一、研究背景與問題

近年來，在國家供給側改革的新形勢下，尤其是新的互聯(lián)網(wǎng)技術、信息技術的飛速發(fā)展，以新技術開發(fā)為支撐、以綠色發(fā)展為約束、以智能化發(fā)展為方向、以效益最大化為目標已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展和國家調控的重點方向。其中數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智慧化能源管控系統(tǒng)的開發(fā)應用已成為新的引領方向，能源效率、能源成本的深度分析將成為鋼鐵企業(yè)精細化管理的主要內容，而國內目前運行的企業(yè)能源中心已無法支撐能源集約化和精細化的管理需求，急需在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐下，開展鋼鐵企業(yè)智慧能源管控系統(tǒng)開發(fā)與應用研究。

鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司于2008年9月10日建成投產(chǎn)，同年完成能源管理中心建設，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和統(tǒng)計報表打印等功能。受當時技術條件的制約，能源中心功能單一，不能實現(xiàn)在線管控與優(yōu)化，數(shù)據(jù)分散、缺乏系統(tǒng)整合、共享和利用，能源管理和生產(chǎn)管理完全分離，各自為政，智能化程度低，完全依靠人工經(jīng)驗進行協(xié)調生產(chǎn)。以上問題嚴重制約了鲅魚圈鋼鐵分公司的能源管理提升，能耗指標處于全國中下游水平，項目實施前，2017年鲅魚圈分公司能耗指標達到600kgce/t鋼以上。2017年項目組在經(jīng)過大量的國內外信息調研基礎上，形成項目可行性研究報告；鞍鋼集團公司多次組織專家論證，決定以鲅魚圈鋼鐵分公司為試點，對能源管理中心進行全方位技術升級改造。2018年初，自籌資金1.2億元，率先放行了“鋼鐵企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡化智慧能源管控系統(tǒng)開發(fā)與應用”項目。作為首批兩化融合項目，以“集約化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化”為目標，采用產(chǎn)、學、研合作模式進行聯(lián)合攻關，按著“頂層設計”、“分步實施”、“重點突破”、“全面提升”的總體原則進行強力推進，項目實施以來取得了預期效果。

二、解決問題的思路與技術方案

1、建設思路

針對鋼鐵企業(yè)能源管控中心功能單一，管而不控，無法滿足能源管理數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展需要的問題，充分利用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、知識圖譜、5G等新一代信息技術，基于鞍鋼“精鋼”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)能源生產(chǎn)全站所室遠程操控，物質流、能源流、信息流全維度數(shù)據(jù)融合，能源知識顯性化、模型化、圖譜化，全系統(tǒng)能耗動態(tài)評價優(yōu)化，多時空尺度能源流預測及耦合優(yōu)化，生產(chǎn)與能源計劃調度一體化優(yōu)化，全流程碳排放核算與分析等能源全生命周期智能服務，通過云邊端協(xié)同的方式建立適用于具有自感知、自分析、自決策、自優(yōu)化控制能力的鋼鐵企業(yè)智能化能源管控系統(tǒng)及工業(yè)軟件，達到實時全面了解鋼鐵企業(yè)能源全生命周期管理和應用現(xiàn)狀，診斷能源應用各環(huán)節(jié)出現(xiàn)的異常問題，預知能源流產(chǎn)生和消耗的變化趨勢，提出能源綜合優(yōu)化方案的目的。

2、技術方案

鋼鐵企業(yè)能源智能管控系統(tǒng)采用先進的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構，運用云、邊、端協(xié)同的模式，實現(xiàn)通訊類型統(tǒng)一化、多維數(shù)據(jù)融合化、基礎設施虛擬化以及系統(tǒng)橫縱一體化。整體系統(tǒng)平臺架構設計如下圖所示：

圖1 能源智能管控系統(tǒng)技術架構

（1）全站所室遠程集控。遠程集控技術在平臺中為重中之重，是系統(tǒng)運行的基礎保障，其承擔三項重點任務：一是保證現(xiàn)場操控的安全穩(wěn)定；二是實現(xiàn)集控中心對現(xiàn)場站、所的遠程控制；三是要為計劃調度管理模塊和智能優(yōu)化模塊提供基礎數(shù)據(jù)。

遠程集控模塊按照業(yè)務劃分為電力集控、動力集控兩部分，模塊功能包括：動力操控、電網(wǎng)操控、趨勢查詢、故障報警、歷史查詢等功能。

為保障系統(tǒng)的控制安全、網(wǎng)絡安全、供電安全、數(shù)據(jù)安全，并從根本上實現(xiàn)本地站所室的無人化，遠程集控模塊研發(fā)和應用了“多工業(yè)協(xié)議通訊轉換”、“虛擬化+分布式負載均衡策略”、“工業(yè)控制網(wǎng)絡安全防護”、“小型發(fā)電機組冗余危急遮斷控制”、“高、焦、轉三種煤氣混合的自動調節(jié)”、“制氧機組自動變負荷控制”、“移動點巡檢”等核心技術，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實用、精準可靠和安全穩(wěn)定，大幅提高了生產(chǎn)效率和勞動效率。

（2）全維度數(shù)據(jù)融合。采集全流程能源管理相關數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源包括儀表、PLC、PCS、MES和ERP系統(tǒng)。將這些多源異構數(shù)據(jù)進行清洗、整合和分類存儲，進行統(tǒng)一的主數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)管理，形成標準數(shù)據(jù)視圖，消除數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)全維度數(shù)據(jù)融合，為系統(tǒng)的智能應用提供堅實的數(shù)據(jù)基礎。

（3）鋼鐵企業(yè)能源知識圖譜化。對采集的制度文件、操作規(guī)程、標準等非結構數(shù)據(jù)進行結構處理，梳理出企業(yè)已形成顯性的知識。從海量數(shù)據(jù)中進行挖掘和知識認知，實現(xiàn)隱性知識顯性化。將二者有機融合在一起，實現(xiàn)全流程能源業(yè)務知識圖譜化和共享。重點是建立不同場景的動態(tài)專家知識庫，為能源管控應用提供“智慧大腦”。

（4）全系統(tǒng)能耗在線評價優(yōu)化。利用“數(shù)據(jù)+機理+知識”相結合的技術，建立單體設備能耗優(yōu)化模型、工序能耗評價優(yōu)化模型、綜合能耗評價優(yōu)化模型，實現(xiàn)全系統(tǒng)多層次的在線能效計算、評價和動態(tài)優(yōu)化。從系統(tǒng)節(jié)能的角度出發(fā)，分析生產(chǎn)組織、工藝設計、產(chǎn)品質量、設備狀態(tài)等因素對能耗的影響，采用鐵素流與能源流協(xié)同優(yōu)化的思路，利用專家知識實現(xiàn)全系統(tǒng)的能耗優(yōu)化，降低能耗成本。

（5）多能源流預測及多介質耦合優(yōu)化。建立復雜工況下多時空尺度能源流預測模型，特別是針對異常工況的識別、判斷和特征提取，進而進行深度學習，實現(xiàn)對未來狀態(tài)的準確預判。通過對趨勢的預測，實現(xiàn)多能源流的耦合優(yōu)化調度，最終實現(xiàn)穩(wěn)定管網(wǎng)壓力、減少放散、滿足供應和綜合價值最大化。

（6）電力系統(tǒng)負荷預測及需量優(yōu)化控制。 建立設備-工序-公司電力系統(tǒng)電耗分析和負荷預測模型，依據(jù)鋼鐵主流程的生產(chǎn)計劃、設備計劃預測電力系統(tǒng)的負荷變化，結合自發(fā)電的預測量，預測各電力配送關口的需量。對于預測需量出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動制定生產(chǎn)計劃優(yōu)化方案并推送給生產(chǎn)調度，構建能源生產(chǎn)協(xié)同一體化優(yōu)化計劃，實現(xiàn)電力需量持續(xù)優(yōu)化。

（7）全流程碳排放核算和分析。建立碳排放核算模型，實現(xiàn)在線進行公司級和工序級多口徑碳排放核算，為進一步實現(xiàn)精準統(tǒng)計企業(yè)碳排放量提供有效手段。通過碳排放影響因子關聯(lián)分析，明確企業(yè)碳排放變化的主要影響因素，為降低碳排放提供決策支撐。

（8）開發(fā)一體化鋼鐵企業(yè)智能化能源管控工業(yè)軟件。 以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎，以數(shù)據(jù)為核心、知識為動力，開發(fā)一套適用于鋼鐵企業(yè)智能化能源管控全過程的工業(yè)智能軟件。將技術、知識、經(jīng)驗等資源固化到可移植復用的工業(yè)微服務組件庫和軟件中，為鋼鐵企業(yè)能源各級管理者、操作者提供一站式解決方案。

三、主要創(chuàng)新性成果

本項目入選2019年工信部百家大數(shù)據(jù)優(yōu)秀案例、2019年度智能制造優(yōu)秀解決方案、2020年度國家工業(yè)技術節(jié)能裝備推薦目錄。項目在開展過程中共完成發(fā)明專利授權6項、受理6項、新型專利授權6項，軟件著作權3項、國家標準3項、企業(yè)標準7項，論文13篇。由多位院士和專家組成的遼寧省金屬學會技術成果評價委員會對本項目技術成果給予了高度評價，項目整體達到國際先進水平，前三項創(chuàng)新點達到國際領先水平：

1、 該項目自主研發(fā)了多能流預測和多介質耦合優(yōu)化技術，實現(xiàn)了復雜工況下的煤氣、蒸汽、電力等多能源介質在線動態(tài)協(xié)同優(yōu)化，進一步降低了能源消耗。

2、建立了實用、精準可靠、安全穩(wěn)定的能源智能自動化管控系統(tǒng)。包括：多介質能源（煤氣、蒸汽、電、水、氬氮氧）智能自動化調控、能源計劃與調度、能源供需智能分析與優(yōu)化，以及企業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過開發(fā)小型發(fā)電機組冗余危急遮斷控制、混合煤氣在線智能調控、制氧機組自動變負荷控制等關鍵技術，實現(xiàn)了鲅魚圈鋼鐵分公司6大作業(yè)區(qū)、37個站所室的能源管控系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，確保公司高效平穩(wěn)安全運行。

3、該項目自主研發(fā)了鋼鐵聯(lián)合企業(yè)全流程碳排放在線核算分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線計算和關聯(lián)分析，為進一步減碳提供了重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

4、該項目自主研發(fā)了針對鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)能耗優(yōu)化為目標的分析、調度、評價、預測、預警等多功能的數(shù)據(jù)模型，運用了大數(shù)據(jù)和機理相結合的技術，從系統(tǒng)節(jié)能的角度出發(fā)，成功實現(xiàn)了在鲅魚圈鋼鐵分公司的全流程能耗在線分析、評價及動態(tài)優(yōu)化。

四、應用情況與效果

“鋼鐵聯(lián)合企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡化能源管控系統(tǒng)開發(fā)與應用”項目開始于2016年1月，并于2017年正式立項放行，2018年底完成全部項目建設內容，2019年在鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司能源中心正式上線運行。項目按照自動化運行、集約化操控和數(shù)字化管理三個層次，建立基于大數(shù)據(jù)和知識驅動的智慧能源管理系統(tǒng)，通過采集和整合電、水、煤氣、氧氣、蒸汽等能源流數(shù)據(jù)，生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)實績等物質流數(shù)據(jù)，打造能源流、物質流和信息流三流合一、協(xié)同優(yōu)化的能源大數(shù)據(jù)平臺，為鋼鐵企業(yè)能源管理提供特征提取、規(guī)律分析、優(yōu)化決策一站式大數(shù)據(jù)服務。系統(tǒng)充分運用“大數(shù)據(jù)+機理”的手段，提供能耗評價分析、能效影響分析、平衡預測分析和耦合優(yōu)化分析服務，達到實時全面了解企業(yè)能源全生命周期管理和應用現(xiàn)狀，診斷能源應用各環(huán)節(jié)出現(xiàn)的異常問題，預知能源流產(chǎn)生和消耗的變化趨勢，提出能源綜合優(yōu)化方案，進而有效降低能源介質放散損失，提高能源介質的相互轉化效率，降低企業(yè)能源成本，實現(xiàn)能源價值最大化。項目通過自主開發(fā)小型發(fā)電機組冗余危機遮斷控制技術、高-焦-轉三種煤氣混合熱值自動調節(jié)技術、“全流程能耗能效管理”、“能源流預測及優(yōu)化調度管理”、“全流程碳排放管理”、“水介質透明化管理”、“能源業(yè)務知識圖譜”等多項關鍵核心技術，通過項目的實施，實現(xiàn)了鲅魚圈鋼鐵分公司六大作業(yè)區(qū)、37個站所室的能源管控系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，從人員管理、設備運行、優(yōu)化操作等方面多管齊下，大幅降低鲅魚圈分公司能源生產(chǎn)的人工成本及能源成本，精簡崗位操作人員131人，有效降低了煤氣、水、氧等能源消耗，提高了煤氣系統(tǒng)和余熱余能系統(tǒng)的自發(fā)電量，減少了月度節(jié)本電費的支出，運行兩年合計創(chuàng)效33478.1萬元。

該技術整體移植到鞍鋼本部，項目正在調試運行，按本部產(chǎn)量1800萬t鋼計算，年可實現(xiàn)經(jīng)濟效益2.53億元。同時該項目正在向朝陽鋼鐵、本鋼、酒鋼集團和攀鋼集團等同類鋼鐵企業(yè)推廣應用，已完成技術交流及合作框架協(xié)議的編制，同行業(yè)對該項技術表示認可，項目的實施可以帶來更大規(guī)模的經(jīng)濟效益。