企業智慧能源管控系統架構設計與探討

郝 飛，鄭 狄，陳素君，莊懷東，陳根軍，唐 浩

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102；2.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063210）

1 冶金企業能源管理概況

冶金企業的能源管理經歷了單機設備與工序級的能源管理、基于能源介質平衡的能源管理兩個主要階段[1]，并向著基于全流程優化與系統節能思想的能源管理方向發展。能源管理包括能源在線監測、重要耗能設備的能效分析和參數調整、工序及生產過程的優化控制、一體化軟件集成平臺、多能源介質管理及優化分析等。然而，由于能源系統要為生產工藝及流程服務，能源系統的建模、參數的在線優化、能耗設備的優化控制、能源介質的優化調度都不能隨意按照優化目標來進行；生產及作業計劃的調整、檢修時間的不確定、誤工時間的粗放管理都增加了能源系統優化的難度。因此，鋼鐵行業需要在“工業4.0”和“智能制造2025”的體系框架下，開展企業智慧能源體系及示范工程的建設，以跨界思維突破原來能源系統“重監視管理，輕優化調度”的管理模式，提升能源系統的綜合利用效率。

智慧能源是將先進信息和通信技術、智能控制和優化技術與現代能源供應、儲運、消費技術深度融合，通過數字化、自動化、信息化、互動化、智能化、精確計量、廣泛交互、自律控制等功能，實現能源的優化決策及廣域協調[2]。其中，自動化、信息化、數字化和精確計量是能源系統的基本特征，也是實現智慧能源的基本要素。智慧能源通過信息物理系統（CPS，Cyber Physical Systems）實現系統各主體間的信息互動，促進“信息互聯”和“兩化深度融合”，實現能源系統運行和調控的互動化、智能化、自律控制和廣泛交互，見圖1。

圖1 智慧能源基本特征之間的關系

本文根據冶金企業智慧能源的實際需求，借鑒電力、交通、化工、能源互聯網等領域先進技術和經驗[3-6]，對企業智慧能源的建設方案進行探索，并給出智慧能源的設計思路和系統方案；同時，以鋼鐵企業為主要研究對象，提出了基于能源路徑的多能源介質、多目標、多模態的優化導航技術，并對其關鍵技術進行研究和論述，旨在優化管控系統的體系架構，促進智慧能源相關理念和技術的應用實踐。

1 智慧能源的發展

1.1 發展概述

制造流程工業能源系統的發展可以劃分為模擬化、數字化、虛擬化、智能化4個階段，見圖2。

圖2 鋼鐵智慧能源技術的發展

在模擬化階段，制造流程工業暴露出能源管控深度不足、計量精度不夠、數據處理頻度過長、決策支持強度待提升、缺乏一體化多應用支持平臺、能源管理體系不健全等問題。

在數字化階段，制造流程工業通過數字化手段提升了生產、設備、調度、決策等各環節的管控力度，達到控制精準、管理到位的目的，并為實現生產全流程閉環控制與智能化管理打下基礎。

虛擬化階段，旨在實際系統和人工系統之間建立健康的評估反饋機制，搭建一座信息交互的橋梁，并不斷促進兩類系統的融合。在這一階段，通過優化控制、培訓學習等手段的具體實現，形成了能源系統中的平行管理系統、平行評估系統和平行培訓系統，加強了調度運行人員對鋼鐵企業生產流程、能源系統的運行特征及智能化調度的深刻認識和實踐。

而在智能化階段，智能控制、智能決策和智能調度是其三大實現方式，需要采用新技術、跨界思維和不同行業先進理念，在云平臺技術、數據驅動、知識自動化、先進控制策略、智能運維和全流程系統優化的基礎上，構建適合鋼鐵企業全流程的智能化管理體系和管控系統。

1.2 發展方向

1.2.1 一體化協同管控

一體化協同管控立足于智慧能源本身，關注制造流程、生產過程、能源管理，整合生產、能源、物流、銷售、財務等資源。橫向將物流管理、生產調度、環保監測、安防監控等信息進行整合，實現各個中心間的協同和信息主體的互動響應；縱向采集各工藝系統、設備、用能用戶的數據，實現一體化的集中監控和智慧監盤、能源調度的知識決策分析、基于能源路徑的優化導航、精細化的能源管理，提高全息感知和多專業交互能力。

以某鋼鐵企業為例，該企業整個能源中心的數據包括了主體生產工藝的過程控制數據、動力能源系統的計量數據、巡檢調度的流程化數據、物流管理中心的運輸和存儲數據、ERP系統的生產訂單及合同數據，因此需要建立一體化的協同管控平臺把各個環節的數據管好、用好，發揮數據本身的最大價值，提升能源中心的協作能力，見圖3。

圖3 一體化協同管控

1.2.2知識型調度管控

人工決策嚴重依賴高水平、經驗型的工作者，操作決策具有主觀性和差異性。知識決策源自于知識自動化的發展，旨在通過機器實現基于知識自動處理的建模、控制、優化及調度決策的理論、方法和技術，其包括了數據歸集、知識獲取、知識表示、知識重組、知識關聯和知識推理。從統計機器學習、強化學習、深度學習、學習控制到平行控制，知識自動化領域獲得了快速的發展，也推進了知識決策支持技術的不斷進步。

鋼鐵企業只有實現具有智能的知識自動化系統，發展適合自身需求的知識決策支持技術，才能提升鋼鐵制造工業化水平，解決工業生產高效化和綠色發展的核心問題。某鋼鐵企業采用數據驅動、知識決策、多智能體等人工智能技術，對能源系統進行建模、推理和控制。結合現有多種機器學習的優點，充分利用了平行控制和平行管理的理論和特點，建立多類型的人工系統或專家系統，如燃氣專家系統、供水專家系統、蒸汽專家系統、供電專家系統等，把數據和經驗知識化、規則化、智能化，為實現基于能源路徑的多能源介質、多目標、多模態的優化導航體系打下基礎。

1.2.3 多能源介質的綜合優化

多種能源介質的優化分析是以各個子系統的優化分析結果為基礎，采用分層遞階的控制結構進行逐層優化分解。以上述鋼鐵企業為例，其具體實現步驟包括：

1）建立各工序的工序能耗模型。該企業主工序主要可分為焦化、石灰窯、燒結、球團、高爐、噴煤、鐵水預處理、轉爐、鋼包精煉、RH精煉、CAS精煉、連鑄、加熱爐、熱軋、冷軋、熱處理等。據此建立各個工序的能耗模型，能耗模型中要涵蓋本工序所需要的主要能源介質及具體的數量，并將物料也作為能耗模型中的一部分。

2）建立能量需求模型和回收能量模型。把各個工序需要的能量需求綜合起來，建立平衡關系，確定能量回收利用模型。

3）建立焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣循環利用中關鍵設備的數學模型，并進行動態仿真，了解相關關鍵量測點的變化，如：建立煤氣柜的數學模型，分析計算煤氣流量的波動、分析煤氣柜位的變化趨勢和管網壓力波動情況。

4）分介質能源優化分析。結合生產工藝流程和各種能源介質的流程網絡模型，分別通過對煤氣介質、蒸汽介質、電力能源的優化分析，蒸汽—水的調控分析得到分介質的優化分析結果。

5）多種能源介質的綜合優化分析。采用分層遞階的優化調度算法，根據介質關聯度，將介質分為燃氣、蒸汽—電、技術氣體—壓縮空氣、水4種介質。對這4種介質，可以先單獨建立優化和調配方案和制定優化算法，然后在按照它們彼此間的關系建立分級遞階協調求解。綜合優化程序框圖見圖4。

圖4 綜合優化程序框圖

2 智慧能源的實踐路徑

鋼鐵企業智慧能源的技術發展不僅需要充分挖掘自身潛力，還需要借鑒其他行業的技術成果為我所用，進行融合創新，實現信息互聯，打造鋼鐵行業完全自主化的智慧調控與服務平臺。對內降本增效、對外互通互聯，充分利用電力市場改革、綜合能源快速發展的契機，有效促進能源和信息深度融合，實現多能協同供應和能源的綜合梯級利用。

2.1 智慧能源的設計思路

鋼鐵企業智慧能源的設計思路包括智慧能源導航路徑生成、智慧能源優化導航、智慧能源互動響應、智慧能源智能化控制4個方面，見圖5。

圖5 智慧能源的設計思路

1）智慧能源導航路徑生成：借助高德地圖，建立不同能源介質的能源路徑圖，基于CPS建模理念將數字化地圖和流程網絡模型融入到能源系統中，實現能源系統的信息化和網絡化建模和動態展示。

2）智慧能源優化導航：借鑒無人駕駛技術，優化能源系統的導航模式，建立實時態導航，提高調度員的運行調度水平；通過歷史反演導航模式對歷史事件的發生和處理進行評估分析，總結經驗和教訓，增強系統的應急處理能力；結合能源短期供需預測預測數據，形成能源系統未來態研究場景，合理安排能源供應路徑和數量，進一步提高能源的利用效率。

3）智慧能源互動響應：借助云服務，結合云技術、大數據處理分析，通過手機App，在移動作業、智能運維、指標管理考核等方面建立標準化作業流程、智能化和互動化的運維手段、實時監督的能源管理考核指標體系，實現能源各級人員工作的流程化、智能化和自律控制。

4）智慧能源智能化控制：借鑒智慧電廠經驗，基于無人值守的實際需求，建立能源區域、管網和主要設備的三維模型，結合視頻監控，提高鋼鐵企業重要安全區域的數字化和自動化水平。

2.2 智慧能源的系統方案

基于鋼鐵企業智慧能源的設計思路，為了實現相關技術的應用和創新，在自主知識產權的能源管控平臺的基礎上，在平臺軟件、支撐技術上進行深度的研究和開發[7-11]，形成了“1個中心+6種支撐技術”的軟件體系架構。

“1個中心”為一體化全景數據采集和分析中心，實現各類能源數據的采集、存儲、分析、歸集、展示和管理，充分利用數據中心的多元數據，建立信息能源系統與大數據平臺，將數學模型、統計分析融入到大數據分析中，結合生產管理經驗開發專家系統或智能制造系統，通過不斷地模擬和學習，提升系統的實用化和智能化，提高整個能源系統的運維水平。

“6種支撐技術”分別為能源介質流程網絡建模與仿真、統計分析與知識決策、專家系統支持與服務、智慧能源管理、三維GIS服務與展現、云服務架構支持，為實現智慧能源導航路徑生成、優化導航、互動響應、智能化控制提供技術支撐：1）能源介質流程網絡建模與仿真將能源系統連接起來，形成智慧能源的導航路徑，其結合廠區的能源系統實際位置布局，力求真實準確地反映能源的實際路徑。2）在表現方式上，其結合最新的展示技術，融合三維GIS服務與展現，體現出不同能源的特征，并為優化導航打下基礎。3）統計分析與知識決策、專家系統支持與服務共同為智慧能源優化導航服務，通過不同用戶的應用場景分析，構建實時優化導航、歷史反演評估、未來態優化導航、平行態優化導航4種導航模式，并覆蓋煤氣系統、蒸汽系統、電力系統、供氣系統、水系統等能源介質。4）智慧能源管理將能源導航路徑、網絡化模型、設備能效和參數優化、能源介質產消預測、能源系統優化調度等內容有機結合起來，并通過數字化和網絡化的手段進行展示和集成，滿足智慧能源廣泛交互和自律控制的要求。5）在云服務架構下，通過開發手機App軟件，增強能源系統的實時互動，打通上下游及不同專業之間的信息壁壘，實現互聯互通和流程化作業。

2.3 能源優化導航的實現方法

鋼鐵企業的智慧能源要充分利用鋼鐵企業的生產流程多層次性、多尺度性、有序性和混沌性的特點，建立基于能源路徑的多能源介質、多目標、多模態的優化導航，實現基于能量流網絡仿真的鋼鐵工業多能源介質優化調配[12]。為了實現這一目標，圍繞智慧能源的優化導航，對其關鍵技術進行研究和探討，分別從能源路徑的構建、綜合運行駕駛艙、知識決策、優化導航4個主要方面進行論述，力求改變現在能源系統的現狀，融入更多的跨界思維和理念，在智能制造的框架上，提升能源系統的技術應用深度和廣度。

2.3.1 能源路徑的構建

鋼鐵智慧能源導航路徑簡稱為 “能源路徑”，是實現優化導航的基礎，要能反映不同能源介質的能量流、物質流和信息流，要把能源系統中的生產、傳輸、轉換、緩沖、消耗等各個環節連接起來，形成一個完整的能源路徑；并能夠根據設備狀態和測量數據實現動態連接和網絡拓撲著色。同時，能源路徑是各種能源介質傳輸的通道，也受到壓力、平衡、檢修和計劃等諸多約束。這些參數或信息都需要在能源路徑中通過定義狀態顏色來進行渲染。因此，需要引入冶金流程工程學中的流程網絡理論[13]，將鋼鐵制造流程中性質不同的各種工序，按照“流”“網絡”“流程網絡”進行劃分，將復雜網絡結構簡單化、立體化，明確流程網絡中的發生節點、終止結點、匯集結點、中間結點；同時，通過連結器將上述結點連接起來，通過“程序”將能源系統中各種形式的序、規則、策略和途徑的集合形式化，通過數據驅動整個網絡的高效運行。

在智慧能源中需要完成煤氣、蒸汽、電力、水和技術氣體等子系統的能源路徑構建，因此需要采用一種能反映不同“流”的通用的拓撲模型，實現人機界面模型、工藝設備物理模型、數據庫模型的統一管理和維護，為各種能源介質的優化導航提供最真實的能源路徑。文獻[14]提供了一種鋼鐵企業能源系統流程網絡建模方法，實現了基于流程網絡的圖模庫一體化建模和拓撲分析，解決了能源介質優化分析中的“連接”問題[14]。文獻[15]通過拓撲分析、管網仿真等技術將能源系統網絡化、數字化，并將其應用到煤氣系統的建模、網絡分析、供需分析和優化調度，取得了較好的應用效果，值得借鑒[15]。

2.3.2 綜合運行駕駛艙

綜合運行駕駛艙提供能源系統運行監視和預警、信息挖掘、輔助決策與控制，服務于系統關鍵運行和調度決策。在與各種能源介質的能源路徑、實時數據和決策信息相結合的基礎上，通過綜合運行駕駛艙的人機界面能對能源系統的狀態進行監控和決策，為優化導航提供一站式全景操控場所，將智能調度的運行監控、管理維護、分析決策相融合，利用現代計算機圖形技術、動畫現實技術等可視化技術，將復雜的調度需求通過動態、靈活、實物化的方式進行展示系統運行狀態與警示，并支持靈活控制和智能調度，為智慧能源的可測、可視、可控和可愈提供人機界面和操控基礎[16]。為了實現智慧能源的優化導航，需要建立能源系統的綜合運行駕駛艙，縱向按照能源發生、傳輸、轉換、緩沖、消耗5個環節，橫向按照安全指標、優質指標、經濟指標、環保指標4個維度進行指標的分類和構建；結合知識自動化的數據驅動理念，通過3大驅動引擎（運行KPI引擎、決策分析引擎、運行操作引擎），將數據、計算、優化、流程有機結合起來，實現“前端監控”與“后端優化”的實時互動。

2.3.3 優化導航的實現

能源路徑的構建解決了能源系統的 “路”的問題，綜合運行駕駛艙提供了一輛可以滿足無人駕駛的“車”，知識決策是一個通過數據和事件驅動的“引擎”，優化導航的實現要借鑒高德地圖中的目標設定、多路徑規劃、多目標導航、分析預警、信息推送、路況實時播報等功能，將冶金流程工程學與節能系統理論結合起來，把系統性的建模技術、網絡的軟件化、多維場景的人機界面展示、多尺度的能源預測、專家系統和知識決策、多能源介質的優化調度等方面研究成果真正利用起來，建立基于能源路徑的多能源介質、多模態、多目標的優化導航體系，推動智慧能源管理的發展和應用實踐：1）多能源介質。應包括煤氣、蒸汽、電力、水、技術氣體等能源系統，采用基于流程網絡的圖模庫一體化建模技術，實現各種能源介質的網絡化建模，完成能源路徑的構建。2）多目標。根據各種能源介質的優化分析需求，建立多目標優化模型，例如最小運行成本、最大發電、生產優先、放散最小、能耗最小、能效最高等，可以充分利用以往的研究成果，通過智慧能源的管控平臺提供的云服務架構，實現邊界控制和多源計算。3）多模態。按照時間維度分為實時態、歷史反演、未來態、平行態4種能源的運行場景，并通過數據中心構建各個模態的數據集合，保證各種模態下優化導航的可達性。

2.4 案例分析

以某鋼鐵企業煤氣系統實時態導航為例，簡述優化導航的具體實現過程。

1）首先建立煤氣系統的流程網絡模型，通過管網將相關的工序和設備都連接起來，形成了能源產、輸、配、用的完整網路，實現網絡化煤氣系統，完成能源路徑的構建，其中包括了4種不同的種類的煤氣：焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣、天然氣，并以不同的拓撲顏色進行區分。

2）工序設備和管網的建模，并能夠根據當前的運行狀態進行管網仿真，以評估操作后管網的壓力、節點流量和供給用戶的煤氣參數的變化。

3）對于包含多種煤氣的管網仿真需要對混合后的煤氣的熱值、成分等信息有精確的測量，這樣仿真的結果才可用。

4）在煤氣系統發生一個事件擾動時，如“20 min后#1高爐休風”，在這樣的一個簡單的運行場景中，優化導航利用后臺軟件提供豐富的知識決策引擎進行計算分析，具體流程為：（1）獲取未來要發生的擾動事件，獲取方式一般是來自于設備的計劃數據，包括作業計劃、檢修計劃、臨時事故處理計劃等；（2）選擇優化目標“煤氣不足調整”，重新進行煤氣的優化分配，此時需要知道能源路徑中相關設備在未來一段時間內的煤氣發生和消耗情況，因此需要獲取到超短期負荷預測結果，進行多周期的滾動優化，以判斷如何進行相應的煤氣消耗量調整；（3）調度員根據知識決策信息進行綜合判斷，提前通知相關方；（4）操作前調度員可以保存當前操作界面到能源管理斷面（EMSCASE），這樣所有的模型、數據都被存儲到一個文件中；（5）操作后系統運行穩定，調度員再保存一個EMSCASE，為事后就做研究分析和評估提供研究場景；（6）調取保存的EMSCASE斷面到研究態，進行優化操作和培訓，提高調度水平。在這里引入了EMSCASE的管理，將擾動時刻的發生時刻、處理過程和評估結果，按照時間斷面保存到數據中心，可以通過歷史反演進行重現，并可以進行進一步的分析和研究。

3 結論與展望

綜上所述，可以得出以下結論：1）智慧能源的發展首先要具有“物理分布、邏輯統一”的全新架構自主知識產權的軟件平臺，需要構建統一的支撐平臺，具備數據采集、數據處理、分析存儲、平衡分析、優化調度、基礎能源管理等基本功能；可以整合多能源系統數據資源，挖掘信息和數據價值，全面提升智慧能源信息處理和智能決策能力，實現 “全業務信息感知、全系統協同控制、全過程在線決策、全時空優化平衡、全方位負荷調度”的愿景。2）平臺要支持能源系統流程網絡建模、機理建模和數據建模手段，具有能源系統管網建模和仿真功能，為能源路徑的構建和優化導航打下基礎。3）要具備完全自主化的集成能力，從硬件平臺、操作系統、關系數據庫、實時數據庫、軟件平臺、功能應用等都可以靈活配置和即插即用。4）要建立基于能源路徑的多能源介質、多目標、多模態的能源系統優化導航體系，需要知識決策、專家經驗和優化調度算法作為后臺的驅動引擎，需要進行不斷的收集、積累和創新，需要更多人去關注和研究。5）要以全流程能源系統的理念對能源系統進行設計，要充分挖掘自身潛力，在智能制造的框架下，以跨界思維借鑒其他行業的技術成果，促進能源管控的技術發展和融合創新，形成完整全面、實用高效的智慧能源管理體系和技術應用。