大型工業企業生產負荷平抑優化策略

劉 樹，王元超，石 山，屠黎明，張高言，梁 宇，毛承雄

（1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430074）

大型工業企業生產負荷平抑優化策略

劉 樹1，王元超2，石 山1，屠黎明1，張高言2，梁 宇2，毛承雄2

（1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，武漢 430074）

大型工業企業生產負荷大多為沖擊性負荷，將會對電力系統、用電設備以及生產等造成影響。基于電力系統“削峰填谷”基本思想，提出一種負荷分時交錯的平抑優化策略，對大型工業企業生產負荷進行平抑優化研究。以鋼鐵企業電弧爐煉鋼為例，在給出單臺電弧爐負荷模型基礎上，建立多臺電弧爐負荷平抑優化模型，然后采用遺傳算法-粒子群優化GA-PSO（genetic algorithm-particle swarm optimization）算法對優化模型進行求解。選取3種典型的電弧爐有功負荷作為算例，對比分析其在同時同步運行和分時交錯運行兩種情況下的負荷波動大小。結果表明，所提出的優化策略具有明顯的負荷平抑效果。

大型工業企業；負荷平抑；分時交錯；電弧爐；GA-PSO

大型工業企業中的生產負荷大多為沖擊性負荷，其有功功率與無功功率并不固定，常常隨著時間及工況的變化而不斷變化。如大型電弧爐、大型初軋機、冷連軋機、熱連軋機等，這些常用的生產設備不僅單機容量大，而且有功功率及無功功率波動的幅度和頻度也較大，大多屬于具有沖擊性、非線性特點的動態畸變負荷[1]。

大型工業企業的沖擊性負荷，將會對電力系統、用電設備以及企業生產等造成巨大影響。比如有功沖擊將會影響電力系統的頻率穩定，而無功沖擊將會影響電力系統的電壓穩定；由于沖擊負荷造成電力系統電壓和頻率的波動，這些波動又將影響用電設備的正常運行和使用壽命；最關鍵的是，這又將進一步影響大型工業企業的安全穩定生產以及產品質量[1-2]。除此之外，沖擊性負荷還會對電網運行構成威脅，主要表現在造成電壓閃變，產生負序電流和諧波，甚至破壞電網的穩定性[3]。由此可見，十分有必要對大型工業企業生產負荷進行平抑優化研究。

從負荷平抑角度出發，目前主要措施有削峰、填谷、移峰填谷等方式，具體實現手段分別包括直接負荷控制、可中斷負荷控制；增加低谷用電設備、增加蓄能用電；調整作業時間、調整輪休順序等[4]。文獻[5]提出了實施可中斷電價進行削峰填谷的需求響應策略。文獻[6]研究了商業樓宇空調參與電網削峰的負荷調控技術。文獻[7]研究了儲能電池在配電網運行中平抑峰谷差的作用。文獻[8]利用電動汽車有序充放電對負荷曲線進行平抑優化。文獻[9]利用可平移負荷來進行優化調度起到了削峰填谷的作用。文獻[10-11]以削峰填谷為目標，對分時電價下用戶需求響應進行分析，構建了相應的負荷削減和轉移模型。文獻[12]采用大型空調機組在供電低谷期制冰蓄冷，在供電高峰期釋冷以滿足冷負荷需求，從而對電網起到削峰填谷的效果。上述方法主要還是集中在電力系統常規負荷的平抑，而具體針對大型工業企業沖擊性負荷的平抑優化研究則相對較少，因此亟需提出一種新的負荷平抑策略。

本文選取比較具有代表性的鋼鐵企業電弧爐煉鋼負荷為例，基于電力系統“削峰填谷”基本思想，提出一種“分時交錯”平抑優化策略，并建立相應的負荷平抑優化模型，來對大型工業企業生產負荷進行平抑優化研究，以達到優化負荷特性、調整負荷曲線之目的。負荷平抑原則上包括有功平抑和無功平抑，而考慮到無功通常選擇就地補償，因此主要討論有功平抑。

1 電弧爐負荷分時交錯平抑優化

1.1 單臺電弧爐煉鋼負荷模型

電弧爐是一種利用電弧將電能轉化為熱能來熔煉金屬的冶煉設備。電弧爐煉鋼工藝過程主要分為熔化期、氧化期和還原期3個階段，不同階段對冶煉溫度和輸入功率有著不同的要求[13]。在熔化期電極短路頻繁容易造成電流急劇變化，而在氧化期鋼液沸騰容易造成弧長隨機波動，從而導致電弧爐負荷是一個帶有非線性與沖擊性特點的隨機負荷[14]。文獻[13-17]從不同角度給出了電弧爐的供電曲線，結合大型鋼鐵企業電弧爐煉鋼過程，可以抽象出電弧爐的負荷模型。電弧爐典型有功負荷曲線如圖1所示。

圖1 電弧爐煉鋼典型有功負荷曲線Fig.1 Typical active power load curve of electric arc furnace used in steel-making

根據圖1給定的電弧爐典型有功負荷曲線，可以建立電弧爐典型有功負荷函數為

式中：T為電弧爐煉鋼周期，k=0,1,2,…；煉鋼周期T=Ton+Toff，通電時間Ton=T1+T2+T3+T4，非通電時間Toff=T01+T02+T03+T04+T05。

1.2 多臺電弧爐負荷平抑優化模型

在建立了電弧爐煉鋼有功負荷模型之后，基于“削峰填谷”基本思想，利用“分時交錯”優化策略，將每條電弧爐煉鋼生產線分時啟動、交錯運行，可以對多條生產線進行有功負荷平抑優化。電弧爐負荷分時交錯運行之后，將分時負荷疊加即可得到綜合負荷，即將多條單一負荷曲線分時移相疊加就可以得到綜合負荷曲線。對于負荷平抑效果，通常可以有多種衡量標準，比如可以采用控制負荷方差、控制負荷峰谷差、控制負荷峰值以及控制負荷率等作為優化目標。本文選取綜合負荷曲線方差最小，作為目標函數來描述負荷波動大小，并以此建立多臺電弧爐負荷平抑優化模型。具體優化模型為

2 基于GA-PSO的優化模型求解

遺傳算法GA（genetic algorithm）和粒子群優化PSO（particle swarm optimization）算法是兩種常用的智能算法。粒子群算法[18-19]通常具有較好的尋優能力，特別是針對復雜工程問題，通過迭代尋優計算，能夠較快地找到近似解；但由于粒子種群快速趨同效應，容易陷入局部極值或早熟收斂。遺傳算法[18，20]直接以目標函數作為搜索信息，以一種概率化的方式進行尋優，能夠增強粒子群算法的全局搜索能力，加快算法的進化速度，提高收斂精度，避免早熟現象。

本文基于粒子群算法的欠缺和遺傳算法的優越性，在粒子群算法中引入遺傳算法的交叉和變異算子，將兩種智能算法有機地結合在一起，提出采用遺傳算法與粒子群算法的混合優化算法GAPSO，來對電弧爐有功負荷平抑優化模型進行尋優求解。GA-PSO其算法流程如圖2所示。

圖2 GA-PSO混合算法流程Fig.2 Flow chart of GA-PSO hybrid algorithm

3 算例分析

3.1 3種典型電弧爐有功負荷

鋼鐵企業電弧爐主要有普通功率RP（regular power）電弧爐、高功率HP（high power）電弧爐、超高功率UHP（ultra high power）電弧爐。在各種煉鋼噸量下，不同功率的電弧爐，冶煉周期不一樣，負荷特性也存在差別。本文選取3種典型的電弧爐有功負荷作為算例，進行負荷平抑優化研究。需要指出的是，這些算例資料均來源于《鋼鐵企業電力設計手冊》[1]。

3.1.1 25 t普通功率電弧爐

普通功率電弧爐冶煉每爐鋼，需要經過熔化期、氧化期和還原期3個階段，而且需要通斷電操作多次。每個階段的耗電量和電功率均不一樣。以容量為25 t配用9 000 kV·A變壓器的普通功率電弧爐為例，熔化期耗電量占總耗電量的59.64%，氧化期占21.19%，還原期占19.17%。有功功率在熔化期為最大，其次是氧化期，還原期為最小。電弧爐工作時有功負荷曲線如圖3所示。

圖3 25 t普通功率電弧爐有功負荷曲線Fig.3 Active power load curve of 25 t RP electric arc furnace

其有功負荷函數（單位為MW）為

式中：T=260 min；k=0,1,2,…。

3.1.2 90 t高功率電弧爐

在大型鋼鐵企業中，高功率電弧爐是一種常用的冶煉設備，其生產負荷是典型的沖擊性負荷。對于90 t高功率電弧爐，用100%廢鋼冶煉，分兩個料框裝料，從進鋼到出鋼時間為90 min，其中通電時間61 min，非通電時間29 min，冶煉期 cos?=0.8 ，精煉期cos?=0.75，電弧爐工作時有功負荷曲線如圖4所示。

其有功負荷函數（單位為MW）為

式中：T=90 min;k=0,1,2,…。

圖4 90 t高功率電弧爐有功負荷曲線Fig.4 Active power load curve of 90 t HP electric arc furnace

3.1.3 150 t超高功率電弧爐

在生產實際中，超高功率電弧爐的負荷特性相對更復雜。對于150 t超高功率電弧爐，用100%廢鋼冶煉，分兩個料框裝料，從進鋼到出鋼時間為100 min，其中通電時間76 min，非通電時間24 min，冶煉期 cos?=0.83，過熱期 cos?=0.75，電弧爐工作時有功負荷曲線如圖5所示。

圖5 150 t超高功率電弧爐有功負荷曲線Fig.5 Active power load curve of 150 t UHP electric arc furnace

其有功負荷函數（單位為MW）為

式中：T=100 min；k=0,1,2,…。

3.2 多臺電弧爐負荷平抑優化

本文采用MATLAB軟件分別對3臺25 t普通功率電弧爐、3臺90 t高功率電弧爐、3臺150 t超高功率電弧爐的最優分時交錯運行時刻進行了計算，繪制了電弧爐在同時同步運行和分時交錯運行兩種情況下的負荷優化效果圖，給出了負荷優化性能指標，以此來分析負荷平抑效果。

3.2.1 3臺25 t普通功率電弧爐分時交錯運行

根據式（4）所給定的有功負荷PRP(t)，將其代入負荷平抑優化模型，求解得3臺25 t普通功率電弧爐的最優分時交錯運行時刻為

為了分析平抑效果，繪制出3臺25 t普通功率電弧爐負荷優化運行效果圖，如圖6所示。

圖6 3臺25 t普通功率電弧爐分時交錯運行效果Fig.6 Results of three 25 t RP electric arc furnaces under time-sharing operation strategy

其中，圖6（a）為負荷優化調配圖，從中可看出3臺電弧爐在進行負荷平抑優化之后，將按照最優分時交錯運行時刻to1=0 min、to2=71 min、to3=189 min分時啟動、交錯運行。圖6（b）為負荷優化對比圖，從中可看出3臺電弧爐在同時同步運行時，其綜合負荷曲線的波動很大，而在分時交錯運行時負荷波動明顯減小。

更進一步地，計算出3臺25 t普通功率電弧爐的負荷優化性能指標，如表1所示。

表1 3臺25 t普通功率電弧爐負荷優化性能指標Tab.1 Performance indexes of power load optimization for three 25 t RP electric arc furnaces

從表1可以看出，3臺25 t普通功率電弧爐在分時交錯運行時，其綜合負荷曲線的方差比同時同步運行時減小了81.43%，而峰谷差也相應地降低了39.28%，負荷平抑效果較為顯著。

3.2.2 3臺90 t高功率電弧爐分時交錯運行

根據式（5）所給定的有功負荷PHP(t)，將其代入負荷平抑優化模型，求解得3臺90 t高功率電弧爐的最優分時交錯運行時刻為

為了分析優化效果，繪制出3臺90 t高功率電弧爐負荷優化運行效果圖，如圖7所示。

圖7 3臺90 t高功率電弧爐分時交錯運行效果Fig.7 Results of three 90 t HP electric arc furnaces under time-sharing operation strategy

其中，圖7（a）為負荷優化調配圖，從中可看出3臺電弧爐在進行負荷平抑優化之后，將按照最優分時交錯運行時刻to1=0 min、to2=30 min、to3=60 min分時啟動、交錯運行。圖7（b）為負荷優化對比圖，從中可看出3臺電弧爐在分時交錯運行時，其綜合負荷曲線除了有少數幾次波動之外，其他時間基本接近于水平直線。

更進一步地，計算出3臺90 t高功率電弧爐的負荷優化性能指標，如表2所示。

表2 3臺90 t高功率電弧爐負荷優化性能指標Tab.2 Performance indexes of power load optimization for three 90 t HP electric arc furnaces

從表2可以看出，3臺90 t高功率電弧爐在分時交錯運行時，其綜合負荷曲線的方差比同時同步運行時減小了98.47%，而峰谷差也相應地降低了66.67%，負荷平抑效果最為顯著。

3.2.3 3臺150 t超高功率電弧爐分時交錯運行

根據式（6）所給定的有功負荷PUHP(t)，將其代入負荷平抑優化模型，求解得3臺150 t超高功率電弧爐的最優分時交錯運行時刻為

為了分析優化效果，繪制出3臺150 t超高功率電弧爐負荷優化運行效果圖，如圖8所示。

圖8 3臺150 t超高功率電弧爐分時交錯運行效果Fig.8 Results of three 150 t UHP electric arc furnaces under time-sharing operation strategy

其中，圖8（a）為負荷優化調配圖，從中可看出3臺電弧爐在進行負荷平抑優化之后，將按照最優分時交錯運行時刻to1=0 min、to2=44 min、to3=72 min分時啟動、交錯運行。圖8（b）為負荷優化對比圖，從中可看出3臺電弧爐在同時同步運行時，其綜合負荷曲線波動很大，而采用分時交錯策略之后，其負荷波動明顯減小。

更進一步地，計算出3臺150 t超高功率電弧爐的負荷優化性能指標，如表3所示。

表3 3臺150 t超高功率電弧爐負荷優化性能指標Tab.3 Performance indexes of power load optimization for three 150 t UHP electric arc furnaces

從表3可以看出，3臺150 t超高功率電弧爐在分時交錯運行時，其綜合負荷曲線的方差比同時同步運行時減小了89.52%，而峰谷差也相應地降低了35.37%，負荷平抑效果比較顯著。

3.2.4 優化結果討論

通過算例分析可知，電弧爐在分時交錯運行時負荷波動明顯減小，這說明所提出的優化策略具有良好的負荷平抑效果。如果增加電弧爐的優化臺數，或者在優化體系中納入其他生產負荷，甚至考慮不同企業間的聯合優化，那么負荷平抑效果將會更好，負荷曲線將更加趨于平坦。

采用分時交錯優化策略，對大型工業企業生產負荷進行平抑，主要作用在于優化負荷特性、調整負荷曲線，其直觀效果是降低峰期負荷，提高谷段負荷，使負荷曲線趨于水平直線；表現為參數指標時，使尖峰負荷降低，減小負荷曲線方差，縮小負荷峰谷差，從而提升負荷率。

大型工業企業生產負荷平抑，其實際意義在于，提高電力系統發供電設備的資產利用率，降低發電機組供電煤耗，降低電網線路損耗，降低用電設備容量裕度，減小沖擊性負荷對企業的影響，保障企業安全穩定生產和提高產品質量，同時也有利于促進企業實現節能降耗。

4 結 語

本文提出了一種負荷“分時交錯”平抑優化策略，對大型工業企業生產負荷進行平抑優化研究。首先以鋼鐵企業電弧爐負荷為例，建立了大型工業企業生產負荷分時交錯平抑優化模型，然后采用GA-PSO混合優化算法對優化模型進行求解。選取3種典型的電弧爐有功負荷進行算例分析，在同時同步運行時電弧爐負荷波動很大，而在分時交錯運行時負荷波動明顯減小，表明分時交錯優化策略具有明顯的負荷平抑效果。大型工業企業生產負荷平抑，對降低電網線路損耗，保障企業安全穩定生產以及提高產品質量具有重要意義。

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Optimization Strategy of Production Load Leveling for Large Industrial Enterprises

LIU Shu1，WANG Yuanchao2，SHI Shan1，TU Liming1，ZHANG Gaoyan2，LIANG Yu2，MAO Chengxiong2
（1.Beijing Sifang Automation Co.，Ltd，Beijing 100085，China；2.School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Most of the production loads in large industrial enterprises are impact loads，which will have an obvious impact on the power system，electrical equipment and production，etc.Based on the theory of“Peak load shifting”in power system，a load leveling strategy of time-sharing operation is proposed to stabilize the loads in large industrial enterprises.With the electric arc furnaces used in iron and steel enterprises as an example，a load leveling model of multiple electric arc furnaces is built based on the power load model of single electric arc furnace.Moreover，a genetic algorithmparticle swarm optimization（GA-PSO）algorithm is adopted to solve the optimization model.The active power loads of three typical electric arc furnaces are selected as numerical examples，and their load fluctuations under synchronous operation and time-sharing operation are analyzed contrastively.The results indicate that the proposed optimization strategy is effective in load leveling.

large industrial enterprise；load leveling；time-sharing operation；electric arc furnace；GA-PSO

TM714

A

1003-8930（2017）10-0138-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.023

2016-01-20；

2017-07-10

劉 樹（1981—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力電子設備開發。Email：liushu@sf-auto.com

王元超（1989—），男，通訊作者，碩士研究生，研究方向為大型工業企業智能電網、大功率電力電子技術在電力系統中的應用。Email：ycwang@hust.edu.cn

石 山（1980—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電能質量治理、電力電子設備開發。Email：shishan@sf-auto.com