（电气工程专业论文）石化企业电气节能关键技术及应用的研制.pdf

石化企业电气节能关键技术及应用的研制 摘要 石化企业电气节能与管理优化系统完成对石化企业全厂运行设备的电气监 视、测量、控制和协调，通过采用先进的节能管理技术，优化企业管理结构与生 产现状，实现企业用电的集中监控、供电优化、能量平衡。 本文针对中国石化集团长岭分公司的需求，研究并开发了一套企业电气节能 集成监控与管理优化系统，完成对该企业各单位的模拟量、开关量、用电量等信 号集中监视，运用先进的智能优化模型，实现对全厂的精细化管理。本系统提高 了石化企业安全稳定运行水平、降低了运行维护成本、提高了经济效益。 首先，研制了一套企业电气节能集成监控与管理优化系统。研制针对高电耗 企业底层用电设备的高速现场总线实时监控网络，实现车问级的协同调控节能。 建立一套开放架构的企业电气节能集成化监控系统以及能量管理全局优化软件平 台。并且针对该厂目前存在的谐波污染和无功补偿问题给出了谐波动态治理和无 功动态补偿的研究方案和技术路线，以实现企业配电网低压侧的分布式多节点协 同优化无功补偿和谐波污染的动态治理。 其次，研制了一套企业级的电气集成节能管理系统。提出了一种引入电量预 测和竞争因子的电耗奖惩模型，对企业各单位的用电量进行监控并提供电耗的奖 惩依据；并建立了基于二层递阶优化的集团战略排产计划模型，在保证单位产品 生产消耗最小的同时实现集团利益最大化的优化目标；设计了一套班组智能管理 信息化软件，为企业班组级的精细化管理提供决策。 然后，针对石化企业长期运行后数据的海量性和分散性的实际情况，引入数 据融合和数据挖掘技术对数据进行处理，在详细研究了两种技术的应用情况后， 将数据融合技术与数据挖掘技术引入到对企业用电量的处理中来，以提供电耗预 测模型准确的历史数据。 最后，采用面向对象的编程方法和编程工具，开发了企业电气节能集成监控 与管理优化系统应用支撑平台，为迅速准确地获得企业各单位运行的实时用电信 息奠定了坚实的基础。在文中对数据采集与通信、电能量监视系统、电耗奖惩、 排产计划、智能报表生成、操作票自动生成等重要软件的实现技术进行了深入的 分析和研究。 本系统已通过验收，已在中国石化集团长岭分公司安全运行，经受了各种运 行条件的考验。通过对全厂的能量管理，很大程度上节约了能源，取得了良好的 社会效益和经济效益。 关键词：电气节能；管理优化；电耗奖惩；排产计划；班组管理；数据融合 硕 学位论文 a b s t r a c t e l e c t “c a l e n e r g y c o n s e r v a t i o na n d m a n a g e m e n to p t i m i z a t i o ns y s t e m i n p e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e si sd e s i g n e dt om o n i t o r ，m e a s u r e ，c o n t r o la n dc o o r d i n a t et h e e q u i p m e n t sr u n n i n g i nw h o l e e n t e r p r i s e a d v a n c e de n e r g y s a v i n gm a n a g e m e n t t e c h n i q u e sa r ea d o p t e dt oo p t i m i z em a n a g e m e n ts t r u c t u r ea n dp r o d u c t i o ns t a t u s ，s o t h a tc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g ，p o w e ro p t i m i z a t i o na n de n e r g yb a l a n c eo fe l e c t r i c i t y e n t e r p “s ea r er e a l i z e d a ne l e c t r i c a le n e r g yc o n s e r v a t i o na n dm a n a g e m e n to p t i m i z a t i o ns y s t e mf o r c h a n g l i n gb r a n c h ，s i n o p e c ，c h i n ai sd e s i g n e da n dr e a l i z e d i nt h i sp a p e r ，w h i c hc a n c o m p l e t et h es i g n a l sc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gs u c ha st h es i m u l a t i o nc a p a c i t y s w i t c h i n g c a p a c i t ya n dt h ep u l s es i g n a lv o l u m eo fp o w e rp l a n ta n ds oo n m o r e o v e r ，a d v a n c e d i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm o d e l sa r eu s e dt oa c h i e v er e f i n e dm a n a g e m e n t t h i ss y s t e m i n c r e a s e st h el e v e lo fs a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o n ，r e d u c e so p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e c o s t sa n di m p r o v e se c o n o m i ce f n c i e n c y f i r s to fa l l ，a ne l e c t r i c a le n e r g yc o n s e r v a t i o na n dm a n a g e m e n to p t i m i z a t i o n s y s t e mi sd e v e l o p e d a n dah i g h - s p e e df i e l db u s r e a l - t i m em o n i t o r i n gn e t w o r ka i m i n g a tb o t t o me l e c t r i c a le q u i p m e n t si sd e s i g n e dt or e a i i z ew o r k s h o pl e v e ls y n e r g yc o n t r o l e n e r g y - s a v i n g a no p e nf i r a m e w o r kf o re n t e r p r i s ee l e c t r i c a le n e r g y s a v i n gi n t e g r a t e d e n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o ls y s t e m a n dg l o b a lo p t i m i z a t i o ns o f t w a r ep l a t f o 珊 i s e s t a b l i s h e d a n df o rt h ee x i s t i n gp l a n th a r m o n i cp o i l u t i o na n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o np r o b l e m s ，f e s e a r c hp r o g r a m sa n dt e c h n i c a lr o u t ei nh a r m o n i cd y n a m i c c o n t r o la n dd y n a m i cc o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e ra r ep r o v i d e d ，s ot h a td i s t r i b u t e d m u l t i n o d ec o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o nr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i c p o l l u t i o nd y n a m i c a l l ye l i m i n a t i o ni nl o w v o l t a g es i d eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ko f t h e c o m p a n yi sa c h i e v e d s e c o n d l y ， as e to f e n t e r p r i s e c l a s s i n t e g r a t e de n e r g y - s a v i n g e l e c t “c a l m a n a g e m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e d ap o w e rc o n s u m p t i o nr e w a r d sm o d e li n t r o d u c i n g e l e c t r i c i t yf o r e c a s t i n g a n dc o m p e t i t i o ni s p r o p o s e d t om o n i t o rt h ee l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o no fe a c hu n i ta n dp r o v i d ei n c e n t i v e sb a s e do np o w e rc o n s u m p t i o n a n da g r o u ps t r a t e g yp r o d u c t i o np l a n n i n gm o d e l b a s e do nh i e r a r c h i c a lo p t i m i z a t i o n i s e s t a b l i s h e d ，w h i c he n s u r et h es m a l l e s tu n i to fp r o d u c tc o n s u m p t i o na n da c h i e v et h e o p t i m i z a t i o ng o a lo fm a x i m i z i n gc o r p o r a t ei n t e r e s t sa tt h es a m et i m e f u r t h e r m o r e ，a s e to f t e a m sa n dg r o u p si n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ti n f o 姗a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e df o r h i 石化企业电气节能关键技术及庸用的研制 p r o v i d i n gt h ed e c i s i o n m a k i n gf b rt e a m sa n dg r o u p sf i n em a n a g e m e n t t h e n ，f o rt h em a s sa n dd i s p e f s i o no fd a t aa f t e r al o n g - r u n n i n gt i m ei nt h e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，s p e c i a li n t r o d u c t i o no fd a t af u s i o na n dd a t am i n i n gt e c h n i q u e s f o rd a t ap r o c e s s i n gi sm a d e i nt h ed e t a i l e ds t u d yo ft h ea p p l i c a t i o no ft w o t e c h n o l o g i e s ，t h ed a t af i u s i o nt e c h n o l o g ya n dd a t am i n i n gt e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d ， w h i c hp r o v i d ea c c u r a t eh i s t o r i c a ld a t af o r t h ep o w e fc o n s u m p t i o nr e w a r d sm o d e l f i n a l l y ，o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o d o l o g ya n dp r o g r a m m i n gt o o l si s u s e dt oa c h i e v ea p p l i c a t i o ns u p p o r tp l a t f o r mo fe l e c t r i c a le n e r g ym o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n to p t i m i z a t i o ns y s t e m ，w h i c hi a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h er a p i da n d a c c u r a t ea c c e s st ob u s i n e s su n i t st om nr e a l t i m ei n f o m a t i o n d a t ac o l l e c t i o na n d c o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r i c i t ya n de n e r g ym o n i t o r i n gs y s t e m ， p o w e rc o n s u m p t i o n r e w a r d sm o d e l ，p r o d u c t i o np l a n n i n g ，i n t e i g e n tr e p o r tg e n e r a t i o n ，o p e r a t i o nt i c k e t g e n e r a t i o na n do t h e ri n l p o n a n ts o f t w a r ea r ed e e p l ya n a l y z e da n di n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r t h es y s t e mh a sb e e ni nt h es a f eo p e r a t i o ni nc h a n g l i n gb r a n c h ，s i n o p e c ，c h i n a ， e n d u r i n gt h et e s to ft h ev a r i o u sd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o n s ， w h i c hh a sb e e n c h e c k e da n da c c e p t e d t h r o u g ht h ew h o l ep l a n te n e r g ym a n a g e m e n t ，e n e r g yh a sb e e n l a r g e l ys a v e da n da c h i e v e dg o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：e l e c t r i c a le n e 玛ys a v i n g ；m a n a g e m e n to p t i m i z a t i o n ；p o w e rc o n s u m p t i o n r e w a r d sm o d e l ；p r o d u c t i o np l a n n i n g ；t e a m sm a n a g e m e n t ；d a t af u s i o n l v 硕十学位论文 第1 章绪论 本章概括介绍了“石化企业电气节能关键技术及应用的研制”的课题研究背景 以及课题来源，国内外研究状况及本课题的主要工作内容和组织结构等。 1 1 课题的背景及来源 中国的大型或特大型石化企业都是国有大中型企业，是中国经济的支柱企业 之一。企业的生产运营、经济效益在国民经济中有着举足轻重的作用。这类企业 的明显特征是原料及产品绝大部分为易燃、易爆、有毒且具有腐蚀性的物质；另 一方面，其生产过程连续性强，自动化程度高，技术错综复杂，生产设备种类繁 多，稍有不慎即有发生重大事故的可能，与此同时石化企业又是消耗能源的大户， 属于高电耗企业，其电气节能形势很紧迫l l 】。石油和化学工业是能源消耗和废弃 物产生的大户，每年能源消费量约占全国消费量的l7 ，废水、废气、和固体废 弃物排放量分别占全国工业“三废”排放的2 1 9 、1 1 和8 4 。因此，节能减排 是石油和化学工业可持续发展的必由之路。“十一五”对石油和化学工业的发展提 出了明确的目标：单位生产总值能源消耗降低2 0 、单位工业增加值用水量降低 3 0 、工业固体废物综合利用率提高到6 0 、主要污染物排放总量减少1 0 。在 时代的大背景下，石化企业电气节能关键技术及应用的研制已势在必行【2 】。 作为能量消耗和实现电气节能的重要一环，石化企业的生产用电系统常常涉 及到发电、输电、供电、配电及用电等各个部分。而大多数生产企业的生产管理 方式都为传统的粗放式管理，没有采用电能量的集中监控、全厂电气节能管理和 集成能量管理等有效的电气节能手段，致使这类企业能源利用率不高，生产效率 相对低下，严重限制了企业的发展。这主要表现在以下几个方面。 首先，石化企业电气系统底层设备自动化和集成化程度不高。测量、监控、 节能、控制等环节所用装置间相互独立、互不兼容、功能重复，各装置间缺乏数 据信息交流。底层供用电设备之间缺乏统一的集成化标准，更缺乏系统的整体成 套化节能与监控装备，从而无法实现车间级的用电设备互联，造成企业生产设备 电能利用率极低。同时绝大部分生产企业的电气节能和电气监控具有局部性和单 一性，没有从整体上对整个供配电系统进行全局的电能质量监控与节能处理，电 气节能缺乏全局性与统一性，限制了实现企业级的生产和电气能量一体化管控， 使得单位产品能耗不能实行有效的监控。 其次，石化企业在石油开采、输送、提炼等环节大量采用油泵、水泵、风机 等，并通常伴有调速设备，电能质量问题严重，造成能源的大量浪费【3 】。电动机 是石化企业最主要的终端耗电设备，在石化企业中数量多，耗电量大，配电变压 石化企业电气节能关键技术及廊用的研制 器，尤其是1 0 k v 以下的中小型配电变压器，作为石化企业最主要的电能传输设 备，本身具有相当的有功功率和无功功率损耗，且许多变压器功率因数低，造成 更多的能源浪费，因此其节能潜力巨大【4 7 j 。另一方面，石化企业所产生的谐波 污染不仅会影响企业配电网的安全性、稳定性和经济性，也会对周围的电气环境 造成恶劣的影响。 最后，几乎所有的石化企业都缺乏统一集成的全企业范围电气监控和电能量 优化管理系统平台。该系统能够为全厂范围内的能耗终端设备和单点运行的电气 节能装置提供统一集成的监视、控制、优化、调度管理平台，以提高企业生产运 营的可靠性和连续性。该系统应当是基于底层车间现场总线控制网络之上，采用 开放的分布式局域网络结构，结合分布式网络数据库技术，实现企业用电的集中 监控、供电优化、能量平衡。同时，该平台应具有动态规划与智能全局优化能力 以便实现生产排产与电量消耗的管控一体化，为企业提供符合国家产业政策的、 高效节能的精细化生产管理解决方案与决策机制。 1 2 国内外研究状况 近年来，随着计算机信息技术及工业以太网水平的不断发展，为了增强企业 供配电系统的用电可靠性，降低企业电网的损耗，美国等发达国家从上世纪八十 年代开始便研究利用计算机技术与数字通信技术对高电耗企业用电终端设备进行 统一的集成管理，并通过引进各种电气节能技术、能量管理系统和优化调度系统 等，提高企业的电能利用率和生产效率，协调控制企业的电能损耗与电能质量， 实现了企业的综合节能降耗管理。 在我国，计算机信息技术已在电力系统的发展中得到了相当的重视。电能生 产管理、电能质量在线监测、优化调度管理以及各种电气节能措施已经充分应用 在电力的生产、输送、配送等各个领域。而作为电能输送的终端用户环节，生产 企业尤其是高电耗企业由于其节能设备的单一运行，数据来源分散，没有形成全 企业范围内的统一集成监控，从而使得整个企业配电系统缺乏整体的电能管理与 节能控制手段，导致调控能力有限，节能效果不理想。因此，大型企业配电系统 必须构建全厂电气节能与管理优化系统，有机结合企业各类的电气节能设备，优 化管理调度，进行全局的电气节能管理，实现全方位的节能降耗。 作为实现企业电气节能与管理优化系统的一个重要组成部分，能量管理系统 ( e m s ：e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 是以计算机为基础的现代电力调度自动化系 统，是一套计算机软硬件系统的总称，为电力系统控制中心提供数据采集、监视、 控制和优化。e m s 主要针对发电、输电和变电3 个部分，其目的是用最小成本保 证电网的供电安全性，主要功能是数据采集与监控( s c a d a ：s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 、能量管理( 发电控制及发电计划) 、网络分析和培训模拟l7 1 。 一2 一 硕 j 学位论文 为了适应电力系统发展的要求，以计算机自动控制为主要核心的能量管理系 统已成为电力系统安全、稳定、优质运行的重要保障。目前，随着r i s c ( 精简 指令系统计算机) 技术、图像处理技术、信息化网络技术以及操作系统标准化技 术的飞速发展，e m s 也随之更新换代l 引。9 0 年代推出了采用r i s c 技术的开放 式e m s 系统结构，以及从原有e m s 向多厂商产品集成的开放式计算机系统过渡 的分布开放式e m s 系统结构1 9 q2 1 。目前国际上一些知名的e m s 制造者如西门子 公司、c d c 公司、h a r r i s 公司等都已经推出了或计划推出自己的开放式系统。 i e e e 设置了能量控制中心工作组，对e m s 开放系统的特点、判据、硬件设计、 配置控制、安全保密、规划管理、数据库以及如何获得开放系统等方面的研究进 行得十分活跃【1 3 】1 1 4 】。从国外已运行的开放性e m s 系统可以看出新的e m s 系统 都具有以下几个特点： ( 1 ) 都采用了多机联网的分布系统。例如都采用了i e e e 8 0 2 系列标准；通 信采用了t c p i p ，n f s 。 ( 2 ) 都采用了先进的r i s c 处理机，大幅度的提高了处理速度。 ( 3 ) 操作系统都采用了u n i x 操作系统。 ( 4 ) 图形用户接口采用了相应的工业标准x 窗口，o p e nl o o k o s f m o t i f 世 寸。 国内的e m s 系统的研究起步于6 0 年代初期开始的离线潮流和经济调度软件 的研制，从早期单机系统只完成简单的电网监控功能，发展到现在的基于网络、 分布式的能量管理系统，其问每一步的发展都与计算机技术的进步有着密切的联 系。而由于8 0 年代四大电网( 华北、华东、华中和东北) 调度自动化的引进工作， 使西屋公司的产品对我国能量管理系统的研制和开发产生了深远的影响，最大的 技术收获有三点：一是认识了“自上而下”的原则，二是理解了支持软件的重要性， 三是明白了商品化应用软件的开发过程1 1 5 l 。 值得指出的是我国的配电系统自动化启动较晚，大部分还没建立配电管理系 统概念，已开发的e m s 管理信息系统、检修、营业( 报装、购电、查询) 、规划、 设计、负荷管理、电价、财务、设备管理等功能，大多为自动化孤岛，数据、信 息和功能重复而无联系，耗资金、费人力、低效率，妨碍了配电自动化的实现【1 6 】 。因此，真正实现配电e m s 还有一段很长的路要走，需要更多的研究工作才 能实现真正意义上的开放式的e m s 系统。 1 3 论文的主要研究内容及组织结构 本文课题以中国石化集团长岭分公司电气节能项目为背景，首先分析了中石 化长岭分公司的节能需求和系统要求的各项功能指标，结合石化企业目前的生产 状态与生产工况，研究并开发了一套企业电气节能集成监控与管理优化系统。 石化企业电气节能关键技术及应用的研制 本文的主要工作包括： 1 查阅大量的资料文献，对我国石化企业供配电系统特点及现状进行了研究。 进行现场调研，充分了解现场目前全局供配电网络现状、电气信息化建设状况以 及节能管理现状。针对该厂目前存在的谐波污染和无功补偿问题和对能量管理的 方面的需求，提出了设计方案和技术路线。 2 在对企业现有的运行情况以及节能情况进行系统调查及分析后，提出了一 种引入电量预测和竞争因子的电耗奖惩模型，并建立了基于二层递阶优化的集团 战略排产计划模型，同时设计了一套班组智能管理信息化软件，为企业电气节能 和管理优化提供决策。 3 针对石化企业长期运行后数据的海量性和分散性的实际情况，引入数据融 合和数据挖掘技术对数据进行处理，在详细研究了两种技术的应用情况后，将数 据融合技术与数据挖掘技术引入到对企业用电量的处理中来，以提供电耗预测模 型准确的历史数据。 4 建立了一套电气节能与管理优化系统，对石化企业进行数据监控、电气节 能和优化管理，实现企业的精细化管理，从管理层面上实现企业的节能降耗。 5 进行实验室系统调试和现场安装调试工作。 本文的章节安排如下： 第一章介绍了课题的背景及来源，阐述了高电耗企业电能损耗和电能量管理 存在的问题，并介绍了国内外电气节能技术和能量管理系统的发展现状。 第二章介绍了石化企业的系统需求，针对石化企业的电能损耗和电能管理现 状，提出了高速现场总线技术在电气节能管理系统中的应用方案，介绍了电气节 能集成监控与优化管理系统的整体构架；同时针对石化企业谐波污染严重、无功 补偿不足的现状给出了谐波抑制与无功补偿的系统方案。 第三章详细介绍了企业电气节能技术的几个关键算法，包括电耗奖惩模型， 集团战略排产计划以及班组智能管理信息系统的实现等，为企业精细化管理提供 决策。 第四章针对石化企业长期运行后数据的海量性和分散性的实际情况，阐述了 将数据融合和数据挖掘等数据处理技术引入到电气节能管理系统中来的必要性和 可行性，并详细介绍了数据融合技术在电气节能管理系统中的具体应用。 第五章介绍了电气节能管理系统在中国石化集团长岭分公司的具体应用，包 括实时数据监控、电耗奖惩模块、排产计划模块、班组信息化管理、智能查询等 模块的应用，实现了企业的节能降耗。 总结与展望部分对本论文所做的研究做了详细的总结，并针对本论文的不足 提出了今后下一步的研究方向。 一4 一 硕 ：学位论文 第2 章企业电气节能系统设计 2 1 石化企业的需求分析 “石化企业电气节能关键技术及应用的研制”应用于中国石化股份有限公司长 岭分公司，该公司是中国石化总公司直属企业。目前，长岭分公司拥有两套常减 压、两套催化裂化、延迟焦化、催化重整、加氢、制氢、聚丙烯等2 1 套炼油化工 生产装置，原油加工能力达到5 0 0 万吨年。主要产品有汽油、柴油、苯类、液化 气、聚丙烯等7 0 多种。三十多年来，长岭分公司共获得省部级以上荣誉称号2 2 0 多个，采用科技创新项目5 0 0 0 多项。其中重大科技项目约5 0 0 多项，由此获得国 家级科技成果4 l 项，省部级科技成果奖l3 0 多项，国家发明奖3 项，国家专利申 请1 3 0 多项，专利授权7 0 多项，公司共有1 7 种产品获省部级以上优质产品称号。 长岭分公司炼油、化工、生活区现共有6 k v 配电室2 2 个，其中己实现微机 保护的有1 5 个；0 4 k v 配电室1 6 5 个；各配电所电气主接线均为单母线分段方式， 负荷接线为放射式。全公司拥有电力变压器2 1 9 台，各种高压电机2 2 0 台，低压 电机4 8 0 0 多台，变频变流装置3 5 0 0 多台套。“十一五”期间，长岭分公司还将新 建炼油化工生产装置1 2 套，公司预计新增负荷约6 5 m w 左右，长岭炼化公司、 催化剂分公司等单位预计新增负荷约2 0 m w 左右。扩容方案规划在厂区新建一座 l1 0 k v 变电所，该变电站于2 0 0 9 年6 月投用。可以预见增容后，企业电气节能的 任务和责任将更加重大。 中国石化股份有限公司长岭分公司动力分厂2 0 0 6 年和2 0 0 7 年的用电量情况 ( 除去催化剂以及生活用电) 如表2 1 所示，从中可以看出2 0 0 7 年与2 0 0 6 年相 比，全厂用电量增加3 5 8 4 7 6 1 3 万k w h ，伴随着用电量的增加，厂内电网中的线 损、变压器损耗以及由于生产设备利用不合理、电能管理不善甚至个别车白j 非生 产设备用电过度或者窃电现象造成的电能损耗日益增大，采取相应的措施从各个 角度进行多层次全方位电气节能潜力巨大并且迫在眉睫。 表2 1 企业用电情况 年份 用电合计 ( 万k w h ) 2 0 0 6 年 2 0 0 7 年 4 0 7 7 5 9 3 3l 4 4 3 6 0 6 9 4 4 通过对动力分厂内2 4 个变电所共计5 1 个低压配电室进行实地勘测，共计19 个低配电室的功率因数低于0 9 ，1 9 个低压配电室谐波含量过高。 对以上数据进行分析，造成厂内电能损失严重的主要原因是：低压配电室功 石化企业l 乜气节能关键技术及飚用的研制 率因数低，无功损耗大，谐波含量高，造成谐波损耗的同时，影响电容器运行可 靠性：1 10 k v 变电站底层设备电能的测量、监控环节集成化和专业化程度不够， 中缺乏系列的整体成套化监控装备，限制了各车间生产和电气能量一体化管控的 实现，同时缺乏统一集成的全厂范围电气能量管理系统平台。 2 2 系统节能方案设计 2 2 1 系统设计 通过对厂内电能损失原因的分析，可以从两方面进行电气节能，第一，改造 厂内现有电能采集设备，实现各车问用电量的数字化总线采集，并部署车问级电 气能量监视与管理系统软件平台，实现全厂范围内电气能量的精细化管理，提高 员工的自主节电意识；第二，在低压配电室安装无功补偿与谐波抑制装置，降低 无功和谐波损耗，提高现有无功补偿设备可靠件。其系统构架图如下图所示。 l l o k v 母线 - 一j 审l o k v 坶线 一 是躏国 u 是 炳电? 产线驯 图2 1 企业配网电气综合节能的最终目标框架图 2 2 2 电气综合节能系统 动力分厂11o k v 变电站内每个变电所的高压配电室变压器出线侧以及变电所 内高压配电室的电度表均为电磁式仪表，现有系统底层设备的测量、监控等环节 集成化和专业化程度远远不够，没有采用现代高速工业总线通信技术，不能实现 底层供用电没备用电量的数字化采集，这进一步还限制了实现车f u j 级的生产和电 气能量一体化管控，使得单位产品能耗不能实行有效的监控。本系统在改造现有 的电能采集系统的蛙础上，搭建自动化网络平台，将现有的机械式电度表更换为 智能数字化电量测量仪表，选择十问地理位置相近的变电所铺设光纤，采用现代 一6 一 ；电磁：罴鲫 热一 叭醴 ；旯一 ；愚触删 硕士学位论文 高速工业总线通信技术将所选变电所的详细用电量采集传送至1 1 0 k v 变电站监控 室，并在监控室内加设先进计算机系统，研发并部署电气能量监视与管理系统软 件平台，并实现与公司内0 a 系统的互联，使各厂办能够在本地查看各变电所的 用电情况。 2 2 2 1 高速现场总线技术应用 现场总线控制系统( f c s ) 与现场总线技术具有成本低、适应性强、扩展性 好、便于安装维护、信息集成度高等许多优点，近年来已经成为学术界和工业界 的研究与应用热点【1 7 1 引。它对于实现企业综合自动化、输配电系统集成监控均具 有重大意义【1 9 吒引。在本电气节能系统中，该方向的具体研究路线如下： 各种不同现场总线协议的实时性、可靠性分析与建模 针对c s m a 、t d m 、t o k eb u s 等三类型的现场总线网络协议，分别通过确定 性或随机理论建立其数学模型，分析其时滞、丢包的构成与特性，并且通过已有 协议仿真软件或网络硬件进行验证。同时，借鉴计算机实时操作系统或分布式计 算中任务调度算法，改进部分控制网络协议、优化网络通讯调度策略，以提高n c s 系统通讯的实时性和可靠性，使之更加适合于企业供配电系统应用。 基于嵌入式技术的控制节点、通讯配置、流量分析与调度装置的研发 采用c a n 、p r o f i b u s 、l o n 、r s 4 8 5 等现场总线和工业以太网等技术，同时 引入高速m c u 、d s p 、a r m 等嵌入式开发新技术，研究现场总线控制系统的实 用工业现场装置，构建网络控制节点、路由器、网关、网络配置与流量管理软件 等关键设备。其中，项目组前期己开发出基于d s p 与m c u 的多处理器结构网络 控制节点；并进一步研发出r s 4 8 5 、c a n 总线、l o n 总线的中继器、路由器、 网络配置与通讯管理等设备。 各种现场总线通讯协议的集成与互连技术研究 由于各种现场总线协议的产生和技术发展的延续性，底层控制系统出现了多 种总线技术、多种网络协议共存的局面。为了适应各种不同现场总线协议，必须 实现各种现场总线控制系统的集成。主要解决方案有：以专用网关实现控制量的 对应转换；或进行协议上的修改，以尽可能兼容。研发r s 4 8 5 、c a n 、l o n 、 m o d b u s 多总线协议转换网关，以实现主要现场总线协议的互连与集成。 现场总线网络与计算机信息网络的集成可以实现微观控制和企业宏观决策的 一体化，为生产控制和企业管理决策带来一种新的模式。现场总线网络与信息网 络集成技术也呈多样化，通常可以通过以下几种方法实现：通过硬件专用网关 互连，其内部采用了基于i p 隧道等网络技术。现场总线和信息网络通过d d e 技术集成。当现场总线网络和信息网络之间具有中间系统或共享存储器工作站时， 可以采用动态数据交换( d d e ) 实现二者集成。在现场总线系统和信息网络之 间采用0 p c 技术。在石化企业电气节能系统中研究的是基于d d e 和o p c 两种技 一7 一 石化企业电气节能关键技术及戍用的研制 术的集成互联方法。 2 2 2 2 电气节能集成监控与优化调度软件平台 开发基于分布式结构的企业电气节能集成化监控与优化调度软件平台，利用 先进的计算机技术、通信技术和信息处理技术等实现对企业用电能耗设备以及配 网谐波治理与无功补偿装置的实时监视和集中管理，实现企业供电方案优化和全 局电气节能。 图2 2 企业电气节能集成监控系统的架构图 分层分布式企业电气节能集成化监控系统 研发了一套完整的企业电气节能智能化监控功能体系，它完成对企业主要用 电设备和输配电线路的自动监视、测量、控制、保护，以及与上级系统通信等综 合性的自动化功能，实现对电气能耗情况集中采集和管理。整个系统采用微机保 护、智能电力仪表及分层分布式结构、面向对象的系统设计方式。如图2 2 所示， 它主要由两级构成：现场总线网络完成对企业配电网底层设备和输配电线路的自 动监视、测量、联动控制，以及与车间级监控主机系统通信等综合性的自动化功 能；企业级内部高速计算机局域网实现高、中压变配电站及车间级监控主机之间 的高层信息共享，实现配电网、用电系统智能化监控系统的集成，并全局优化企 业电网有功和无功潮流。 高性能分布式数据库体系 无论是实现配电网高压侧的谐波动态治理及无功补偿、低压侧的分布式多节 点协同无功优化补偿，还是实现配电网、用电设备的集中监控管理，对于大型高 电耗企业电气节能问题而言，关键之处还在于以先进开放的数据库结构为基础， 建立全方位、全过程、系统性的节能综合管理监控系统，以便于引入科学的管理 方法，建立一种“电能理财”长效机制，给企业带来很好的经济效益。 采用最新的信息集成标准( c i m c i s ) 、企业综合集成总线( u i b ) 、开放c o r b a 标准，基于多智能体( m a s ) 技术实现大型企业跨业务应用、跨软件系统、跨操 作平台的开放电气节能信息集成平台及体系结构，并给出实际解决方案核心部分 的实现方式。该集成框架使孤岛林立的企业电气信息系统有效结合起来，有效地 一8 一 硕士学位论文 提高电力异构信息的整合程度以及信息集成体系的灵活开放性，从而获得信息的 高度共享和实时获取，建立全方位、全过程、系统性的企业节能综合管理系统。 i 锋z 二 舱j 雌钙揣 足i i 寸数l “用 力尘数越e 川 国国 殳殳 塑婆墼塑銮垫堕塑 兽妻蕈妻兽妻 r 仃数据_ 乍：j 内存数据片：内存数荆一 砖时数批库_ 实时数据所：实时数粼朋 站n 寸数掘h ，j 尘数据，1 一r 彳 q p 陶 内存数据埔 耍；时数据聃 图2 3 禹性能多层数据厍体系结构示意图 提出构建四层结构的高性能多层数据库体系，以实现异构系统的互连及实时 数据交换，建立智能化电气模拟图展示平台和基于w 曲模式的对外信息交换与共 享平台，对各个能耗点实时监视，实现管理上综合节能。图2 3 所示为高性能多 层数据库体系结构图，工业计算机作为前置机进行车间级实时数据的采集和处理， 都拥有内存数据库和实时数据库；内存数据库定时把数据从内存转存到实时数据 库，从而保证数据的实时处理和大容量高速的数据存储。前置机上的实时数据库 在一定时间提供数据接口供主备用服务器下载前置机上的数据。主备用服务器上 的实时数据库保存所有采集点的数据库，来满足系统对大量实时数据的需要，经 过一定时间后可以把实时数据库中的数据通过稀疏算法，减少到需要的量存到历 史数据库中，供系统后续使用。主备用服务器对于数据的需要都是通过访问计算 机局域网获得，由于局域网访问的高速度，该结构完全可以满足系统要求。基于 w 曲模式的对外信息交换与共享平台结构如图2 4 所示。 企业级的集成节能管理系统及算法 针对企业的不同电压等级母线及各馈线的供用电情况进行统计，以每个车间 内的班组为单位，结合电耗奖惩模型、分时电价模型，运用排队论等动态规划方 法对于值班期间的用电总量进行纵向、横向比较分析，为管理者制定相应的奖惩 措施提供依据，以便实现具体到企业班组级的精细化节能管理。研究电力负荷在 线统计综合建模方法，针对企业配电系统的实际情况进行负荷建模，并根据实测 各节点的视在功率确定潮流走向，为企业管理者提供直观的潮流分布展示。对于 石化企业电气节能关键技术及应用的研制 图2 4 基于w e b 模式的对外信息交换与共享平台结构示意图 长期运行的变压器，不仅要考虑安全运行，还要考虑经济运行，通过研究变压器 的经济运行理论来分析变压器的有功功率损耗，从而根据企业实际情况给出变压 器最佳组合的运行方式，达到节能降耗的目的。 在配电网高低压侧，研究基于动态规划的多节点多目标无功优化方法，做好 线损的统计和分析工作，选择合理的统计计算口径，综合考虑分析线损率高、线 损电量大和线损率突变量大的环节，确定出最合适的无功补偿时间，补偿节点和 补偿容量，在减小系统维护成本的同时把线损将到较低的水平。研究工业企业用 电系统信息建模，利用专家数据库和智能优化技术，应用到生产企业电量平衡及 用电优化中，给出企业排产计划和配电计划的最优组合方案，并利用基于电网分 析的最优潮流理论、专家数据库、粒子群优化等智能优化算法，对给出方案情况 下的配电网负荷情况进行预测潮流分析与计算，为在此配网情况下采用多节点多 目标无功优化理论提供节点功率及电压信息。在企业配电系统逐步发展的情况下， 根据企业排产计划的中短期负荷预测模型和企业购电电价模型，制定企业最省购 电方案并进行排产计划的优化，以及全局电量平衡和负荷调度，实现企业系统级 节能的精细化发展。 2 2 3 无功补偿与谐波抑制 在对动力分厂的各低压配电室的功率因数和谐波含量情况进行实地测量后， 发现厂内共计1 9 个低压配电室的功率因数低于0 9 ，其中6 个已经安装了无功补 偿装置，但由于设备老化损坏，未能达到补偿要求：共计1 9 个低压配电室谐波含 量超标，增加了电能损耗，影响电力设备的安全运行；上述配电室中，功率因数 低并且谐波严重超标的共计8 个。在对上述低压配电室所带负载进行治理的时候， 需要分成三种情况进行考虑：功率因数低，谐波含量低；功率因数符合要求， 谐波含量高；功率因数低，并且谐波含量高。根据实测的数据，分别对上述三 种情况进行分析。 硕t 学位论文 2 2 3 1 功率因数低，谐波含量低 符合这种情况低压配电室共计1 6 个如表2 2 所示，由于所带负载实时变化， 系