郝飛，解凱，孔亮，黃斌

(1.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)

(2.中天鋼鐵集團有限公司，江蘇常州 213000）

在超低排放，碳達峰、碳中和，較嚴格的鋼鐵環(huán)境保護標準的推進下，綠色發(fā)展已經(jīng)成為大多數(shù)鋼鐵企業(yè)共同追求的目標。對于企業(yè)電網(wǎng)而言，要能夠充分吸收大電網(wǎng)的先進技術(shù)，在智能電力調(diào)度方面進行更多的應(yīng)用實踐，不斷增強自身電網(wǎng)的靈活性和經(jīng)濟性[1]。另外，鋼鐵企業(yè)的用電特點與地區(qū)電網(wǎng)有著明顯的不同，要做好電力供應(yīng)服務(wù)。鋼鐵企業(yè)屬于大工業(yè)用戶，電網(wǎng)公司按照兩部制電價進行電費收取。對于采用需量進行計費的企業(yè)，可以通過電力需量控制的技術(shù)手段降低需量電費，提高企業(yè)的用電效率[2]。能源預(yù)測是制定能源供應(yīng)計劃的基礎(chǔ)，鋼鐵企業(yè)電力負荷預(yù)測由于主工序運行工況和生產(chǎn)計劃的影響，表現(xiàn)出了大幅度沖擊波型的特征，增加了預(yù)測的難度，降低了超短期預(yù)測的精度。因此，要實現(xiàn)提高企業(yè)用電效率，降低成本的目標，需要圍繞企業(yè)關(guān)口負荷建立完善的預(yù)測系統(tǒng)，并結(jié)合企業(yè)的工序負荷特性，采用匹配的預(yù)測方法，來提高企業(yè)負荷預(yù)測的準確性，為企業(yè)提供科學(xué)用電、節(jié)約用電的負荷管理平臺。

本文以某大型鋼鐵企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)為例，建立企業(yè)關(guān)口預(yù)測的拓撲模型，確定工序分量的預(yù)測點。通過對不同工序負荷特性分析，依據(jù)綜合指標數(shù)據(jù)將負荷進行分類，并自動匹配預(yù)測模型及算法?；陔娏Χ我惑w化調(diào)度平臺構(gòu)建企業(yè)關(guān)口負荷預(yù)測系統(tǒng)，分析了各個預(yù)測點的樣本數(shù)據(jù)的獲取、外部影響因素的處理等環(huán)節(jié)的處理方法，并詳述了工序負荷的負荷特性綜合指標體系的構(gòu)建、預(yù)測模型自動匹配的依據(jù)、預(yù)測結(jié)果的交叉驗證、分量預(yù)測結(jié)果的疊加等內(nèi)容，最終生成關(guān)口不同時間粒度的關(guān)口預(yù)測結(jié)果。最后將預(yù)測系統(tǒng)與企業(yè)電力需量控制相結(jié)合，建立自上而下、目標統(tǒng)一的調(diào)控系統(tǒng)，完善負荷管理與控制系統(tǒng)功能，提高企業(yè)的用電效率。

1 工序負荷特性分析

1.1 供電網(wǎng)絡(luò)分析

某大型鋼鐵企業(yè)的供電網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。該企業(yè)電網(wǎng)有2座220 kV變電站，每座變電站通過2條220 kV輸電線路與外電網(wǎng)相連，變電站之間通過聯(lián)絡(luò)線連接。其中，將220 kV線路設(shè)定為關(guān)口負荷預(yù)測點，同時也是企業(yè)最大需量監(jiān)測點和功率因數(shù)考核點。站內(nèi)各有2臺三卷變壓器，其中35 kV母線接入的主要是容抗器，110 kV母線對各個生產(chǎn)車間進行供電。自備電廠有2臺300 MW機組，1臺機組通過聯(lián)絡(luò)線接入鐵鋼站110 kV母線，另1臺接入軋鋼站110 kV母線，2臺機組對應(yīng)高壓母線沒有相連。此外，自備電廠還為部分車間供電。在負荷端，建立了鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)工序的等值負荷，如球團、燒結(jié)、焦化、制氧、轉(zhuǎn)爐、冷軋、熱軋、電爐等，其他如高爐、鼓風(fēng)、辦公用電、生活用電等工序歸到110 kV車間變電站中[3]。

圖1 某大型鋼鐵企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)

1.2 預(yù)測點的選取

根據(jù)圖2可以看出，關(guān)口預(yù)測點選擇為鐵鋼關(guān)口和軋鋼關(guān)口，工序分量預(yù)測點設(shè)定為球團、燒結(jié)、焦化、制氧、TRT發(fā)電、鐵鋼110 kV車間變電站、軋鋼110 kV車間變電站、煤氣發(fā)電、轉(zhuǎn)爐、冷軋、熱軋、電爐、自備電廠機組。其中，燒結(jié)預(yù)測點在預(yù)測樣本生成時要考慮到CDQ發(fā)電對整個燒結(jié)工序負荷的影響；鐵鋼110 kV變電站和軋鋼110 kV車間變電站將常規(guī)動力負荷做了等值處理，將工序中沒有考慮的負荷都整合進入這2個等值預(yù)測點中；自備電廠機組和煤氣發(fā)電要考慮燃料計劃的約束，其中煤氣發(fā)電要根據(jù)能源系統(tǒng)煤氣的供需關(guān)系來確定。

圖2 預(yù)測點的選取

1.3 負荷的自動分類

表1是對某特鋼企業(yè)電弧爐、制氧變、空壓站、初軋、鍛造等工藝設(shè)備3 d的負荷特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表1 工藝日負荷特性統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由表1可知，電弧爐和鍛造的負荷率都不到20%，是典型的沖擊性負荷。在電弧爐通電冶煉過程中，根據(jù)不同階段的工藝特點，可以將熔化期分為電弧期、穿井期、主熔化期和熔末升溫期4個階段，不同時期，具有不同的供電要求。由于電弧爐允許在冶煉過程中通過調(diào)節(jié)電極擋位改變用電負荷，因此是鋼鐵企業(yè)典型的電力需量控制對象。鍛造的負荷較小，其生產(chǎn)過程的耗電環(huán)節(jié)為機加工過程，因此可通過調(diào)整鍛造過程的生產(chǎn)來錯峰填谷，對降低最大需量意義不大。初軋、制氧變、空壓站工序的負荷率都在60%以上，屬于平穩(wěn)負荷。其中，初軋負荷較小，可以不考慮；制氧變的最大負荷為12.36 MW，是多臺制氧機組的總負荷，在電力需量控制中由于制氧機的生產(chǎn)要求，無法對其直接控制；空壓站的日最大負荷與最小負荷相差較小，不能有效地降低需量。

因此，對于制氧、空壓機、初軋等平穩(wěn)負荷采用等值負荷預(yù)測的方法來進行建模，將該類負荷進行累加，然后再進行負荷預(yù)測；對于電弧爐、鍛造等沖擊性負荷，要按照特殊工序來進行處理，根據(jù)各個生產(chǎn)工序的實際用電情況，建立特殊的預(yù)測模型。由于電弧爐是本系統(tǒng)中的控制對象，需要在預(yù)測的基礎(chǔ)上進行趨勢分析，為制定控制策略和計算各電力優(yōu)化控制裝置的需量設(shè)定值，提供判斷依據(jù)。

在負荷預(yù)測過程中,根據(jù)各個工序的樣本數(shù)據(jù)的特征和外部影響因素信息，對工序負荷進行負荷特性分析，并根據(jù)分析結(jié)果將預(yù)測工序負荷劃分為生活負荷、生產(chǎn)負荷、沖擊負荷、平穩(wěn)負荷、波動負荷5類。其中，工序負荷的負荷特性分析按照電價的峰平谷的時間段，將日分鐘時間序列曲線分割成3組，分別為Speak、Splat、Svally；針對不同時段進行指標體系的計算。

2 負荷預(yù)測的實現(xiàn)

鋼鐵企業(yè)的用電負荷預(yù)測要根據(jù)各工序的生產(chǎn)和用電特點，尋找鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)和用電的內(nèi)在規(guī)律，并以此作為先驗信息引入到預(yù)測方法設(shè)計中；同時，根據(jù)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)特點對鋼鐵企業(yè)負荷進行合理分類，針對不同的負荷類型進行建模，利用特征選擇技術(shù)建立適當?shù)念A(yù)測模型，并充分利用生產(chǎn)中的計劃信息和干擾因素對預(yù)測結(jié)果進行修正。在本系統(tǒng)中采用了多模型擇優(yōu)預(yù)測框架，以支持多模型的應(yīng)用，建立了高爐工序、轉(zhuǎn)爐工序、電弧爐工序、制氧工序、空壓機站、焦化工序的短期負荷預(yù)測等效模型，根據(jù)不同工序的負荷特性，在可用預(yù)測方案的基礎(chǔ)上進行擇優(yōu)，采用不同的預(yù)測算法，為制定可靠的決策信息提供數(shù)據(jù)支撐，通過預(yù)測結(jié)果的疊加完成對企業(yè)的總負荷進行預(yù)測。

2.1 負荷預(yù)測的實現(xiàn)過程

基于工序負荷特性的鋼鐵企業(yè)超短期電力負荷預(yù)測系統(tǒng)，以鋼鐵企業(yè)智能電力調(diào)度集成系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行設(shè)計和開發(fā)[5]。充分利用平臺提供的實時、歷史和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，進行負荷特性分析、數(shù)據(jù)挖掘和預(yù)測管理，實現(xiàn)生活負荷、生產(chǎn)負荷、沖擊負荷、平穩(wěn)負荷和波動負荷的自動分類；在預(yù)測中不同負荷類型進行預(yù)測模型的自動匹配，從預(yù)測算法庫中尋找最佳的預(yù)測算法；在超短期預(yù)測中，根據(jù)影響因素的負荷特性對各類負荷的預(yù)測結(jié)果進行二次修正，提高預(yù)測的精度。負荷預(yù)測的實現(xiàn)過程見圖3。

圖3 負荷預(yù)測的實現(xiàn)過程

2.2 樣本數(shù)據(jù)的處理

負荷預(yù)測工序負荷的秒級數(shù)據(jù)的采樣周期設(shè)定為3 s,分鐘負荷數(shù)據(jù)通過對秒級數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均獲取，小時電度數(shù)據(jù)通過對秒級數(shù)據(jù)進行積分計算獲取，日總電度數(shù)據(jù)通過對當日小時電度增量進行累加獲取，以上4類數(shù)據(jù)都通過企業(yè)電力調(diào)度二次一體化平臺的數(shù)據(jù)引擎存入到歷史數(shù)據(jù),供分析和預(yù)測使用。

分鐘負荷的計算公式為：

式中：PMinute（i）為第i分鐘的分鐘負荷值；N為1 min內(nèi)秒級數(shù)據(jù)的采樣次數(shù)，本方法中N的取值為20；ω（j）對應(yīng)第j個秒級數(shù)據(jù)的權(quán)重；PSecond（j）為1 min內(nèi)的第j個秒級數(shù)據(jù)。

小時電度的計算公式為：

式中：EHour（h）為第h小時的電度量；PSecond（m）為第h小時內(nèi)的第m個秒級數(shù)據(jù)；dt為m次秒級采樣時刻與第m-1次秒級數(shù)據(jù)采樣時刻的時間差值。

所述分鐘負荷數(shù)據(jù)通過對秒級數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均獲得，其中權(quán)重ω（j）的確定采用了時間序列的形態(tài)距離作為確定權(quán)重大小的依據(jù)，具體方法如下：1）獲取前1 min采集到的所有秒級數(shù)據(jù)的時間序列Sn-1，以及當前分鐘采集的所有秒級數(shù)據(jù)的時間序列Sn。由于采用相同的采樣頻率，Sn-1與Sn的時間序列的長度相同。2）計算Sn-1、Sn的平均值Pn_avg、Pn-1_avg，為了體現(xiàn)出時間序列中的差異度，當時間序列中的數(shù)據(jù)偏離平均值越遠，應(yīng)賦予的權(quán)重越大。3）利用公式（2）計算,得到最終的ω（j）：

2.3 預(yù)測過程

整個關(guān)口預(yù)測的過程，如圖4所示，其具體步驟為：1)利用企業(yè)電力調(diào)度二次一體化數(shù)據(jù)平臺提供的數(shù)據(jù)引擎和應(yīng)用引擎[4]，獲取負荷預(yù)測需要的樣本數(shù)據(jù)，包括工序負荷的秒級數(shù)據(jù)、分鐘負荷數(shù)據(jù)、小時電度數(shù)據(jù)、日總電度數(shù)據(jù)。2）獲取預(yù)測過程中需要的影響因素信息，包括氣象信息、調(diào)度規(guī)則、生產(chǎn)計劃、檢修計劃。3）根據(jù)各個工序的樣本數(shù)據(jù)的特征和外部影響因素信息，對工序負荷進行負荷特性分析，并根據(jù)分析結(jié)果將預(yù)測工序負荷劃分為生活負荷、生產(chǎn)負荷、沖擊負荷、平穩(wěn)負荷、波動負荷5類。4）根據(jù)負荷特性的指標數(shù)據(jù)來匹配預(yù)測模型，并根據(jù)當前工序負荷的變化趨勢進行樣本集合的選擇。5）當工序預(yù)測測點的模型和樣本都具備預(yù)測條件時，進行關(guān)口分量負荷預(yù)測，并統(tǒng)計預(yù)測誤差，根據(jù)預(yù)測誤差不斷對結(jié)果進行修正，直到滿足預(yù)測精度要求。6）將所有工序分量預(yù)測結(jié)果進行疊加，并與關(guān)口預(yù)測結(jié)果進行比較，同時與制訂的調(diào)度規(guī)則進行比對。如果不滿足預(yù)先設(shè)定的條件，則進入第3步，重新進行預(yù)測；只有滿足條件時，才將最終的預(yù)測結(jié)果輸出，整個預(yù)測過程結(jié)束。

圖4 預(yù)測過程

2.4 特殊工序的趨勢分析

電弧爐是典型的沖擊性負荷，在1個冶煉周期的典型曲線模型由上升沿、中間段和下降沿3部分組成：上升沿和下降沿曲線根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律固定其時間長度(定長)，中間段只需確定曲線取值(定值)，其長度隨著冶煉計劃的變化而變化。根據(jù)對該能源管控系統(tǒng)中電弧爐冶煉實際分析可知，在1個冶煉周期中，電弧爐煉鋼冶煉的啟動曲線比較相似，啟動5～10 min后負荷就可以達到極大值，之后冶煉負荷基本區(qū)域穩(wěn)定、振蕩小。當冶煉即將結(jié)束時，負荷開始逐漸下降，負荷下降的時間大約為10～20 min。因此可以分別建立上升沿、下降沿和中間段的預(yù)測模型，然后再將3種模型按照時間的先后合起來構(gòu)成電弧爐在1個冶煉周期的預(yù)測模型[6]。根據(jù)電弧爐負荷的實時變化信息，利用相似性度量方法從電弧爐近期的歷史數(shù)據(jù)中選擇樣本數(shù)據(jù)，并結(jié)合電弧爐的冶煉過程采用3種不同的預(yù)測模型進行趨勢分析，滿足了電力需量閉環(huán)預(yù)測控制的要求。電弧爐趨勢分析采用信號觸發(fā)的方式，樣本數(shù)據(jù)為10 s 1個采集點，預(yù)測時間長度為1個冶煉周期，采用在線滾動優(yōu)化的方法不斷修正未來5 min的趨勢分析曲線，直到整個冶煉過程結(jié)束。具體步驟如下：1）觸發(fā)啟動。在電弧爐開始冶煉時合上變壓器開關(guān)，完成一爐鋼冶煉后將開關(guān)分開。通過電力調(diào)度系統(tǒng)實時獲取該開關(guān)的位置信息，當開關(guān)由“分”變“合”時，啟動電弧爐的趨勢分析，趨勢數(shù)據(jù)為樣本庫中與該冶煉鋼種相同的歷史樣本的綜合。2）上升沿趨勢分析。當開始冶煉3 min后，利用采集到的本過程的實時樣本序列，通過相似性度量方法將該電弧爐近30 d的歷史數(shù)據(jù)中相似度最高的3組數(shù)據(jù)作為預(yù)測樣本，然后利用趨勢外推的方法修正本冶煉過程的趨勢分析曲線。3）中間段趨勢分析。在利用上升沿模型進行預(yù)測時，中間段預(yù)測模型也根據(jù)電弧爐實時變化的負荷數(shù)據(jù)進行預(yù)測，并實時準備進行模型切換，當兩個模型都判別出需要切換時，立刻切換到中間段模型進行預(yù)測，由于該段負荷變化相對較小，因此在趨勢分析時采用線性回歸方法進行趨勢分析，樣本同樣通過相似性度量方法來選取。4）下降沿趨勢分析。當冶煉即將結(jié)束時，負荷開始下降，此時切換到下降沿模型，樣本和趨勢分析方法與上升沿相同。5）預(yù)測結(jié)束。當電弧爐變壓器開關(guān)分開時，電弧爐負荷為零，整個冶煉過程結(jié)束。

3 應(yīng)用案例分析

以某大型鋼鐵企業(yè)為例，為了配合電力需量的調(diào)控，在220 kV變電站的對外線路處，設(shè)置2個預(yù)測點，分別為鐵鋼關(guān)口預(yù)測點和軋鋼關(guān)口預(yù)測點。與該關(guān)口相關(guān)的線路及負荷有：1#LF爐、2#LF爐、厚板甲線、厚板乙線、熱軋甲線、熱軋乙線、中板甲線、中板乙線、燒結(jié)聯(lián)絡(luò)線、鐵渣1#線、鐵渣2#線、電動鼓風(fēng)1#線、電動鼓風(fēng)2#線。通過對這些負荷線路的分析，按照波動性特點和企業(yè)實際情況可以分為持續(xù)型沖擊負荷、間歇性沖擊負荷、穩(wěn)定負荷3大類，在對熱軋、厚板、中板、LF爐、煉鐵的數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表2所示。

表2 負荷分類與預(yù)測選擇

在對負荷特性進行自動分析后，構(gòu)建關(guān)口超短期預(yù)測的模型，其中對LF爐和持續(xù)型沖擊負荷做特殊處理，并采用疊加分量的方法對關(guān)口負荷進行超短期預(yù)測，預(yù)測時間間隔為1 min，預(yù)測點數(shù)為未來24點，即未來24 min內(nèi)的關(guān)口負荷。預(yù)測曲線和預(yù)測誤差統(tǒng)計，如圖5所示，其中預(yù)測綜合準確率為97.9%，可以很好滿足電力需量控制的精度要求。

圖5 預(yù)測結(jié)果及誤差分析

4 結(jié)論

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，特別對于采用關(guān)口電力需量結(jié)算的企業(yè)，通過對關(guān)口線路的有功功率超短期負荷預(yù)測，提前獲取電力負荷的變化趨勢，有助于減少企業(yè)關(guān)口需量的越限次數(shù)，降低企業(yè)的供電成本。本文根據(jù)某鋼鐵企業(yè)的不同工序的用電特性，進行了企業(yè)關(guān)口負荷超短期預(yù)測的設(shè)計：1）首先根據(jù)鋼鐵企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)模型，在負荷端建立生產(chǎn)工序的等值負荷，基于負荷特性分析的結(jié)果，預(yù)測工序負荷的分類；2）建立了高爐工序、轉(zhuǎn)爐工序、電弧爐工序、制氧工序、空壓機站、焦化工序的短期負荷預(yù)測等效模型，采用不同的預(yù)測算法，通過預(yù)測結(jié)果的疊加完成對企業(yè)的總負荷進行預(yù)測；3）根據(jù)綜合指標來進行預(yù)測模型的匹配，并對預(yù)測模型樣本數(shù)據(jù)是否滿足預(yù)測要求進行檢驗，從而實現(xiàn)對關(guān)口工序分量的負荷預(yù)測，將工序分量的預(yù)測結(jié)果疊加，檢查是否滿足調(diào)度優(yōu)化要求，最終輸出關(guān)口次日的關(guān)口預(yù)測結(jié)果；4）通過某鋼鐵企業(yè)的實際應(yīng)用，對關(guān)口負荷進行了超短期預(yù)測，獲得了較好的預(yù)測精度，為電力需量控制提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。