（电气工程专业论文）大型企业电气管理节能的先进技术与工程应用.pdf

大型企业电气管理节能的先进技术j 丁程心用 摘要 电力节能问题是关系我国经济社会发展的一个重大战略问题。2 0 0 5 年我国电能损失就超过2 0 0 0 亿度，相当于2 3 个总投资l8 0 0 亿元的三峡 发电站的年发电量。据统计，2 0 0 6 年上半年电解铝、钢铁、镍、铜、铁 合金、化工、水泥、电气化铁路等主要高能耗行业的工业增加值占整个 工业的2 0 ，但其能耗却占到了全社会能耗的7 0 。能源供需矛盾对我 国经济发展的制约越来越明显，因此，企业电气管理节能新技术新装备 的市场潜力巨大。 本文从能耗现状出发，分析了企业配电网进行电气节能管理的必要 性。根据企业电气节能要求，设计了总体系统架构，并研制了大型企业 电气管理节能系统，并根据数据应用分为监控和数据采集子系统和电气 能量管理子系统。监控和数据采集子系统重点分析了数据采集，数据传 输及数据处理等集成过程中的关键技术；电气能量管理子系统则以监控 与数据采集子系统为基础，对企业电气能量进行优化管理。 根据系统分层分布式结构，分析了大型企业的网络化数据采集与监 视技术。从数据采集原理出发，介绍了数据采集模块的构成、多线程数 据采集技术、基于r s 4 8 5 总线的网络化数据传输和相应的数据处理技术。 采集数据经过处理后，通过数据展现模块，实现对采集数据的界面式展 现，以方便用户查看相关信息。 此外，还分析了大型企业的电气管理节能关键技术。电气能量管理 系统中，通过变压器的经济运行减少运行中的电能损耗，同时通过合理 安排设备的检修计划使配电网检修停电电量最小，提高了设备运行可靠 性。对于变压器经济运行模块，提出了几种变压器经济运行控制方法， 以实现变压器的节能降耗。在企业配电网检修计划优化方面，针对传统 遗传算法求解检修计划问题的缺点和不足，提出了一种改进遗传算法， 从而实现检修计划的优化。 采用面向对象的编程方法和编程工具完成了整个电气管理节能系统 的软件平台设计与开发，并分析了该系统所产生的经济效益，表明该系 统能够提高企业配电网的能量管理水平，节能效果明显，具有广阔的应 用前景。 关键词：电气管理节能系统：分层分布式结构；多线程数据采集；变压 器经济运行；检修计划优化 l l 硕f j 学位论义 a b s t r a c t t h ei s s u eo fr e d u c i n ge l e c t r i ce n e r g yw a s t ei sa ni m p o r t a n ts t r a t e g i c p r o b l e mr e l a t e dt o e c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n ti nc h i n a t h ep o w e r e n e r g yl o s s e sw e r em o r et h a n2 0 0b i l l i o nd e g r e e si n2 0 0 5 ，e q u i v a l e n tt ot h e a n n u a lp o w e ro u t p u to f2 3s h a n x i ap o w e rp l a n t s ，t h et o t a li n v e s t m e n to f w h i c hc o s t s18 0b i l l i o n a c c o r d i n gt ot h es t a t i s l i c s ，t h ei n d u s t r i a la d d e d v a l u eo ft h e m a j o re n e r g y - i n t e n s i v ei n d u s t r y s u c ha s e l e c t r o l y z i n g a l u m i n u m ， s t e e i ，n i c k e l ，c o p p e r ，f e r r o a l l o y s ，c h e m i c a l s ，c e m e n t ， e l e c t r i c r a i l w a v sa n ds oo na c c o u n t e df o r2 0 o ft h ee n t i r ei n d u s t r yi nt h ef i r s th a l f o f2 0 0 6 ，b u tt h e i re n e r g yc o n s u m p t i o nc o u l da c c o u n tf 6 r7 0 1 o ft h ee n t i r e s o c i e t ye n e r g yc o n s u m p t i o n t h ee n e r g ys u p p l ya n dd e m a n dc o n t r a d i c t i o n w h i c hc o n s t r a i n st h ec h i n e s ee c o n o m i cd e v e l o p m e n th a sb e e nm o r ea n d m o r eo b v i o u s ；t h e r e f o r e ，t h e r ei sab i gp o t e n t i a lm a r k e to fn e wt e c h n o l o g y a n dn e we q u i p m e n t sf o rr e d u c i n ge l e c t r i ce n e r g yw a s t e t h isa r t i c l e a n a l y z e dt h en e c e s s i t y o ft h ee l e c t r i c e n e r g ys a v i n g m a n a g e m e n to ft h ec o r p o r a t i o nd i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s e do nt h ee n e r g y w a s t es i t u a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ec o r p o r a t i o ne l e c t r i c e n e r g ys a v i n g ，i td e s i g n e dt h eo v e r a l ls y s t e ma r c h i t e c t u r e ，a n dd e v e l o p e da l a r g ec o r p o r a t i o ne l e c t r i cm a n a g e m e n te n e r g y s a v i n gs y s t e m ， w h i c hw a s p i o t t e di n t os u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n de l e c t r i c e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e ma c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n td a t aa p p l i c a t i o n s i n t h e s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m i t e m p h a t i c a l l y a n a l y z e dt h ek e yt e c h n o l o g i e s o ft h e i n t e g r a t i o np r o c e s s ， s u c ha sd a t a a c q u is i t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o n a n dd a t ap r o c e s s i n ga n ds oo n ；t h ee l e c t r i c e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mo p t i m i z e dt h ec o r p o r a t i o n e i e c t r i c e n e r g y m a n a g e m e n t b a s e do nt h ed a t ao ft h e s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt o t h es y s t e mh i e r a r c h i c a ld i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ，t h ea r t i c l e a n a l y z e dt h en e t w o r k e dd a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gt e c h n i q u eo ft h e l a r g ec o r p o r a t i o n f r o mt h ep r i n c i p l eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o n ，i ti n t r o d u c e d t h ed a t aa c q u is i t i o nm o d u l ec o m p o s i t i o n ， a n dt h em u l t i t h r e a d e dd a t a a c q u i s i t i o nt e c h n i q u e sw h i c hw a su s e di n t h es y s t e m ；a n dt h en e t w o r k e d d a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nt h er s 4 8 5b u s ；a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd a t a p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s a f t e rt h ea c q u i s i t i o nd a t aw e r ep r o c e s s e d ，t h ed a t a e x h i b i t i n gm o d u l es h o w e dt h ea c q u i s i t i o n d a t ab ys o f t w a r ei n t e f f a c eb y w h i c ht h eu s e rc o u l dc h e c kt h ei n f b r m a t i o ne x p e d i e n t l y b e s i d e s t h ea r t i c l ea n a l y z e dt h ek e yt e c h n i q u e s o ft h ee l e c t r i c m a n a g e m e n te n e r g ys a v i n go ft h el a r g ec o r p o r a t i o n i nt h e e l e c t r l ce n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ， i tc o u l dr e d u c et h ee l e c t r i ce n e r g yl o s s e sd u r l n g o p e r a t i o nb yt r a n s f o r m e r se c o n o m i c a l i yo p e r a t i n g ， a n dc o u l dm a k et h e m a i n t e n a n c ep o w e ro u t a g eo ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r km l n l m u ma n dk e e p t h eo p e r a t i o nh i g hr e l i a b i l i t yb yt h er a t i o n a la r r a n g e m e n t o 士 e q u l p m e n t m a i n t e n a n c es c h e d u l i n g f o rt h et r a n s f o r m e r se c o n o m l co p e r a t l o nm o d u i e ， t h ep a p e rp r o p o s e ds o m ec o n t r o lm e t h o d st o s a v et h ee l e c t r l ce n e r g yo tt h e t r a n s f o r m e r s d u et ot h es h o r t c o m i n g ss o l v i n gt h em a i n t e n a n c es c h e d u l i n g p r o b l e mo ft h et r a d i t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h m ， i tp r o p o s e dt h ei m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z et h ee q u i p m e n tm a i n t e n a n c es c h e d u l i n gi nt h e c o r p o r a t i o nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h ea r t i c l ea c h i e v e dt h es o f t w a r ep l a t f o r md e s i g na n dd e v e l o p m e n t o l 。 t h ee l e c t r i cm a n a g e m e n te n e r g ys a v i n gs y s t e mb y t h e o b je c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n gm e t h o d sa n dp r o g r a m m i n gt o o l s ，a n da n a l y z e dt h e e c o n o m l c b e n e f i t sb yu s i n gt h es y s t e m ，w h i c hc o u l di m p r o v et h ee n e r g ym a n a g e m e n t l e v e lo ft h ec o r p o r a t i o n e n e r g ys a v i n ge f f e c t ，a n d d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，a n dg a i nt h e d i s t i n c t i v e h a v eab r i l l i a n ta p p l i c a t i o nf u t u r e k e y w o r d s ： e l e c t r i c m a n a g e m e n t d i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ；m u l t i t h r e a d o p e r a t i o n ；m a i n t e n a n c es c h e d u l i n g e n e r g ys a v i n gs y s t e m ； h i e r a r c h i c a l d a t aa c q u i s i t i o n ；t r a n s f o r m e re c o n o m i c o p t i m i z a t i o n i v 硕f j 学位论文 第1 章绪论 能源是国民经济的重要支柱，是人类生存和社会发展的重要物质基 础。但是，我国人口多，能源的消费量大，而且能源利用率低，浪费严 重，随着我国经济的快速增长和人民生活水平的不断提高，我国的能源 形势日趋严峻【i 。3j 。它突出表现在两个方面：一是能源的供需矛盾日益突 出；二是单位国民产值能源消耗高。企业是能源消耗的大户，解决这一 问题，除了研究开发新能源，增加能源生产之外，加强企业的综合节能 也是一条重要的途径。 本论文从湖南某钢铁集团有限公司的工程实际需求出发，进行总体 布局和节能方案设计，集成先进的电气节能系列装备、监控系统和优化 管理平台，实施企业的综合全局电气节能管理。本论文对大型工业企业 电气节能监控及能量精细化管理的关键技术的探讨，对我国企业尤其是 钢铁企业的节能降耗管理工作具有定的针对性和指导作用。 1 1 项目背景及其意义 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个 国家发展水平的主要标志之一，合理开发和利用能源，是国民经济和社 会持续发展的重要源泉和战略依据，也是一个国家综合国力的重要体现。 随着现代工业技术的发展，能源消耗急剧增加，能源危机成为严重的问 题。当前，节约能源、“节能降耗”已成为全球共识，随着新的节约 能源法正式颁布实施，一次波及中国各个行业的“节能风暴”已经来 临，特别是电气节能，日益受到人们的广泛关注l4 1 。电力建设的不足和 电力需求的迅猛增长是造成电力供应紧张的根本原因，如何提高能源利 用效率，减少能源浪费和消耗，是关系到我国经济和社会进一步发展的 重大问题。大型企业中许多高耗能设备的使用，以及电能在输送、分配 过程中大量的损耗也一定程度上加剧了目前电能供应紧张的局势。由于 能源利用状况与企业的生产组织方式、管理水平、耗能结构等密切相关， 管理水平的提高、科学技术的进步都能有效地降低企业的能源消耗【5 。叭。 可见，能源消耗费用是企业生产成本中重要的可控部分，降低单位产品 的能源消耗量是企业能否有效控制生产成本的重要因素。因此，加强大 型工业企业综合节能技术研究，提高企业的能源管理水平，促进企业节 能工作方法的不断进步，加强企业的节能工作力度，对缓解我国能源的 供需矛盾，保护和改善环境，提高企业的经济效益和社会效益，具有重 要的现实意义。 夫型企业电气管理节能的先进技术o j 丁程麻用 电力能源问题是关系我国经济社会发展的一个重大战略问题，我国 电力消费已占能源消费总量的3 9 5 。冶金、化工、钢铁、电力等高电耗 行业的高速发展，直接导致我国单位g d p 电耗不断上升。因此，对企业 特别是高电耗企业的配电网进行电气节能管理己势在必行。近年来通过 节能，我国能源消费年均增长率有所下降，l9 9 0 年一2 0 0 0 年，我国能源 消费品年均增长速度为5 6 万元，国内生产总值能耗下降6 4 左右，年 节能率达4 6 。但未来我国能源供需矛盾依然很严重。如果按4 的能源 增长速度来推算，到2 0l5 年，我国能源消费量接近翻一番，达到2 0 0 7 亿t 标煤，到2 0 4 0 年，将超过5 6 亿t 标煤，接近现在世界能源消费量的 一半，或者说，那时我国能源消费量多一半要依靠进口，这样巨大的能 源消费量国内无论如何也不能满足i l 卜j 。 电力能源问题是关系我国经济社会发展的一个重大战略问题，能源 报告指出，我国电力消费已占能源消费总量的39 5 ，电能损失逐年增加， 2 0 0 5 年电能损失超过2 0 0 0 亿k w h ，相当于2 3 个三峡发电站的年发电量， 冶金、化工、钢铁、电力等高电耗行业的高速发展，直接导致我国单位 g d p 电耗不断上升。因此，对企业特别是大型工业企业的配电网进行综 合电气节能技术改造己势在必行。 电能是现代社会生产和人民生活中主要的和必不可少的重要能源， 越来越严重的能源浪费与越来越大的电能需求形成了一对日益尖锐的矛 盾。大型企业配电网线路长，线损率大，功率因数低，谐波污染大，节 能管理水平低，导致电耗大，企业电能损失更加严重，在企业配电网低 压系统，电压闪变与不平衡等电能质量问题严重影响了企业正常生产。 同时由于企业配电网电能管理手段欠缺，综合节能技术匮乏，导致企业 电能利用率低。大型工矿企业是电能消耗和实现节电的重要环节。但是， 多年以来我国对于企业级的用电领域仍重视不够，企业电网输配电线路 和设备损耗大、节能装备效果和运行可靠性不理想、负荷电能利用率低、 电能管理不科学、配电网综合节能技术匮乏、能耗监控措施欠缺，导致 企业电能损耗大，能量浪费现象十分严重，使得很多生产企业电能管理 都还处于粗放式阶段，导致企业的电气节能技术、集成监控水平和能源 管理信息化程度很低，电能利用效率相对落后，严重限制了企业生产效 率的提高。 1 ) 在大型高电耗企业的输配电环节中，配电质量问题十分突出，由 此引起的电能损失十分严重。目前我国大多数地区配电网采用分散调节 的配电变压器低压补偿，这种方法实现起来相对简单，无法保证其科学 性和经济性。而且，配电变压器( 尤其是lo k v 以下中小型配电变压器) 作 硕 ：学位论文 为企业电力传输系统的重要设备，许多变压器功率因数低、损耗大，具 有很大的节能潜力。 2 ) 大型工矿企业供用电系统底层设备的测量、监控、节能等环节集 成化和专业化程度远远不够。绝大部分企业只是对局部配电、用电设备 进行了单点监控与节能处理，低压配电网络和车间用电设施的底层设备 之间缺乏彼此信息交流和数据共享，没有采用现代高速工业总线通信技 术，以实现底层供用电设备的本地保护和全局运行优化。 3 ) 几乎所有高电耗企业都缺乏统一集成的全公司范围电气监控和节 能管理系统平台。这就意味着高电耗企业都缺乏能够为高电耗企业的供 电、能耗设备提供有效的运行监视、远程控制和优化调度管理，提高企 业生产用电的可靠性和生产的连续性的系统。 因此，上述几点问题的解决与否直接决定着大型企业电气管理节能 方法及装备的实际应用和推广，关系到大型企业经济运行及正常安全生 产；并且目前专门针对大型工业企业的综合电气节能的系列化关键技术 与成套装备在国内外尚属空白，大多只是单一技术的研发与应用，存在 固有瓶颈，节能效果有限，综合节能技术匮乏，管理节能技术手段落后， 导致电能利用率低，所以针对大型企业电气管理节能的系列化关键技术 的探讨具有重大意义。 1 2 国内外研究现状 为了贯彻落实科学发展观，逐步扭转粗放的经济增长方式，促进国 民经济全面、协调、可持续发展，我国政府对节能工作予以了高度重视。 国家“十一五 规划纲要把“十一五 时期单位g d p 能耗降低2 0 左右作为约束性指标，国务院及有关部门先后发布了节能中长期专项 规划、国务院关于加强节能工作的决定、千家企业节能行动实 施方案和“十一五”十大重点节能工程实施意见等系列文件，突 显了节能工作所处的战略位置和加强节能工作的极端重要性和紧迫性 1 1 6 】 o 根据中国能源研究报告显示，我国的能源利用效率比发达国家落后。 从能源资源及使用情况看，我国是一个能源相对不足，而用能效率又不 高的国家。同本提出了能源发展的3 e 目标，即“能源安全、经济增长和 环境保护”，强调对工业、建筑、交通部门加大管理力度，以控制能源 消耗的增长，对不能按要求完成节能目标或提出节能计划的，主管部门 有权向全社会公布，责令限期整改，并处一定数额的罚金，并于l9 9 3 年 就提出了开发利用新能源的“新阳光计划”。节能是增强企业竞争力的 大型企业i 乜气管理节能的先进技术j t 程心用 有效办法。目前，我国能源利用效率低，达不到发达国家的二分之一。 这意味着能源在开采、加工、转换、输送、储存和终端利用的过程当中 损失和浪费相当严重。另外，我国许多企业建成时间早，设备陈旧，生 产技术落后，浪费能源现象仍然存在。企业能耗较高，效益低下，缺乏 竞争力。 我国加入世界经济贸易组织( w t o ) 后，企业将面临更加激烈的竞 争局面。为振兴我国的民族工业，提高企业的经济效益，必须通过节能 不断降低企业的能源消耗，使国内企业的竞争力得到加强。美国等发达 国家从2 0 世纪8 0 年代便开始探讨利用网络通信技术实现对企业配电网 尤其是高电耗企业配电网用电设备以及节能装置统一集中管理，以达到 企业配电网电能质量和电能损耗的协调控制，实现节能降耗。在我国， 信息化技术得到相当的重视，但现有节能设备运行单一，整个配电网缺 乏全局电能管理，节能效率不高。通过对能耗设备及节能装置的技术改 造，采用现场总线技术对企业设备进行集中控制，实现企业电气节能管 理，是当前我国乃至世界各国面临的难题。国内外在变压器经济运行方 面已经取得了一些成果，我国针对变压器经济运行方面制定了工矿企 业电力变压器经济运行导则。沈阳工业大学成立了研究所，胡景生教 授通过实例证明变压器经济运行是一种经济有效的节能方式【l 。对于配 电设备检修计划优化方面的研究，国内外提出的方法不多，主要有约束 逻辑算法【1 8 l ，重点排序法【19 1 等。到目前为止，如何既考虑线路本身因素 的影响，又计及多条线路段检修停运的相互影响仍是尚未解决的问题。 1 3 本文主要研究内容 -。 本论文结合湖南某钢铁集团有限公司的工程实际需求，将在课题组 开发的大型工业企业配电网综合自动化系统的基础上，研制一套开放架 构的大型工业企业电气节能集成化监控系统以及电能管理优化调度平 厶 口。 本文所做的主要工作如下： 1 ) 查阅大量的资料文献。分析了国内外企业配电网电气管理节能管 理技术的背景及研究现状，针对国内某炼钢厂的节能降耗要求，分析了 企业电气管理节能管理的必要性，并设计了系统的总体结构方案，研制 出了针对大型企业配电网的电气管理节能系统管理平台。 2 ) 针对大型企业配电网综合节能管理全局性对数据的需求，分析了 底层数据采集系统构架，详细介绍了当前流行的数据采集技术以及数据 硕f j 学位论文 的传输及处理等流程，并描述了监控与数据采集子系统的实现流程，以 及重点分析研究了所采用的关键技术。 3 ) 对大型企业管理节能管理系统的相关理论进行了深入研究，并重 点分析了变压器经济运行的判据、以及降低变压器损耗的相关控制方法： 针对企业配电网检修计划优化这种多目标多约束的非线性问题，提出了 一种采用改进型遗传算法求解该优化模型，并阐述了其基本原理及实现 的具体操作步骤。 4 ) 深入研究了大型企业电气管理节能管理系统的具体实现：变压器 经济运行的软件模块设计、流程图及其实现；针对标准遗传算法求解检 修计划问题的缺点和不足，本文重点分析研究了改进的遗传算法求解检 修计划模型及其软件实现，以及相关工程应用等。从所产生的经济效益 来看，应用该系统后，提高了企业配电网的能量管理水平，取得了明显 的节能效果，为企业创造了良好的经济效益和社会效益。 重点研究内容详细如下： 1 ) 企业的电能质量数据采集与监视 主要进行电网电能质量的数据采集以及数据监视，并对电网中各种 电量质量参数进行分析。系统中可以通过多种形式即软件模块对各电力 参数进行分析，如数据查询模块、报表分析模块、数据展现模块等。 2 ) 企业配电网节能管理及综合电气节能新方法 主要进行大型工业企业能量精细化管理以及工程实现技术的研究， 构建企业生产电耗预案和配电计划预案，利用动态规划的方法寻求企业 生产成本最优方案，实现企业电能的精细化管理，提高企业电能利用率。 ( 1 ) 管理节能，主要对变压器经济运行模型以及检修计划模型进行 分析研究。 ( 2 ) 制定成本最优方案，根据上述分析方法制定出电能损失最小的 预案机制，然后结合联动策略和运行约束得出成本最优方案。 人型企业电气管理节能的先进技术与t 程应用 第2 章大型企业电气管理节能系统设计 所谓电气管理节能是降低工业生产过程中现有的电能耗。节能包含 了两方面的内容：一个是工艺节能，另个是控制节能。所谓工艺节能 就是通过采用合理的工艺设备和合理的操作规程而达到节能的目的。通 常人们所说的节能就是工艺节能；而控制节能则是通过自动化仪表对变 化频繁的生产过程进行及时控制，利用先进的控制技术，对车间、工厂 或者一个区域的能源进行集中监测、管理和调度，从而达到节能的目的。 2 1 大型企业电气管理节能的意义 对石油和化学工业来说，石油、天然气、煤炭等能源既是燃料、动 力，又是生产用的原材料。石油和化学工业是能源消耗和废弃物产生的 大户，每年能源消费量约占全国消费量的l7 ，废水、废气和固体废弃 物排放量分别占全国工业“三废 排放的21 9 、11 和8 4 。因此企 业综合电气节能是石油和化学工业可持续防站的必由之路。“十二五” 及未来期间，我国的石油和化学工业将获得新的发展机遇，但资源和环 境的压力也更大，石油和化学工业要坚决贯彻“节能优先、效率为本、 煤为基础、多元发展、优化结构、保护环境、立足国内、对外开放 的 3 2 字方针，以保证国民经济和社会发展的需求【2 叭。随着经济的发展和技 术的进步，电能在生产生活中的作用越来越重要，很难想象停止了电能 供应的现代化城市会怎么样运转。国民经济的可持续发展，必须提高能 源的利用率。电力工业是我国消耗一次能源的大户，其中排放大量的粉 尘，s 0 2 、n o x 等有害气体，大量的低温余热及污水废渣更是环境污染的 主要原因，通过利用先进技术利用循环硫化床锅炉，可以提高燃煤效率， 减少有害气体的排放；反渗透膜水处理技术，可以减少酸碱用量，也大 大减少了污水的排放，采用循环水供热技术及低温余热回收技术，利用 了低温余热，也减少了环境污染。 节能减排是一个适用范围非常广泛的概念，人们以一定的理论基础 为支撑，通过实施一定的技术手段、措施与方法，达到减少生产、生活 过程中每一个环节的能源浪费和降低“三废”的排放量，达到保护资源、 能源与环境，实现人类社会的政治、经济、文化和人们生活的可持续和 谐发展的目标。 我国“十一五 规划纲要节能减排的任务是：在“十一五 期间， 单位国内生产总值能耗降低2 0 左右，主要污染物排放总量减少lo 。 硕 ：学位论文 这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措；是建设 资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变 增长方式的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求。 我国节能减排的形势非常严峻。大家都能看到，改革开放后，我国 经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境 代价。在经济发展与资源、环境三者之间矛盾日益突出的今天，处于社 会各个层次人们的观念不同、经济结构不合理、增长方式粗放、及节能 减排投资不足，是造成这种被动局面的主、客观原因。人们可以想象到， 如果不改变社会各利益群体的思维与理念，不加快调整经济结构、转变 增长方式，天然资源就难以支撑社会经济的高速发展：环境就容纳不了 经济高速发展过程中产生的“三废 所造成的污染：社会也难以承受环 境污染引发的各种社会问题；其恶性循环的结果使社会的经济发展难以 为继。为此，作为社会中的每一位公民，只有坚持节约发展、清洁发展、 安全发展，才能又好又快地实现社会的政治、经济、文化和人们生活的 可持续和谐发展的目标。同时，温室气体排放引发全球气候变暖，这是 备受国际社会广泛关注的一个重大问题，进一步加强节能减排工作，也 是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。 众所周知，钢铁工业是我国国民经济的支柱产业，也是资源、能源、 资金、技术和劳动力密集行业和污染物排放大户。近年来，我国钢铁工 业通过结构调整和技术进步，在节能降耗、减少污染物排放( 即节能减 排) 方面取得了显著成效，但由于钢铁产品产量l0 多年来持续发展就必 然面临更严峻的资源、环境挑战。另外，钢铁生产的工艺流程是影响钢 铁企业成本、能耗、污染物排放等与环境负荷相关的重要因素，钢铁生 产流程不同，其能源消耗、污染程度等造成的环境负荷影响也有明显差 别。因此，正确分析各钢铁生产流程的资源、能源消耗和污染物排放量， 是节能减排、环境负荷减量化等工作的重要内容。 我国钢铁工业与世界发达国家相比，我国钢铁工业电气管理节能存 在如下困难： 1 ) 产业集中度偏低，已经成为钢铁工业节能减排的主要矛盾。我国 钢铁企业相对分散，集中度低，无法与国际上先进国家相比。这些问题 对企业各方面都有不利的影响，从能源利用度的角度讲，不利于企业设 备的大型化和资源的有效利用，增加了很多不必要的能源损失，同时也 影响行业参与国际竞争及抗风险能力的提高。因此，加快推进中国钢铁 企业联合重组，提高产业集中度，是节能减排进一步深化的根本。 人型企业电气管理节能的先进技术j t 程应用 2 ) 落后和低水平工业装备仍然是钢铁工业节能减排的难点。我国中 小型钢铁企业普遍存在规模过小，基本上都有采用落后或低水平的工艺 装备和能源环保设施不到位等问题，导致我国钢铁工业工艺设备总体水 平不高。因此，加大淘汰落后和替代低水平工艺装备的力度是推进节能 减排的难点。 我国钢铁企业面临的能源形势依然非常严峻，钢铁工业能源消耗仍 与世界先进水平有较大的差距，吨钢能耗仍比发达国家高出2 0 4 0 。 我国钢铁企业能源费用约占钢铁生产成本的1 3 ，能源利用率低、能源散 失严重的问题比较突出，既造成了极大的能源浪费和环境污染，又大大 增加了产品成本。随着近几年钢产量的迅猛增长，中国钢铁工业对铁矿 石、焦碳、燃料煤以及废钢等钢铁生产原料和燃料的需求急剧增加，国 内钢铁燃料市场供需矛盾已经十分突出。 2 2 企业电气节能系统的设计理念 2 2 1 设计原理 电气管理节能系统是以节省电能耗为主要目的系统。从经济观点看， 它和其他生产过程一样，一个设计比较合理和先进的电气节能系统，都 能实现提高产品产量、质量、节约原材料、减少事故等目的，从而达到 预期的经济效益。设计较为合理、经济的电气节能控制方案，需要控制 理论和经验相结合。例如：考虑一个连续加热的生产过程，定有升温、 保温及降温三个阶段，温度对象是有一定惯性的，这种惯性的变化规律， 一般可以用指数函数来描述，指数规律是一种比较普遍的自然现象，如 果按指数规律来升温，则可节省大量的电能。 如果从电气节能的实际需要和可能出发来设计控制系统，就可以很 好地达到节能的目的。电气节能控制系统不定要非常复杂，简单的控 制系统有时也能收到很好的节能效果，而复杂的控制系统有时可能因为 仪表装置的投资大，电气仪表本身的耗能多而失去节能的作用，因此在 电气节能控制系统设计中要分析主要电气节能对象特性，研究最佳电气 节能控制方案，选择与此相适应的各种电气类仪表。 随着计算机通讯的迅猛发展，各行各业渐渐由传统的手工操作转变 为自动化控制操作，我们的企业电气管理节能系统的设计理念也是基于 此，总的来说，企业的电气管理节能系统可分为两大块，一块为监控与 数据采集系统，另一块通过监控系统的数据对企业内部的能量流向进行 管理，在此称为管理系统。按功能分，可分解为下图所示结构： & 企业咆气管理节能系统 监控j 数据采集系统 电气能疑管理系统 数据采集与处理数据展现变压器经济运行 检修计划优化 i 上 上 j 一上 上 上 上l上上l一l 上上上上 上 j 一 数 数报报 数查 查伞 支 区波 区负选 优索入 接 据 据表表 据 检 询 询图路域形蚓荷择 化引库收 粟f 冬打分 库 索 艟 分展展展显笋 判 判 校查校汁 选 条 选 f ，i析现 现 现不 娃定定 块洵验划集 输 印 析 登| 型 _ _ _ _ 。一 _ _ _ 图2 1 企业电气管理节能系统功能图解 2 2 2 电气管理节能系统结构发展 企业电气管理节能系统主要从降低企业配电网能量损耗出发，利用 先进的控制技术设计出一套综合自动化平台，完全实现计算机最优控制。 电气综合自动化是将配电系统二次设备经过功能的组合和优化设计，利 用先进的计算机技术、现代电子技术和信号处理技术，实现对整个系统 的主要设备和输、配线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护1 2 。 系统控制结构经历了从最初的集中式，发展到分布式，最终到现代 广泛被采用的分层分布式结构三个阶段的发展： 1 ) 集中式结构。最初的集中式一般采用功能较强的计算机并扩展i o 接口，但也并非指只由一台计算机完成全部功能。如监控机要担负数据 采集、数据处理等多项任务；有时可能一台微机要负责多回路低压线路 的保护等【2 2 ，23 1 。集中式系统具有体积小；造价低；实用性好等优点，但 影响面大；修改量大，系统调试烦琐；集中式结构如图2 2 所示： 图2 2 集中式系统结构框图 人型企业l u 气管理节能的先进技术0 t 程府用 2 ) 分布式系统结构。该结构最大特点是将系统的功能分散给多台微 机来完成，为了提高系统的实时性，各功能模块之间采用网络技术或串 行方式实现数据通信。分布式结构中，如果系统局部发生故障，不影响 其他模块正常运行，方便系统扩展和维护。其结构图如2 3 所示【23 1 。 计算机调度控 ；崩r i ，心 采集单元输入单元 输出单元 保护单元 图2 3 分布式系统结构框图 3 ) 分层分布式结构。这种结构从逻辑上将系统划分为站级测控单元、 间隔单元、以及通信单元，大幅度地减少了连接电缆和电磁干扰，系统 部分故障不影响其他正常部分的运行，且应用率较高；能由软件控制； 占地面积小。分层分布式结构且具有高可靠性，组态灵活，检修方便i z 列 等特点，方便系统维护和扩展，其结构如图2 4 所示。 一 作站 _rf jl 1r 以人网 jl 1r 一 中央控制器g p s 校时 ! 哒l + 塑堑 l 设缝一j 二一塑j 。设链j 图2 4 分层分布式系统结构图 为了简化研究和设计的复杂性，是在看待整个计算机系统的观点上 还是在某个具体软件系统的实现中，现代人越来越倾向于采用一种分层 分布式结构的思想。相邻层次之间通过某种形式的借口相互通信，较高 的一层向较低的一层更加抽象。分层分布式计算可以使两个或多个软件 系统相互共享信息，这些软件系统既可以在同一台计算机上运行，又可 硕：i j 学位论文 以在网络连接起来的多台计算机上运行。其中，共享稀有资源和平衡负 载是计算机分布式计算设计的核心思想之。 2 2 3 系统整体构架 本系统根据分层分布式结构的设计原则，立足于“实用化、简易化、 智能化”的目标，把整个系统分为三层结构【2 4 l ：中央管理层、站级管理 层、间隔层，如图2 5 所示。 中央管 站 兀 图2 5 系统整体构架。 1 ) 中央管理层。该层主要实现汇总厂内实时数据信息，实时刷新， 并按规约传送数据，接收控制命令，并转发给站级管理层、间隔层执行 等功能，也可以对站级管理层、问隔层的设备实现在线维护，并对变电 站内故障信息自动进行分析等。 在电气管理节能管理系统中，中央管理层是最核心的部分，通过核 心交换机与站级管理层、f i 白j 隔层相连。主要完成通过高速以太网络汇总 全站的所有实时数据信息，不断刷新数据库，按既定规约将相关数据信 息送向调度或控制中心；接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层 执行；在线可编程的全站操作闭锁控制等功能；为了满足企业要求，中 央管理层还配有操作员站、工程师站、综合管理站、图像监控系统、模 拟屏、操作票专家系统、门户服务器、g p s 授时系统、2 台网络打印机等 人型企业f 乜气管理节能的先进技术与t 程府用 设备。 2 ) 站级管理层。该层主要由前置机( 工业计算机) 、核心交换机、网 关设备、总线控制器、连接设备等构成，通过高速以太网实现站级管理 层与间隔层实时信息的汇总；发出优先级别控制；实现与问隔层和中央 管理层高速、可靠的数据交换，联系中央管理层和间隔层之问的数据通 路，实现企业供电系统与外界的数据交互。 站级管理层属于中央管理层下层，间隔层的上层，主要由前置系统 和网络交换系统构成。站级管理层主要通过汇总实时数据信息，实现对 间隔层的现场设备设定控制和采集策略，接收中央管理层发布过来的控 制命令，通过逻辑判断后对间隔层的设备发布控制命令，以及存储采集 数据等功能。此外，还具有控制保护一次设备；闭锁间隔层操作；以及 其他控制作用。在前置系统的具有中介功能，同时高速完成与间隔层及 站级管理层的网络通信，是中央管理层和间隔层的高速、可靠的数据交 换通路。为了提高信息通道的冗余度，网络通信接口采用双口全双工方 式，以保证网络通信的可靠性。此外，站级管理层与中央管理层均采用 双以太网结构模式实现故障时动态切换；两台通讯服务器相互热备用等。 3 ) 间隔层。该层是一次设备和二次设备的结合层，主要由智能电力 仪表、计算机保护装置、采集设备、以及继电保护单元等部分组成。主 要功能包括：实时检测电气参量、运行设备的状态量，以及操作控制执 行与驱动等。 间隔层是整个系统的最底层，也是整个系统的基础，现场数据的采 集设备和计算机保护单元均位于间隔层。中央管理层及站级管理层发布 采集控制命令后，间隔层的采集设备迅速响应并执行，如果系统有故障， 保护装置单元则迅速有效的在系统发生故障时启动保护，把系统故障控 制在最小的范围内。 2 2 4 系统功能需求分析 本项目的目的是建设企业电气管理节能管理系统，该系统建立的前 提对企业的数据的监控并对其进行管理，根据需要，电气管理节能管理 系统必须具有以下功能： 1 ) 数据采集和处理。系统生产过程中的开关量、模拟量、脉冲量等 数字信号是监控与数据采集系统的数据来源，也是电气能量管理系统的 支撑，通过对这些数字信息量的定时采集，转入数据库存储，并进行数 据处理，转换为用户识别的数据类型，从而为电气能量管理系统提供经 济