基于CPS架構(gòu)的鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控平臺(tái)研究與應(yīng)用

一、研究背景與問題鋼鐵企業(yè)的耗電量占全國(guó)耗電量的8%左右，鋼企平均自發(fā)電比例約49%，提高企業(yè)的自發(fā)電利用率對(duì)鋼鐵行業(yè)和電力行業(yè)意義重大，對(duì)減少碳排放作用較大。鋼鐵行業(yè)在常規(guī)工藝段的基礎(chǔ)及過程自動(dòng)化、生產(chǎn)管理信息化等方面取得了顯著進(jìn)展，相比工藝段，企業(yè)對(duì)電網(wǎng)關(guān)注度相對(duì)較低，缺乏對(duì)企業(yè)電網(wǎng)智能化方面的探索。鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)存在智能化運(yùn)維水平不高、電網(wǎng)運(yùn)行控制自動(dòng)化程度低下、企業(yè)電網(wǎng)信息化集成性不足、自發(fā)電量倒送外部電網(wǎng)從而無法充分利用、運(yùn)維管理信息化水平低、管理不規(guī)范、事故分析緩慢不準(zhǔn)確等問題，導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)自發(fā)電利用率較低，企業(yè)電網(wǎng)管理粗放，迫切需要開發(fā)一套應(yīng)用于企業(yè)電網(wǎng)的智能管控平臺(tái)。關(guān)鍵難題如下：1、企業(yè)電網(wǎng)中電源、電網(wǎng)、自發(fā)電機(jī)組和用電負(fù)荷之間沒有友好互動(dòng)和協(xié)調(diào)運(yùn)行，導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能化運(yùn)維水平不高，電網(wǎng)運(yùn)行控制自動(dòng)化程度低下，企業(yè)電網(wǎng)信息化集成性不足。2、鋼鐵企業(yè)冶煉負(fù)荷及軋鋼負(fù)荷頻繁波動(dòng)，導(dǎo)致企業(yè)電網(wǎng)關(guān)口電力潮流閾值難以準(zhǔn)確設(shè)定，自發(fā)電量倒送外部電網(wǎng)從而無法充分利用。3、電網(wǎng)潮流控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)的各個(gè)電源和負(fù)荷的協(xié)調(diào)控制，面臨著任意電網(wǎng)架構(gòu)下的快速動(dòng)態(tài)拓?fù)渥R(shí)別，以及信息快速傳遞的技術(shù)難關(guān)。4、為了提升電網(wǎng)潮流控制系統(tǒng)的控制策略及響應(yīng)過程的正確性、完整性和可靠性，需要建立模擬實(shí)際電網(wǎng)的仿真系統(tǒng)。二、技術(shù)解決方案企業(yè)電網(wǎng)智能管控平臺(tái)技術(shù)攻關(guān)路線如下：

圖1

企業(yè)電網(wǎng)智能管控平臺(tái)技術(shù)攻關(guān)路線企業(yè)電網(wǎng)智能管控平臺(tái)在技術(shù)攻關(guān)過程中面臨著如下的技術(shù)難關(guān)：1、全電網(wǎng)信息孤島。國(guó)內(nèi)外尚無一套用于企業(yè)電網(wǎng)的智能管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的體系架構(gòu)沒有可借鑒性；目前各變電站橫向之間互相孤立，信息沒有交互；要實(shí)現(xiàn)信息交換，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和對(duì)象模型。2、關(guān)口潮流閾值難以精準(zhǔn)確定。傳統(tǒng)的關(guān)口潮流閾值（即企業(yè)電網(wǎng)關(guān)口功率設(shè)定值）都是人工憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，設(shè)定裕量大；行業(yè)內(nèi)沒有準(zhǔn)確計(jì)算閾值的算法。3、電網(wǎng)潮流缺乏快速精準(zhǔn)控制。企業(yè)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以快速識(shí)別不同運(yùn)行方式下源、網(wǎng)、荷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制；傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，造成數(shù)據(jù)傳輸速度緩慢。4、控制策略無法在真實(shí)電網(wǎng)中熱試。各類電網(wǎng)仿真軟件無法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)信號(hào)的真實(shí)模擬。企業(yè)電網(wǎng)智能管控平臺(tái)將信息化系統(tǒng)和企業(yè)電網(wǎng)深度融合，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)運(yùn)行安全化、電網(wǎng)調(diào)度智能化、潮流控制自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集全景化、設(shè)備運(yùn)維規(guī)范化、事故處理智慧化的核心功能，大幅提升了企業(yè)電網(wǎng)智能化管理水平，幫助企業(yè)最大限度利用自發(fā)電量、減少人員成本、節(jié)省電費(fèi)開支、減少停電損失、降低運(yùn)維成本。該項(xiàng)目對(duì)企業(yè)電網(wǎng)關(guān)口潮流實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制，使企業(yè)電網(wǎng)的運(yùn)行控制方式及管理模式得到重大轉(zhuǎn)變。三、主要技術(shù)內(nèi)容與創(chuàng)新本項(xiàng)目研究目的就是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷自動(dòng)潮流快速控制、供配電設(shè)備全生命周期管理和電網(wǎng)故障的精確定位、實(shí)時(shí)分析及提前預(yù)警，全面解決鋼鐵廠內(nèi)部電網(wǎng)建設(shè)、管理、運(yùn)維中的各種問題。在本平臺(tái)的實(shí)施過程中，從以下五個(gè)方面著手開展研究：1、目前鋼鐵企業(yè)信息化建設(shè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是由于企業(yè)在信息化過程中缺乏一個(gè)整體的規(guī)劃，企業(yè)電網(wǎng)中電源、電網(wǎng)、自發(fā)電機(jī)組和用電負(fù)荷之間沒有友好互動(dòng)和協(xié)調(diào)運(yùn)行，導(dǎo)致企業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了大量的“信息孤島”，數(shù)據(jù)難以貫通共享，造成各系統(tǒng)數(shù)據(jù)重復(fù)采集，不能有效地共享信息，更不能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的自動(dòng)化和互動(dòng)化。針對(duì)這些問題，對(duì)企業(yè)電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化進(jìn)行研究，首次開發(fā)一套面向千萬噸級(jí)鋼鐵廠的企業(yè)電網(wǎng)智能管控平臺(tái)。

圖2

企業(yè)電網(wǎng)智能管控平臺(tái)系統(tǒng)圖2、傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)關(guān)口潮流控制，高度依賴于調(diào)度人員自身的經(jīng)驗(yàn)。一直以來企業(yè)電網(wǎng)關(guān)口潮流難以準(zhǔn)確預(yù)判，自發(fā)電量倒送外部電網(wǎng)從而無法充分利用都是困擾整個(gè)鋼鐵行業(yè)的一個(gè)重大難題，其中的關(guān)口潮流閾值的精準(zhǔn)確定及自備發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制是電網(wǎng)潮流控制系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)。研究多重目標(biāo)下鋼鐵企業(yè)的關(guān)口潮流控制和自發(fā)電計(jì)劃的定制方法，即在內(nèi)部電力潮流盡量不倒送回外部電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，如何最大限度的利用已有煤氣，提高自發(fā)電比率，降低企業(yè)用電成本。3、在電網(wǎng)潮流的控制中，電網(wǎng)拓?fù)渥R(shí)別是實(shí)現(xiàn)后續(xù)控制策略的核心基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制功能的關(guān)鍵技術(shù)。企業(yè)電網(wǎng)電氣量變化速度快，供電電源、廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組以及用電負(fù)荷之間距離遠(yuǎn)分布廣，實(shí)現(xiàn)信息在各變電站間的快速傳遞及處理是全電網(wǎng)潮流快速控制的瓶頸。進(jìn)行基于改進(jìn)型DFS算法的快速動(dòng)態(tài)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)的研究；實(shí)現(xiàn)從關(guān)口潮流達(dá)到閾值至發(fā)出調(diào)節(jié)指令70ms內(nèi)完成的電網(wǎng)潮流快速精準(zhǔn)控制。4、為了盡可能準(zhǔn)確的模擬潮流控制系統(tǒng)和機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)作用于真實(shí)企業(yè)電網(wǎng)的情況，需要模擬仿真企業(yè)電網(wǎng)從電磁暫態(tài)響應(yīng)（微秒級(jí)）到其熱力系統(tǒng)、繼電保護(hù)動(dòng)作、自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)（秒級(jí)）整個(gè)過程。對(duì)仿真計(jì)算主要有以下要求：能夠?qū)崿F(xiàn)潮流控制系統(tǒng)、機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)之間進(jìn)行毫秒級(jí)、海量數(shù)據(jù)的交換，以滿足對(duì)全網(wǎng)所有受控開關(guān)和發(fā)電機(jī)組全部控制信號(hào)的真實(shí)模擬；能夠接入潮流控制系統(tǒng)和機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)實(shí)物控制器，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真測(cè)試其輸入和輸出對(duì)電網(wǎng)的作用。5、針對(duì)鋼鐵企業(yè)變電站運(yùn)維管理信息化水平低、管理不規(guī)范、事故分析緩慢不準(zhǔn)確的難題，基于數(shù)據(jù)中臺(tái)技術(shù)開發(fā)鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維管理專家系統(tǒng)，攻克了電氣設(shè)備數(shù)據(jù)分散、難以集中管理的技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)了所有感知數(shù)據(jù)的貫通，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、加工，為企業(yè)變電站運(yùn)維提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：1、首次開發(fā)了適用于千萬噸級(jí)鋼鐵企業(yè)的智能管控平臺(tái)，采用了CPS體系架構(gòu)、以企業(yè)電網(wǎng)關(guān)口潮流控制為核心、以電網(wǎng)運(yùn)行安全為目標(biāo)，提高了企業(yè)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維水平，減少企業(yè)電網(wǎng)運(yùn)維人員90%以上。2、首創(chuàng)多目標(biāo)協(xié)同下的企業(yè)電網(wǎng)關(guān)口潮流控制算法和自備發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)電網(wǎng)關(guān)口潮流的精準(zhǔn)控制，使自發(fā)電量利用率提升。3、開發(fā)出適用于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的快速動(dòng)態(tài)拓?fù)渥R(shí)別技術(shù)，解決了潮流控制系統(tǒng)對(duì)源-網(wǎng)-荷拓?fù)潢P(guān)系需要進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)識(shí)別的難題；在鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了多級(jí)設(shè)備、多層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高速傳輸，達(dá)到70ms內(nèi)完成電網(wǎng)潮流的快速精準(zhǔn)控制。4、創(chuàng)建了交互式鋼鐵企業(yè)半實(shí)物仿真平臺(tái)，研究了實(shí)時(shí)化、可變步長(zhǎng)、支持實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)仿真技術(shù)，在1ms內(nèi)完成4000字節(jié)數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制策略的全面綜合優(yōu)化和驗(yàn)證。5、開發(fā)了鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維管理專家系統(tǒng)。降低設(shè)備故障率10%，節(jié)約設(shè)備檢修成本20%，大幅提升了跳閘事故原因分析的效率。四、應(yīng)用情況與效果本項(xiàng)目已成功應(yīng)用于豐南鋼鐵、石橫特鋼、臨沂鋼廠等多個(gè)環(huán)保搬遷項(xiàng)目，為企業(yè)提高智能化管理水平的同時(shí)，每年對(duì)千萬噸級(jí)鋼鐵企業(yè)節(jié)約費(fèi)用3億元以上，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，對(duì)進(jìn)一步提升鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排水平意義重大。本平臺(tái)于2019年3月首次在河北縱橫集團(tuán)豐南鋼鐵有限公司成功投入使用。通過本平臺(tái)的自動(dòng)控制，豐南鋼鐵發(fā)電設(shè)備、用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)了高效協(xié)調(diào)運(yùn)行，減員逾90%，自發(fā)電量利用率提升7%以上。節(jié)省電度電費(fèi)1.5億元/年、節(jié)約基本電費(fèi)1.79億元/年、節(jié)約人力費(fèi)用1008萬元/年，合計(jì)年