冶金企业智能电力调度技术研究与展望

张娟，郝飞，赫明君，金峥，黄源烽，王伟刚

（1.国网上海市电力公司，上海 200122；2.南京南瑞继保电气有限公司 系统软件研究所，江苏南京 211102；3.内蒙古电投能源股份有限公司 矿山供电公司，内蒙通辽 028000）

低碳排放，绿色发展，已经成为冶金企业发展的共识。在电力市场、虚拟电厂、需求侧响应的激励下，冶金企业的电网调度自动化系统不但要关注企业内部，而且要放眼于外部大电网的变化、技术应用和趋势发展。近些年来，笔者所在团队充分吸收国家电网、南方电网在调度自动化方面的技术成果，结合冶金企业自身需求，在一体化数据采集、电力需量控制、分层综合调控、调度运行驾驶舱等方面进行了一些研究和实践：1）在企业电力调度中融入电力二次一体化理念，实现二次系统的专业融合和全网信息的综合共享，在调度平台上实现电力监控、保护故障信息、电能量计量、一次设备在线监测等数据的一体化集中采集和监控[1]；2）结合大工业用户的两部制电价实施细则，进行电力需量控制系统的研发和实践，通过控制生产工序或能源系统中的可中断或可调节负荷，实现对企业关口电力需量的实时监测、预警和调控，降低企业的用电成本[2-4]；3）建立多时间尺度的综合优化协调控制系统，通过分层综合调控，合理设定自备机组自动控制、电力需量决策分析与调控、电压无功优化的控制目标，解决多控制系统协调优化控制问题[5]；4）建立电网调度运行关键性能指标、决策分析和运行操作三大驱动引擎，利用综合运行驾驶舱技术，将数据、计算、优化、流程有机结合，实现“前端监控”与“后端优化”的实时互动，为调度员提供便捷、高效的操控界面[6]；5）对冶金企业孤立电网的稳态控制问题进行系统性的研究，采用厂级控制的方法对孤立电网的调度进行重构，增加了优化调度、实时调度，提高了调度系统的协同能力[7]；6）运用人工系统、计算实验和平行执行的平行控制方法，建立钢铁企业电网调度知识决策系统，并通过智能操作票、调度指挥机器人等实践，探索建立智能化、知识型调度决策分析系统实现路径[8]；7）基于复杂平行控制理论，提出了具有平行系统特征的双活调度系统，很好地解决了两套系统之间的数据同步、一致性校验、双活切换等核心问题，大大提高了调度系统的安全稳定性[9]。

然而，面对力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和的双重挑战，亟需构建以新能源为主体的新型电力系统，对电源侧、负荷侧和电网侧进行重塑。冶金企业的电力调度也要积极吸取其他行业的先进经验，以自动化、信息化为基础，实现电力调度的智能化、广泛互联和自律控制。本文拟针对当下新一代智能调度系统、新一代自主可控变电站集控的具体技术问题及实现方案进行探讨，对态势感知、智能运维、新能源优化调度、虚拟电厂技术进行研究，以期提升调度系统的智能化水平，减轻调度人员的工作强度，提高企业电网的供电效率。

1 智能电力调度的发展过程

电力调度系统是企业调度运行管理的大脑，其系统发展过程分为5个重要阶段。第1阶段（20世纪70年代）：采用单片机技术，开发完成电力监控和数据采集系统（SCADA）；第2阶段（20世纪80年代）：采用了双机热备用的技术，实现了调度系统的高可靠性，完成了基于通用计算机以及集中式的SCADA和能量管理系统（EMS）的开发和工程应用；第3阶段：利用更加集中的商用关系型数据库，并利用可视化更高的图形编辑和显示技术，完成了基于用统一应用分布式支撑平台系统[10]；第4阶段：基于研发的调度自动化系统建立了安全分区，划分了Ⅰ区实时控制区、Ⅱ区非生产大区、Ⅲ区管理信息大区，并通过隔离装置和防火墙建立完整的安全防护体系；第5阶段：最新一代电力调度自动化系统综合考虑电力市场环境下的用户和其他自动化系统融合，是一套先进、开放、可扩展、稳定可靠、面向对象的电力调度自动化系统，具备支撑平台和丰富的电网分析应用软件[11]。随着IT技术、网络和信息化技术等的发展，电力市场改革的不断深入和实践程度的提高，调度自动化系统将迎来技术的飞跃发展[12]。

2 智能电力调度的技术对比

传统的电力调度系统已经不能满足企业电网调度的要求，智能电力调度是未来电网发展的必然趋势。智能调度是将调度系统与人工智能技术相结合，将传统的电力调度系统进行升级和技术提升，以满足企业电网调度的要求。首先，光伏、风电等清洁能源的建设，是冶金企业降低碳排量，实现碳达峰的有效途径。大规模的可再生能源，给电网运行带来了间歇性和不确定性，对于冶金企业而言，电网调度是一个必须解决的问题。其次，智能电网的建设和运行需要更加智能化的调度系统提供支撑，调度中心是电网的中枢，应具备一体化集中监控、实时预警分析、智能辅助决策以及适应电力市场的知识决策型调度自动化系统，以提高对内部电网的调控和驾驭能力。

目前，主流的智能调度系统有6类，分别是国家电网智能调度系统、国网电科院大停电防御框架、南方电网协调防御框架、清华大学三维协调的电网EMS、美国PJM调度控制中心、美国电力科学研究院智能调度控制中心[13]。1）国家电网智能调度系统：采用一体化、标准化的设计思想和面向服务的体系架构，开发了高效的动态消息总线、简单服务总线、工作流机制和灵活的人机界面支撑技术，为实现系统实时监控与预警、调度计划、安全校核和调度管理等应用提供一体化的技术支撑。2）国网电科院大停电防御框架：主张对规划建设、预防控制、继电保护、紧急控制、校正控制和恢复控制等各道防线内部进行优化。在静态和动态信息的集成平台上，将安全分析功能从静态模式提升为动态模式，为电网预警提供技术支持。3）南方电网协调防御框架：该平台将电网运行实测信息、系统模型参数信息、电网运行环境信息和市场经济环保信息等集成到一起，通过对各类资源的充分利用，采用先进技术实现在线暂态安全定量评估及在线优化预决策，实现电网的智能调度。4）清华大学三维协调的电网EMS：采用自动、跟踪、递归、智能预警的运行模式，突破了传统EMS仅仅侧重于当前和历史数据断面的分析方式，极大地适应了当今社会超级电网运行控制的需要，能够满足调度员对现代电网运行的电力调度与控制。5）美国PJM调度控制中心：采用“搭积木”的思想将经过模块化设计的功能组合起来，保持了传统调度系统的各项基本功能，采用准同步运行的方式，提供全面的调度业务连续性功能，通过多功能的数据应用与保护，来实现对电网的监视与管理。6）美国电力科学研究院智能调度控制中心：电网监视及系统可视化功能增强，采用基于PMU的状态测量采集；采用在线分析功能实现系统模型的动态更新；通过最优分布在系统中的多种控制设备，实现优于传统控制中心的控制功能，能够对现代电网进行最优控制;与配电网内灵活接入新能源系统的交互，适应分布式能源接入。

3 智能电力调度的技术实践

3.1 态势感知

针对智能电力调度的实时运行和调度需求，将态势感知分为态势觉察、态势理解、态势预测3个过程[14]，态势感知的结构模型如图1所示。

图1 态势感知的结构模型

以电力系统网络为基础，通过察觉层、理解层和预测层的迭代交互优化：在察觉层实现电力系统“源—网—荷—储”各类能源数据的采集，并考虑外界的影响因素；在理解层通过数据融合，建立模型与数据的映射关系，形成电力系统的流程网络模型，实现综合分析、案例断面管理和态势评估；在预测层以智能调度系统为载体，建立基于未来状态特征的运行方式场景[15]，采用案例推理的方法，在历史断面集合中，搜索发生过的高度相似案例，通过态势感知的技术手段，实现系统态势预警和智能决策分析。

未来状态特征的提取是预测层的核心，也是态势感知的关键。在冶金企业，工序间的用电负荷变化存在着较大差异，致使企业关口负荷预测的预测精度较低，无法为企业的负荷管理与控制提供基础数据，也无法制定切实可行的供电调控策略。根据冶金企业典型工序综合负荷特性，在充分考虑外部影响因素的情况下，合理选择不同工序负荷的预测模型及方法，从而实现对工序分量的负荷预测；并采用组合预测的方法将工序分量加权累加后，生成企业关口负荷预测结果。预测方法综合考虑了企业各个工序的负荷特性和负荷变化趋势，有效提高企业关口负荷预测的精度。

3.2 智能运维

冶金企业的电网运行管理与大电网的运行管理有很大的区别，无法配置齐全的专业队伍，供电管理人员要同时肩负调度运行、现场巡检、事故处理等多项工作。国家电网公司在2020年结合自主可控的新一代变电站二次系统总体方案，在充分继承现有调度系统、辅控系统等建设经验和成果的基础上，坚持“问题导向，目标导向”，研发出了主辅一体的集控站监控系统。通过“一体监控、全景展示、数据穿透、一键顺控、综合防误、智能告警、自动验收”等关键技术，解决了设备监控强度不足、设备管理细度不足、生产信息化程度不足、智能化支撑力度不足等问题，支撑了变电运维管理新模式，强化了调度集控状态感知能力、缺陷发现能力、设备管控能力、主动预警能力、应急处置能力。

对于冶金企业电网调度来说，最紧迫的是解决智能运维的问题：1）通过自动在线智能巡视系统实现变电站端和调度集控端的全覆盖和实时互动。2）在变电站端应用机器人、高清视频、红外测温和图像识别等技术，自动开展变压器、断路器等主设备巡视，自动识别设备缺陷并进行告警信息推送。3）在调度集控端具备巡视任务展示、告警信息统计、操作一键顺控等功能，实时展示变电站端设备告警和设备巡视结果，调阅现场视频，统筹管理站端巡视任务，提高运维人员工作效率。图2是视频联动的实现方案，当Ⅰ区发生告警或者进行了遥控操作后，驱动变电站内的摄像头按照预置位跳转，并进行抓拍或者录像操作。在该过程中要充分考虑视频联动的安全性，由于视频属于管理信息区数据，不能直接与调度集控系统的Ⅰ区相连，因此在调度系统的Ⅲ区设置WEB视频联动工作站作为中转，既满足安全防护要求，又可以充分利用WEB系统的优势，提供定义工具，满足调度运行人员个性化需求。

图2 视频联动的实现方案

3.3 新能源优化调度

新能源优化调度是包含了日前计划、滚动计划、实时计划和校正控制的多时间尺度协调的调度体系，如图3所示。

图3 分层综合优化的实现过程

日前计划层根据电网日前负荷及功率预测结果，生成日前计划；滚动计划层根据小时级短期预测及扩展短期风/光电预测结果，滚动修正日前机组发电计划，使得系统发电总出力与实际发电需求逐渐逼近，从而降低日前计划的偏差，减轻实时调度层和实时控制层机组的调节压力；实时计划层根据上一层给出的经济最优计划作为基点功率，对计划时段内的系统状态进行最小调整，以消除机组执行最优计划过程中的功率不平衡量，以及风电负荷的随机变化造成的不平衡量，保证系统运行的安全性；校正控制层以实时计划作为调整基点，对超前预测环节产生的随机预测误差进行实时修正，以克服系统不确定性的影响、获得闭环稳定性。

3.4 虚拟电厂

虚拟电厂是聚合优化“源网荷储售服”清洁发展的新一代智能控制技术荷互动商业模式。它依托现代化的信息通信和先进的智能技术，把多类型、多能流、多主体资源以电位中心相聚合，实现电源侧的多能互补、负荷侧的柔性互动，促进能源流、业务流、数据流“三流合一”，对电网提供调峰、调频、备用等辅助服务，并为用户和分布式能源等市场主体提供参与电力市场交易的途径。对于冶金企业来说，虚拟电厂可以高效利用新能源发电的有效形式，通过内部电源、负荷的组合优化，消除可再生能源发电对企业供配电系统的间歇性和随机性影响，提高清洁能源的消纳，提高电能质量；通过虚拟电厂的聚合技术，协助企业以大工业负荷用户的角色，参与电力市场交易，参与电网的调峰、调频，获更大的经济效益。

图4为虚拟电厂的功能架构。在负荷端包括负荷侧用能曲线、分布式资源参数、调控量申报、调度需求分解、价格激励信息发布、响应情况反馈等功能；在调控端包括需求信息发布、调控能力上报、调度调控信息下发、调控响应量上报；在市场端包括调峰价格信号、分时电价信息、用能计量数据、调控价格信息上报等。虚拟电厂就是把负荷端、调控端和市场端的相关资源进行融合，提供负荷调控服务、电力市场服务、调节能力上报、状态统计评估等基础应用接口功能；同时通过聚合分析、资源建模，模拟电厂的外部特性，并参与电网侧的调峰、调频和电力市场辅助服务。

图4 虚拟电厂的功能架构

4 结论与展望

大型冶金企业的电力系统具有复杂的网络结构和调度方式，从源端电力供应到枢纽变电站的电力输送和转换，再到生产工序侧的合理用电，需要一套高效、先进的智能电力调度系统，要能够具备足够的开放性和可扩展性，能够将电力系统有效的技术成果，如态势感知、智能运维、新能源优化调度、虚拟电厂等融入到调度系统中，发挥智能电力调度系统的优势和作用，提高冶金企业电网的调度运行水平，保障企业内部电网的安全稳定。

针对冶金企业大规模新能源建设的需求，冶金企业智能电力调度系统需要实现对风电场站、局域电网、电厂多方位的监控，实现无人值守或少人值守；同时，智能电力调度系统还需要与电网侧、电厂侧、电力市场之间建立紧密关系，增加调控精度和响应的快速性，提高一体化调度的调控深度，从电力现货市场以及与其相配套的辅助服务市场获取更大的经济效益。