CN102376026A - 工业企业用电负荷优化*** - Google Patents

Abstract

一种工业企业用电负荷优化***，属于企业电力负荷调度领域。一种工业企业用电负荷优化***，其特征在于，硬件包括关系数据库服务器、应用服务器、客户端PC、实时数据库服务器等，应用服务器与实时数据库服务器连接进行数据交互，应用服务器与关系数据库连接进行数据存储与读取，客户端PC与应用服务器连接进行信息交互；应用模块上包括数据采集模块、数据处理与存储模块、需量计算模块、参数设置模块、需量预测与控制模块、负荷控制方案与报警信息管理模块、需量分析模块、分时电费分析优化模块。优点在于，通过需量分析和分时电费分析优化，制定企业未来最小成本的用电计划，达到移峰平谷、平衡负荷、增加用电设备寿命、降低企业用电成本的目的。

Description

工业企业用电负荷优化***

技术领域

本发明属于企业电力负荷调度领域，特别是提供一种工业企业用电负荷优化***。

背景技术

钢铁、电解铝、冶炼铜等行业是耗电大的行业，这些行业的企业用户用电收费执行的是大工业用电的两部制电价，总电费主要由电度电费、基本电费(又称容量电费或需量电费)和调整电费组成。电度电费用是根据用户在尖峰平谷各时段的用电量，按照尖峰平谷费率计算出的电费；基本电费是以变电站当月的“最大需量”来收取的费用(或按变压器容量的40％收取的费用)；调整电费是根据当月功率因数大小进行奖惩的费用。

需量，是需量周期内的平均功率。

需量周期，需量的计算周期，我国一般规定需量周期为15分钟。

最大需量，是在指定的时间区间内需量的最大值，通常为一个缴费周期。

需量计算方式，滑差式，从任意时刻起，按小于需量周期的时间递推测量需量的方法，递推时间叫滑差时间，滑差时间可以是1、3、5、15分钟(或者1到15分钟的任意时间)；区间式，从任意时刻起，按给定的需量周期递推测量需量的方法。

冲击负荷，企业的一些大型用电设备，如大型电弧炉、大型初轧机、冶炼炉、电解炉、各类型钢轧机、冷热连轧机等，单机容量大，其有功功率变动的幅度、频度都较大，这类负荷称之为冲击负荷。

通过企业用电负荷月曲线分析，发现用电高负荷时段的极为有限，一般是几个小时到几十个小时，而就是这有限时段的高负荷使得本月最大需量超过一定数值。导致用电负荷升高的原因就是冲击负荷的运行，有时冲击负荷的叠加使负荷更高。小于15分钟的短时间冲击负荷不会造成需量升高，但电弧炉、冶炼炉、电解炉、轧机等这些大型设备一般不会只开几分钟的，一旦开机不会为了减少负荷而停机，停机造成的损失会更大。

目前企业电力***的调度大部分只是依据潮流、负荷、报警等信息，进行电话调度，对需量和最大需量的认识不深刻，也缺少相应的手段来观察当前负荷与需量的关系，无法及时做出负荷调整方案，来降低对需量的影响；而且很多地方的供电部门不容许企业直接读取关口表上的最大需量信息，只能人工定时抄表，企业只能根据供电部门给出的月最大需量缴费，无法知道什么时候、哪些车间或设备导致了本月最大需量的增大，也就无法为下个月的生产调整提供有用信息。

可见，对按最大需量缴费的企业，对需量信息掌握的详细程度是影响其用电成本的一个重要因素。需量的计算周期是15分钟，调度人员不可能长期盯着多条负荷曲线，对变化较大的负荷，很难及时判断需量值；每天手抄的一天或一个班需量信息不够详细及时，对优化电力调度、优化生产排程、节约需量电费、降低成本，就少了很重要的信息来源。

因每个时段电价水平不一样，企业的生产计划受尖峰平谷时段的影响，生产计划做的是否合理以及是否还有可优化的余地，是需要分时有功电度量的详细数据和产量信息提供数据支撑的。很多企业往往只分析一个较长时间段的用电情况，没有从每天的详细分时电度量和对应的产量数据上挖掘有用信息，也就不容易发现存在的问题以及可优化的地方。

为了应对两次世界能源危机以及日益严重的环境压力，国外自20世纪70年代开始研究推广了电力需求侧管理(DSM)，其中重要一项内容就是移峰填谷、降低最大需量、平稳用电负荷。需量控制代表性的产品分别是日本技术的VDLFHZK微机电力负荷中央控制***和德国技术的“PTE百泰能源”需量控制***(又名需求侧管理***)，此两类产品在国内外一些钢铁企业的电炉和炼铜企业的冶炼炉等生产工艺中有应用。

我国也从20世纪80年代初开始引进需求侧管理，政府和不少大工业企业开始研究需求侧管理以及优化负荷的措施和技术，达到平衡负荷、节约能源的目的。

中国专利局2010年2月3日公布的西门子公司申请的《一种负荷管理的方法及装置》(CN101640417)、2010年4月21日公布的中华电信股份有限公司(台湾)申请的《需量控制***及其方法》(CN101697074A)。以上专利或产品都是对企业的某些工艺、车间或设备进行的需量监视或控制，没有对企业进行整体需量和负荷监控；只针对需量或分时负荷的一种进行监控，没有从分时电费和基本电费两方面结合考虑、寻求总电费成本最小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业企业用电负荷优化***，从企业全局出发，考虑所有重大用电车间或设备(根据每个企业的总负荷大小和用户负荷所占比例确定哪些是重大用户)的负荷变化情况，通过对企业总需量的监控，利用搜索规则(负荷变化率超过设定值或负荷超过设定值)及时找到引起总需量增大的用电车间或设备，并输出相应的控制方案，利用方案中的控制参数通过控制器对用户负荷进行调节来降低短时高负荷；通过需量分析和分时电费分析优化，制定企业未来最小成本的用电计划，达到移峰平谷、平衡负荷、增加用电设备寿命、降低企业用电成本的目的。

本发明的***的硬件包括关系数据库服务器、应用服务器、客户端PC、实时数据库服务器等，应用服务器与实时数据库服务器连接进行数据交互，应用服务器与关系数据库连接进行数据存储与读取，客户端PC与应用服务器连接进行信息交互。在应用模块上包括数据采集模块、数据处理与存储模块、需量计算模块、参数设置模块、需量预测与控制模块、负荷控制方案与报警信息管理模块、需量分析模块、分时电费分析优化模块；其中参数设置模块、需量预测与控制模块、负荷控制方案与报警信息管理模块、需量分析模块、分时电费分析优化模块部署在客户端机器；数据处理与存储模块、需量计算模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库服务器；

参数设置模块与关系数据库数据采集模块、数据处理与存储模块、需量计算模块连接，传递对应的参数；除数据采集外其他模块都与关系数据库连接，从数据库读取或存储数据；数据处理与存储模块、需量计算模块与数据采集模块连接，从数据采集模块获取数据；需量预测与控制模块、负荷控制方案与报警信息管理模块、需量分析模块、分时电费分析优化模块与关系数据库、需量计算模块连接，从数据库读取信息，通过需量计算模块读取需量相关数据。

本发明中需量周期采用国家规定的15分钟，也可根据实际需要任意设定(比如30分钟)；计算方式选择滑差式，滑差时间为1分钟(1到15分钟的任意时间均可)，与国内大部分需量表设计的计算周期一致，也可根据需要设置新的滑差时间，1分钟时间计算结果既准确又对***的压力不大。

参数设置模块，对***用到的信息进行配置。配置企业各个进线、各个主要用电车间或设备进线的不同采集项(有功功率、有功电度量等)的存储周期与存储方式，以及需量的计算周期、滑差时间等参数，和每条要控制线路本月的最大需量，配置结果被保存到关系数据库中。

数据采集模块，实时的自动采集***配置的电力***的有功功率、有功电度量、无功电度量等数据。

数据处理与存储模块，从数据采集模块读取数据，经过计算处理之后自动将数据存入到数据库，存储方式(平均值、累计值、实时值等)和存储周期(5秒、900秒、3600秒等)根据用户需求进行设置。存储需量计算模块发来的带时间戳的数据。关系数据库定期自动清理过期数据。

需量计算模块，利用采集到的有功功率每分钟计算一次前15分钟内的平均值(即1分钟计算一次需量)，并把计算结果发给数据处理与存储模块进行存储。

需量预测与控制模块，对每个需要监控的线路，通过需量计算模块进行需量在线计算，并应用趋势分析法进行实时需量预测，对预测需量超过最大需量设定值的情况进行实时报警，并存储报警信息至关系数据库，当报警持续时间超过1分钟(1到3分钟均可，但是不宜超过3分钟，超过3分钟就会延误调节的时间，短时大幅度的调节对设备寿命、安全性都会有影响)，提示可以调节的量和剩余的调节时间，并通过算法找到引起需量增大的车间或设备，给出每个要调节的车间或设备的具体负荷控制方案，然后根据优先级自动或手动调节部分用电设备的负荷以达到平衡负荷、降低最大需量、降低用电成本的目的。

车间或设备被称为被控对象，根据生产工艺的连续性和启停的影响范围将优先级按从高到低依次分为必保(不允许调节)、可调(一定范围之内可调)、可停(启停对生产和设备影响不大)，优先级可根据实际生产状态进行调整。比如电解炉是必保的不能在生产过程中突然停止供电的设备，优先级最高。

负荷控制方案与报警信息管理模块，查询需量预测与控制模块记录的报警信息、负荷控制方案，包括报警时刻最大需量、预测需量、报警原因、剩余调节时间、负荷控制对象、负荷控制量等信息。通过总结报警信息出现的情况以及对应的负荷控制方案，了解需量增加的原因，为制定未来的生产计划和用电计划提供参考。

需量分析模块，通过对过去一段时间内(一般是一个计费周期，比如一个月，也可以是任意一段时间)的需量趋势进行分析，找到引起需量增大并超过设定值的时间段及原因，用于指导生产进行调整以减少短时负荷增加引起需量增大。

分时电费分析优化模块，分析过去一段时间内(一般是一个计费周期，比如一个月，也可以是任意一段时间)的尖峰平谷的用电量趋势以及电费情况，结合每天的产量数据，在最大需量约束的前提下，通过优化算法给出日分时成本和日吨产品分时成本最合理、最经济的分时电量分配方案，用于在不影响产量的情况下指导生产进行合理的调整。

优化算法基于统计期内的分时电度量数据，在每小时的分时电度量数值不能超过最大需量数值的约束条件下，应用最优化算法，得到最经济的分时电量分配方案，主要包括两个步骤：

步骤一：日分时最优电费方案，收集分析周期(一般是一个计费周期)内每天的分时电度量，设在统计期内有n天，每天中尖峰平谷分别有共有24个电度量PP_k，(k∈[0，23])(每小时一个电度量数值)，最大需量MD。在第i(∈[1，n])天，分时电度量是PP_ik，(k∈[0，23])，尖峰平谷的电价分别是P_Ji、P_Fi、P_Pi、P_Gi，尖峰平谷电度量汇总分别是G_Ji、G_Fi、G_Pi、G_Gi，电费总额C_i＝G_Ji×P_Ji+G_Fi×P_Fi+G_Pi×P_Pi+G_Gi×P_Gi。

(其中

)即为最优分时成本，C_min对应的分时用电PP_ik，(k∈[0，23])即为最优分时用电方案，可作为未来用电计划的重要参考；

步骤二：日吨产品分时最优电费方案，在步骤一的基础之上，加上产量信息，在第i(∈[1，n])天，产品产量F_i，(i∈[1，n])。

(其中)即为吨产品最优分时成本，C_min对应的分时用电PP_ik，(k∈[0，23])即为最优吨产品分时用电方案，可作为未来用电计划的重要参考依据。

本发明的优点在于：

(1)建立了企业电力***信息数据库，全面记录有功功率、需量、电度量的详细数据，完全替代手抄电表，较手抄数据准确、详细，避免了数据传输的错误、减轻了用户的负担；

(2)需量预测与控制，从全局出发，考虑所有用电设备的负荷变化情况，通过分析预测和搜索算法找到需量增大的原因，并输出对应的优化控制方案进行负荷控制，做到整体分析、局部控制；

(3)提供了历史需量分析功能，帮助用户分析一段时间内需量变化原因，结合报警的详细信息以及负荷控制方案的信息，为制定生产计划的提供依据；

(4)提供了详细准确的分时电费分析优化功能，利用产量信息并通过优化计算帮助用户找到最优的分时电量分配方案和对应的生产计划。

附图说明

图1为本发明***模块关系图。

图2为本发明需量预测与控制流程图。

图3为本发明负荷控制原理图。

图4为本发明需量分析流程图。

图5为本发明分时电量和费用分析流程图。

具体实施方式

本发明采用客户端/服务器的架构，服务端负责数据采集、计算及数据库的读写等功能，客户端实现具体的业务流程，并与服务端进行信息交互。

在服务器上安装本发明的服务端程序(包括数据采集模块、数据处理与存储模块、需量计算模块)，在客户机上安装本***的客户端程序(包括参数设置模块、需量预测与控制模块、负荷控制方案与报警信息管理模块、需量分析模块、分时电费分析优化模块)。运行客户端，用户根据需要对要监控的用电线路信息进行配置，如企业进线的数据和各个重大用电车间或设备的进线、各个线路上不同数据(有功功率、有功电度量等)的存储周期与计算方式，以及需量的计算周期、滑差时间等参数信息，每条进线或要控制线路本月的最大需量，配置结果被保存到数据库。

如图1是各个功能模块的关系图，包括实时数据库服务器上运行的数据采集，应用服务器上运行的数据计算与处理，关系数据库服务器上运行的关系数据库，客户端运行的配置、分析与控制。

***启动后，数据采集模块与电力***的通讯模块进行连接，采集已配置的线路的有功功率和有功电度量数据。

数据处理与存储模块根据配置信息对有功功率和有功电度量进行计算和存储。有功功率的采集周期是5秒，实时数据不需要计算直接存储；有功电度量的采集周期是900秒，累计数据需要做差运算后再存储；同时，该模块也接受需量计算模块计算的带时间戳的数据，直接存储数值和时间。

需量计算模块每间隔一个滑差时间(1分钟)读取当前时刻前一个需量周期(15分钟)内的有功功率的数据，计算出其时间平均值，并将计算结果和当前时间发送给数据处理与存储模块。

如图2调度人员打开需量预测与控制模块，可看到最大需量预警值(设定值)、当前需量、预测需量、剩余可调功率等信息，以及报警信息。当本周期预测需量大于设定值时，***报警。报警持续时间超过1分钟，并启动优化分析算法，根据剩余可调功率和时间选择对设备调节最少又不影响生产的快速调节策略，并输出相应的控制方案信息，调度人员可选择自动执行控制也可手动执行控制，执行器会根据输出的控制量和控制策略对设备进行调节。也可不按照输出的控制方案执行控制。需量周期(15分钟)结束时如果本周期需量大于当前最大需量的值，则更新最大需量，否则时间自动向前推进一个滑差时间(1分钟)，从新计算新的需量、预测需量等信息。

如图3调度人员打开负荷控制方案和报警信息管理模块，选择时间范围，查询报警信息：报警时刻最大需量、预测需量、引起需量增大的线路负荷信息、剩余调节时间；以及报警对应的负荷控制方案：负荷控制对象、负荷控制量。通过总结报警信息出现的情况以及对应的负荷控制方案，更好的了解需量增加的原因，对经常引起需量增加的车间或设备，在制定以后生产计划和用电计划时可作为重点考虑对象，进行合理的调配。

如图4调度人员或管理人员打开需量分析模块，选择分析时间段，比如一个计费周期从2011-05-01 0:00:00到2011-05-31 23:59:00，***自动查找超过最大需量设定值的时间段，并分析是哪些车间或设备的负荷增加引起的总需量增大，并给出解决方案，比如：(1)1#轧机开机时间与1#电炉冶炼开始时间叠加，建议开始时间错开15分钟；(2)轧机在尖峰时段减少50kW负荷。生产调度人员就可以在后面的生产中制定更合理、更节能的计划。也可以分析任意时间段(如昨天)的需量情况，以便调度人员更好的掌握电力***的运行情况和生产之前的关系，使得调度有详细的数据依据。

如图5调度人员或管理人员打开分时电费分析优化模块，选择分析时间段，比如一个计费周期从2011-05-01 0:00:00到2011-05-31 23:59:00，结合每天的产品产量数据，***通过分析计算，给出最经济的日分时成本最小和日吨产品分时成本最小的分时电量分配方案，调度人员用于指导生产在不影响产量的进行合理的调整。

***在某钢铁企业安装运行，该企业有两个变电站，总容量980000kVA，通过实时的需量控制，显著的降低了生产过程中短时高负荷导致最大需量增加的机率，需量分析和分时电费分析工具为电力调度人员和管理人员提供了很好的分析方案，对最大需量、分时电量和分时电费有非常清楚的认识，结合详细的数据提供精细化管理和调度，使事后的总结变成事前有计划的调整。现场稳定运行一年多来，***实现了平衡负荷、消峰填谷、增加设备寿命的目的，累计为该企业节约电费800多万元，取得了较好的经济和社会效益。

Claims (4)

1.一种工业企业用电负荷优化***，其特征在于，硬件包括关系数据库服务器、应用服务器、客户端PC、实时数据库服务器；应用服务器与实时数据库服务器连接进行数据交互，应用服务器与关系数据库连接进行数据存储与读取，客户端PC与应用服务器连接进行信息交互；应用模块包括数据采集模块、数据处理与存储模块、需量计算模块、参数设置模块、需量预测与控制模块、负荷控制方案与报警信息管理模块、需量分析模块、分时电费分析优化模块；其中参数设置模块、需量预测与控制模块、负荷控制方案与报警信息管理模块、需量分析模块、分时电费分析优化模块部署在客户端机器；数据处理与存储模块、需量计算模块部署在应用服务器，关系数据库部署在关系数据库服务器，数据采集模块部署在实时数据库服务器；

参数设置模块与关系数据库数据采集模块、数据处理与存储模块、需量计算模块连接，传递对应的参数；除数据采集外其他模块都与关系数据库连接，从数据库读取或存储数据；数据处理与存储模块、需量计算模块与数据采集模块连接，从数据采集模块获取数据；需量预测与控制模块、负荷控制方案与报警信息管理模块、需量分析模块、分时电费分析优化模块与关系数据库、需量计算模块连接，从数据库读取信息，通过需量计算模块读取需量相关数据。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述的参数设置模块，对***用到的信息进行配置；配置企业各个进线、各个用电车间或设备进线的不同采集项的存储周期与存储方式，以及需量的计算周期、滑差时间，每条要控制线路本月的最大需量，配置结果被保存到关系数据库中；不同采集项包括有功功率、有功电度量；

数据采集模块，实时的自动采集***配置的电力***的有功功率、有功电度量、无功电度量；

数据处理与存储模块，从数据采集模块读取数据，经过计算处理之后自动将数据存入到数据库，存储方式和存储周期根据用户需求进行设置；存储需量计算模块发来的带时间戳的数据，关系数据库定期自动清理过期数据；存储方式包括平均值、累计值、实时值；

需量计算模块，利用采集到的有功功率每分钟计算一次前15分钟内的平均值，并把计算结果发给数据处理与存储模块进行存储；

需量预测与控制模块，对每个需要监控的线路，通过需量计算模块进行需量在线计算，并应用趋势分析法进行实时需量预测，对预测需量超过最大需量设定值的情况进行实时报警，并存储报警信息至关系数据库，当报警持续时间1～3分钟内，提示可以调节的量和剩余的调节时间，并通过算法找到引起需量增大的车间或设备，给出每个要调节的车间或设备的具体负荷控制方案，然后根据优先级自动或手动调节部分用电设备的负荷以达到平衡负荷、降低最大需量、降低用电成本的目的。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，

负荷控制方案与报警信息管理模块，查询需量预测与控制模块记录的报警信息、负荷控制方案，包括报警时刻最大需量、预测需量、报警原因、剩余调节时间、负荷控制对象、负荷控制量；通过总结报警信息出现的情况以及对应的负荷控制方案，了解需量增加的原因，为制定未来的生产计划和用电计划提供参考；

需量分析模块，通过对过去一段时间内的需量趋势进行分析，找到引起需量增大并超过设定值的时间段及原因，用于指导生产进行调整以减少短时负荷增加引起需量增大；

分时电费分析优化模块，分析过去一段时间内的尖峰平谷的用电量趋势以及电费情况，结合每天的产量数据，在最大需量约束的前提下，通过优化算法给出日分时成本和日吨产品分时成本最合理、最经济的分时电量分配方案，用于在不影响产量的情况下指导生产进行合理的调整。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述的优化算法基于统计期内的分时电度量数据，在每小时的分时电度量数值不能超过最大需量数值的约束条件下，应用最优化算法，得到最经济的分时电量分配方案；包括两个步骤：

(1)日分时最优电费方案，收集分析周期内每天的分时电度量，设在统计期内有n天，每天中尖峰平谷分别有共有24个电度量PP_k，(k∈[0，23])，最大需量MD。在第i(∈[1，n])天，分时电度量是PP_ik，(k∈[0，23])，尖峰平谷的电价分别是P_Ji、P_Fi、P_Pi、P_Gi，尖峰平谷电度量汇总分别是G_Ji、G_Fi、G_Pi、G_Gi，电费总额C_i＝G_Ji×P_Ji+G_Fi×P_Fi+G_Pi×P_Pi+G_Gi×P_Gi；

(其中

)即为最优分时成本，C_min对应的分时用电PP_ik，(k∈[0，23])即为最优分时用电方案，可作为未来用电计划的重要参考；

(2)：日吨产品分时最优电费方案，在步骤一的基础之上，加上产量信息，在第i(∈[1，n])天，产品产量F_i，(i∈[1，n])；

其中

即为吨产品最优分时成本，C_min对应的分时用电PP_ik，(k∈[0，23])即为最优吨产品分时用电方案，作为未来用电计划的重要参考依据。

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