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南京理工大学硕士学位论文电能需量模型及其控制策略研究 摘要 在倡导建设节约型社会的今天，研发“电力能源需量管理系统”具有巨大的经济 价值和社会意义。对用电方进行需量管理和控制，可以帮助用电方节约成本、降低开 支，同时降低其对电网的负荷冲击和缩小峰谷差。目前国内对需量控制的研究尚处于 起步阶段，相关领域的研究资料也很少披露。本文以此类系统的开发为研究对象，对 其中涉及的几个关键理论和技术问题展开研究。 ( 1 ) 完成需求分析，从控制理论的角度对系统建模，定义评价指标。归纳典型被 控对象需要满足的特性，并以一种典型的被控对象电弧炉为例，建立了一种反映 其功率需求本质的模拟预测数学模型。 ( 2 ) 设计需量控制策略。这是一个本质是闭环满意决策的动态过程优化问题，它 的被控对象含有不确定随机性和非线性因素。本文设计了两种需量控制策略方案：模 型预测控制和趋势预测控制，并加以分析比较。 ( 3 ) 结合建立的被控对象模型，进行随机性的闭环连续仿真。仿真结果显示，趋 势预测控制方案可以取得很好的最大需量峰值抑制效果。并就其中决策模块的六种实 现方式运用蒙特卡罗仿真思想进行了讨论比较。 关键词：电力需求侧管理，功率需求预测模型，需量控制策略 南京理工大学硕士学位论文电能需量模型及其控制策略研究 a b s t r a c t 1 1 1 cd e v e l o p m e n to f “e l e c t r i cp o w e rd e m a n dm a n a g e m e n ts y s t e m ”i si m p o r t a n tf o r t h ec o n s t r u c t i o no f o u rr e s o u r c e - c o n s e r v a t i v es o c i e t y m a n a g i n gt h ed e m a n dc o n 仃o lf o rt h e p o w e ru s e r , c a l lh e l pt h e mt os a v ec o s t 嬲w e l la st od e p r e s st h e i rl o a di m p u l s i v e i m p a c to n l o c a lp o w e rn e t w o r ka n dd e c r e a s et h ep e a k - v a l l e yd i f f e r e n c e a tp r e s e n t ，d o m e s t i cr e s e a r c h o nd e m a n dc o n t r o li ss t i l la tt h es t a r t i n gs t a g ea n dt h e r ei sl a c ko fr e l e v a n tl i t e r a t u r e s i n t h i sp a p e r , s o m et h e o r e t i c a la n dk e yt e c h n o l o g yp r o b l e m sw e r es t u d i e d , l i s t e da sf o l l o w ( 1 ) r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ak i n do fs y s t e mm o d e lw a sb u i l tu s i n gt h ec o n t r o lt h e o r y a n da p p r a i s a li n d e xw a sd e f i n e d i n d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft y p i c a lo b j e c t s ，m e a n w h i l e e s t a b l i s h e daf o r e c a s tm a t h e m a t i c a lm o d e lo fat y p i c a lc o n t r o l l e do b j e c t f o re x a m p l e e l e c t r i c - a r cf u r n a c e ，w h i c hr e f l e c t e di t sp o w e rd e m a n dn a t u r e ( 2 ) d e m a n dc o n t r o ls t r a t e g yd e s i g n m e n t 1 1 l i si sap r o b l e mo fc l o s e d l o o pd y n a m i c s a t i s l y i n gd e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s so p t i m i z a t i o nw i t ht h eo b j e c tc o n t a i n i n gr a n d o m n e s s a n du n c e r t a i n t yn o n l i n e a re l e m e n t s i nt h i sp a p e r , t w os t r a t e g i e s ，m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l a n dt r e n df o r e c a s t i n gc o n t r o l ，w e r ed e s i g n e da n dc o m p a r e d ( 3 ) c l o s e d - l o o pc o n t i n u o u ss t o c h a s t i c s i m u l a t i o nw a sm a d e ，b a s e do nt e x t u a l s i m u l a t i o nf o r e c a s tm a t h e m a t i c a lm o d e l a ss h o w ni nr e s u l t t r e n df o r e c a s t i n gc o n t r o l s c h e m ec a ng e tt h em a x i m u md e m a n dp e a ks u p p r e s s i o n ，w h i c hp r o v e dt h i sm e t h o di s e f f e c t i v e a tt h es a m et i m e ，s i xm e t h o d si nd e c i s i o n - m a k i n gm o d u l ew e r ec o m p a r e da n d e v a l u a t e db ym o n t ec a r l os i m u l a t i o n k e yw o r d s ：d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，p o w e rd e m a n df o r e c a s tm o d e l ，d e m a n d c o n t r o ls t r a t e g y i h 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：兰牛数。7 年7 月7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：吐蕉垫一年7 月7 日 南京理工大学硕士学位论文 电能需量模型及其控制策略研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 电荒、煤荒、石油荒，在全球能源亮起红灯的时候，中国的能源危机亦迫在眉睫。 9 6 、1 0 4 、1 0 7 ，中国的经济正在飞速增长，但亦是创造g d p 代价最高的国家 之一。我国的万元g d p 能耗是世界平均水平的3 4 倍，是日本的9 7 倍【l j 。钢铁行业， 国内吨钢可比能耗比国际先进水平高出4 8 8 ；电力行业，国内火电厂供电煤耗比国 际先进水平高2 5 8 2 1 。建设环保节约型社会，是大势所趋。 节能是增强企业竞争力的重要途径。当前煤、电、石油供应日趋紧张，价格不断 上涨，生产成本上升，已经直接影响到企业的经济效益和竞争力。特别是在重化工业 等高耗能行业，能源费用占到生产成本的比重很大，钢铁业约2 5 ，制铝业约5 0 ， 建材业为4 0 5 0 ，化肥业为7 0 7 5 ，石化业约为4 0 ，铁路运输为2 3 2 4 【2 】。通过节能降耗、降本增效，可以为企业提高经济效益，增强竞争能力。 节能亦被国家权威部门高度重视。在关于“十一五”规划的建议中，中共中央明确 提出：“要通过转变增长方式，使国内单位生产总值能源消耗比十五期末降低2 0 左右。”不仅国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知( 国发电0 0 5 2 1 号) 已经发布，国家发改委、财政部也联合出台了( 财库 1 8 5 号文件) 节能 产品政府采购实施意见，提出要重点开发和应用先进的节能技术及产品，要求各级 政府机关和团体组织在使用财政性资金进行采购时，要优先选用节能产品。 因此节能节电类的产品具有广阔的市场。全国每年有3 0 0 0 亿元的节能节电市场， 而且还会随着年均1 0 的用电增长而不断扩展。 本文研究开发的“电力能源需量管理系统”正是一套用于节能节电的系统，目前 在德国和日本已有产品问世。此类系统正在江苏锡钢、淮钢，上海宝钢和抚顺特钢平 稳运行，每月平均能够节约基本电费1 5 万元，年节约基本电费可达1 8 0 万元，经济 效益明显。但国内尚未推出类似产品，且在此领域的相关研究资料披露较少。故本文 对这个课题加以研究，希望探索一些思路和方法，以期填补国内空白。 1 2 国外研究动态 代表性的产品分别是日本技术的v d l f h z k 微机电力负荷中央控制系统和德国 技术的“p t e 百泰能源”需量控制系统( 又名需求侧管理系统) 。 硕士论文 1 2 1v d l f h z k 负荷中央控制系统 v d l f h z k 负荷中央控制系统，可对用户的用电设备进行实时监控，有效控制负 荷最大需量，使用户节约能源支出1 5 左右。它包括中央控制系统以及在w i n d o w s 下运行的高技术控制显示软件。v d l f h z k 系统采样速度快，控制精度高。 系统特点： ( 1 ) 所有输入输出端的负荷控制极均可实现实时控制。 ( 2 ) 实时显示负荷功率，可以方便地监控用电功率，随时掌握用电功率的变化。 ( 3 ) 可以显示每个负荷控制极的控制情况，以及当时的功率状况，方便用户进行 负荷管理。 ( 4 ) 控制极可靠，可以完全满足复杂负荷用户的控制需要。 ( 5 ) 独有的“趋势分析”软件，能准确地提前判断出下一个时段出现的负荷峰值， 进行整理运算，发出预告信号及自动控制信号，在不影响产品质量和正常生产的情况 下，降低负荷峰值功率。 ( 6 ) 主机系统安装不会影响用户控制的布局。 ( 7 ) 按最大需量计费的用户均可使用v d l f h z k 中央控制系统，如果最大需量在 5 万千瓦左右，节约的费用将十分可观。 目前，该系统在通化钢铁集团某钢厂应用，最大需量平均下降1 2 ，在不影响生 产的前提下，抑制比例可以在1 0 到1 5 的范围内进行调整。每月节约1 2 2 4 万元， 一年节约1 4 6 8 8 万元。 1 2 2 “p t e 百泰能源”需量控带4 系统 “p t e 百泰能源”需量控制系统，采用世界最新的“趋势分析”软件，配合外围设 备对用电大户的用电峰值进行合理治理。可以大幅度地降低用电需量费用，抑制比例 的可调范围比v d l f h z k 系统的大，可以设置在5 到3 0 之间，但实际应用一般也 定在1 0 到2 0 之间。 系统特点： ( 1 ) 对实际生产不造成影响。 ( 2 ) 能够提高用电可靠性与主要设备的使用寿命。运行后用电负荷十分均衡，系 统冲击电流大大减小，大大减少了供电系统放障的可能性，减少了长期峰值冲击对电 炉变压器性能的损害。事实上，能够带来电炉及电炉变压器使用寿命的提高也是很大 的收获。 ( 3 ) 可增加工厂整个用电设备的容量。实施后可增加1 0 至2 0 用电电量，即相 2 南京理工大学硕士学位论文 电能需量模型及其控制策略研究 当于为工厂增加了1 0 至2 0 的变压器，随着工厂的发展亦减少了因生产发展需要 为供电容量增容的投资压力。 工业控制设备一般对可靠性要求都很高，工作环境也很严酷。而这套系统充 分体现了德国技术的特点：关注细节，保证可靠。不仅技术水平力求领先，更认真严 谨地关注每一个实现的细节；中央芯片全部由德国生产，所有器件在德国专业机构经 过老化与抗干扰试验，可以在最恶劣的环境下可靠工作。事实证明，该系统运行得十 分稳定。 ( 5 ) 可以大大提高工厂用电管理水平。实行电子化管理，所有的用电信息都可以 从能控装置中提取。基于通用的w i n d o w s 操作系统，界面友好，能轻松实现电量 数据的存取与归档。 ( 6 ) 可以不断改进、合理调整，也能灵活方便地扩展功能，为用户发展提供保证。 特别的是，百泰能源控制设备公司采用合作的形式，先为用户免费提供“p t e 百 泰能源”需量控制系统，在取得效果后，再从用户节约的费用中提取分成。合作周期 通常为六年，六年后全套节能系统设备与运行软件会归用户厂方所有，并且六年后百 泰公司会为用户更换全新的产品核心部件，保证其良好运行。这样的合作方式降低了 用户的投资风险，故在更多的钢厂得到推广运用。比如大冶特殊钢股份有限公司、抚 顺特钢有限公司、宝钢集团上海五钢有限公司、湖南华菱集团衡阳钢管厂。 1 3 设计目标 “电力能源需量管理系统”( 以下可能简称“系统”) 每年可以为用户节约上百万 元的基本电费支出，它的国产化有巨大的社会意义和经济价值。参考上文1 2 节所述 两套系统的用户说明书，结合作者的理解，分析“系统”的设计目标如下。 1 3 1 层次结构 “电力能源需量管理系统”的运行不能影响实际生产。 保证生产质量是“系统”作用的前提。不能因为使用了这样的系统而对生产质量 造成巨大的、灾难性的影响，那样本末倒置有违系统实施的初衷。事实上，实际施加 “系统”后影响被改变的生产时间应该是很短的，可以被允许的。 同时，“电力能源需量管理系统”是完全独立运行的，即使中途把它关闭，对原 有生产控制系统的正常生产也不会有任何影响。 以被控对象是炼钢厂的多台电弧炉为例，电弧炉三相电极调节系统是原有的生产 控制系统。“电力能源需量管理系统”在上层进行统筹规划管理，二者层次关系请参 见图1 3 1 ，内环是原有的生产控制系统，外环是“电力能源需量管理系统”。 绪论硕士论文 图1 3 1 “电力能源需量管理系统”与电弧炉电极调节系统的层次关系 1 3 2 总体框架 信号采集单元、需量控制器硬件及软件、自动控制装置( 执行器) 、总线通讯网 络和后台p c 计算机，组成了整个“电力能源需量管理系统”。 ( 1 ) 信号采集单元：“系统”需要实时、精确地采集各类负荷信息，所以需要专 门的信号采集单元。且由于采集的信息是后续一。切运算的基础，对它的精确性要求非 常高，一般需要它比供电局用于测量的电表精度更高。从以往的控制系统设计中得到 经验，施加控制的时间周期至少需要是目标周期的l 3 ，还必须注意信号采集单元与 供电局测量电表的时间同步。 ( 2 ) 需量控制器硬件及软件：“系统”需要在恶劣的工业环境中进行需量管理和 控制计算，因此需要控制器的硬件稳定、可靠。其内部软件的任务就是利用信号采集 单元采集的各类负荷信息计算需量趋势，制定控制措施。需量控制器是“系统”的核 心，因此其中需量控制策略的设计非常重要。这也是本文的重点研究之一，在第三章 中将会详细阐述。 ( 3 ) 自动控制装置：实际的工业生产中，用户原来一般都有p l c 控制器或其他形 式的自动控制装置。它们本身是生产控制系统，一般也就是“电力能源需量管理系统” 的切入点，作为“系统”的执行器。对于“系统”而言，它们屏蔽了对象的底层控制， 使得“系统”不需要关心底层如何操作。对于原来的生产控制系统而言，施加了“电 力能源需量管理系统”，不影响生产且能够提高电能利用效率，亦有收获。 4 南京理工大学硕士学位论文电能需量模型及其控制策略研究 ( 4 ) 总线通信网络：在信号采集单元到控制器之间、控制器与执行器之间，“系 统”需要完整高效的总线通信网络。特别是，应该考虑到用户的可扩展要求，采用简 单、可靠、可扩展的总线通信系统。 ( 5 ) “系统”也需要友好的人机界面：最大需量的合同约定值需要被设定和改变； 遇到异常情况需要报警和控制；被管理对象的优先级别可以调整：还应当记录用户电 网几乎所有的多时段用电参数。比如实时功率、功率峰值、有功功率、无功功率、受 控设备实时受控状况、各控制极动作状况、还有总线工作状况等。整理归档用户的用 电信息，方便用户作自身的后期分析，也可进一步作为需量控制策略自学习的数据基 础。由于自身的功能特点，人机界面可以放在后台。选择普通的p c 机和通用的 w i n d o w s 操作系统即可。具体操作可以参照用户要求与设计力量平衡考虑。 “电力能源需量管理系统”的系统组成示意图请参见图1 3 2 。其中“系统”包 括了4 个被控对象。 1 3 3 功能分析 图1 3 2 系统组成示意图 面向按最大需量计取基本电费的用户，通过需量管理和控制技术，降低用电企业 的最大峰值负荷，是“系统”的功能目标，具体言之就是： ( 1 ) 利用高精度电表与通信网络，实时采集各类负荷信息。 ( 2 ) 由内部的需量控制策略测算，以有效控制最大需量为目标，以不影响生产为 前提，规划组织合理有序用电。 ( 3 ) 由通信网络传递指令给对象，实际执行，产生效果。 5 绪论硕士论文 图1 3 3 是由功能分析得出的控制过程图示。 图1 3 3 控制过程图示 首先借助高精度的电能表采集各个被管理对象的电能消耗和瞬时负荷，通过通信 网络传递给内含需量控制策略算法的核心控制器。控制器产生控制调整指令，作用于 对象，由此闭环完成。整个系统中，处于核心的是包含需量控制策略算法的控锗豫。 对于它的算法设计，要求核心控制器能够在基于实际的电能消耗及瞬时的负荷检测之 上，跟踪电能消耗，并在每个需要的时段里( 例如1 5 分钟) 为每个被管理对象测算 电能计划。从每个新的需量时段开始，算法预测到本时段结束时用户将消耗多少电能。 在时段进程中，每隔若干秒刷新一次新的计划，做到动态刷新和在线闭环控制。“系 统”还应该能够智能地控制负荷的卸载，即如果计算的结果是用户的用电负荷超过了 预定值，“系统”知道必须采取抑制措施，但不是立即切除负载，而是首先检查切除 负载后的结果。如果不是迫切需要削减负载，“系统”会一直等待到最后一秒才真正 地卸除负载，以此保证需量浪费最小。这样通过对电能消耗量的调节，“系统”逐步 校准在需量时段内的平均需量，保证被测量到的最大需量峰值被压制在一定水平之 下，充分利用电价政策，均衡、经济地用电。 1 3 4 抽象控制模型 上图1 3 3 中的被管理对象是一个广义的概念，实际系统中经常包括一层执行器， 负责对被控对象施加实际的影响，代表有时是p l c 智能电极控制调节器之类用户自 有的生产控制系统。因此由功能需求分析可以抽象出这样的控制模型，见下图1 3 4 。 1 4 系统预期效果 图1 3 4 “电力能源需量管理系统”抽象控制模型框图 “电力能源需量管理系统”对用电方进行需量管理和控制，帮助用户移峰、错峰、 避峰，有效地转移电网高峰负荷，抑峰填谷，配合实现电力需求侧管理。 6 南京理工大学硕士学位论文电能需量模型及其控制策略研究 首先，对用电企业有利。 ( 1 ) 在单一购买者模式下，用户没有选择权，完全由电力公司决定售电价格。按 最大需量计费方式使得电力公司将因为峰谷差承担的经济风险转嫁到对用电行为不 加控制的用户身上。但用户若进行需量管理和控制，调整自身的用电行为，充分利用 电价政策，就可以在满足电能需求的前提下付出最小的成本，节省电费开支，降低生 产成本。 ( 2 ) 提高了现有供电系统的相对供电能力，随着企业的发展还可减少因新增负荷 而新建变电站的投资压力。 ( 3 ) 也延长了变压器等电力设备的使用寿命，这也是一项间接收益。 其次，对供电部门有益。广大用户的峰值负荷减少，可大大提高供电网络的电压 质量：下降的峰值负荷还可提供给其他用户，减少其购买固定负荷的电力总量，大大 提高供电部门的效益。 同时，对发电部门有益。电网的大峰谷差运行，会造成发电机组的频繁启动或压 机运行，从而造成资源浪费甚至威胁电网的安全运行。在需求侧进行需量控制，发电 部门可以减少因应付用户地区峰值而必须提供的“无效”负荷，减轻发电部门的投资 规模，提高发电效率。 最后，对全社会有益。如果得以普遍推广，不仅节约能源、保护环境，还可使国 家减少不必要的固定资产投资，使其转向投入更需要的领域。 1 5 评价模型 1 5 1 基本概念 电力需求侧管理( d s m ，d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) ：国家推进电力需求侧管理， 是指通过采用有效的激励政策和强制措施，引导电力用户改变用电方式，提高终端用 电效率，优化资源配置，改善和保护环境，实现最小成本电力服务所进行的用电管理 活动。通过政策引导用户，实现高峰时少用电，低谷时多用电，提高供电效率、优化 用电方式。在完成同样用电功能的情况下，减少电量消耗和电力需求，从而缓解缺电 压力，达到节约能源和保护环境的长远目的。它也是“电力能源需量管理系统”存在 的重要依据与前提。 最大需量：在指定的时间区间内( 一般为一个月) ，需量周期中测得的平均功率 最大值。 需量周期：测量用户需求量的一个标准时间单位，可在5 、1 0 、1 5 、3 0 、6 0 分钟 中进行选择。在此期间中，测量用户的用电功率平均值称为需量。 7 硕士论文 滑差( 窗) ：由于无法得到需量周期的电量瞬时值，故用一小段时间的平均值来 代替，这一小段对问称为滑差。滑差在l 、2 、3 、5 分钟中选择。但要求需量周期必 须为滑差( 窗) 时问整数倍的5 倍或以上。对滑差的概念理解参见图1 5 1 。 r 。r 1 卜_ 一 第二个焉量测量劂搠 图1 5 1 需量周期1 5 分钟，滑差3 分钟 最大需量发生时间：若某个需量周期平均用电功率最大，则其为最大需量。滑差 处理中，哪一个滑差结束时出现最大需量值，则该滑差结束时间为最大需量发生时间。 在供电局安装的抄表系统中，测量的最大需量多在每个月中用月冻结电量的方式 上送本月最大需量值及其发生时间。 1 5 2 需量计费 电是不可储存的商品，任何时刻必须供需平衡。供电企业必须随时按照客户的需 要提供足够的电，所以供电企业必须拥有相应的供电能力，以随时满足各种需要。也 就是说，电厂和电网都必须根据顶峰状态下的用电情况来设计建造。这种峰值情况很 少出现，但却会造成电厂建设的巨额开支。另外，在需求侧的电力负荷中出现过多的 高峰和低谷，也会造成供电效率的低下和电力紧张。 为了控制这种风险，电力公司在对用电大户收取电费时采用两部制电价：一方面 按消费量k w h 为单位收费电度电费，另一方面按照峰值以k w 为单位收费 基本电费。电度电费的计算在各地标准不同，有的简单用电度电费单价乘以用户的用 电度数得到电度电费，有的还要加入高峰浮动、低谷浮动和功率因数等一起考虑。基 本电价指可以按变压器容量或按最大需量计费的单价，由此计算出基本电费。基本电 价记价方式可以选择，可以按变压器容量或按最大需量计费，由用户自愿选择，但必 须在一年内保持不变。电度电费加上基本电费，它们的总和就是用户需要交纳的电费 总值。 在基本电费的计算中，当用户选择了按最大需量计费，也就是按用户在用电期间 被检测到的最大功率收费。但是瞬间的最大功率没有意义也难以检测，因此供电公司 多采用测量1 5 分钟内平均功率的方式。在欧洲一天之内供电公司以1 5 分钟为单位测 量用电量9 6 次，一个月共测量2 8 8 0 次，参见图1 5 2 ( a ) 。在我国供电公司采用所谓 “滑差”的测量方式测量用户用电量。以3 分钟滑差为例，这里的测量周期虽然也是 8 南京理工大学硕士学位论文电能需量模型及其控制策略研究 1 5 分钟，但是在3 分钟后又进入了第二个测量周期，如图1 5 2 ( b ) 。 l j 1 (a)欧洲(b)中国 图1 5 2 欧洲和中国不同的用电测量方式 这样，每天有4 8 0 次的测量，一个月按3 0 天计算，即有1 4 4 0 0 个测量时段。企 业要付的基本电费费用= 这个月最大的1 5 分钟平均功率3 0 元k w ( 不同地区，单价 各有不同) 。特别是，如果用户实际测得的最大需量超过了合同约定值的5 ，超过5 部分的基本电费还要加一倍收取。所以这1 4 4 0 0 多个测量时段中最大的一个，就决 定了这个月要付的需量费用的高低，也因此决定了用户需要缴纳的总电费有多少。 1 5 3 评价指标 系统的评价指标可以有很多种，比如稳定性、鲁棒性、可靠性或经济性。但对于 本文研究的“电力能源需量管理系统”而言，主要目的是通过需量控制，降低用户被 供电局检测到的最大需量峰值，从而减少基本电费的支出，减少总电费的交纳。所以 本文列出一个评价“系统”有效性的主要指标a b ，单位为元：在某种既定需量计费 方式的支持下，测算使用“系统”后的一个月比使用前节省了多少基本电费a b 。 在各地的具体操作中，基本电费的单价、滑差值、需量周期等设置会因地域产生 差异。在本文中，为了统一标准，本文规定按浙江省电网现行销售标准设计评价模型： 该地的最大需量基本月单价是3 0 元依w ，并将滑差设定为3 分钟，检测需量周期长 1 5 分钟的需量值。而一个月若按3 0 天计，共有的1 4 4 0 0 个测量时段，可得1 4 4 0 0 个 测量值：p l ，易，p 3 ，a 。其中最大的一个为最大需量值m d ，单位为千瓦。且 如果用户实际测得的最大需量值m d 超过了合同约定值( 记为s ) 的5 ，超过5 那部分的基本电费还要加倍收取p j 。基本电费b 的计算公式如下式( 1 5 1 ) ，单位为元。 定义m d = m a x ( p , ，p 2 ，见，三，a ) 聍：坳3 0 m d ( s x l 0 5 ) 、“7 超限太多将带来罚款，所以合同约定值s 的选定是很慎重的，一般会参考上几个 月的m d 平均值，再留一些余地以防超限罚款。现在为了简化说明，假设s 值都是 经过理性分析确定的，不论“电力能源需量管理系统”施加与否，m d 都不会超过s 9 硕士论文 上限带来罚款。因此a b 的计算公式就变为式( 1 5 2 ) ， = m d n x 3 0 名= m d g i x 3 0 a b = b 螭一b 自 1 6 本文的主要工作及论文结构安排 当然，b 值被期望越大越好。 ( 1 5 2 ) “电力能源需量管理系统”的开发具有重要的经济价值和社会意义，但市场基本 被外国产品占据，国内对此领域的研究资料披露较少。本文对此类系统的几个关键理 论和技术问题展开研究，主要完成了以下工作： ( 1 ) 完成“系统”的需求分析。电力能源需量管理，其实是综合资源规划方法在 电力负荷控制上的运用。本文研究了整个系统的设计思路，从需求分析的角度明确功 能目标、梳理层次结构和总体框架，用控制理论对系统建模，设计评价指标。 ( 2 ) 为“电力能源需量管理系统”的被控对象建立模拟模型。这种系统的被控对 象必须满足一定的特性要求，分析了适用对象的特点后，知道电弧炉是适合做需量管 理和控制的典型对象。但作为炼钢生产的主力，电弧炉的实验代价巨大，因此建立反 映电弧炉功率需求本质的数学模型，对“系统”核心需量控制策略的研究及仿真均有 价值和意义。第二章详细研究了需量管理对象，并且以其中最常见的电弧炉为例，建 立了单台电弧炉电功率需求模拟预测数学模型。 ( 3 ) 第三章研究设计“电力能源需量管理系统”的控制策略。从控制理论的角度 为问题建模，将实际的工业过程抽象成闭环控制模型，设计了两种策略方案，并加以 分析比较。 ( 在第四章中，通过随机性的闭环连续仿真，验证了本文所设计需量控制策略 的合理性、有效性和实用性。基于电弧炉的模拟模型，运用m a t l a b 对过程与系统 的运行进行模仿，实现了设计的控制策略， ( 5 ) 第五章将总结回顾本文所做工作， 1 0 加深了对“系统”影响因素的理解。 并提出下一步的工作方向。 南京理工大学硕士学位论文电能需量模型及其控制策略研究 2 需量管理对象 充分了解需量管理对象，对设计需量控制策略大有裨益。一般来说，研究模型比 研究实物所花的时间和资金少。因为生产实验代价巨大，为了验证算法是否有效，需 要使用模拟模型做很多仿真试验，以降低风险。如果通过仿真试验发现设计的需量控 制策略不合适对象，可以及时修改而不会因此造成巨大的损失。所以为被控对象建立 模拟模型，在需量控制策略的设计和仿真中，有很重要的意义。 通过本章研究发现，不是所有的用电方都可以应用“电力能源需量管理系统”， “系统”适用的被控对象必须满足三个要求。而电弧炉是最适合、最典型的一种被控 对象。通过调查、收集数据资料，观察和研究电弧炉的固有特征和内在规律，将错综 复杂的功率需求问题简化、抽象成为合理的数学结构，为电弧炉建立了一种反映其电 功率需求本质的模拟预测模型，方便后续的研究。 2 1 适用对象的要求 ( 1 ) 适用单位与供电公司之间在计算电费多少时，必须是按照两部制电价并且选 择采用按最大需量计费。 常用的电价制度包括单一电价制度、两部制电价制度和三部制电价制度【4 j 【5 】o 单 一电价制度指的是按照电压等级制定电价水平，用户根据实际消耗的电能总量乘以所 属等级的电单价构成电费总额。两部制电价前面已经介绍过，包括按最大需量计价的 基本电价和按用电量计价的电度电价。三部制电价包括用户电价、基本电价和电度电 价，其中用户电价是由从两部制电价中分离出与系统容量和发电量无关的用户成本折 算而成的。 在目前国家发展改革委关于印发电价改革实施办法的通知( 发改价格 2 0 0 5 1 5 1 4 号) 中规定，“居民生活、农业生产用电，实行单一制电度电价。”即只是 按照电压等级制定电价水平，最多加入峰谷多费率因素，并不测量最大需量值。只有 “工商业及其它用户中受电变压器容量在1 0 0 千伏安或用电设备装接容量l o o 千瓦及 以上的用户“，才实行两部制电价。 即使用户属于按照两部制电价计费范围，还需要在基本电费的计费方式上做出自 己的选择：“按变压器容量或按最大需量计费，由用户选择，在一年之内保持不变。” 只有那些按照两部制电价并选择按最大需量计费的用电单位才符合适用“电力能 源需量管理系统”的第一个条件。 需量管理对象硕士论文 ( 2 ) 适用单位必须有可以控制功率的用电设各。 “电力能量需量管理系统”管理的对象设备必须功率可控。可控的含义包括两个 方面：被允许和可以操作。一方面是生产质量控制有充分的余地：允许对象的电功率 被小幅度地调整、短时间内暂停工作；或是在某些不存在先后顺序、相互依赖等逻辑 关系的工作进程中提前执行某些流程或加上某些电力负载。进行这样的操作不会影响 到生产质量或设备使用效果。另一方面是设备的功率可控在物理上可以实现。 功率可控的实现也分两个角度：或是可以调整消耗的功率值大小，或是可以调整 通电的时间即短时间内暂停工作。这是“系统”产生作用的空间。当“电力能量需量 管理系统”通过内部算法计算得到控制决策后，需要施加一些控制手段到对象设备上。 这些控制手段包括：在短期内降低被控设备的设定功率值在短期内增加被控设备 的设定功率值短时间切除负载提前增加负载延迟添加负载等等。通过这些控制 手段调整总需量值，控制最大需量。 ( 3 ) 企业负荷总值很大，且不均匀。 负荷总值量大并不是应用“系统”的必要条件，但是当用户与供电公司约定的合 同需量值越大时，越能体现“电力能源需量管理系统”的管理效果，应用“系统”得 到的投入日报比也越高，即“系统”越有应用价值。当企业平均一个计费表下月最大 需量在1 0 0 0 0 k w 以上时，当“系统”即使保守估计只是将最大需量值抑制下降1 0 时，假设该地的最大需量基本电价是3 0 元w ( 浙江省电网现行销售电价) ，亦可每 月节约至少1 0 0 0 0 x1 0 x 3 0 = 3 0 0 0 0 元，一年便可以节省下3 6 万元。所以最大需量 值基数越大，“电力能源需量管理系统”产生的资金节约效果越好。 再者，用电企业的负荷严莺不均匀，意味着可产生节约的空间很大，可以通过需 量管理和控制使电功率总值优化。转移高峰、利用低谷，使电能分配趋向均匀分布的 理想状态。其实“电力能源需量管理系统”的本质正是发掘企业自身的潜力，优化管 理。 符合上述条件的设备，都是能够采用“系统”的适宜对象。举例来说，比如电加 热系统、动力系统、制冷系统。加热系统包括炼钢、铁合金生产中应用非常广泛的电 弧炉生产线、铸造炉、轧钢机或其他的电加热系统；动力系统中最典型的是空气压缩 机系统，由于其环保经济、不损伤工件、原料环保且来源充足等特点，正在制造业、 物流业中被广泛采用；还有通风、空调、制冷设备等等。因此适合的企业用户可能包 括：钢铁厂、冶金厂、玻璃厂、合金厂、轧钢厂、电解铝厂、石化厂、水泥厂、以及 商场、大型宾馆酒店、商务写字楼等等。 1 2 南京理工大学硕士学位论文电能需量模型及其控制策略研究 2 2 对象电功率需求特性 在这些用户中，钢铁冶金是最适合也是目前实际系统应用最多的行业。钢厂的供 电线路中，电力负荷峰值的主要来源是炼钢生产线上的电弧炉、精炼炉。根据工艺状 况，参考2 1 节归纳的三条要求，发现电弧炉是非常适合的典型被控对象。 2 2 1 典型被控对象 电弧炉，是利用电弧的能量来熔炼金属的一种电炉，最早的定义是“用单相及多 相电流，在钢液和电极之间发生电弧的电气炉”。电极施加高电压后产生电弧，伴随 产生约3 0 0 0 的高热可使金属产生熔融。废钢铁是电弧炉的主要原料，既能够回收 电弧炉流程返回的废钢，也回收从氧气转炉流程返回的废钢，相当于钢铁工业的回收 工具，是有利于可持续发展的优秀生产工具。 从电弧炉的炼钢生产工艺上看，它消耗大量的电能，又允许功率可控制，是理想 的被控对象。电弧炉炼钢有如下特点： ( 1 ) 利用电能转化为热能，目的是将废钢原料加热到熔化，准备炉外继续精炼。 因此电弧炉需要输入很大的电功率，一台三相电炉变压器的容量可达几千或几万千伏 安。除了废钢原料外，电费成本占炼钢成本的比例最大。因此很多拥有电弧炉的冶金 单位与供电局都采用按最大需量计算基本电费。符合“系统”适用对象要求的第一条 和第三条。 ( 2 ) 输入功率可以调节。频繁接通和断开电炉变压器正是电弧炉设备的工作特点 之一，通过高压断路器开关完成通断。其所需的功率数值在整个持续工作期间有急剧 大幅度的波动，意味着有很大的需量被控潜力。符合“系统”适用对象要求的第二条。 实际上电弧炉的高压断路器是在极其繁重的条件下工作。关于电弧炉的平均通断 次数问题，国外曾作过统计。对具有多级电压的无励磁电动调压变压器的电炉通断频 度而言，一年期间通断次数可达2 5 3 万多次。对于只有两个电压级段的小型电炉变 压器来说，该次数也在5 6 千次以上。 ( 3 ) 多采用p l c 调节控制电极升降。电弧炉借助于电极通过高压、大电流产生弧 光产生高温完成冶炼。电极升降调节系统是电弧炉的重要组成部分，其工作效果的好 坏直接影响被冶炼产品的产量、质量和能量消耗。 以前我国的大部分电弧炉冶炼过程完全依靠工人手工调节。这样的控制方式往往 电极控制不稳，劳动强度大，耗电量大，电极消耗也大，也会由于工人经验的不同， 导致产品质量非常不稳定。并且模拟器件控制还会伴有诸如故障率高、维护量大、生 产成本高等一系列问题。加入p l c ( 可编程控制器) 不仅有效地控制了冶炼过程中断 1 3 需量管理对象硕士论文 弧及波动现象，使得电极调节在冶炼的各个阶段都有较好的动态特性，故障率也能大 大降低，缩短了冶炼时间，节约了电极损耗，节电效果亦十分明显。对于“电力能源 需量管理系统”来说，也减轻了工作量，只需要考虑p l c 的输入功率档位应该如何 设定，具体而繁琐的电极位置调节工作可以交由p l c 调节控制系统完成。 2 2 2 电弧炉的电功率需求特性 要建立电弧炉的功率需求预测模型首先要了解电弧炉如何消耗电量。根据工艺过 程、供电要求、能量需求，推出在熔炼过程各个时期需要输入炉内的电功率情况。 2 2 2 1 工艺过程 电弧炉在生产过程中要完成的基本任务是借助三相电极发生弧光产生高温使废 钢熔化，并升湿到一定程度。 现在普遍采用的是短流程炼钢：采用超高功率电弧炉，只在电弧炉内保留熔化、 升温和必要的精炼，比如脱磷、脱碳，而把其余的精炼过程转移到后续的钢包二次精 炼炉中进行。这样充分利用了超高功率电弧炉的能力，以尽可能大的功率进行熔化、 升温操作，而那些只需要较低功率的操作均被转移到钢包精炼炉内进行炉外精炼。 工艺过程包括补炉、装料、熔化期和出钢四个时期，参见下图2 2 1 。 图2 2 i 现代电弧炉炼钢工艺过程 补炉、装料和出钢期都断电，熔化期是唯一的通电时期。熔化期的主要任务是将 炉料快速熔化和升温：迅速熔化全部炉料，去除钢液中的磷、钢液q j 的气体和夹杂物， 将钢液温度加热至高于出钢温度l o 到2 0 。c 。 2 2 2 2 供电要求 根据通电冶炼不同阶段的工艺特点【6 。，将熔化期进一步细分为四个阶段：点弧期、 穿井期、主熔化期和熔末升温期。结合图2 2 2 炉料融化过程图示，将四个阶段各自 的供电要求归纳如下。 1 4 蕊慈囡图 ( a )(b)(c) 图2 2 2 炉料熔化过程图示 南京理工大学硕士学位论文 电能需量模型及其控制策略研究 点弧期。 工艺特性：送电后，电极下降，当电极端部距炉料有一定的距离时，由于强大 电流的作用，中间的空气被电离成离子，并放出大量的电子而形成导 电的电弧，随之产生大量的光和热。 结束标志：送电起弧至电极端部下降约1 5 倍电极直径的深度。时间较短，一般 约为3 到5 分钟。 供电要求：此时电弧在炉顶附近燃烧辐射，二次电压越高，电弧越长，对炉顶 辐射越厉害，热量损失也越大。炉膛内炉料堆放亦较高且不规则，电 弧在炉料上面开敞地燃烧，很不稳定，因此要以功率较低的低电压、 低电流操作，以保护炉盖、炉壁。但此时电流也极为不稳，常出现瞬 时短路电流，会造成对电网的冲击。 ( b ) 穿井期。 工艺特性：点弧阶段结束后即为穿井期。在电弧的作用下，电极下的炉料首先 熔化，随着炉料的熔化，电极逐渐下降并到达它的最低位置，把炉料 穿成比电极直径大3 0 至4 0 的三口小井。同时，电极下熔化的金属 液滴顺着料块间隙向下流动，开始炉温较低，液滴边流边凝结在冷料 上，当炉温升高后，熔化的液滴便滴落在炉底上积存下来形成熔池并 逐渐扩大。 结束标志：电弧结束至电极端部下降到炉底的期间。若以开始点弧时电极所处 的位置作为基点，设升降过程中电极相对于基点的位移为向上的位移 为负，向下的位移设为正，二者的代数和为d 。则当d 第一次到达最 大值后开始减小，表明电极结束穿井期。 供电要求：电弧被炉料所屏蔽，可增大输入功率，但因不断出现塌料现象，电 弧燃烧也不十分稳定，故供电应采取稍大的二次中电压、较大电流或 高电压带电抗工作，目的是增加穿井直径与穿井速度。 主熔化期。 工艺特性：这个阶段主要是熔化电极周围的炉料，并逐渐向外扩大。随着熔化 继续的进行，中央部分的炉料跟着熔化，三口小井汇合成一口大井， 熔池液面不断扩大上升，电极也相应向上抬起，这也是电极回升阶段。 在这个阶段，周围炉料被熔化，当炉内只剩下炉坡、渣线和其他低温 区附近的炉料时，该阶段即告结束。 结束标志：电极下降至炉底后开始回升时，主熔化期开始，基本熔清时结束。 当输入能量累计达到完全熔清所需要能量的8 0 时，可认为基本熔 清，主熔化期结束。 需量管理对象 硕士论文 供电要求：主熔化期由于电弧完全被炉料覆盖，传热条件最好，电弧最稳定， 热效率最高，故应以最大功率供电。用长弧满功率工作并使用泡沫渣 保证大部分能量进入熔池。即采用最高电压、最大电流供电。主熔化 期输入电弧炉的能量应该占整个熔化期的8 0 以上。 ( d ) 熔末升温期。 工艺特性：三相电弧近似于点热源，各相的热辐射不均匀，所以炉内的温度分 布也不均匀。第四阶段主要是熔化较低温部位的炉料，并使钢水达到 出钢温度。在此过程中，电极虽然也继续稍有回升，但是并不明显。 结束标志：从电弧开始暴露给炉壁至炉料全部熔化为止，为熔末升温期。当输 入能量累计达到出钢所需的总能量值时，升温阶段结束。 供电要求：应根据泡沫渣状况不断通过对电压电流的合理调节控制电弧形态， 以达到使熔池快速升温和减轻炉衬热负荷的双重目的。一般采用中 电压、大电流供电，即短粗电弧冶炼。 2 2 2 3 能量需求 文献【6 】根据多炉的现场实验数据计算了点弧、穿井、主熔化和熔末升温各阶段 的能量输入比，见下表2 2 1 。 表2 2 1 能量输入比a i炉况点弧期穿井期主熔化期熔末升温期l i 能量输入比口 2 1 0 8 0 1 这个值a 可能会有变化，但实际炉况、炉料不同时可以根据多次实验予以修正。