基于CPS架构的钢铁企业电网智能管控平台研究与应用

一、研究背景与问题钢铁企业的耗电量占全国耗电量的8%左右，钢企平均自发电比例约49%，提高企业的自发电利用率对钢铁行业和电力行业意义重大，对减少碳排放作用较大。钢铁行业在常规工艺段的基础及过程自动化、生产管理信息化等方面取得了显著进展，相比工艺段，企业对电网关注度相对较低，缺乏对企业电网智能化方面的探索。钢铁企业电网存在智能化运维水平不高、电网运行控制自动化程度低下、企业电网信息化集成性不足、自发电量倒送外部电网从而无法充分利用、运维管理信息化水平低、管理不规范、事故分析缓慢不准确等问题，导致钢铁企业自发电利用率较低，企业电网管理粗放，迫切需要开发一套应用于企业电网的智能管控平台。关键难题如下：1、企业电网中电源、电网、自发电机组和用电负荷之间没有友好互动和协调运行，导致钢铁企业电网智能化运维水平不高，电网运行控制自动化程度低下，企业电网信息化集成性不足。2、钢铁企业冶炼负荷及轧钢负荷频繁波动，导致企业电网关口电力潮流阈值难以准确设定，自发电量倒送外部电网从而无法充分利用。3、电网潮流控制系统要实现整个电网的各个电源和负荷的协调控制，面临着任意电网架构下的快速动态拓扑识别，以及信息快速传递的技术难关。4、为了提升电网潮流控制系统的控制策略及响应过程的正确性、完整性和可靠性，需要建立模拟实际电网的仿真系统。二、技术解决方案企业电网智能管控平台技术攻关路线如下：

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企业电网智能管控平台技术攻关路线企业电网智能管控平台在技术攻关过程中面临着如下的技术难关：1、全电网信息孤岛。国内外尚无一套用于企业电网的智能管控系统，该系统的体系架构没有可借鉴性；目前各变电站横向之间互相孤立，信息没有交互；要实现信息交换，缺乏统一的数据传输协议和对象模型。2、关口潮流阈值难以精准确定。传统的关口潮流阈值（即企业电网关口功率设定值）都是人工凭经验设定，设定裕量大；行业内没有准确计算阈值的算法。3、电网潮流缺乏快速精准控制。企业电网网架结构复杂，难以快速识别不同运行方式下源、网、荷的对应关系，无法实现精准控制；传统控制系统采用多层网络架构，造成数据传输速度缓慢。4、控制策略无法在真实电网中热试。各类电网仿真软件无法实现全网信号的真实模拟。企业电网智能管控平台将信息化系统和企业电网深度融合，实现了电网运行安全化、电网调度智能化、潮流控制自动化、数据采集全景化、设备运维规范化、事故处理智慧化的核心功能，大幅提升了企业电网智能化管理水平，帮助企业最大限度利用自发电量、减少人员成本、节省电费开支、减少停电损失、降低运维成本。该项目对企业电网关口潮流实现了精准控制，使企业电网的运行控制方式及管理模式得到重大转变。三、主要技术内容与创新本项目研究目的就是保证电网安全运行，实现源网荷自动潮流快速控制、供配电设备全生命周期管理和电网故障的精确定位、实时分析及提前预警，全面解决钢铁厂内部电网建设、管理、运维中的各种问题。在本平台的实施过程中，从以下五个方面着手开展研究：1、目前钢铁企业信息化建设取得了长足的进步，但是由于企业在信息化过程中缺乏一个整体的规划，企业电网中电源、电网、自发电机组和用电负荷之间没有友好互动和协调运行，导致企业内出现了大量的“信息孤岛”，数据难以贯通共享，造成各系统数据重复采集，不能有效地共享信息，更不能实现业务流程的自动化和互动化。针对这些问题，对企业电网信息化、自动化、互动化进行研究，首次开发一套面向千万吨级钢铁厂的企业电网智能管控平台。

图2

企业电网智能管控平台系统图2、传统的钢铁企业关口潮流控制，高度依赖于调度人员自身的经验。一直以来企业电网关口潮流难以准确预判，自发电量倒送外部电网从而无法充分利用都是困扰整个钢铁行业的一个重大难题，其中的关口潮流阈值的精准确定及自备发电机组的协调控制是电网潮流控制系统实施的关键技术。研究多重目标下钢铁企业的关口潮流控制和自发电计划的定制方法，即在内部电力潮流尽量不倒送回外部电力系统的基础上，如何最大限度的利用已有煤气，提高自发电比率，降低企业用电成本。3、在电网潮流的控制中，电网拓扑识别是实现后续控制策略的核心基础，是实现整个控制功能的关键技术。企业电网电气量变化速度快，供电电源、厂内发电机组以及用电负荷之间距离远分布广，实现信息在各变电站间的快速传递及处理是全电网潮流快速控制的瓶颈。进行基于改进型DFS算法的快速动态拓扑识别技术的研究；实现从关口潮流达到阈值至发出调节指令70ms内完成的电网潮流快速精准控制。4、为了尽可能准确的模拟潮流控制系统和机网协调系统作用于真实企业电网的情况，需要模拟仿真企业电网从电磁暂态响应（微秒级）到其热力系统、继电保护动作、自控系统调节响应（秒级）整个过程。对仿真计算主要有以下要求：能够实现潮流控制系统、机网协调系统和仿真系统之间进行毫秒级、海量数据的交换，以满足对全网所有受控开关和发电机组全部控制信号的真实模拟；能够接入潮流控制系统和机网协调系统实物控制器，进行实时仿真测试其输入和输出对电网的作用。5、针对钢铁企业变电站运维管理信息化水平低、管理不规范、事故分析缓慢不准确的难题，基于数据中台技术开发钢铁企业电网设备运维管理专家系统，攻克了电气设备数据分散、难以集中管理的技术难关，实现了所有感知数据的贯通，对数据进行高效的采集、存储、计算、加工，为企业变电站运维提供统一的数据源。主要创新点：1、首次开发了适用于千万吨级钢铁企业的智能管控平台，采用了CPS体系架构、以企业电网关口潮流控制为核心、以电网运行安全为目标，提高了企业电网设备运维水平，减少企业电网运维人员90%以上。2、首创多目标协同下的企业电网关口潮流控制算法和自备发电机组协调控制策略，实现了对企业电网关口潮流的精准控制，使自发电量利用率提升。3、开发出适用于钢铁联合企业的快速动态拓扑识别技术，解决了潮流控制系统对源-网-荷拓扑关系需要进行快速动态识别的难题；在钢铁企业电网内实现了多级设备、多层网络数据的高速传输，达到70ms内完成电网潮流的快速精准控制。4、创建了交互式钢铁企业半实物仿真平台，研究了实时化、可变步长、支持实时网络的电网仿真技术，在1ms内完成4000字节数据的交换，实现了对控制策略的全面综合优化和验证。5、开发了钢铁企业电网设备运维管理专家系统。降低设备故障率10%，节约设备检修成本20%，大幅提升了跳闸事故原因分析的效率。四、应用情况与效果本项目已成功应用于丰南钢铁、石横特钢、临沂钢厂等多个环保搬迁项目，为企业提高智能化管理水平的同时，每年对千万吨级钢铁企业节约费用3亿元以上，经济效益和社会效益显著，对进一步提升钢铁行业节能减排水平意义重大。本平台于2019年3月首次在河北纵横集团丰南钢铁有限公司成功投入使用。通过本平台的自动控制，丰南钢铁发电设备、用电设备实现了高效协调运行，减员逾90%，自发电量利用率提升7%以上。节省电度电费1.5亿元/年、节约基本电费1.79亿元/年、节约人力费用1008万元/年，合计年