基于CPS的钢铁企业电网智能管控

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)

钢铁行业是我国国民经济的重要支柱产业，也是能源资源消耗密集、高碳排放行业，其耗电量占全国耗电量的8%左右，面临着巨大的节能降碳压力。

目前钢铁行业在常规工艺段的基础自动化、过程自动化和经营管理信息化等方面取得了显著进展。相比工艺段，企业对电网智能化方面的探索较少，从而导致企业电网运行事故率很高，运维成本增加，给企业带来很大损失，面临着以下亟待解决的主要问题：钢铁企业自发电比例高达85%左右，由于用电的波动，使得供电关口(PCC点)潮流不可控，存在自发电量倒送到电力系统的现象，导致自发电利用率降低；当厂内较大容量发电机组突然退出时，极易引起总降主变压器过载，调度不及时就会引起继电保护动作，主变退出运行，造成厂内大面积停电；当外部电网断电时，虽然企业内部有发电机组，但是仍然会全厂停电，无法保证供电的连续性；企业目前人工成本越来越高，急需采用现代化的技术，减少变电站的值班人员，同时提高电网运行的安全性；钢铁企业电网迫切需要进行全厂供配电设备的全生命周期管理，实现电网设备运维管理的标准化，并进行全网事故分析精准定位。

针对钢铁企业电网存在的主要问题，根据钢铁企业电力网络和工业控制网络的特点，利用国内外电网领域的先进技术和智能化设备，构建统一、多网融合的面向钢铁企业电网智能管控的CPS信息物理系统体系架构，聚焦挖掘潜在隐患，促成钢铁企业电网全自动化管控，采用需求分析、模型构建、实验室仿真、示范工程实施的方法，开展钢铁企业电网智能管控系统研究[1-4]。

1 信息物理系统

信息物理系统(CPS，Cyber-Physical Systems)是一个将信息世界和物理世界深度融合的智能化系统，通过计算、通信、控制的互联互通和有机协作，实现工程系统的数据采集、实时控制和信息服务。典型的CPS包括感知层、网络传输层和应用控制层。感知层主要是由传感设备、执行设备和采集设备等组成，是信息物理系统中的末端设备，主要负责将采集的信息数据实时发送给应用控制层，应用控制层进行相应的数据处理，再返回给感知层处理后的信息，感知层设备接收到信息后进行相应的动作；网络传输层主要实现的是数据传输，为系统提供安全实时的网络服务，是连接信息系统和物理系统的桥梁；应用控制层主要是借助各种专家知识库对感知层设备通讯回来的数据进行分析处理，并将相应的结果以可视化的形式呈现给用户。

钢铁企业电网智能管控，涉及发、输、变、配、用电设备，管控范围大到变压器、GIS气体绝缘组合电器，小到带电显示器、电缆接头等，更复杂的是这些设备彼此有机融合关联，以一个有机体的形态不断运转。传统的电网控制系统在体系结构上就被设定成了半自动化控制系统，因为其仅仅能向用户展示当前设备的状态参数，操作人员需要花费很多时间和精力去获取这些参数，并且需要专家从海量数据中发掘关联数据、锁定并分析故障原因。针对这些问题，系统首次建立了面向钢铁企业电网智能管控的CPS信息物理系统体系结构。

2 电网智能管控系统架构设计

系统基于CPS信息物理系统架构，在体系结构设计方面的创新主要表现在：增加了数据中台层、自治区域层、人工智能引擎层。通过这三层与CPS的常规感知层、网络传输层、应用控制层相融合，形成了面向钢铁企业电网智能管控的六层CPS体系结构，达成企业电网智能化管控，实现智慧、高效的变电站运维管理。

(1)感知层

感知层主要是由感知设备和执行设备等企业电网的各种信息物理系统末端设备组成，主要采集的是企业电网中的具体设备数据，通过网络系统上传给各控制系统的控制器和服务器进行相应的处理；感知层设备同时接收各控制系统的控制、执行或调节指令进行相应的动作。系统的感知层主要包含：测控装置、潮流控制采集装置、电能质量检测仪、电表装置、录波装置、摄像头、温湿表等感知设备。

(2)自治区域层

钢铁企业电网设备数量众多，分布在不同的变电站区域内。各变电站区域具备遥控、遥视、遥调等自动功能，可接受并执行人工智能引擎层的遥控命令。项目通过边缘计算，使得变电站内的控制设备按照自治区域自行发掘可能隐患，并上报服务器；通过边缘计算对确定性紧急故障进行自治处理，最大程度降低故障的危害[5]。

因此系统通过构造设备自治区域层，采用边缘计算，实现设备智能区域自治，降低服务器云计算负载，防患于未然。系统的自治区域层包含保护装置、潮流控制终端单元、机网协调终端单元等可以实现自动控制和自治处理故障的控制装置，这些装置具备双通道自动切换能力，能自动监测通道的质量，自动切换到质量好的通道上，并做到实时冗余主备。

(3)网络传输层

数据网络传输层主要实现的是数据传输，满足设备、电网与系统之间的信息交互，为系统提供实时的网络服务。整个网络采用冗余网络架构，保证数据传输的快速性和安全性。根据业务和安全要求，系统划分不同的网络逻辑或物理区域，对区域间的网络通信设定合适的安全策略，配置工控安全设备。网络层采用支持IEC 61850 GOOSE标准协议传输的工业以太网交换机和支持各种通讯协议转换的数据通讯网关机，整个网络采用主干冗余环网和多分支冗余星型网络相结合的架构，保证了数据传输的快速性和安全性。

(4)数据中台层

数据中台技术是为了实现数据资产价值的最大化，对抽取的数据进行深度分析和处理，通过元数据管理功能，将设备类型和技术参数信息作为元数据进行数据建模，由系统统一实现对元数据的管理，实现了设备类型和技术参数的动态维护[6-7]。系统构建了面向钢铁企业变电站运维的数据中台，该数据中台能够将海量数据转变为统一、可用、面向变电站设备运维管控业务的数据。主要包括以下4部分：数据资产、数据治理、数据模型、数据服务。依托电网智能管控系统的相关技术，面向钢铁企业变电站的数据中台技术，整合各个变电站内设备、信息系统中各自独立的数据，包括实时量测数据、运维管理数据、设计图纸数据、音视频等多媒体数据，经统一信息建模后，汇聚到数据中台，经过过滤、筛选、标准化、归一化等数据治理后，形成可用的变电站数据资产，为电网智能管控系统的具体需求提供统一的数据服务接口。

面向变电站的数据模型采用分层设计，分为数据采集层、变电站业务层和变电站管理层3个层次，层级依次升高。不同数据层次的粒度各不相同，层级越高，粒度越粗。这样既保证低层次具体业务的个性化查询需求，又能保证高层次数据分析汇总的高效率。数据中台将变电站内多源异构数据进行数据治理，对海量设备数据的时序进行校正、建立关联设备数据库，以便业务软件或者运维人员高效地调用关联数据、安全高效地按照用户权限实现数据共享，实现了变电站运维全数据贯通。通过数据中台的建设，切实地使得钢铁企业电网数据由传统的“面向存储”转变为“面向业务应用”数据管理新模式。

(5)人工智能引擎层

人工智能引擎实现了人工智能从理论研究走向实际应用、从一般推理策略探讨转向运用专业知识的重大突破。人工智能引擎是一个具有大量的多领域专业知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和云计算技术，建立电网仿真模型、数据分析模型及过程控制模型，实现企业电网内电源、配电网、发电机组、负荷、储能等协调控制，以便自动解决那些需要高级专家处理的复杂问题[8]。系统发挥多专业优势，将发供配电专业、检测仪表专业(传感与量测技术)、自动控制专业、计算机科学与技术专业、信息工程及网络通讯专业、软件工程多学科人才整合一体，组建研发专家团队，运用多项专有技术，实现了电网运行安全化、电网调度智能化、潮流控制自动化、数据采集全景化、设备运维规范化、事故处理智慧化等核心功能。

(6)应用控制层

应用控制层主要对电网数据、预测数据、报警数据、基础数据等全方位电网数据进行分析和处理，将相应的结果以可视化的界面进行呈现。系统在电网智能管控中心采用C/S和B/S的混合架构，网络层传输上来的海量数据在SCADA服务器、数据采集服务器、历史数据库服务器、PAS服务器、DTS服务器、WEB服务器、设备运维管理服务器、潮流控制服务器、磁盘阵列等设备中进行数据存储和数据处理，基于数据处理结果，根据电网控制和管理需要，管控中心设置了HMI，主要画面有：过程监控画面、参数设定画面、设备控制画面、设备及控制系统诊断画面、故障报警画面、趋势记录画面、报表记录画面、操作及事件记录画面、其它画面等。

3 系统设计与应用

基于钢铁企业电网智能管控的六层CPS体系结构，设计钢铁企业电网智能管控系统，致力于为企业打造一个安全规范、健康智能、经济高效的企业电网，贴近客户需求，为行业发展提供智能化的全套解决方案，促进智能化技术提升，带动产业发展[9]。钢铁企业电网智能管控系统由电网管控系统、电网潮流控制系统、机网协调系统、电网设备运维管理系统和电能质量监测系统组成。

3.1 电网智能管控系统设计

(1)电网管控系统

电网管控系统在管控中心实现电气二次专业采集信息的综合处理以及应用分析与优化控制的支持决策；变电站侧实现保护、测控、计量等各类设备的标准化配置和使用，从而实现调度系统纵向的一体化建设。电网管控系统有全网变电站无人值守、全网运行方式安全分析、调度员培训仿真、事故追忆及事故反演、全网潮流实时分析、保护信息集中管理、全网短路电流计算、智能操作等高级应用功能。

(2)电网潮流控制系统

钢铁企业内部电网供电包含自备发电机组，采用富裕煤气发电，生产工艺与机组发电存在联锁，对发电供电的可靠性、连续性和安全性要求高。电网潮流控制要求能实现多功能一体化协调控制，能适应企业电网灵活多变的运行方式，全面涵盖电力系统分析、方案设计、电气保护、潮流控制、拓扑识别、孤网控制等技术。

(3)机网协调系统

机网协调系统以统一协调、控制企业电网内所有发电机组为出发点，维持系统频率和电压的稳定；实现发电出力与实时用电负荷的最佳智能匹配，通过智能拓扑识别及大数据智能分析，根据各机组相关历史效能分析，最大限度地挖掘发电机组的整体效率及综合利用率，解决传统人工判断迟滞和调度、操作沟通繁琐的问题[10]。具体功能有实时一、二次调频控制，实时调压控制，机组寿命优化，甩负荷带厂用电等。

(4)电网设备运维数据中心

电网设备运维数据中心全面精益化管理供配电设备，提升管理效率，同时减少设备管理人员，降低人工费用；通过设备绩效考核，为供配电设备采购提供决策支持；实现设备故障、设备状态的智能监控、分析和预测，快速诊断设备故障，减少停机时间；实现设备透明化管理，节省备品备件的存储量。系统覆盖全厂从220 kV变电站到各个生产单位10 kV变电站所有的供配电设备，同时具备管理重要用电设备的能力，具有供配电设备基础数据管理、设备台账管理、设备档案管理、设备运行监视、设备事故跳闸管理、设备维护维修管理、继电保护装置定值管理、全网事故分析精准定位等控制功能。

(5)电能质量实时监测系统

电能质量实时监测系统以计算机技术、数据库技术、网络通信技术为依托，全面监测各变电站的电能质量实时情况，为系统运行提供数据支撑，实现全网电能质量在线监测、全网事件录波数据综合分析、电力污染源精确定位及诊断、电能质量事故预测等功能。

3.2 应用效果

凭借电网智能管控系统先进的技术经验，成功研制了电网安全运行、电网智能调度、自动潮流控制、全网数据采集、设备规范运维、事故专业处理的关键技术，实现了电网运行在线安全分析、电网潮流自动控制、数据源端采集及数据共享、全方位一站式的钢铁企业电网综合解决方案。

电网智能管控系统在多个环保搬迁项目中得到了成功推广和应用，能最大限度地提高用户的电网管理水平，每年可为千万吨级钢铁企业节省各类成本上亿元；电网设备运维管理系统实现了设备检修流程的闭环管理，减少设备故障率10%，节约设备检修成本20%；系统研究成果间接带来煤炭、天然气等的节省每年减少二氧化碳排放约30万t。企业电网智能管控系统还可以对企业电网中的新能源发电、储能设施、柔性输电设施等进行智能调控，实现对企业电网源、网、荷、储的统一集中管控，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。目前国内外很多钢铁企业都对企业电网智能管控技术比较认可，并进行了深入而富有成效的交流。

4 结语

文章借鉴了CPS信息物理系统的体系架构，构建了面向钢铁企业电网智能管控的体系结构，设计了钢铁企业电网智能管控系统，并进行了工业化应用。在企业电网智能管控系统的研发过程中，形成了系统建设的标准体系架构、网络系统的统一规划、信息采集的统一规约、运维管理的标准流程、专家系统的标准知识库等，引领了企业电网信息化、智能化的发展方向。项目所开发的电网智能管控系统针对企业电网关口潮流随着负荷随机变化的特点，对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。

应用企业电网智能管控关键技术，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。系统不仅在钢铁行业中有其应用价值，还为今后在其他工业领域中的推广奠定了基础。