基于CPS的鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控

李宏偉

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司電氣與自動化工程技術(shù)所)

鋼鐵行業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)，也是能源資源消耗密集、高碳排放行業(yè)，其耗電量占全國耗電量的8%左右，面臨著巨大的節(jié)能降碳壓力。

目前鋼鐵行業(yè)在常規(guī)工藝段的基礎(chǔ)自動化、過程自動化和經(jīng)營管理信息化等方面取得了顯著進展。相比工藝段，企業(yè)對電網(wǎng)智能化方面的探索較少，從而導致企業(yè)電網(wǎng)運行事故率很高，運維成本增加，給企業(yè)帶來很大損失，面臨著以下亟待解決的主要問題：鋼鐵企業(yè)自發(fā)電比例高達85%左右，由于用電的波動，使得供電關(guān)口(PCC點)潮流不可控，存在自發(fā)電量倒送到電力系統(tǒng)的現(xiàn)象，導致自發(fā)電利用率降低；當廠內(nèi)較大容量發(fā)電機組突然退出時，極易引起總降主變壓器過載，調(diào)度不及時就會引起繼電保護動作，主變退出運行，造成廠內(nèi)大面積停電；當外部電網(wǎng)斷電時，雖然企業(yè)內(nèi)部有發(fā)電機組，但是仍然會全廠停電，無法保證供電的連續(xù)性；企業(yè)目前人工成本越來越高，急需采用現(xiàn)代化的技術(shù)，減少變電站的值班人員，同時提高電網(wǎng)運行的安全性；鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)迫切需要進行全廠供配電設(shè)備的全生命周期管理，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備運維管理的標準化，并進行全網(wǎng)事故分析精準定位。

針對鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)存在的主要問題，根據(jù)鋼鐵企業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的特點，利用國內(nèi)外電網(wǎng)領(lǐng)域的先進技術(shù)和智能化設(shè)備，構(gòu)建統(tǒng)一、多網(wǎng)融合的面向鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控的CPS信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)，聚焦挖掘潛在隱患，促成鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)全自動化管控，采用需求分析、模型構(gòu)建、實驗室仿真、示范工程實施的方法，開展鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)研究[1-4]。

1 信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)(CPS，Cyber-Physical Systems)是一個將信息世界和物理世界深度融合的智能化系統(tǒng)，通過計算、通信、控制的互聯(lián)互通和有機協(xié)作，實現(xiàn)工程系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實時控制和信息服務(wù)。典型的CPS包括感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用控制層。感知層主要是由傳感設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備和采集設(shè)備等組成，是信息物理系統(tǒng)中的末端設(shè)備，主要負責將采集的信息數(shù)據(jù)實時發(fā)送給應(yīng)用控制層，應(yīng)用控制層進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，再返回給感知層處理后的信息，感知層設(shè)備接收到信息后進行相應(yīng)的動作；網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)傳輸，為系統(tǒng)提供安全實時的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是連接信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的橋梁；應(yīng)用控制層主要是借助各種專家知識庫對感知層設(shè)備通訊回來的數(shù)據(jù)進行分析處理，并將相應(yīng)的結(jié)果以可視化的形式呈現(xiàn)給用戶。

鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控，涉及發(fā)、輸、變、配、用電設(shè)備，管控范圍大到變壓器、GIS氣體絕緣組合電器，小到帶電顯示器、電纜接頭等，更復雜的是這些設(shè)備彼此有機融合關(guān)聯(lián)，以一個有機體的形態(tài)不斷運轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的電網(wǎng)控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上就被設(shè)定成了半自動化控制系統(tǒng)，因為其僅僅能向用戶展示當前設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，操作人員需要花費很多時間和精力去獲取這些參數(shù)，并且需要專家從海量數(shù)據(jù)中發(fā)掘關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、鎖定并分析故障原因。針對這些問題，系統(tǒng)首次建立了面向鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控的CPS信息物理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

2 電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)基于CPS信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的創(chuàng)新主要表現(xiàn)在：增加了數(shù)據(jù)中臺層、自治區(qū)域?qū)?、人工智能引擎層。通過這三層與CPS的常規(guī)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用控制層相融合，形成了面向鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控的六層CPS體系結(jié)構(gòu)，達成企業(yè)電網(wǎng)智能化管控，實現(xiàn)智慧、高效的變電站運維管理。

(1)感知層

感知層主要是由感知設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備等企業(yè)電網(wǎng)的各種信息物理系統(tǒng)末端設(shè)備組成，主要采集的是企業(yè)電網(wǎng)中的具體設(shè)備數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳給各控制系統(tǒng)的控制器和服務(wù)器進行相應(yīng)的處理；感知層設(shè)備同時接收各控制系統(tǒng)的控制、執(zhí)行或調(diào)節(jié)指令進行相應(yīng)的動作。系統(tǒng)的感知層主要包含：測控裝置、潮流控制采集裝置、電能質(zhì)量檢測儀、電表裝置、錄波裝置、攝像頭、溫濕表等感知設(shè)備。

(2)自治區(qū)域?qū)?/p>

鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量眾多，分布在不同的變電站區(qū)域內(nèi)。各變電站區(qū)域具備遙控、遙視、遙調(diào)等自動功能，可接受并執(zhí)行人工智能引擎層的遙控命令。項目通過邊緣計算，使得變電站內(nèi)的控制設(shè)備按照自治區(qū)域自行發(fā)掘可能隱患，并上報服務(wù)器；通過邊緣計算對確定性緊急故障進行自治處理，最大程度降低故障的危害[5]。

因此系統(tǒng)通過構(gòu)造設(shè)備自治區(qū)域?qū)?，采用邊緣計算，實現(xiàn)設(shè)備智能區(qū)域自治，降低服務(wù)器云計算負載，防患于未然。系統(tǒng)的自治區(qū)域?qū)影Ｗo裝置、潮流控制終端單元、機網(wǎng)協(xié)調(diào)終端單元等可以實現(xiàn)自動控制和自治處理故障的控制裝置，這些裝置具備雙通道自動切換能力，能自動監(jiān)測通道的質(zhì)量，自動切換到質(zhì)量好的通道上，并做到實時冗余主備。

(3)網(wǎng)絡(luò)傳輸層

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)傳輸，滿足設(shè)備、電網(wǎng)與系統(tǒng)之間的信息交互，為系統(tǒng)提供實時的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。整個網(wǎng)絡(luò)采用冗余網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院桶踩?。根?jù)業(yè)務(wù)和安全要求，系統(tǒng)劃分不同的網(wǎng)絡(luò)邏輯或物理區(qū)域，對區(qū)域間的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)定合適的安全策略，配置工控安全設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層采用支持IEC 61850 GOOSE標準協(xié)議傳輸?shù)墓I(yè)以太網(wǎng)交換機和支持各種通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)機，整個網(wǎng)絡(luò)采用主干冗余環(huán)網(wǎng)和多分支冗余星型網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的架構(gòu)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院桶踩浴?/p>

(4)數(shù)據(jù)中臺層

數(shù)據(jù)中臺技術(shù)是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)價值的最大化，對抽取的數(shù)據(jù)進行深度分析和處理，通過元數(shù)據(jù)管理功能，將設(shè)備類型和技術(shù)參數(shù)信息作為元數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)建模，由系統(tǒng)統(tǒng)一實現(xiàn)對元數(shù)據(jù)的管理，實現(xiàn)了設(shè)備類型和技術(shù)參數(shù)的動態(tài)維護[6-7]。系統(tǒng)構(gòu)建了面向鋼鐵企業(yè)變電站運維的數(shù)據(jù)中臺，該數(shù)據(jù)中臺能夠?qū)⒑Ａ繑?shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一、可用、面向變電站設(shè)備運維管控業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)。主要包括以下4部分：數(shù)據(jù)資產(chǎn)、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)服務(wù)。依托電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，面向鋼鐵企業(yè)變電站的數(shù)據(jù)中臺技術(shù)，整合各個變電站內(nèi)設(shè)備、信息系統(tǒng)中各自獨立的數(shù)據(jù)，包括實時量測數(shù)據(jù)、運維管理數(shù)據(jù)、設(shè)計圖紙數(shù)據(jù)、音視頻等多媒體數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)一信息建模后，匯聚到數(shù)據(jù)中臺，經(jīng)過過濾、篩選、標準化、歸一化等數(shù)據(jù)治理后，形成可用的變電站數(shù)據(jù)資產(chǎn)，為電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)的具體需求提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。

面向變電站的數(shù)據(jù)模型采用分層設(shè)計，分為數(shù)據(jù)采集層、變電站業(yè)務(wù)層和變電站管理層3個層次，層級依次升高。不同數(shù)據(jù)層次的粒度各不相同，層級越高，粒度越粗。這樣既保證低層次具體業(yè)務(wù)的個性化查詢需求，又能保證高層次數(shù)據(jù)分析匯總的高效率。數(shù)據(jù)中臺將變電站內(nèi)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)治理，對海量設(shè)備數(shù)據(jù)的時序進行校正、建立關(guān)聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)庫，以便業(yè)務(wù)軟件或者運維人員高效地調(diào)用關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、安全高效地按照用戶權(quán)限實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)了變電站運維全數(shù)據(jù)貫通。通過數(shù)據(jù)中臺的建設(shè)，切實地使得鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)的“面向存儲”轉(zhuǎn)變?yōu)椤懊嫦驑I(yè)務(wù)應(yīng)用”數(shù)據(jù)管理新模式。

(5)人工智能引擎層

人工智能引擎實現(xiàn)了人工智能從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用、從一般推理策略探討轉(zhuǎn)向運用專業(yè)知識的重大突破。人工智能引擎是一個具有大量的多領(lǐng)域?qū)I(yè)知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)和云計算技術(shù)，建立電網(wǎng)仿真模型、數(shù)據(jù)分析模型及過程控制模型，實現(xiàn)企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)電源、配電網(wǎng)、發(fā)電機組、負荷、儲能等協(xié)調(diào)控制，以便自動解決那些需要高級專家處理的復雜問題[8]。系統(tǒng)發(fā)揮多專業(yè)優(yōu)勢，將發(fā)供配電專業(yè)、檢測儀表專業(yè)(傳感與量測技術(shù))、自動控制專業(yè)、計算機科學與技術(shù)專業(yè)、信息工程及網(wǎng)絡(luò)通訊專業(yè)、軟件工程多學科人才整合一體，組建研發(fā)專家團隊，運用多項專有技術(shù)，實現(xiàn)了電網(wǎng)運行安全化、電網(wǎng)調(diào)度智能化、潮流控制自動化、數(shù)據(jù)采集全景化、設(shè)備運維規(guī)范化、事故處理智慧化等核心功能。

(6)應(yīng)用控制層

應(yīng)用控制層主要對電網(wǎng)數(shù)據(jù)、預(yù)測數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等全方位電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行分析和處理，將相應(yīng)的結(jié)果以可視化的界面進行呈現(xiàn)。系統(tǒng)在電網(wǎng)智能管控中心采用C/S和B/S的混合架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)層傳輸上來的海量數(shù)據(jù)在SCADA服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、歷史數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、PAS服務(wù)器、DTS服務(wù)器、WEB服務(wù)器、設(shè)備運維管理服務(wù)器、潮流控制服務(wù)器、磁盤陣列等設(shè)備中進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理，基于數(shù)據(jù)處理結(jié)果，根據(jù)電網(wǎng)控制和管理需要，管控中心設(shè)置了HMI，主要畫面有：過程監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、設(shè)備控制畫面、設(shè)備及控制系統(tǒng)診斷畫面、故障報警畫面、趨勢記錄畫面、報表記錄畫面、操作及事件記錄畫面、其它畫面等。

3 系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

基于鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控的六層CPS體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)，致力于為企業(yè)打造一個安全規(guī)范、健康智能、經(jīng)濟高效的企業(yè)電網(wǎng)，貼近客戶需求，為行業(yè)發(fā)展提供智能化的全套解決方案，促進智能化技術(shù)提升，帶動產(chǎn)業(yè)發(fā)展[9]。鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)由電網(wǎng)管控系統(tǒng)、電網(wǎng)潮流控制系統(tǒng)、機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)、電網(wǎng)設(shè)備運維管理系統(tǒng)和電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)組成。

3.1 電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)設(shè)計

(1)電網(wǎng)管控系統(tǒng)

電網(wǎng)管控系統(tǒng)在管控中心實現(xiàn)電氣二次專業(yè)采集信息的綜合處理以及應(yīng)用分析與優(yōu)化控制的支持決策；變電站側(cè)實現(xiàn)保護、測控、計量等各類設(shè)備的標準化配置和使用，從而實現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)縱向的一體化建設(shè)。電網(wǎng)管控系統(tǒng)有全網(wǎng)變電站無人值守、全網(wǎng)運行方式安全分析、調(diào)度員培訓仿真、事故追憶及事故反演、全網(wǎng)潮流實時分析、保護信息集中管理、全網(wǎng)短路電流計算、智能操作等高級應(yīng)用功能。

(2)電網(wǎng)潮流控制系統(tǒng)

鋼鐵企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)供電包含自備發(fā)電機組，采用富裕煤氣發(fā)電，生產(chǎn)工藝與機組發(fā)電存在聯(lián)鎖，對發(fā)電供電的可靠性、連續(xù)性和安全性要求高。電網(wǎng)潮流控制要求能實現(xiàn)多功能一體化協(xié)調(diào)控制，能適應(yīng)企業(yè)電網(wǎng)靈活多變的運行方式，全面涵蓋電力系統(tǒng)分析、方案設(shè)計、電氣保護、潮流控制、拓撲識別、孤網(wǎng)控制等技術(shù)。

(3)機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)

機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)以統(tǒng)一協(xié)調(diào)、控制企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)所有發(fā)電機組為出發(fā)點，維持系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定；實現(xiàn)發(fā)電出力與實時用電負荷的最佳智能匹配，通過智能拓撲識別及大數(shù)據(jù)智能分析，根據(jù)各機組相關(guān)歷史效能分析，最大限度地挖掘發(fā)電機組的整體效率及綜合利用率，解決傳統(tǒng)人工判斷遲滯和調(diào)度、操作溝通繁瑣的問題[10]。具體功能有實時一、二次調(diào)頻控制，實時調(diào)壓控制，機組壽命優(yōu)化，甩負荷帶廠用電等。

(4)電網(wǎng)設(shè)備運維數(shù)據(jù)中心

電網(wǎng)設(shè)備運維數(shù)據(jù)中心全面精益化管理供配電設(shè)備，提升管理效率，同時減少設(shè)備管理人員，降低人工費用；通過設(shè)備績效考核，為供配電設(shè)備采購提供決策支持；實現(xiàn)設(shè)備故障、設(shè)備狀態(tài)的智能監(jiān)控、分析和預(yù)測，快速診斷設(shè)備故障，減少停機時間；實現(xiàn)設(shè)備透明化管理，節(jié)省備品備件的存儲量。系統(tǒng)覆蓋全廠從220 kV變電站到各個生產(chǎn)單位10 kV變電站所有的供配電設(shè)備，同時具備管理重要用電設(shè)備的能力，具有供配電設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、設(shè)備臺賬管理、設(shè)備檔案管理、設(shè)備運行監(jiān)視、設(shè)備事故跳閘管理、設(shè)備維護維修管理、繼電保護裝置定值管理、全網(wǎng)事故分析精準定位等控制功能。

(5)電能質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)

電能質(zhì)量實時監(jiān)測系統(tǒng)以計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為依托，全面監(jiān)測各變電站的電能質(zhì)量實時情況，為系統(tǒng)運行提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)全網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測、全網(wǎng)事件錄波數(shù)據(jù)綜合分析、電力污染源精確定位及診斷、電能質(zhì)量事故預(yù)測等功能。

3.2 應(yīng)用效果

憑借電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)先進的技術(shù)經(jīng)驗，成功研制了電網(wǎng)安全運行、電網(wǎng)智能調(diào)度、自動潮流控制、全網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備規(guī)范運維、事故專業(yè)處理的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了電網(wǎng)運行在線安全分析、電網(wǎng)潮流自動控制、數(shù)據(jù)源端采集及數(shù)據(jù)共享、全方位一站式的鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)綜合解決方案。

電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)在多個環(huán)保搬遷項目中得到了成功推廣和應(yīng)用，能最大限度地提高用戶的電網(wǎng)管理水平，每年可為千萬噸級鋼鐵企業(yè)節(jié)省各類成本上億元；電網(wǎng)設(shè)備運維管理系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)備檢修流程的閉環(huán)管理，減少設(shè)備故障率10%，節(jié)約設(shè)備檢修成本20%；系統(tǒng)研究成果間接帶來煤炭、天然氣等的節(jié)省每年減少二氧化碳排放約30萬t。企業(yè)電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)還可以對企業(yè)電網(wǎng)中的新能源發(fā)電、儲能設(shè)施、柔性輸電設(shè)施等進行智能調(diào)控，實現(xiàn)對企業(yè)電網(wǎng)源、網(wǎng)、荷、儲的統(tǒng)一集中管控，為企業(yè)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(yīng)用于其他能源控制。目前國內(nèi)外很多鋼鐵企業(yè)都對企業(yè)電網(wǎng)智能管控技術(shù)比較認可，并進行了深入而富有成效的交流。

4 結(jié)語

文章借鑒了CPS信息物理系統(tǒng)的體系架構(gòu)，構(gòu)建了面向鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計了鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)，并進行了工業(yè)化應(yīng)用。在企業(yè)電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)的研發(fā)過程中，形成了系統(tǒng)建設(shè)的標準體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃、信息采集的統(tǒng)一規(guī)約、運維管理的標準流程、專家系統(tǒng)的標準知識庫等，引領(lǐng)了企業(yè)電網(wǎng)信息化、智能化的發(fā)展方向。項目所開發(fā)的電網(wǎng)智能管控系統(tǒng)針對企業(yè)電網(wǎng)關(guān)口潮流隨著負荷隨機變化的特點，對企業(yè)電網(wǎng)關(guān)口潮流實現(xiàn)了精準控制，轉(zhuǎn)變了企業(yè)電網(wǎng)的運行控制方式及管理模式。

應(yīng)用企業(yè)電網(wǎng)智能管控關(guān)鍵技術(shù)，對電網(wǎng)潮流進行精準控制，可以減少對國家電網(wǎng)的沖擊，減少對國家電網(wǎng)的電力需求，減少輸電線路損耗。系統(tǒng)不僅在鋼鐵行業(yè)中有其應(yīng)用價值，還為今后在其他工業(yè)領(lǐng)域中的推廣奠定了基礎(chǔ)。