電網智能化管控系統在鋼鐵行業中的研究與構建

李宏偉 王宏業

世界鋼鐵行業，特別是中國鋼鐵行業，經過多年的高速發展，目前已出現產能過剩的趨勢，資源環保壓力加大等深層次矛盾日益突出，生產經營面臨嚴峻形勢。因此，基于當前鋼鐵行業的形勢，為更好滿足企業降本增效的需求，需要不斷尋找企業運營過程中的痛點，開展相關課題研究。

傳統的鋼鐵企業變電站沒有充分考慮互聯各發電機組和用電負荷之間的信息系統，造成發用電之間相互割裂，自發電利用率降低；同時各變電站橫向之間互相孤立，信息沒有交互，而且基本都是人工控制，迫切需要實現源網荷自動協調控制，急需分散控制和集中控制深度融合。目前鋼鐵企業電網普遍存在著智能化運維水平不高、電網運行控制自動化程度低下、企業電網信息化集成性不足、自發電量無法充分利用、運維管理信息化水平低等問題，企業電網是智能化工廠的重要組成部分，信息化數字化智能化水平亟待提高。

針對鋼鐵行業中企業電網的特點及面臨的問題，通過建立面向鋼鐵企業電網的數據流模型，利用信息化、數字化、智能化等先進技術手段，構建企業電網智能化管控系統，實現了潮流控制自動化、電網調度智能化、數據采集全景化、設備運維規范化、電網運行安全化、事故處理專業化的核心功能，大幅提高全廠電網的安全可靠性，最大限度地提高用戶的電網管理水平。本文提及的相關技術已進行了工業化應用，經濟和社會效益顯著，對進一步提升鋼鐵行業節能減排水平意義重大。

一、鋼鐵企業電網的特點及面臨的問題

相比國家電網，企業電網的特點不一樣，技術要求也不同，國家電網的一些先進技術不能直接應用于企業電網中，而由于企業電網的一些用電特點在國家電網中并不存在，企業電網需要智能控制技術去填補這些空白。鋼鐵企業電網的用電特點主要有：鋼鐵企業電網存在著供電關口（PCC點），供電公司對關口電壓等級的用電參數和用電設備進行管理；企業電網的供電電壓相比國家電網來說比較低，一般為110kV、35kV、10kV等，技術及設備特點都與國家電網不一樣；鋼鐵企業電網內的余能利用發電機數量較多，自發電比例較高，一般都在50%以上；鋼鐵企業電網內存在著穩定負荷和沖擊負荷，其中精煉爐、大型軋機等沖擊負荷的波動性較高，供電要求較高；企業電網直接面對用電設備，如電動機、動力變壓器等，這些設備故障直接影響企業電網安全運行，需要對這些數量眾多的用電設備進行集中監控。

鑒于鋼鐵企業獨有的用電特點，目前國內外鋼鐵企業面臨著如下亟須解決的技術問題：如何將企業內部電網中供電電源、用電負荷、廠內發電機組快速協調自動控制？如何以PCC點為基準快速控制分布在各個不同地點的發電機組及用電負荷？如何采用現代化的技術，減少變電站的值班人員，又能提高電網運行的安全性？影響電能質量的電力污染源一般都是瞬時發生的，很難捕捉，無法定位，給企業電網帶來安全隱患，如何自動判斷電能質量污染源？企業電網如何進行全廠供配電設備的全生命周期管理？以及如何實現電網設備運維管理的標準化？如何進行全網事故分析精準定位？

鋼鐵產業作為國民經濟的重要支柱產業，企業對用電量的精準監控，也意味著發電廠能夠更好的規劃發電計劃，由此將節省大量煤炭、天然氣等資源，同時減少二氧化碳的排放。不僅對國家能源的可持續發展帶來了積極的促進作用，也為環境的發展做出了應有的貢獻。在這樣的背景下，鋼鐵企業用戶需要一套能夠保證鋼鐵企業電網可靠運行的控制系統，不僅能為企業帶來最直接的經濟效益，同時為整個社會的發展帶來積極的促進作用。

二、研究電網智能化管控系統數據流模型

針對鋼鐵企業電網的特點及存在的問題，構建鋼鐵企業電網智能化管控系統，幫助鋼鐵企業打造安全穩定運行的電網。在電網智能化管控系統的構建過程中，首先需要建立面向鋼鐵企業電網的數據流模型，通過直接訪問各子系統的相應數據來實現電網智能化管控系統的系統集成。電網智能化管控系統的數據流模型圖見圖1所示。

電網智能化管控系統各功能模塊之間的主要數據流如下：

智能感知設備及智能執行設備的設備數據通過信息交互設備上傳給管控應用層各功能模塊，并接收管控應用層各功能模塊的控制、執行或調節指令進行相應的動作；

信息交互設備應深度融合通用的通訊協議，實現“源端維護，全網共享”的數據傳輸功能，并在不同的信息安全分區下實現感知執行層與管控應用層之間的數據通訊；

系統應將電網運行參數等數據發送給電網智能調度模塊和自動潮流控制模塊進行數據分析和處理，實現電網安全運行、設備規范運維、事故精準分析等各應用模塊之間的數據傳輸與共享，并對智能感知設備及智能執行設備進行遠程控制和緊急操作；

全網數據采集模塊將來自其他功能模塊的電網數據、負荷數據、分析數據、報警數據等全方位進行收集、存儲和管理，為電網智能化管控系統提供統一而完備的數據支撐。

三、電網智能化管控系統的構建

基于電網智能化管控系統數據流模型的建立，以客戶需求為導向，利用信息化、數字化、智能化等先進技術手段，研究基于SOA（面向服務的體系架構）的企業電網Web集成技術、基于企業電網的信息安全分區技術、基于RTSP協議的企業電網視頻聯動技術、源端維護數據共享的企業電網統一建模信息技術、企業電網網絡布線技術和企業電網信息交互設備VLAN交叉通訊技術等，構建電網智能化管控系統，大幅提升企業電網智能化管理水平，為行業發展提供智能化的解決方案。

（一）研究基于SOA的企業電網Web集成技術

在電網智能化管控系統研發過程中，將SOA和Web服務技術引入到企業電網應用集成領域，提出一種面向企業電網的基于SOA的Web集成方法，并開發出一個基于SOA的企業電網Web集成模型，此模型具有松散耦合、面向企業電網行業支持、高度可集成能力等優勢。通過在同構和異構平臺下對相關協議的擴展，實現了基于SOA的企業電網Web集成，將電網潮流控制功能、機網協調功能、電網管控功能、電網設備運維管理功能、電能質量監測功能等集成為電網智能化管控系統，實現了各功能的無縫鏈接訪問和實時數據交互，做到了統一界面，統一風格，統一操作，統一維護，節省了人機界面的控制設備，節約了操作維護的人力，大幅提升了系統集成度。

（二）研究基于企業電網的信息安全分區技術

按照國家信息安全等級保護的有關要求，遵守“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向認證”的安全防護總體原則，企業電網智能化管控系統劃分為控制、生產、管理、信息等四個安全工作區。各安全分區之間數據通信相對獨立，互不干擾，確保各系統的安全運行。電網智能化管控系統按四個安全分區進行劃分如下：

安全區Ⅰ為實時控制區，自動潮流控制功能及電網智能調度功能等屬于安全區Ⅰ；

安全區Ⅱ為非控制生產區，事故精準分析功能等屬于安全區Ⅱ；

安全區Ⅲ為生產管理區，設備規范運維功能等屬于安全區Ⅲ；

安全區IV為管理信息區，遠程訪問及手機辦公功能等屬于安全區IV。

（三）研究基于RTSP協議的企業電網視頻聯動技術

基于RTSP協議的企業電網視頻聯動技術根據遙控操作指令自動遠程聯動攝像機，監視被操作的開關設備；通過攝像機視頻分析，實現各變電站報警聯動自動抓拍。利用紅外攝像機，對電網運行設備進行自動發熱巡檢。電網智能化管控系統可以遠程聯動控制（自動、手動）攝像機，實現監視角度、監視區域大小的切換。同一臺攝像機實現重點設備監視與區域監視相結合。在變電站采用紅外熱成像儀作為視頻監控使用的同時，還可以實時自動巡檢運行設備的溫度，并按預先設定的預警嚴重程度發出不同等級的聲光報警信號，及時把報警信號上傳至電網智能管控中心，電網智能化管控系統自動聯動斷路器分閘，從而使運維人員“早發現、早處理”，確保設備運行的安全，提高運行人員對設備缺陷的識別能力和預見性。

（四）研究源端維護、數據共享的企業電網統一建模信息技術

常規的變電站保護設備和電力數據采集設備需要分開設置，且協議不同，數據難以貫通共享，造成各系統數據重復采集，也不能集成為統一的系統平臺，各系統在企業內部形成了不同的“信息孤島”。傳統的建模方式難以滿足電網設備監控大數據分析的業務需要，故急切需要設計一種應用于電網設備監控大數據分析的統一信息模型。

電網智能化管控系統基于IEC 61850標準協議建立企業電網統一信息模型的框架，實現一二次設備間的關聯，變電站保護設備和電力數據采集設備在模型驅動下進行多網合一、信息融合，同時對模型中的量測類信息進行模型擴展，實現所有量測類信息的集中接入與統一建模。變電站監控、電網潮流控制、機網協調、電網管控等功能共用一套電力采集設備進行數據一次采集，數據在各系統間共享共用。

以企業電網模型為核心的全區域統一模型中心，通過分布式建模和拼接技術，以“源端維護，全網共享”為目標，實現全區域統一模型，并以此為基礎，形成對實時、計劃等各類電網應用模型的統一管理。滿足電網智能管控中心各類功能對電網模型的統一需求，為實現管控中心基于全電網模型的分析、計算、預警和輔助決策奠定堅實基礎。

（五）研究企業電網網絡布線技術

企業電網網絡布線技術采用模塊化設計，把控制信號、視頻信號、語音信號等進行統一規劃設計。在電網智能化管控系統設計過程中，以電網智能管控中心、各110kV開關站為核心，組成雙冗余環形光纖網，形成全廠的主干網絡。各區域變電站、余熱余能發電站、配電室，則依據電源隸屬關系通過雙冗余星型光纖網連接到相對應的上級110kV開關站內的主干網上。各系統采用統一的網絡規劃、共同的網絡光纜、相同的網絡設備和基于一網多用的網絡布線技術，進行了多網合一的網絡系統設計和施工接線，相比各系統單獨設置網絡系統節省大量網絡系統投資，大幅降低網絡設備維護管理的工作量。

（六）運用信息交互設備VLAN交叉通訊技術實現各系統之間的數據隔離

虛擬局域網（VLAN）可以控制同一網絡內各系統之間的廣播活動，提高企業電網網絡系統的安全性，使得網絡系統的拓撲結構變得非常靈活，并減少網絡內信息交互設備的移動、添加和修改而造成的管理成本。通過對企業電網內信息交互設備合理劃分多個VLAN，基于VLAN交叉通訊技術實現底層設備的基礎數據共享，大幅減少企業電網網絡設備的投資，為各系統間的數據交換提供了更加靈活的通訊方式。電網智能化管控系統將控制網絡劃分為四個VLAN，實現各VLAN間的交叉通訊。如表1所示。

四、電網智能化管控系統的功能實現

電網智能化管控系統成功實現了潮流控制自動化、電網調度智能化、數據采集全景化、設備運維規范化、電網運行安全化、事故處理專業化的核心功能，不僅為企業帶來最直接的經濟效益，同時為整個社會的發展帶來了積極的促進作用。

（一）實現潮流控制自動化

最大限度利用自發電量，減少主變壓器安裝容量，減少基本電費的繳納金額，保證直供電不罰款；提高自發電的利用率，減少從外部電網的購電量，從而減少二氧化碳的排放；當外電網嚴重故障時實現短期孤網，保證重要負荷的正常供電，以及安全停機，防止全廠停電，減少損失。

（二）實現電網調度智能化

變電站全部實現無人值守，幫助企業解決人員緊缺問題；采用科學的手段對調度員進行培訓，規范操作流程，并且通過仿真制定出應急處理預案；對于常規操作，一鍵處理，避免人工操作失誤，帶來供電安全事故；集中管理保護定值，避免定值的錯、亂、散；方便準確的操作票，避免人工失誤；高效的報表管理，大幅提高工作效率。

（三）實現數據采集全景化

各系統數據共享，避免重復采集；一次投資，多次受益；以最小的資金投入完成大數據采集功能；減輕了模型數據維護的工作量，節省了數據維護成本；全網統一時鐘，對于事故分析，能夠準確定位。

（四）實現設備運維規范化

實現設備臺賬的信息化管理，成倍提高設備臺賬管理效率；基于大數據的設備缺陷管理，建立缺陷管理機制，設備缺陷信息電子化，設備缺陷庫標準化、專業化；幫助企業制定清晰、準確的檢修計劃；提供多種電氣設備試驗報告和保護試驗報告模板，進行數字化管理；自動統計全廠主變壓器油溫、斷路器動作次數等，建立故障預警模型。

（五）實現電網運行安全化

全網實時潮流可視化；對電網進行真實運行方式仿真分析，幫助企業選擇合理的電網運行方式；提高集控操作的安全性，減少誤操作。

（六）實現事故處理專業化

大幅減少事故分析時間，從數天縮短到數秒；便于全網集中事故分析，精準定位故障源；便利地找到電能質量污染源。

以首次成功應用的某千萬噸鋼鐵企業為例，本系統覆蓋范圍包括220kV總降變電所2座、110kV開關站4座、110kV區域變電所10座、余熱余能發電機組14座、10kV配電室80座，涵蓋了全廠的供電電源、發電機組及用電負荷，實現企業高、中壓供電系統的全面智能化管控，滿足用戶對電網潮流、電力集控、電能質量管理、變電站巡檢、供配電設備管理的各種需求，大幅提高全廠電網的安全可靠性，最大限度的提高用戶的電網管理水平。

五、結語

鋼鐵企業電網智能化管控系統將信息化系統和企業電網深度融合，使企業電網內電源、配網、發電機組、負荷等實現了高效協調運行，實現了企業對節約用電、智能用電、環保用電、綠色用電、有序用電、安全用電的統一管理。

原有的企業電網關口潮流都是隨著負荷隨機變化，本技術使得企業電網關口潮流實現了精準控制，轉變了企業電網的運行控制方式及管理模式。為企業最大限度利用綜合能源邁出了第一步，其控制思想和理論可以應用于其他能源控制。應用企業電網智能化管控關鍵技術，對電網潮流進行精準控制，可以減少對國家電網的沖擊，減少對國家電網的電力需求，減少輸電線路損耗。本技術已進行了工業化應用，經濟和社會效益顯著，對進一步提升鋼鐵行業節能減排水平意義重大，為實現“碳達峰”“碳中和”的目標能夠起到一定的作用。特別是目前鋼鐵企業搬遷改造項目眾多，企業電網智能管控關鍵技術市場前景十分廣闊。

作者單位：李宏偉 中冶京誠工程技術有限公司 電氣與自動化工程技術所 王宏業 北京智米電子科技有限公司