基于牛顿插值法的铝加工企业电力负荷预测.pdf

世界有色金属2023年6月下144基于牛顿插值法的铝加工企业电力负荷预测周德刚，赖奕周（乳源东阳光优艾希杰精箔有限公司，广东 韶关 5 1 2 7 2 1）摘 要：根据铝加工厂具有代表性的热处理炉负荷特性与最大需量间关系，利用牛顿插值法对热处理炉生产电力负荷进行预测，通过能源管理系统最优化管理热处理炉运行模式，开发系统并经过长时间实际调试应用，得出了该系统有利于降低最大需量，提高经济性的结论。关键词：牛顿插值法；铝加工；电力负荷；最大需量；预测控制中图分类号：T M7 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 2-0 1 4 4-3Application of intelligent control system with maximum demand in non-ferrous metal calendering industryZHOUDe-gang,LAIYi-zhou(Ru y u a n D Y G-UA C J F i n e A l u mi n u m C o.,L t d.,S h a o g u a n,G u a n g d o n g 5 1 2 7 2 1)Abstract:A c c o r d i n g t o t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e l o a d c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e ma x i mu m d e ma n d o f t h e r e p r e s e n t a t i v e h e a t t r e a t me n t f u r n a c e i n t h e a l u mi n u m p r o c e s s i n g p l a n t,t h e ma x i mu m d e ma n d v a l u e i s c o n t r o l l e d b y c o n t r o l l i n g t h e w o r k i n g mo d e o f t h e h e a t e r w i t h o u t a f f e c t i n g t h e p r o d u c t i o n o f t h e h e a t t r e a t me n t f u r n a c e,s o a s t o c a r r y o u t t h e s y s t e m o p e r a t i o n d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n d e b u g g i n g.T h e s y s t e m i s c o n d u c i v e t o r e d u c i n g t h e ma x i mu m d e ma n d a n d i mp r o v i n g t h e e c o n o my.Keywords:ma x i mu m d e ma n d;L o a d c h a r a c t e r i s t i c s;C o n t r o l;D e b u g a p p l i c a t i o n收稿日期：2 0 2 3-0 4作者简介：周德刚，男，生于1 9 8 0 年1 1 月，浙江省东阳人，本科，机械工程师，研究方向：铝加工熔炉，热处理，铝压延，设备及能源管理。铝及铝合金是当前用途十分广泛的、最经济适用的材料之一。铝加工行业也是国家重要的基础产业。在铝板带箔的加工过程，涉及到的生产流程众多，包括铸轧、熔铸、热轧、冷轧、箔轧、拉矫、重卷、退火、纵切、横切、清洗、包装等不同工序，各种工序都消耗大量的能源。加热炉、均热炉等热处理装置，是加工过程的电量耗能大户，直接影响生产企业的成本和效益。在国内电费计算中，一般对大型工商业用户采用两部制电价计费方式，电价由基本电价和电度电价构成。基本电价的计费方式又分成按变压器容量计费和按最大需量计费两种。在铝板带箔的加工过程中，一般采用最大需量计费方式，因此最大需量的精确计算成为企业关心的问题，对企业缴纳的每月电费直接产生影响。1 最大需量智能化控制系统的实施方案1.1 技术背景目前为了对铝板带箔的加工过程中所损耗的能源进行管理，一般采用在线监控的方式：企业安装智能电表或其他类型传感器，把电能数据传输到网络服务器上进行显示和监控。这种监控方式一定程度上优化了能源的管理和分析方式，但仍然存在以下缺陷：首先不能事先对用电量进行预测，从而无法对用电需求进行正确评估；其次不能及时对电量数据进行反馈调节，即使出现电量超过最大需量的时候，也只能事后再进行分析总结，而不能通过实时调节设备功率以降低实际最大需量。牛顿插值法预测模型对铝加工企业的电量以周期T进行实时采集；根据采集值，通过牛顿插值法对t时刻之后的m个时刻的用电量进行预测，同时计算预测误差；根据t时刻的预测误差，对t时刻之后的m个时刻的用电量预测值进行修正；最后对t时刻之后的m个时刻中所有用电设备的预测修正值进行求和，并将其与预设的最大需量进行比较，根据比较结果对用电设备的功率进行调整。本发明能够对用电设备的用电量进行滚动预测，其根据用电量预测结果，以及时的对用电设备的功率进行相应的调整，使得实际用电需求切合最大需量，降低企业能源成本。1.2 牛顿插值法预测算法基于牛顿插值法用电负荷最大需量预测算法需要对用电设备j的用电量以周期T进行实时采集，得到所述用电设备j在时刻t的用电量的实际采集值Pj(t)；通过牛顿插值法，在(t-T)时刻计算t时刻用电设备j用电量的预测值PEj(t)；根据所述实际采集值Pj(t)以及所述预测值PEj(t)，得到t时刻的预测误差ej(t)；根据所述实际采集值Pj(t)，通过牛顿插值法，对所述用电设备j在(t+T)、(t+2T)、(t+mT)时刻的用电量进行计算，得到所述用电设备j用电量在(t+T)、(t+2T)、(t+mT)时刻的预测值 PEj(t+T)、PEj(t+2T)、PEj(t+mT)。2023年6月下 世界有色金属 145同时根据t时刻的预测误差ej(t)，分别对所述用电设备j在(t+T)、(t+2T)、(t+mT)时刻用电量的预测值进行修正，分别得到所述用电设备j在(t+T)、(t+2T)、(t+mT)时 刻 用 电 量 的 预 测 修 正 值 PEj(t+T)、PEj(t+2T)、PEj(t+mT)。对(t+T)、(t+2T)、(t+mT)时刻所有用电设备的预测修正值进行求和，得到总用电量的预测修正值PEsum(t+T)、PEsum(t+2T)、.、PEsum(t+mT)，其计算公式为：其中，n为所述用电设备的总数。根据铝加工企业能源管理方法，在(t+iT)时刻计算出需要降低的功率P，通过如下计算公式，得到所述功率P：其中，maxPower为所述预设的最大需量，K为功率裕量值。1.3 系统实施最大需量智能控制系统首先需要建立能源管理平台，对各进线回路以及重要用电设备回路的最大需量数据状态进行采集及其变化趋势分析，对重点用能设备的实时需量趋势曲线进行叠加对比，准确地掌握系统整体以及局部用电负荷的分布情况，便于用户制定合理制定负荷平衡措施。系统对各个用能设备进行能源数据采集（图1）抓取的最大需量数据，实现毫秒级的实时采集频率，实时运行计算各时段平均功率，同时对比供电公司系统的实时负荷数据，进行数据处理，根据给予的最大需量控制预设值进行控制，向参与控制的设备发出短暂的卸负荷指令和恢复负荷指令。图1最大需量智能化控制系统组成结构图1.4 参与控制设备虽然铝加工工艺种类多，但大多数铝加工企业都配置了大功率热处理炉，且数量较多。多台大功率热处理炉同步生产的情况下，用电负荷叠加所产生瞬时最大需量负荷增加明显，对电网带来一定的冲击影响，也大大增加了工厂最大需量电费的支出。参与智能化控制的设备应选择用电量大，最大程度能影响全工厂需量变化的热处理炉设备，既要满足能短时间内降低负荷的要求，又要不影响生产，不能降低产品品质。1.5 系统的控制功能及控制方案基于牛顿插值算法开放的最大需量智能化控制系统，可以根据热处理炉设备不同的运行状态，识别并自动降低或升世界有色金属2023年6月下1461钟峰，刘维忠，曾敏，郭卫军.电力负荷削峰减载系统在珠钢电炉的应用J.冶金丛刊，2007年06期27-30.2张丽春，杨帆，张嘉星.需量控制技术在包钢电网经济运行中的应用J.冶金动力，2008年02期1-3+6.3陈翔，熊嘉，陈朋.智能最大需量控制系统在某钢铁厂的应用J 科技与企业，2014年14期336-337+339高控制优先级，实现设备根据运行状态优化控制。系统可以人为的设置控制优先级、控制范围（需要控制的设备数量、分级控制加热区的级数），同时可以结合热处理炉现场运行状态优化控制，以获得不同的优化控制结果。最大需量智能化控制系统从能源管理中心平台取数，预先设定需量调控预警值和上限值，当实际需量到达预先设定数据时，控制器将根据热处理炉生产工艺生产情况优先原则，发出指令来调节热处理炉的输出功率。如遇到特殊情况，需要确保热处理炉的运行，则可人工降低该设备的控制优先级，或者停止设备的需量控制。参与智能化控制的热处理炉，可单台控制，也可多台设备同步控制；单台控制是控制热处理炉加热的四个区，在智能控制系统选定控制的热处理炉中，根据全厂功率曲线变化趋势，逐步调控任意一个加热区，输出功率下降25；当四个加热区全部参与控制时，为了保障产品质量，时间不得超过10分钟。当一台热处理炉的调控不能满足全工厂的需量调控时，则需要增加多台热处理炉设备同步参与控制。多台炉子同时调控时要控制单台调控间隔时间，不能短时间内重复调控，这样既能不影响热处理炉的生产又能最大限度地调控热处理炉的瞬时功率。1.6 需量控制设置最大需量智能化控制系统经过数据处理，采用基于牛顿插值算法，使得工厂的最大需量曲线和供电的最大需量曲线想接近，测量周期内出现的负荷峰值是否超过预设定制，系统发出警报信号及负荷控制信号，在保证生产的前提下，提前调节用电负荷不超过上报供电的上限值。2 最大需量智能化控制系统实施前后需量值比较图2系统测试前后需量变化（单位：KW）通过最大需量智能化控制系统实施前后测试结果，04点10分实施前最大需量峰值为24180KW，通过设定限制量23000KW，预警值20500KW，恢复值20000KW；实施时间10分钟/炉，04点46分对1#加热炉实施控制削峰降到20796KW，下降3384KW，效果显著。最大需量智能控制系统开发初衷得以实现，最大需量下降，也减少了对电网的冲击负荷，便于供电部门对电网负荷的调度，降低了企业高负荷需量的成本，有效的减少了基本电费支出，其经济和社会效益十分显著。3 最大需量智能化控制系统实施后的效益评估表1系统实施前后需量对比月份实际需量（kw）需量单价（元/kw）需量金额（元）2020年12月（实施前）29164329332482021年1月（实施前）29015329284872021年2月（实施后）24241327757102021年3月（实施后）23390327484672021年4月（实施后）2401532768480最大需量智能化控制系统实施后，2021年2月至4月相比1月前，平均每月可降低最大需量值5133kW，电费支出16.4万元，全年可减少197万元；同时能保护变压器等设备，降低了用电负荷瞬时波动对电网的冲击，从而减少供电系统故障的可能性。合理地“削峰填谷”，为移峰填谷作出贡献。4 结束语在国家推进的碳达峰和碳中和背景下，能源消费总量和强度“双控”指标严格执行下，铝加工行业耗能水平偏高，优化产业结构和能源结构已刻不容缓，使得铝加工行业要不断采取节能技术，开展节能改造，以降低能源成本，而最大需量智能化控制技术在铝加工行业的成功应用，研究方向和技术的合理性、降低需量的有效性以及对电网安全运行的保护方面均取得了成功的经验，最大需量智能控制系统为独立运行系统，即使系统关闭了，对现有正常生产系统也不会产生任何影响；系统的正常使用，大大提高变电站供电系统的经济性、可靠性，填补了铝加工行业采用技术手段降低最大需量研究的空白，提高了铝加工行业电能管理的水平，其综合效益非常显著，具有很大的推广应用价值。