靳树永 苏海军 胡春江 徐兰兰 王小龙 韩永军
国网甘肃综合能源服务有限公司 甘肃兰州 730070
摘要：铁合金行业属典型的高耗能行业，用电量巨大，若参与电力需求侧响应将对电网调峰、清洁能源消纳等产生巨大积极影响，特别是在部分风电、光伏发电资源丰富的省份，需求侧响应是解决弃风、弃光的重要手段。本文对甘肃省铁合金行业进行了调研，对典型企业的生产情况、用电负荷特点、主要用电设备等进行研究，提出针对铁合金行业电力需求侧响应系统建设方案，实现对铁合金企业主要用电设备的用电信息监测和负荷调控，将其作为负荷响应资源接入需求响应管理平台。
关键词：需求响应；负荷控制；通信技术；能源控制器
1、前言
一直以来，电力系统中普遍将用电需求作为一种刚性需求。我国电力发展也基本遵循“扩张保供”的思路，单纯增加发电装机和输配电容量来满足日益增长的用电需求。 随着我国用电负荷峰谷差不断扩大的趋势，大量为满足高峰负荷而扩建的输配电容量导致电网资产普遍存在利用率低、经济性差等问题。同时，部分风电、光伏发电资源丰富的省份，电力供应充足，需求不足，存在严重的弃风、弃光问题。例如甘肃省，2020年整体供需形势是电力供应能力充足，电力供需总体宽松、供应富余。迎峰度夏期间，甘肃电网最大负荷1513万千瓦，考虑外送情况下，电量富裕约40亿千瓦时。
电力需求侧响应充分调动负荷侧资源弹性，实现各类负荷资源的可观、可测、可控、可调，助力“源随荷动、荷随网动、源荷互动”的新型电网运行模式，大幅提升电网灵活调节能力和运行效率，实现负荷的削峰填谷，延缓电网增容的同时扩大清洁能源的消纳。
铁合金行业属典型的高耗能行业，用电量巨大，若参与电力需求响应将对电网调峰、清洁能源消纳产生巨大积极影响。目前，甘肃全省共有铁合金企业65户，报装容量166万千伏安，电炉数133台，炉容量155千伏安。
2、铁合金企业用电负荷分析
2.1生产工艺流程
铁合金是由一种或两种以上的金属或非金属元素与铁元素组成的，并作为钢铁和铸造业的脱氧剂、脱硫剂和合金添加剂等的合金。例如硅铁是硅与铁的合金；锰铁是锰与铁的合金。就生产方法与用途而言，铁合金还包括含铁极低的锰、铬、钒及工业硅等合金金属。
以甘肃某硅铁合金企业为例，该企业主要产品是硅铁合金产品，主要生产设备为电炉，主要生产流程包括配料、上料、电炉冶炼、浇筑、精整、破碎、包装、成品。
2.2 配电系统
该硅铁合金企业拥有2座110kV开关站和1座35kV开关站。
企业主要用电设备为电炉，电炉变压器高压侧接110kV或35kV母线，低压侧接电炉系统电源柜；炉变高压侧装有电度表，综自后台接入了综保装置的数据，接入了电度表数据。
2.3 用电负荷情况
铁合金行业受近期价格下跌影响，部分企业采取避峰生产，对冲价格下降影响，目前兰州、张掖等多户铁合金企业均采取避峰生产；钢铁行业产品价格下降，生产情况小幅波动，但由于基建项目的存在，仍保持整体平稳。图5为某铁合金企业典型日负荷曲线。
.png)
该企业日最高负荷20500千瓦，日最低负荷0千瓦，日峰谷差20500千瓦。全厂负荷高峰期在11:30-18:30及22:00-次日8：00时间段，在8:00-11:30以及18:30-次日0:00处于负荷低谷期。该企业接入配电网区域内无新能源消纳。
分析：该企业用电负荷低谷期正是光伏发电和风力发电高峰期，若将该类型企业纳入需求侧响应系统，利用经济手段引导用户在清洁能源发电高峰期增加用电负荷，可有效促进清洁能源的消纳。
3、用户侧需求响应系统建设方案
3.1 系统整体架构
整个系统主要由以下三个部分组成：现场数据采集层、现场能源控制层、云管理层。
现场数据采集层: 由信息采集器（支持各种I/O及采控模块扩展）组成，直接连接各种被监控设备，采集电、水、气等的现场信号，将采集的现场信号通过多种通讯方式上传。此层的设备还包括各类监测仪表，如果现场已经安装，则利用现有的仪表进行采集，不再新增仪表。
现场能源控制层：通过安装在现场的能源控制器实现，用于与现场各类仪表进行信息交互，同时支持与现场DCS系统或PLC的信息交互。将各种信息汇集并转换成统一的格式传输至云管理系统，并在权限许可的范围内，接收云平台发送的各种控制指令和定值信息。上传信息根据网络状况决定，可支持VPN专线、4G、安全接入系统等方式上送，上传信息通过加密，保障安全性，另外如果使用移动流量上送数据，则信息进行压缩，极大的减少了信息传输的网络流量。现场能源控制层还能根据既定的优化策略，对现场进行能量管理，从而优化能源潮流，提升能源效率。
云管理层：实现对现场设备数据实时监视，同时实时处理现场设备采集层的各种信息，实现对监控数据的深入处理分析、存储，将电、水、气等能源综合信息无缝集成到同一平台中，实现手机应用、WEB发布等功能，并可为大数据平台提供数据源，供大数据分析应用。云管理层还能实现对现场能源控制层的能源策略的修改，定值的下发，区域层面的能源优化。
具体架构如图2（架构图中包含三个应用场景：新建DCS接入场景、综自接口接入场景和智慧照明场景）：
.png)
3.2 新建DCS系统解决方案
对于现场没有综自系统的情况，为了满足需求响应的需要，需要新建DCS系统对开关柜进行统一的数据采集和控制。
新建DCS系统包括了现场的通讯网络、信息采集器、监控主机和组态软件等组成。DCS的信息采集可采用双机配置，进一步增强可靠性。
本方案采集模式如下：
通过网线或者485线，将高压开关柜和电表直接接到数据采集器，在数量大，距离分散的情况下，数据采集器还可以级联，数据统一采集到现场监控主机上进行数据分析和组态应用，同时数据汇总到能源控制器上，并在该控制器上通过专网或者4G网络经过安全接入平台上传到上级智慧能源管控系统。
.png)
3.3 已有DCS系统解决方案
该方案适合就地仪表数据已传送至综自系统，需开发一套接口软件，通过能源控制器传输至平台。
.png)
3.4 楼宇智慧照明解决方案
除电炉外，照明也可作为可调负荷接入需求响应系统，智慧照明改造将原照明系统改造为智能照明灯光控制系统，智能照明系统通过能源控制器接入内网，与上级智慧能源服务平台scada系统连接。灯具采用照度加红外感应方式控制灯具。本系统主要根据现场环境情况及业主工作时间、使用习惯，搭配照度传感器、红外传感器、定时逻辑，实现自动控制照明，做到既节能又智能化控制。
.png)
智能照明控制系统中，所有的设备都是通过KNX总线相互连接在一起。系统中，除电源模块外，所有的总线设备都拥有唯一的物理地址，物理地址一般是根据实际工程的拓扑结构确定的。开关、调光等控制信号都是以报文的形式在总线上的各个设备间进行传输的。
4、总结
用户侧电力需求响应是缓解电网用电高峰容量压力、促进新能源消纳的有效手段，以铁合金行业电力用户为代表高耗能企业参与需求侧响应对于负荷调控效果至关重要。本文对甘肃省铁合金行业进行了调研，对典型企业的生产情况、用电负荷特点、主要用电设备等进行研究，提出针对铁合金行业电力需求侧响应系统建设方案，主要内容如下：
4.1以硅铁合金为例，介绍了铁合金企业的生产工艺流程、配电系统结构和用电负荷特点，指出铁合金企业参与需求侧响应后对于促进甘肃等省份清洁能源消纳的巨大空间；
4.2介绍了铁合金行业用户侧需求侧响应系统的整体架构，整个系统由三个部分组成：现场数据采集层、现场能源控制层、云管理层；
4.3分别介绍了新建DCS系统、已有DCS系统和智慧照明系统三种场景的需求侧响应的建设方案。
参考文献
[1] 孙宇军，李扬，王蓓蓓，等.需求响应促进可再生能源消纳的运作模式研究[J].电力需求侧管理,2013,15(6):6-10.
[2] 田建伟，胡兆光，周景宏，等.考虑需求方响应资源的智能输电网扩展规划[J].电力系统自动化，2012，36（10）：45-50.
[3] 张钦，王锡凡，王建学，等.电力市场下需求响应研究综述[J].电力系统自动化，2008，32（3）：97-106.
[4] 王珂，姚建国，姚良忠，等.电力柔性负荷调度研究综述[J].电力系统自动化，2014，38（20）：127-135.
[5] 吴博伟.铁合金的行业现状及发展趋势[J].冶金与材料，2019，39（1）：28-29.