷新，用合理的推理机制，提供最佳的直流供电方案。其计算公式为：
整流效率=直流电量/交流电量
在计算机中建立的整流效率（η）的数学模型为：
式中：Pd7、Pd8分别为7#和8#整流机组的直流电量，Pl7、Pl8分别为7#和8#整流机组的交流电量。
4. 控制原理
锌电解系列整流机组经济运行智能优化决策系统控制原理图见图2。
在自动控制方式下，根据系列总的给定直流电流进行决策优化，确定整流机组的给定电流值。通过综合自动化系统网络发送给定电流值进入每台机组PLC，由7#PLC控制调节7#整流变压器的档位，同时实时采样机组电流，进行反馈判断，如果超出所设定的误差范围，则进行调档，保证电流按照给定电流的输出。8#PLC根据给定的机组电流发送给数字触发器，由数字触发器对8-1、8-2晶闸管的导通角α进行控制，保证输出机组电流稳定且与给定电流相等，数字触发器调节完毕后，8#PLC会判断采样电流和导通角，为了提高机组的功率因数，导通角α应在一定的范围之内。如果采样电流超出误差范围且导通角超出设定范围，8#PLC将调节8#整流变压器档位，以保障采样电流与给定电流相等且导通角在设定范围（如0~13度）。
当PLC和数字触发器调节完毕，优化机将判断系列总电流。将系列反馈电流与MMI给定电流比较，将反馈直流功率与交流输入功率比较，计算整流效率，如果电流或整流效率连续累积超出设定偏差，则自动优化专家系统将进行智能分析，重新分配每台机组电流，形成新一轮的给定电流调节。
整个系统设计思路就是建立在数字触发器闭环调节、PLC闭环参与的闭环调节、智能优化决策机闭环调节。从而使系统自动经济运行。
5. 整流机组电流全数字闭环控制
整流机组电流全数字闭环控制子系统由优化决策机、PLC和数字调节器组成，采用双闭环结构，外环为系列电流控制环，由优化决策机进行优化决策与控制。内环为单台机组电流闭环控制。其中二极管整流机组经PLC自动调节整变有载开关档位完成，晶闸管机组由PLC自动调节整变有载开关档位进行粗调，再由数字调节器进行细调，保证稳流精度。
5.1 数字触发控制器
目前，国内有多个厂家或研究机构生产数字触发器，但均为数模混合控制器，即它的稳流调节系统和触发系统是两个部分，没有有机地结合在一起，不能充分发挥数字控制系统智能化控制优势。本方案采用专门用于大功率晶闸管整流电路的自动控制全数字触发器。
触发器结构：
它是由三部分组成：触发控制器、人机交互模块和电源模块组成。其中触发控制器又由：同步电路、单片机、反馈电流采样模块、脉冲输出模块、通讯模块所组成。触发控制器是装置的核心。
控制器原理：
控制器采用数字PI算法，框图见图3。整流机组一旦运行，控制器外部条件成立，控制器获取采样反馈电流y（k），通过与给定电流进行比较，其偏差值e（k）作为PI调节器的输入，通过PI调节，输出一与同步电源具有一定相差（或同步）的矩形脉冲u（k）。u（k）经隔离、放大后控制晶闸管的导通角。
特点：
采用改进形PI算法进行电流闭环调节，可使给定与输出电流偏差达到0。
装置为智能型免维护结构，维护简单。
采用全数字触发，a角理论上达到零度，因而整流效率和功率因数高。
由不断运算的alfa值控制a角的变化，输出电流快，稳定跟随给定电流。
5.2 PLC控制模块功能
PLC采用S7-300，它由CPU、DI/DO、AI/AO、通讯模块组成。编程软件采用STEP7V5.3。
软件结构：
自动化控制管理主程序
有载开关档位编码子程序
电流采用计算子程序
手动控制子程序
自动控制子程序
与上位机通讯子程序
与数字触发器通讯子程序
通讯功能
本PLC具有两种通讯功能：与上位机D25通讯采用MODBUS通讯协议；接受来自综合自动化的各种指令和控制数据，同时向D25发送整流机组各种数据。与下位机数字触发器通讯采用485点对点通讯协议，可以方便地实现一对多的通信，实现闭环全自动控制。
档位控制
档位控制分为手动控制和自动控制两大模块，手/自动的控制切换在MMI上由运行人员操作。当切换到手动控制状态后，PLC手动控制模块工作，运行人员通过MMI发送升降命令来控制整流变有载开关的升降操作。当切换到自动控制状态后，PLC自动控制模块工作，接受智能优化决策机的各种指令和D25的外部条件信号。
6. 智能优化专家系统
所谓专家系统（ES）就是一类智能计算机程序，它能够根据拥有的知识和推理步骤解决那些需要人类专家才能解决的困难问题。与一般常规计算机程序相比，ES具有以下优点：
它将知识的使用与知识本身相分离。
知识被符号化表示。
它可以解释为推理过程。
它必须象人类专家一样工作。
ES的基本结构：由人机接口、数据库、知识库、推理机等几部分组成。逻辑结构图见图1-5。
人机接口：
用于运行人员和管理员对程序进行初始化和运行参数设置的应用程序。
数据库：
数据库是计算机用来暂时存放用户提供的事实和推理的一些中间结果部分空间。随着用户对系统的不断使用，数据库中的信息在不断更新。
系统运行过程中自动储存历史数据，形成优化表数据库。
知识库：
知识库和推理机制是专家系统的主体。知识库是用来储存领域专家的知识和经验的地方。专家系统中常用的知识表示方法有产生式系统、谓词逻辑、框架结构、语意网络等。本系统采用产生式系统的方法来表示知识。它包括全局数据库和规则库。当运行人员向系统发送请求后（系列的负荷值），系统通过信息分析处理，经由一定的推理机制从知识库中找到相应的解答。
推理机：
专家系统的推理机的任务就是以一定的推理策略有效地选择知识库中的相关知识，针对用户提出的问题进行推理，得到用户需要的结论。推理过程流程图见图1-6。
7. 结束语
该系统现正服务于株冶集团锌电解七系列，实际应用中，发现在每天的电解开槽时段由于系列直流电压、电流频繁大波动，不便于“自动”运行，必须处于“手动”状态，正常情况下处于“自动”运行中，在“自动”状态下系列整流效率提高了0.35%；为株冶集团的节能降耗作出了巨大贡献。并且数字触发条件的晶闸管机组可以全开放或开环稳定运行，是本项目的另一收获。
【参考文献】
［1］程明等•无人值班变电站监控技术•中国电力出版社1999
