电网智能化管控系统在钢铁行业中的研究与构建

李宏伟 王宏业

世界钢铁行业，特别是中国钢铁行业，经过多年的高速发展，目前已出现产能过剩的趋势，资源环保压力加大等深层次矛盾日益突出，生产经营面临严峻形势。因此，基于当前钢铁行业的形势，为更好满足企业降本增效的需求，需要不断寻找企业运营过程中的痛点，开展相关课题研究。

传统的钢铁企业变电站没有充分考虑互联各发电机组和用电负荷之间的信息系统，造成发用电之间相互割裂，自发电利用率降低；同时各变电站横向之间互相孤立，信息没有交互，而且基本都是人工控制，迫切需要实现源网荷自动协调控制，急需分散控制和集中控制深度融合。目前钢铁企业电网普遍存在着智能化运维水平不高、电网运行控制自动化程度低下、企业电网信息化集成性不足、自发电量无法充分利用、运维管理信息化水平低等问题，企业电网是智能化工厂的重要组成部分，信息化数字化智能化水平亟待提高。

针对钢铁行业中企业电网的特点及面临的问题，通过建立面向钢铁企业电网的数据流模型，利用信息化、数字化、智能化等先进技术手段，构建企业电网智能化管控系统，实现了潮流控制自动化、电网调度智能化、数据采集全景化、设备运维规范化、电网运行安全化、事故处理专业化的核心功能，大幅提高全厂电网的安全可靠性，最大限度地提高用户的电网管理水平。本文提及的相关技术已进行了工业化应用，经济和社会效益显著，对进一步提升钢铁行业节能减排水平意义重大。

一、钢铁企业电网的特点及面临的问题

相比国家电网，企业电网的特点不一样，技术要求也不同，国家电网的一些先进技术不能直接应用于企业电网中，而由于企业电网的一些用电特点在国家电网中并不存在，企业电网需要智能控制技术去填补这些空白。钢铁企业电网的用电特点主要有：钢铁企业电网存在着供电关口（PCC点），供电公司对关口电压等级的用电参数和用电设备进行管理；企业电网的供电电压相比国家电网来说比较低，一般为110kV、35kV、10kV等，技术及设备特点都与国家电网不一样；钢铁企业电网内的余能利用发电机数量较多，自发电比例较高，一般都在50%以上；钢铁企业电网内存在着稳定负荷和冲击负荷，其中精炼炉、大型轧机等冲击负荷的波动性较高，供电要求较高；企业电网直接面对用电设备，如电动机、動力变压器等，这些设备故障直接影响企业电网安全运行，需要对这些数量众多的用电设备进行集中监控。

鉴于钢铁企业独有的用电特点，目前国内外钢铁企业面临着如下亟须解决的技术问题：如何将企业内部电网中供电电源、用电负荷、厂内发电机组快速协调自动控制？如何以PCC点为基准快速控制分布在各个不同地点的发电机组及用电负荷？如何采用现代化的技术，减少变电站的值班人员，又能提高电网运行的安全性？影响电能质量的电力污染源一般都是瞬时发生的，很难捕捉，无法定位，给企业电网带来安全隐患，如何自动判断电能质量污染源？企业电网如何进行全厂供配电设备的全生命周期管理？以及如何实现电网设备运维管理的标准化？如何进行全网事故分析精准定位？

钢铁产业作为国民经济的重要支柱产业，企业对用电量的精准监控，也意味着发电厂能够更好的规划发电计划，由此将节省大量煤炭、天然气等资源，同时减少二氧化碳的排放。不仅对国家能源的可持续发展带来了积极的促进作用，也为环境的发展做出了应有的贡献。在这样的背景下，钢铁企业用户需要一套能够保证钢铁企业电网可靠运行的控制系统，不仅能为企业带来最直接的经济效益，同时为整个社会的发展带来积极的促进作用。

二、研究电网智能化管控系统数据流模型

针对钢铁企业电网的特点及存在的问题，构建钢铁企业电网智能化管控系统，帮助钢铁企业打造安全稳定运行的电网。在电网智能化管控系统的构建过程中，首先需要建立面向钢铁企业电网的数据流模型，通过直接访问各子系统的相应数据来实现电网智能化管控系统的系统集成。电网智能化管控系统的数据流模型图见图1所示。

电网智能化管控系统各功能模块之间的主要数据流如下：

智能感知设备及智能执行设备的设备数据通过信息交互设备上传给管控应用层各功能模块，并接收管控应用层各功能模块的控制、执行或调节指令进行相应的动作；

信息交互设备应深度融合通用的通讯协议，实现“源端维护，全网共享”的数据传输功能，并在不同的信息安全分区下实现感知执行层与管控应用层之间的数据通讯；

系统应将电网运行参数等数据发送给电网智能调度模块和自动潮流控制模块进行数据分析和处理，实现电网安全运行、设备规范运维、事故精准分析等各应用模块之间的数据传输与共享，并对智能感知设备及智能执行设备进行远程控制和紧急操作；

全网数据采集模块将来自其他功能模块的电网数据、负荷数据、分析数据、报警数据等全方位进行收集、存储和管理，为电网智能化管控系统提供统一而完备的数据支撑。

三、电网智能化管控系统的构建

基于电网智能化管控系统数据流模型的建立，以客户需求为导向，利用信息化、数字化、智能化等先进技术手段，研究基于SOA（面向服务的体系架构）的企业电网Web集成技术、基于企业电网的信息安全分区技术、基于RTSP协议的企业电网视频联动技术、源端维护数据共享的企业电网统一建模信息技术、企业电网网络布线技术和企业电网信息交互设备VLAN交叉通讯技术等，构建电网智能化管控系统，大幅提升企业电网智能化管理水平，为行业发展提供智能化的解决方案。

（一）研究基于SOA的企业电网Web集成技术

在电网智能化管控系统研发过程中，将SOA和Web服务技术引入到企业电网应用集成领域，提出一种面向企业电网的基于SOA的Web集成方法，并开发出一个基于SOA的企业电网Web集成模型，此模型具有松散耦合、面向企业电网行业支持、高度可集成能力等优势。通过在同构和异构平台下对相关协议的扩展，实现了基于SOA的企业电网Web集成，将电网潮流控制功能、机网协调功能、电网管控功能、电网设备运维管理功能、电能质量监测功能等集成为电网智能化管控系统，实现了各功能的无缝链接访问和实时数据交互，做到了统一界面，统一风格，统一操作，统一维护，节省了人机界面的控制设备，节约了操作维护的人力，大幅提升了系统集成度。

（二）研究基于企业电网的信息安全分区技术

按照国家信息安全等级保护的有关要求，遵守“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”的安全防护总体原则，企业电网智能化管控系统划分为控制、生产、管理、信息等四个安全工作区。各安全分区之间数据通信相对独立，互不干扰，确保各系统的安全运行。电网智能化管控系统按四个安全分区进行划分如下：

安全区Ⅰ为实时控制区，自动潮流控制功能及电网智能调度功能等属于安全区Ⅰ；

安全区Ⅱ为非控制生产区，事故精准分析功能等属于安全区Ⅱ；

安全区Ⅲ为生产管理区，设备规范运维功能等属于安全区Ⅲ；

安全区IV为管理信息区，远程访问及手机办公功能等属于安全区IV。

（三）研究基于RTSP协议的企业电网视频联动技术

基于RTSP协议的企业电网视频联动技术根据遥控操作指令自动远程联动摄像机，监视被操作的开关设备；通过摄像机视频分析，实现各变电站报警联动自动抓拍。利用红外摄像机，对电网运行设备进行自动发热巡检。电网智能化管控系统可以远程联动控制（自动、手动）摄像机，实现监视角度、监视区域大小的切换。同一台摄像机实现重点设备监视与区域监视相结合。在变电站采用红外热成像仪作为视频监控使用的同时，还可以实时自动巡检运行设备的温度，并按预先设定的预警严重程度发出不同等级的声光报警信号，及时把报警信号上传至电网智能管控中心，电网智能化管控系统自动联动断路器分闸，从而使运维人员“早发现、早处理”，确保设备运行的安全，提高运行人员对设备缺陷的识别能力和预见性。

（四）研究源端维护、数据共享的企业电网统一建模信息技术

常规的变电站保护设备和电力数据采集设备需要分开设置，且协议不同，数据难以贯通共享，造成各系统数据重复采集，也不能集成为统一的系统平台，各系统在企业内部形成了不同的“信息孤岛”。传统的建模方式难以满足电网设备监控大数据分析的业务需要，故急切需要设计一种应用于电网设备监控大数据分析的统一信息模型。

电网智能化管控系统基于IEC 61850标准协议建立企业电网统一信息模型的框架，实现一二次设备间的关联，变电站保护设备和电力数据采集设备在模型驱动下进行多网合一、信息融合，同时对模型中的量测类信息进行模型扩展，实现所有量测类信息的集中接入与统一建模。变电站监控、电网潮流控制、机网协调、电网管控等功能共用一套电力采集设备进行数据一次采集，数据在各系统间共享共用。

以企业电网模型为核心的全区域统一模型中心，通过分布式建模和拼接技术，以“源端维护，全网共享”为目标，实现全区域统一模型，并以此为基础，形成对实时、计划等各类电网应用模型的统一管理。满足电网智能管控中心各类功能对电网模型的统一需求，为实现管控中心基于全电网模型的分析、计算、预警和辅助决策奠定坚实基础。

（五）研究企业电网网络布线技术

企业电网网络布线技术采用模块化设计，把控制信号、视频信号、语音信号等进行统一规划设计。在电网智能化管控系统设计过程中，以电网智能管控中心、各110kV开关站为核心，组成双冗余环形光纤网，形成全厂的主干网络。各区域变电站、余热余能发电站、配电室，则依据电源隶属关系通过双冗余星型光纤网连接到相对应的上级110kV开关站内的主干网上。各系统采用统一的网络规划、共同的网络光缆、相同的网络设备和基于一网多用的网络布线技术，进行了多网合一的网络系统设计和施工接线，相比各系统单独设置网络系统节省大量网络系统投资，大幅降低网络设备维护管理的工作量。

（六）运用信息交互设备VLAN交叉通讯技术实现各系统之间的数据隔离

虚拟局域网（VLAN）可以控制同一网络内各系统之间的广播活动，提高企业电网网络系统的安全性，使得网络系统的拓扑结构变得非常灵活，并减少网络内信息交互设备的移动、添加和修改而造成的管理成本。通过对企业电网内信息交互设备合理划分多个VLAN，基于VLAN交叉通讯技术实现底层设备的基础数据共享，大幅减少企业电网网络设备的投资，为各系统间的数据交换提供了更加灵活的通讯方式。电网智能化管控系统将控制网络划分为四个VLAN，实现各VLAN间的交叉通讯。如表1所示。

四、电网智能化管控系统的功能实现

电网智能化管控系统成功实现了潮流控制自动化、电网调度智能化、数据采集全景化、设备运维规范化、电网运行安全化、事故处理专业化的核心功能，不仅为企业带来最直接的经济效益，同时为整个社会的发展带来了积极的促进作用。

（一）实现潮流控制自动化

最大限度利用自发电量，减少主变压器安装容量，减少基本电费的缴纳金额，保证直供电不罚款；提高自发电的利用率，减少从外部电网的购电量，从而减少二氧化碳的排放；当外电网严重故障时实现短期孤网，保证重要负荷的正常供电，以及安全停机，防止全厂停电，减少损失。

（二）实现电网调度智能化

变电站全部实现无人值守，帮助企业解决人员紧缺问题；采用科学的手段对调度员进行培训，规范操作流程，并且通过仿真制定出应急处理预案；对于常规操作，一键处理，避免人工操作失误，带来供电安全事故；集中管理保护定值，避免定值的错、乱、散；方便準确的操作票，避免人工失误；高效的报表管理，大幅提高工作效率。

（三）实现数据采集全景化

各系统数据共享，避免重复采集；一次投资，多次受益；以最小的资金投入完成大数据采集功能；减轻了模型数据维护的工作量，节省了数据维护成本；全网统一时钟，对于事故分析，能够准确定位。

（四）实现设备运维规范化

实现设备台账的信息化管理，成倍提高设备台账管理效率；基于大數据的设备缺陷管理，建立缺陷管理机制，设备缺陷信息电子化，设备缺陷库标准化、专业化；帮助企业制定清晰、准确的检修计划；提供多种电气设备试验报告和保护试验报告模板，进行数字化管理；自动统计全厂主变压器油温、断路器动作次数等，建立故障预警模型。

（五）实现电网运行安全化

全网实时潮流可视化；对电网进行真实运行方式仿真分析，帮助企业选择合理的电网运行方式；提高集控操作的安全性，减少误操作。

（六）实现事故处理专业化

大幅减少事故分析时间，从数天缩短到数秒；便于全网集中事故分析，精准定位故障源；便利地找到电能质量污染源。

以首次成功应用的某千万吨钢铁企业为例，本系统覆盖范围包括220kV总降变电所2座、110kV开关站4座、110kV区域变电所10座、余热余能发电机组14座、10kV配电室80座，涵盖了全厂的供电电源、发电机组及用电负荷，实现企业高、中压供电系统的全面智能化管控，满足用户对电网潮流、电力集控、电能质量管理、变电站巡检、供配电设备管理的各种需求，大幅提高全厂电网的安全可靠性，最大限度的提高用户的电网管理水平。

五、结语

钢铁企业电网智能化管控系统将信息化系统和企业电网深度融合，使企业电网内电源、配网、发电机组、负荷等实现了高效协调运行，实现了企业对节约用电、智能用电、环保用电、绿色用电、有序用电、安全用电的统一管理。

原有的企业电网关口潮流都是随着负荷随机变化，本技术使得企业电网关口潮流实现了精准控制，转变了企业电网的运行控制方式及管理模式。为企业最大限度利用综合能源迈出了第一步，其控制思想和理论可以应用于其他能源控制。应用企业电网智能化管控关键技术，对电网潮流进行精准控制，可以减少对国家电网的冲击，减少对国家电网的电力需求，减少输电线路损耗。本技术已进行了工业化应用，经济和社会效益显著，对进一步提升钢铁行业节能减排水平意义重大，为实现“碳达峰”“碳中和”的目标能够起到一定的作用。特别是目前钢铁企业搬迁改造项目众多，企业电网智能管控关键技术市场前景十分广阔。

作者单位：李宏伟 中冶京诚工程技术有限公司 电气与自动化工程技术所 王宏业 北京智米电子科技有限公司