萊鋼能源管理系統的設計與應用

王文為

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪 271104）

信息化建設

萊鋼能源管理系統的設計與應用

王文為

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司自動化部，山東萊蕪 271104）

萊鋼能源管理系統關鍵設備包括網絡設備、服務器、數據采集站及各類客戶端等，通過數據采集子環(huán)網、數據采集主干網和管理網進行連接，設計了數據采集層、支撐層、應用層、發(fā)布層等四層功能框架，主要采用能源預測、調度優(yōu)化、無人值守、數據融合、工作流驅動等技術。該系統投用后，實現了能源實時監(jiān)控、基礎能源管理、能源預測與優(yōu)化調度等功能，提高了煤氣回收利用率和自發(fā)電量，全年自發(fā)電量增加約0.5億kW·h，可產生經濟效益約3 700萬元。

能源管理；能源預測；調度優(yōu)化；實時監(jiān)控

萊鋼集團在2003年就已經建立起計量信息系統，實現了對能源計量數據的遠程采集和匯總，但只能通過能源網查詢“單點”數據信息，無法實時監(jiān)控能源的生產、輸送等。為此，萊鋼2012年開發(fā)了能源管理系統，實現了對動力能源從生產到輸配、消耗各環(huán)節(jié)的實時監(jiān)控、平衡調度和管理。

1 系統架構

萊鋼能源管理系統關鍵設備包括網絡設備、服務器、數據采集站以及各類客戶端等，通過數據采集子環(huán)網、數據采集主干網和管理網進行連接。該系統的硬件架構可概括為三個層次，如圖1所示。

圖1 能源管理系統硬件結構

第一層，數據采集站與數據采集子環(huán)網。數據采集站是能源管理系統中數據采集的基本單元，是直接向能源管理系統提供數據并接受系統管理的基本單位。由于數據采集建立在已有自動化控制系統和計量系統的基礎之上，因此，根據自控系統和儀表的入網方式不同，數據采集站的類型也比較復雜。對于直接接入數據采集子環(huán)網的控制系統（PLC、DCS等），該控制系統設備即為數據采集站；對于通過人機交互界面（Wincc、iFix等）接入數據采集子環(huán)網的控制系統，該人機交互界面設備即為數據采集站；對于通過PC管理機接入數據采集子環(huán)網的控制系統，該PC管理機即為數據采集站；對于通過RTU接入數據采集子環(huán)網的儀表等設備，該RTU設備即為數據采集站。

數據采集子環(huán)網是能源管理網絡的基本單元，連接地理位置相近的儀表和自控系統。一個或多個數據采集子環(huán)網通過網關、網閘等網絡安全設備接入數據采集主干網。

第二層，服務器與數據采集主干網。服務器是能源管理系統中提供數據服務和應用服務的核心設備，包括應用服務器、歷史數據服務器、Web服務器、防病毒服務器以及I/O數據服務器群。其中，I/O數據服務器群匯集了來源于各數據采集站的數據以及通過接口獲得的其他信息系統數據，是整個系統的核心數據服務器群。數據采集主干網覆蓋企業(yè)的各大生產區(qū)域，向下連接各數據采集子環(huán)網，將一線生產、計量數據匯集到各服務器，向上連接管理網，為管理用戶提供運行數據。在主干網的各個網絡設備中，進行分布式網絡安全部署，利用IRF智能堆疊技術、ACL技術、VLAN技術等，切實保障自控系統和能源管理系統的網絡與數據安全。

第三層，客戶端與管理網。客戶端包括面向能源調度人員的調度臺、面向各職能部門的Web客戶端以及顯示終端等，不同客戶端向用戶提供了不同的特色服務。管理網為各類用戶訪問能源數據提供了網絡支持。能源管理系統的三層硬件架構，保障了生產系統和能源管理系統的網絡與數據安全，實現了生產、能源數據的有序匯集。

2 系統主要功能

2.1 總體功能框架

萊鋼能源管理系統在系統功能方面采用了四層結構，總體框架如圖2所示。

圖2 系統功能總體框架

1）數據采集層。通過數據采集站和數據采集服務器實現能源計量數據采集與集成，包括與電力系統、計量系統、自動化系統、生產指揮系統、設備管理系統的接口。2）支撐層。由一系列系統開發(fā)、運行平臺和中間件構成，是整個應用功能實現的基礎，用以實現組態(tài)化的開發(fā)。3）應用層。包含項目所涉及的所有應用功能和管理功能。4）發(fā)布層。發(fā)布能源管理系統的實時畫面、管理表單、平衡報告等，同時提供系統標準、政策、制度等信息的查詢服務。

2.2 數據和事件處理

1）數據基本處理。對現場獲取的數據進行流量的溫壓補償、累計、合計、差值等處理。2）實時數據歸檔。對能源計量信號和報警信號進行歸檔，周期為5 s～5 min，提供趨勢曲線顯示以及報警信息查詢等功能，以便有效進行故障分析和能源消耗分析。3）歷史數據歸檔。根據工藝特點和信號源，選取必要數據進行歸檔，通過磁盤陣列可以保存3 a的歷史數據。4）報警處理。采用分級報警方式對重要現場設備的故障信號、能解系統報警參數超限、與能源生產相關的重要生產單元運行狀態(tài)變化等進行報警。

2.3 實時監(jiān)控調度

1）系統管網監(jiān)視。集中展示單一能源介質的整體產、供、用情況。2）區(qū)域管網監(jiān)視。對單一區(qū)域、分廠的介質管網和生產設備狀態(tài)做細節(jié)展現。3）站所遠程操控。對水源井、煤氣柜、放散塔等能源站所的設備狀態(tài)展示，并提供遠程控制功能。4）煤氣柜位預測。對煤氣柜未來一段時間的運行狀態(tài)做預測，并對可能的超限報警時間進行預測。5）管網平衡預測。對能源介質的生產、消耗以及能源轉換進行預測，從而提供對能源介質管網平衡狀態(tài)的預測及調度建議功能。6）多介質平衡。通過高爐煤氣—蒸汽—冷風單元能源介質的轉換模型，為調度人員提供能源系統優(yōu)化調整功能，從而實現多介質的綜合平衡。

2.4 基礎能源管理

1）計劃實績管理。依據生產計劃、設備檢修計劃、單耗預測等編制能源的供應和需求計劃，以及能源指標計劃。2）運行支持管理。提供調度人員交接班、停復役以及運方單管理功能。3）能源質量管理。通過分析能源介質的質量數據，進行質量監(jiān)測和報警，以保證能源介質的高質量供應。4）能源分析支持。對企業(yè)的能源供需、實績、指標、對標、成本、能源監(jiān)測與平衡等進行分析。5）能源報表系統。提供工序能耗、工序單耗、工序能源平衡、介質能源平衡、分廠能源平衡等報表。6）KPI績效管理。提供KPI績效系統，幫助企業(yè)將自己的產品、服務及管理實踐活動與競爭對手、行業(yè)龍頭企業(yè)的產品、服務及管理實踐活動進行對比分析。

2.5 知識管理和信息發(fā)布

1）能源信息門戶。運用IIS7技術構建信息資源門戶系統，為用戶提供統一入口，方便用戶訪問能源管理系統的各個不同子系統。2）知識管理功能。構建文檔及知識信息發(fā)布系統，提供對能源管理標準、國家政策法規(guī)、企業(yè)制度流程等文檔發(fā)布及下載管理功能。3）監(jiān)控畫面發(fā)布。建設監(jiān)控畫面的Web發(fā)布系統，根據用戶權限為其發(fā)布相關監(jiān)控畫面。

3 系統關鍵技術

3.1 能源預測技術

由于不同預測對象與能源介質的相互關系各不相同，使用單一的建模方法不可行。針對鋼鐵生產工藝以及過程歷史數據，建立了以機理分析與數據挖掘技術相結合的一系列預測模型，提高了模型精度與運算效率。預測模型所用到的預測方法有：

1）相關因素模型。結合生產工藝及相關性分析技術，獲取影響預測對象能源情況的多項生產工藝因素，作為預測模型的輸入，利用數據挖掘技術，建立模型輸入與輸出之間的映射關系，實現對調度單元的預測。此類模型適用于產能/耗能數量受多種工藝參數以及操作變化影響的調度單元，如焦爐、轉爐、熱風爐等。2）自回歸模型。預測對象能源情況不僅受工藝參數等變量影響，還與自身序列有較強的相關性，采用自回歸建模，此類模型適用于產能/耗能數量相對穩(wěn)定或者自身序列存在一定規(guī)律性的預測對象，如高爐等。該系統中，大量運用了時間序列的自回歸模型（AR）和自回歸滑動平均模型（ARMA）建模，對相關工序的煤氣產耗量進行預測［1］。

3.2 調度優(yōu)化技術

萊鋼能源管理系統采用調度優(yōu)化模型技術，通過對能源平衡狀態(tài)的分析，按照一定的目標確定調度規(guī)則和調度策略，以協助調度人員優(yōu)化能源平衡，實現能源的中長期平衡和多介質動態(tài)平衡。能源的中長期平衡是根據生產計劃和檢修計劃預測一段時間內的能源供應需求量，并制定相應的能源生產供應計劃，從而實現較長時間內（月、年）的能源供需平衡；多介質動態(tài)平衡是建立高爐煤氣—蒸汽—冷風的轉換模型，利用能源系統的實時數據，為調度人員提供調度方案，并在調度人員的經驗干預下，對能源系統進行優(yōu)化調整，實現多介質的動態(tài)綜合平衡。

系統采用模型與規(guī)則相結合的方法建模，結合企業(yè)多年實際調度經驗建立知識庫，將得到的調度規(guī)則集成到模型算法中使其快速收斂，綜合考慮可調單元的調度優(yōu)先級等因素，實現最優(yōu)調度，能源調度優(yōu)化流程見圖3。調度方案綜合能源預測結果、專家系統以及全局優(yōu)化算法，既可發(fā)揮常規(guī)線性規(guī)劃優(yōu)化算法的優(yōu)勢，又可結合專家先驗知識以及各種約束條件，對緊急情況進行快速反應，提高調度的適用性。

圖3 能源調度優(yōu)化流程

3.3 無人值守技術

無人值守是能源中心扁平化管理的最直接體現，調度人員可以直接操作這類站所中的設備，在減少人員占用的同時，賦予了調度員掌控全局的權力和事故快速響應的手段。無人值守監(jiān)控技術要求現場自動化系統必須滿足無人值守（或遠程監(jiān)控）的要求，重要動力設施（如變電站開關、調節(jié)閥門、電控設備等）、通信設施運行穩(wěn)定可靠，或經必要技術改造達到基本的安全條件及自動化水平。無人值守站所應具備視頻監(jiān)控和門禁系統，并建立定期巡檢機制。煤氣柜、混合站、加壓站、放散塔、空壓站、變電站、水泵站適合采用無人值守方式運行和管理。

3.4 基于GIS的綜合集成

萊鋼能源管理系統采用基于GIS的綜合集成技術，實現了以GIS為中心的生產、能源、環(huán)境綜合監(jiān)視，實現從宏觀到微觀的信息縮放；能夠結合萊鋼實際地圖進行各區(qū)域、各工序的實時生產監(jiān)控；直觀地展示能源流方向，以及各工序的能源產出、消耗、轉換情況。

3.5 數據融合技術

數據融合技術在多信息源、多平臺和多用戶系統內起著重要的處理和協調作用，保證了數據處理系統各單元與匯集中心間的連通性與及時通信，并且使人工完成的許多功能均由數據處理系統快速、準確、有效地自動完成。

萊鋼能源管理系統與多個信息系統進行數據共享，數據與應用之間具有復雜的網狀關系（見圖4）。采用數據標簽化技術將異構數據分解，再通過能量流網絡技術重新組織（見圖5），從而完成數據的融合。

圖4 數據與應用的網狀關系

圖5 數據融合后數據與應用的關系

3.6 能量流網絡技術

能量流網絡技術采用能介單元、能源介質、能量流等概念描述鋼鐵企業(yè)能源系統，對能介單元進行層次劃分，依據各種介質管網圖進行能源系統建模，并在此基礎上實現數據的集成、能量流狀態(tài)監(jiān)視、能耗指標的統計等功能。該技術從能源管理系統可行性研究階段開始就扮演重要角色，用于統計基表配置率及計量平衡水平。

隨著數據的不斷采集，能量流網絡能夠將上千計量有機地組織起來，使能源管理系統能夠適應不同企業(yè)的差異和相同企業(yè)同時期的差異，為實現通用的高級應用奠定了基礎。

3.7 工作流驅動技術

工作流是使業(yè)務過程的部分或整體在計算機工作環(huán)境下的自動化，實現某個預期的業(yè)務目標，或者促使此目標的實現。萊鋼能源管理系統開發(fā)過程采用了工作流驅動的應用開發(fā)框架，基于工作流引擎進行頁面流量控制、數據流控制和業(yè)務邏輯處理的分離。萊鋼能源管理系統對40多個業(yè)務流程逐一進行了工作流建模，形成標準工作流，通過工作流使各種崗位的人員同心協力，提高效率。

4 結語

萊鋼能源管理系統已經上線運行1 a多時間，企業(yè)各生產區(qū)域自控系統和計控儀表運行穩(wěn)定，能源數據采集正確，各能源應用功能達到了預定效果，為生產與能源調度提供了實時、準確的生產運行數據和能源計量數據，提高了能源管理水平，增強了能源系統運行的穩(wěn)定性和安全性。通過能源管理系統的能源產耗分析、能源實績管理以及能源指標分析等。建立了客觀的以數據為依據的能源消耗評價體系；能源管理系統采用煤氣、氧氮氬氣、蒸汽和電力的在線動態(tài)調度，提高了煤氣回收率和自發(fā)電量，減少了自發(fā)電并網，2013年高爐煤氣、焦爐煤氣放散率比2012年分別下降0.236%、0.185%，轉爐煤氣噸鋼回收量增加6.17 m3，年節(jié)約標煤約2.6萬t，全年自發(fā)電量增加約0.5億kW·h，可產生經濟效益約3 700萬元。

［1］汪春鵬.高爐煤氣發(fā)生量時間序列預測模型的開發(fā)［J］.山東冶金，2013，35（5）：56-58.

Design and Application of Energy Management Systemin Laiwu Steel

WANG Wenwei

（The Automation Department of Laiwu Branch Company of Shandong Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Laiwu 271104,China）

The key equipment of energy management system in Lai Steel contained network equipment,server,data acquisition station and all kinds of clients are connected by data acquisition sub ring networks,data acquisition backbone network and management network.The system designs four-layer architecture including data acquisition layer,support layer,application layer and distribution layer,mainly adopts the energy forecasting,scheduling optimization,unattended operation,data fusion,the workflow etc.After the system put into use,the functions of the energy real-time monitoring,basic energy management,energy prediction and optimization scheduling etc.are realized,gas recovery efficiency and self-electricity generation are improved,for the whole year,self-electricity generation increased about 50 million kW·h,and economic benefits about 37 million yuan can be produced.

energy management;energy forecast;scheduling optimization;real-time monitoring

TP315

B

1004-4620（2014）03-0057-03

2014-02-10

王文為，女，1981年生，2007年畢業(yè)于山東大學電路與系統專業(yè)。現為山東鋼鐵集團萊蕪分公司自動化部工程師，從事冶金自動化、信息化工作。