电炉能效调度软件设计

朱昌龙 孔维健

摘 要：电炉是高能耗、高物耗设备，为提高其能源效率，需要在时间与空间两个维度进行能源调度。针对此问题，设计了电炉能效调度软件，可以在不同电炉之间，以及不同需量周期上调配电能资源，提高电能效率。软件具备能效监测、工况预测、需量预测、能效调度等模块，实验显示能够提升电炉能效。

关键词：电炉;能效调度;软件设计

1 绪论

工业用电占全社会总消耗电力的比重较大，为了实现经济和能源的可持续发展，需要从技术上来对能源优化分配调度。目前，仍然有很多企业的能源利用率很低。例如小型企业的生产技术落后，管理不到位等。能源资源的消耗与浪费影响着人们的生活，制约经济的发展。因此合理地分配资源，提高利用率具有很大的研究前景。电炉熔炼的过程很复杂，杂质之间也会发生化学反应，因此矿热炉也属于高能耗、高物耗的设备，所以必须采用先进的节能技术，提高电能效率。

针对能源的发展需要，几家著名公司先后推出了各自的能源管理软件。B.DATA将过程控制系统和办公环境下的数据处理系统有机结合，能够完成能源使用及能源使用的采集、计算及分析，以实现对能源监控、能源报表、物料平衡、能耗设备管理、成本中心管理等管理功能。

目前基于能效优化调度的软件设计相关研究进展不是很多，本文设计一款电炉的能效调度软件具有积极的现实意义。

2 相关技术介绍

软件采用B/S架构[1]，即浏览器/服务器网络结构模式，即在服务器上实现主要功能，通过浏览器访问服务器，再对整个系统管理操作。B/S架构有很多优点，相对于C/S架构不需要安装客户端，无须网络硬件环境，系统维护与拓展也相对更容易。

电炉的能效调度软件遵循常规体系结构进行平台系统的开发，采用分层设计的方法，分为表现层、业务逻辑层、数据访问层[2]。

表现层：主要负责的是接收用户的操作和数据输入等，为电炉能效调度软件提供操作界面，主要由HTML、CSS、SVG、Highcharts[3]实现。

业务逻辑层：将数据访问层的逻辑组合起来，实现业务规则，负责电炉能效调度软件的主要功能的逻辑实现。采用的是MVC分层架构模式。M即模型，对数据进行获取并处理。V即视图，指用户交互的界面，一般是Html页面。主要作用是接收用户输入的数据，根据输入做出相应处理后，展示后台返回的数据和图表等。C即控制器，是模型与视图之间的桥梁，定义应用程序的行为。控制器没有输出，只接收请求和决定调用模型处理相应的请求，再用视图显示返回的数据。MVC处理过程是用户发出请求，控制器接收请求，每个请求都带有相应的参数，根据参数决定调用相应的模型，模型根据控制器的参数执行业务逻辑，控制器用视图显示模型返回的数据。

数据访问层：主要操作数据库，针对数据的增加、修改、查找、删除等。

MySQL：开源的数据库，是一种关系型数据库，将数据保存在不同的表中，由体积小速度快，成本低等优点[4]。

软件的平台结构图如图1所示。

3 系统设计

设计并实现一个能效调度软件，该系统可以采集全厂每一台炉子的生产工艺参数，并以多样化的方式呈现出来以利于管理者和生产工人的实时监测。同时根据每天的能耗指标、最大需量指标、产量指标、设备状况，辅助管理人员制定当天的生产计划，将全厂能耗指标分解到每一台炉子、每一时段，从而为耗电监视提供标准值。对电炉的工况和需量进行预测，对每天耗电情况进行统计分析，制定报表，提供能效分析报告以辅助工厂挖掘节电环节。系统的功能模块结构图如图2所示。

登录模块：企业的管理员和企业员工可以输入账号和密码登录到电炉能效调度软件平台。不同的用户角色的操作权限不一样，管理员的权限最多，并且可以给企业员工分配权限，还可以修改和删除企业员工的信息。

生产计划：企业的管理员可以制订合理的生产计划，根据向供电局购买的用电需量和电炉的实际情况进行计算每天的生产计划。管理员可以查询生产计划，参考历史的生产计划，也可以添加和修改生产计划，对于生产计划出现的错误和问题，对当前的生产计划进行修改。

运行监视：运行监视是对整个企业的电炉的参数进行监控，如三相电流和三相电压等。管理员可以让员工以图形化的方式进行反馈，更利于整个电熔过程的控制管理。

能效分析：根据实时数据，通过特定算法，计算和预测电炉的电效率、负荷率、实时单位能耗和累计单位能耗等能效数据，并把计算结果以曲线的方式展示出来，更方便管理者了解全厂的电炉运行状态。

报警信息：对每一个电炉的报警设置信息，并提供添加、修改和删除功能，防止空烧和电流过大等危险情况。管理员可以查询所有的报警数据，包括已经确认或者未确认数据，同时提供对报警的确认操作，确认操作完毕表示已经完成对该报警的处理。

工况预测：预测未来一段时间所处的是主熔、加料、排气工况。根据电炉的工况和生产规律，分析生产数据，建立置信规则库。依据置信规则推理的方法可以对电炉后几秒的工况做出预测。

需量预测：需量是指电炉在一个需量周期内平均功率。对需量进行预测，要求群炉的平均功率小于需量约束，若大于需量则需要进行调整使其低于约束。

能效调度：企业需要在电力最大需量的约束下，对电炉进行操作，使电炉的指标达到最优。一般采用群炉分解的方法，需量如果比较充足，按照单炉最优进行操作即可，无需调度。

统计分析：对不同电炉的不同时间在产量、能耗、合格率等数据进行对比，可以发现原因，提供生产报表、运行报表等数据。

4 测试与验证

软件的运行硬件环境配置如下：

Intel（R）Core（TM）i7-8700 CPU @3.20GHz，内存16GB，显卡为NVIDIA GeForce GTX 1080Ti。

软件的运行软件环境配置如下：

Windows10操作系统，MySQL数据库，.Net Framework 40运行环境。

电炉能效调度软件运行监视模块运行如图3所示，工况预测模块运行如图4所示，能效调度模块运行如图5所示。

该软件应用于实际现场时，为电炉企业制定了可实施的能耗计划。结合根据电炉工况预测结果和需量约束进行功率调整，使电炉能源利用率提升，最后对电炉的数据进行对比分析，实现全企业对电炉的电能的合理分配，验证了电炉能效调度软件的有效性和优越性。

5 结论

电炉能效调度软件系统的开发与应用，可以有效地提升电炉的能源利用率和工厂的工作人员的工作效率与管理水平，不再使用人工决策，更好地为电炉的工艺产品质量服务，具有很好的使用价值和现实意义。随着现代信息化技术的发展和大数据技术的普及，类似于电炉的能源利用率一定会继续提升。

参考文献：

[1]季宇杰，石云，蒋卫详.基于SSM框架的运动會管理系统的设计与实现[J].电子测试，2020（16）：74-75.

[2]刘利冉，黄璞馨，阎文莉，杨钰，胡局新.基于SSM的高校教学工作量核算系统的设计与实现[J].科技风，2020（27）：25-26.

[3]赵建勋.Highcharts在动态数据监测系统中的开发与应用[J].计算机与网络，2018，44（16）：69-71.

[4]李艳杰.MySQL数据库中数据参照完整性和一致性的设计与实现[J].信息技术与信息化，2020（11）：102-104.

作者简介：朱昌龙（1996— ），男，汉族，江苏盐城人，东华大学控制工程专业研究生，研究方向：优化调度方法。

通讯作者：孔维健（1983— ），男，汉族，河北献县人，东华大学信息科学与技术学院讲师，研究方向：计算智能方法、复杂优化调度方法等。