劉迎宇，詹守權(quán)，闞 頌，孟志權(quán)，郝 飛

（1.鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司能源動力部,遼寧營口 115007；2.南京南瑞繼保電氣有限公司系統(tǒng)軟件研究所，江蘇南京 211102）

引言

鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)是高耗電的企業(yè)，電能的使用和供應(yīng)情況復(fù)雜，與各種工藝流程相互銜接、互相影響。既有連續(xù)生產(chǎn)過程，又有離散生產(chǎn)過程，負(fù)荷比較集中，沖擊性負(fù)荷多。電費(fèi)是鋼鐵企業(yè)主要成本之一，合理有序進(jìn)行用電負(fù)荷管理，平抑生產(chǎn)負(fù)荷，不僅可以加強(qiáng)企業(yè)用電的經(jīng)濟(jì)性，提高企業(yè)自身經(jīng)濟(jì)效益，還可以降低對電網(wǎng)的沖擊。文獻(xiàn)[1]以鋼鐵企業(yè)的調(diào)度需求為源，在智能調(diào)度中融入了電力二次一體化理念，實(shí)現(xiàn)了二次系統(tǒng)的專業(yè)融合和全網(wǎng)信息的綜合共享，為實(shí)現(xiàn)全面的需量監(jiān)視和控制提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[2]通過電力需量控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，開發(fā)了電力需量決策分析軟件和實(shí)時閉環(huán)控制的裝置，有效降低企業(yè)關(guān)口的需量電費(fèi)；文獻(xiàn)[3]基于廠級控制的方法構(gòu)建了綜合優(yōu)化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，解決了自動發(fā)電控制、電力需量控制和自動電壓控制之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制問題；文獻(xiàn)[4]基于企業(yè)調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)建了電網(wǎng)調(diào)度綜合運(yùn)行駕駛艙，設(shè)計(jì)了運(yùn)行KPI、決策分析和運(yùn)行操作三大驅(qū)動引擎，將數(shù)據(jù)、計(jì)算、優(yōu)化、流程有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)“前端監(jiān)控”與“后端優(yōu)化”的實(shí)時互動，為電力需量決策分析提供了便捷的操控環(huán)境。

根據(jù)《國家發(fā)展改革委關(guān)于降低一般工商業(yè)電價有關(guān)事項(xiàng)的通知》的有關(guān)規(guī)定，鲅魚圈分公司改變了自投產(chǎn)以來鋼鐵變按容量，制氧、煉鐵、煉鋼、燒結(jié)總降按裝機(jī)容量40%基礎(chǔ)上以實(shí)際發(fā)生最大需量繳納基本電費(fèi)的方式，全部改為按實(shí)際發(fā)生最大需量繳納電費(fèi)的結(jié)算方式。這種結(jié)算方式給電網(wǎng)管理者提出更高要求，怎樣合理安排電網(wǎng)負(fù)荷分布、各工序運(yùn)行方式，怎樣充分發(fā)揮自備電廠的發(fā)電能力，怎樣將檢修負(fù)荷變化與發(fā)電機(jī)出力、最大需量相互耦合，減少企業(yè)峰值負(fù)荷。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在電力、發(fā)電、煤氣、水系統(tǒng)分散監(jiān)控方式下，能源介質(zhì)調(diào)整依靠調(diào)度電話指揮的方式很難完成，但2019 年建成投產(chǎn)的能源集控系統(tǒng)使15 min 調(diào)整線路關(guān)口需量成為可能，達(dá)到降低電力最大需量值，減少基本電費(fèi)支出，提高企業(yè)自身經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 基于智能調(diào)度的電力需量數(shù)據(jù)分析

能源集控系統(tǒng)建立前，各生產(chǎn)線負(fù)荷情況分布在各總降綜合系統(tǒng)中，生產(chǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)需要人為有選擇性篩選。不利方面一是數(shù)據(jù)量大，統(tǒng)計(jì)時間和數(shù)據(jù)同一性無法保證；二是數(shù)據(jù)節(jié)選需要人為判斷；三是數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)全部是事后數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)負(fù)荷的指導(dǎo)沒有事前、事中的指導(dǎo)意義。能源集控系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)了全部能源動力站所的遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)采集，極大地提升了能源管理協(xié)同性和能源利用效率。將電力系統(tǒng)負(fù)荷潮流監(jiān)視、鍋爐和汽機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電機(jī)出力、能源介質(zhì)供配狀態(tài)等生產(chǎn)信息緊密地結(jié)合在一起，值長根據(jù)集控平臺能源平衡數(shù)據(jù)，指揮生產(chǎn)線、發(fā)電機(jī)等的負(fù)荷調(diào)整。

1.1 智能電力調(diào)度系統(tǒng)

智能電力調(diào)度系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)供配電監(jiān)視、控制、運(yùn)維、管理的重要平臺，也是實(shí)現(xiàn)調(diào)度和管理智能化的主要技術(shù)載體。智能電力調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲與管理和智能調(diào)度與優(yōu)化功能，實(shí)現(xiàn)了鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)的監(jiān)視控制和智能調(diào)度與優(yōu)化。

1.2 電力需量統(tǒng)計(jì)分析

依托智能電力調(diào)度系統(tǒng)，建立線路的負(fù)荷特性分析，統(tǒng)計(jì)出影響需量的關(guān)鍵負(fù)荷線路。

表1 是220 kV 需量監(jiān)測關(guān)口線路望鐵1#線和望鐵2#線所供主要負(fù)荷變化情況。

表1 數(shù)據(jù)說明，1#LF 爐、2#LF 爐、厚板甲乙線、熱軋甲乙線、中板甲乙線的負(fù)荷波動大，三鐵1#線、電動鼓風(fēng)機(jī)等負(fù)荷波動較小趨于平穩(wěn)。

表1 望鐵1#線和望鐵2#線主要線路負(fù)荷情況 kW

圖1 智能電力調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)

2 工序負(fù)荷特性分析

鋼鐵工業(yè)的負(fù)荷種類繁多,主要包含軋鋼機(jī)、電弧爐、制氧機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵機(jī)、傳送機(jī)等負(fù)荷。目前大多數(shù)文獻(xiàn)將鋼鐵工業(yè)負(fù)荷分為沖擊負(fù)荷和常規(guī)負(fù)荷兩類[5-7]。為研究本單位負(fù)荷的波動性對需量的影響,按照負(fù)荷波動性特點(diǎn)和企業(yè)實(shí)際情況，進(jìn)一步將企業(yè)負(fù)荷分為持續(xù)型沖擊負(fù)荷、間歇型沖擊負(fù)荷、穩(wěn)定型負(fù)荷三大類,如表2。

表2 鋼鐵工業(yè)負(fù)荷分類

上述三類負(fù)荷基本包含了公司所有負(fù)荷，通過智能電力調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)施，對各工序的總體負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。

2.1 持續(xù)型沖擊負(fù)荷分析

持續(xù)型沖擊負(fù)荷如熱軋、厚板、中板等。

表3 以熱軋為例，其中公輔負(fù)荷為軋線沒有軋制時的負(fù)荷，即生產(chǎn)準(zhǔn)備負(fù)荷；沖擊負(fù)荷為軋線正常軋制時的所有負(fù)荷即正常生產(chǎn)全部負(fù)荷；檢修負(fù)荷為軋線檢修時必要的保安負(fù)荷，即檢修使用負(fù)荷。

表3 熱軋生產(chǎn)線負(fù)荷表kW

熱軋持續(xù)型沖擊負(fù)荷的曲線如圖2所示。

2.2 間歇型沖擊負(fù)荷分析

在鋼鐵企業(yè)間歇型沖擊負(fù)荷的典型代表是LF爐，表4 是1#LF 和2#LF 爐的負(fù)荷情況。最大負(fù)荷為86.63MW，平均負(fù)荷僅為17.82MW，是鋼鐵企業(yè)典型的電力需量控制對象，其負(fù)荷變動如圖3所示。

表4 LF爐生產(chǎn)線負(fù)荷分析 kW

圖3 2座LF爐生產(chǎn)線負(fù)荷圖

2.3 平穩(wěn)型沖擊負(fù)荷分析

平穩(wěn)型負(fù)荷包括煉鐵區(qū)、煉鋼區(qū)、原料、燒結(jié)等。圖4為煉鋼區(qū)域生產(chǎn)線負(fù)荷圖，從線路、變壓器和CDQ 發(fā)電可以看出，曲線平穩(wěn)，并且具有一定的規(guī)律性和周期性。

圖4 煉鋼區(qū)域生產(chǎn)線負(fù)荷圖

2.4 負(fù)荷變化對需量影響分析

對生產(chǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)分析得出保證生產(chǎn)正常情況下負(fù)荷性質(zhì)及對關(guān)口需量影響的規(guī)律。

以2020 年5 月2 日1#高爐休風(fēng)負(fù)荷變化為例,見表5。

在日常生產(chǎn)時，熱軋、厚板、中板等工序是連續(xù)型沖擊負(fù)荷，調(diào)整負(fù)荷分配必然影響生產(chǎn)節(jié)奏；煉鐵、煉鋼、燒結(jié)、原料等屬平穩(wěn)型負(fù)荷，沒有調(diào)整負(fù)荷的余地；2 座LF 爐屬間歇型沖擊負(fù)荷，具有在時間上錯開，避免同時生產(chǎn)的可能，進(jìn)而降低望鐵總關(guān)口需量的發(fā)生，減少對電網(wǎng)沖擊。

在高爐休風(fēng)檢修情況下，煤氣、蒸汽等能源介質(zhì)發(fā)生量受到影響，進(jìn)而減少發(fā)電機(jī)的出力，這時生產(chǎn)線不進(jìn)行同步檢修將可能增加關(guān)口需量。根據(jù)能源電力集控系統(tǒng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合生產(chǎn)有計(jì)劃地安排軋鋼生產(chǎn)線配合檢修，進(jìn)行負(fù)荷平衡，確保望鐵總關(guān)口需量不增加或少增加。

表5 1#高爐休風(fēng)負(fù)荷變化表

圖5 電力需量決策分析系統(tǒng)架構(gòu)

3 應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 系統(tǒng)集成

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，基于智能電力調(diào)度系統(tǒng)，構(gòu)建電力需量決策分析系統(tǒng)，如圖5 所示。需量決策分析系統(tǒng)是基于數(shù)字孿生驅(qū)動的需量控制模式，圍繞關(guān)口需量的決策分析，構(gòu)建了虛擬電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和實(shí)際電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)。

智能電力調(diào)度系統(tǒng)按照“源-網(wǎng)-荷-控”四個環(huán)節(jié)進(jìn)行組織。電源包括自備電廠、燃?xì)庹羝?lián)合發(fā)電機(jī)組（CCPP）、干熄焦余熱發(fā)電裝置（CDQ）、高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（TRT）、分布式新能源（風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電）等；電網(wǎng)包含了不同電壓等級的供配電網(wǎng)絡(luò)，高壓和低壓的控制要求也很大區(qū)別；負(fù)荷按照工序用電來劃分包括球團(tuán)、燒結(jié)、焦化、鼓風(fēng)、高爐、轉(zhuǎn)爐、制氧、冷軋、熱軋、電爐、生活、辦公等；控制部分主要有自動電壓控制、自動發(fā)電控制、電力需量控制、負(fù)荷管理控制。同時，考慮煤氣、蒸汽、電網(wǎng)安全、作業(yè)計(jì)劃約束，為需量決策分析提供一個真實(shí)的研究場景。

3.2 應(yīng)用效果

利用能源集控項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析后，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，通過控制2 座LF 爐錯時生產(chǎn)，關(guān)口負(fù)荷波動明顯減小。以高爐計(jì)劃休風(fēng)檢修時間為控制點(diǎn)，分析各工序負(fù)荷變化情況，優(yōu)化控制策略，制定合理的需量控制范圍，具有良好的負(fù)荷平抑效果。能源集控項(xiàng)目投運(yùn)后，按最大需量方式結(jié)算的基本電費(fèi)，如表6所示。

表6 公司基本電費(fèi)結(jié)算匯總表 萬元

4 總結(jié)與展望

大型鋼鐵企業(yè)的電力系統(tǒng)具有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和調(diào)度方式，從源端電力供應(yīng)到樞紐變電站的電力輸送和轉(zhuǎn)換，再到生產(chǎn)工序側(cè)的合理用電，要建立一套適用于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)，在智能化調(diào)度的總體要求下，結(jié)合兩部制電價的調(diào)整細(xì)則，進(jìn)行了電力需量相關(guān)負(fù)荷數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，并制定切實(shí)可行的需量調(diào)整措施：

（1）首先基于智能電力調(diào)度系統(tǒng)，完成了關(guān)口需量相關(guān)負(fù)荷數(shù)據(jù)的實(shí)時計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，記錄了越限的前15 min和后10 min的負(fù)荷數(shù)據(jù)。

（2）將生產(chǎn)工序負(fù)荷劃分為持續(xù)型沖擊負(fù)荷、間歇型沖擊負(fù)荷、穩(wěn)定型負(fù)荷三大類，并對相關(guān)負(fù)荷進(jìn)行舉例分析，研究其對關(guān)口需量的變化影響。

（3）基于智能電力調(diào)度系統(tǒng)，開發(fā)了電力需量決策分析系統(tǒng)，借助該系統(tǒng)進(jìn)行需量的實(shí)時計(jì)算與預(yù)警、需量越限的路徑追溯、需量設(shè)定值的優(yōu)化設(shè)定、負(fù)荷預(yù)測與趨勢分析、需量越限的場景反演等功能，并成功應(yīng)用于某大型鋼鐵企業(yè)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

智能化電力調(diào)度系統(tǒng)的有益嘗試，既降低企業(yè)月度需量費(fèi)用，又提升了調(diào)度管理和智能化操控水平，為實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)電力調(diào)度的智能化提供了一個很好的案例。