本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法。

背景技術(shù)：

鋼鐵工業(yè)負(fù)荷具有強(qiáng)烈的波動(dòng)性，對(duì)電網(wǎng)影響十分嚴(yán)重，是電網(wǎng)頻率的“污染源”之一，因此對(duì)鋼鐵工業(yè)負(fù)荷進(jìn)行波形分析,挖掘其波動(dòng)規(guī)律顯得尤為重要。目前，鋼鐵負(fù)荷的功率建模按照用途及時(shí)間尺度可分鋼鐵廠負(fù)荷的靜態(tài)建模方法和負(fù)荷預(yù)測(cè)建模方法。

靜態(tài)建模方法將鋼鐵廠負(fù)荷等值為靜態(tài)負(fù)荷模型、靜態(tài)負(fù)荷和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的組合模型；負(fù)荷預(yù)測(cè)建模方法將鋼鐵工業(yè)的負(fù)荷功率曲線看成一組時(shí)間序列，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)建模，常見(jiàn)的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、灰色預(yù)測(cè)法、支持向量機(jī)算法等智能算法。

不論是靜態(tài)建模方法還是負(fù)荷預(yù)測(cè)建模方法均存在種種不足，如靜態(tài)建模方法僅能體現(xiàn)鋼鐵企業(yè)負(fù)荷對(duì)于電網(wǎng)電壓、頻率、功角波動(dòng)時(shí)的響應(yīng)情況，無(wú)法體現(xiàn)鋼鐵工業(yè)本身正常生產(chǎn)時(shí)的功率波動(dòng)性；負(fù)荷預(yù)測(cè)建模方法基于大量歷史數(shù)據(jù)對(duì)鋼鐵企業(yè)負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)步長(zhǎng)較長(zhǎng)，只適用于電力調(diào)度時(shí)間尺度，無(wú)法描述短期內(nèi)鋼鐵工業(yè)負(fù)荷的沖擊性和周期性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)提供一種鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中鋼鐵負(fù)荷的功率建模不能描述短時(shí)間內(nèi)鋼鐵工業(yè)功率波動(dòng)特征且建模所需數(shù)據(jù)量較大的問(wèn)題。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法，包括：

軋鋼負(fù)荷功率特性建模、電弧爐負(fù)荷功率特性建模、其他類負(fù)荷功率特性建模；

其中，所述軋鋼負(fù)荷功率特性建模包括如下步驟：

獲取軋鋼負(fù)荷信息；

建立軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型；

獲取軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序；

根據(jù)所述軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型和所述軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序建立軋鋼功率序列；

其中，所述電弧爐負(fù)荷功率特性建模包括如下步驟：

獲取電弧爐負(fù)荷信息；

建立電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型；

獲取電弧爐的啟停時(shí)序；

根據(jù)所述電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型和所述電弧爐的啟停時(shí)序建立電弧爐功率序列；

其中，所述其他類負(fù)荷功率特征建模包括如下步驟：

獲取其他類負(fù)荷的額定總功率，所述其他類負(fù)荷指鋼鐵工業(yè)廠內(nèi)除軋鋼負(fù)荷和電弧爐負(fù)荷以外的負(fù)荷；

獲取其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)；

根據(jù)所述其他類負(fù)荷的額定總功率和所述其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)建立其他類負(fù)荷功率模型。

優(yōu)選的，所述軋鋼負(fù)荷信息包括：鋼坯進(jìn)入軋機(jī)的時(shí)刻、鋼坯通過(guò)軋機(jī)的時(shí)長(zhǎng)、軋機(jī)的平均功率、粗軋機(jī)的臺(tái)數(shù)、精軋機(jī)的臺(tái)數(shù)、每臺(tái)粗軋機(jī)的軋制道次、鋼坯的塊數(shù)。

優(yōu)選的，一塊鋼坯通過(guò)一臺(tái)軋機(jī)的功率函數(shù)如式(1)所示：

其中，t0表示鋼坯進(jìn)入軋機(jī)的時(shí)刻，δt表示鋼坯通過(guò)軋機(jī)的時(shí)長(zhǎng)，a表示軋機(jī)在δt時(shí)間內(nèi)的平均功率；

所述軋機(jī)包括nrough臺(tái)粗軋機(jī)和nfinish臺(tái)精軋機(jī)；

第1塊鋼坯通過(guò)第i臺(tái)ki道次的粗軋機(jī)完成粗軋工序的功率如式(2)所示：

第1塊鋼坯通過(guò)nrough臺(tái)粗軋機(jī)完成整個(gè)粗軋工序的功率如式(3)所示：

第1塊鋼坯通過(guò)第i臺(tái)精軋機(jī)完成精軋工序的功率如式(4)所示：

pf1i(t)＝proll(t,tfi,δtfi,afi)(4)

第1塊鋼坯通過(guò)nfinish臺(tái)精軋機(jī)完成整個(gè)精軋工序的功率如式(5)所示：

得到的pr1(t)和pf1(t)為所述軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型。

優(yōu)選的，所述軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序包括：第i塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序與第1塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序的時(shí)間間隔、第i塊鋼坯進(jìn)入精軋工序與第1塊鋼坯進(jìn)入精軋工序的時(shí)間間隔。

優(yōu)選的，第i塊鋼坯完成整個(gè)粗軋工序的功率如式(6)所示：

pri(t)＝pr1(t-δtri)(6)

其中，δtri為第i塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序與第1塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序的時(shí)間間隔；

第i塊鋼坯完成整個(gè)精軋工序的功率如式(7)所示：

pfi(t)＝pf1(t-δtfi)(7)

其中，δtfi為第i塊鋼坯進(jìn)入精軋工序與第1塊鋼坯進(jìn)入精軋工序的時(shí)間間隔；

nsteel塊鋼坯完成粗軋工序的功率如式(8)所示：

nsteel塊鋼坯完成精軋工序的功率如式(9)所示：

nsteel塊鋼坯完成單條軋鋼生產(chǎn)線軋制工序的功率如式(10)所示：

得到的prftotal(t)即為所述軋鋼功率序列。

優(yōu)選的，所述電弧爐負(fù)荷信息包括：從電弧爐起弧時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定額定功率時(shí)刻所需的時(shí)長(zhǎng)δtup、操作人員下令關(guān)停電弧爐到電弧爐功率為0所需的時(shí)長(zhǎng)δtdown、電弧爐運(yùn)行時(shí)的額定功率prated、電弧爐功率波動(dòng)參數(shù)δmax；

所述電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型如式(11)所示：

其中，δ(t)為(-δmax,+δmax)之間的隨機(jī)值；

所述電弧爐的啟停時(shí)序包括：電弧爐通電起弧時(shí)刻ton、電弧爐徹底斷電時(shí)刻toff；

將所述電弧爐通電起弧時(shí)刻ton和所述電弧爐徹底斷電時(shí)刻toff代入式(11)中，得到所述電弧爐功率序列。

優(yōu)選的，所述電弧爐功率波動(dòng)參數(shù)δmax設(shè)置為5％～20％。

優(yōu)選的，所述其他類負(fù)荷功率模型如式(12)所示：

pothers(t)＝[1+δother(t)]potherrated(12)

其中，potherrated為其他類負(fù)荷的額定總功率，δothermax為其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)，δother(t)為(-δothermax,+δothermax)之間的隨機(jī)值。

優(yōu)選的，所述其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)δothermax設(shè)置為5％。

優(yōu)選的，所述鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法還包括鋼鐵工業(yè)總功率特性建模，步驟如下：

獲取軋鋼生產(chǎn)線的數(shù)量和電弧爐的數(shù)量；

根據(jù)所述軋鋼生產(chǎn)線的數(shù)量、所述電弧爐的數(shù)量、所述軋鋼功率序列、所述電弧爐功率序列、所述其他類負(fù)荷功率模型建立所述鋼鐵工業(yè)總功率特性模型。

本發(fā)明實(shí)施例中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

在本發(fā)明實(shí)施例中，獲取軋鋼負(fù)荷信息和電弧爐負(fù)荷信息，在理解鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)原理的基礎(chǔ)上，建立軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型和電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型。軋鋼負(fù)荷信息和電弧爐負(fù)荷信息可從pmu數(shù)據(jù)中辨識(shí)得出，相對(duì)于傳統(tǒng)建模的參數(shù)獲取，減少了建模的前期調(diào)研工作量。軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型及電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型建立后，只需獲得軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序及電弧爐的啟停時(shí)序，即可建立軋鋼功率序列及電弧爐功率序列，無(wú)需再去鋼鐵企業(yè)調(diào)取pmu數(shù)據(jù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的pmu數(shù)據(jù)導(dǎo)入式建模方法，減少了建模所需的數(shù)據(jù)量。根據(jù)其他類負(fù)荷運(yùn)行時(shí)波動(dòng)較小的特征，建立其他類負(fù)荷功率模型。本發(fā)明在充分理解鋼鐵工業(yè)負(fù)荷控制原理的基礎(chǔ)上建立鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性模型，相對(duì)于傳統(tǒng)的建模方式，其物理含義更加明確，能夠解釋鋼鐵企業(yè)負(fù)荷功率的波動(dòng)原因。本發(fā)明首次將鋼鐵工業(yè)的負(fù)荷波動(dòng)與鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程控制相結(jié)合，通過(guò)軋鋼負(fù)荷功率特性建模、電弧爐負(fù)荷功率特性建模、其他類負(fù)荷功率特性建模，進(jìn)而建立鋼鐵工業(yè)總功率序列模型，能夠高精度描述短時(shí)間內(nèi)鋼鐵工業(yè)功率波動(dòng)特性。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他類的附圖。

圖1為本發(fā)明提供的一種鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法的框架圖。

圖2為本發(fā)明結(jié)合軋鋼工藝生產(chǎn)原理，用以解釋軋鋼生產(chǎn)線功率波動(dòng)原因的示意圖。

圖3為本發(fā)明以單臺(tái)軋鋼機(jī)為例，建立的含模型參數(shù)的單臺(tái)軋鋼機(jī)功率特性圖。

圖4為本發(fā)明以單臺(tái)電弧爐為例，建立的含模型參數(shù)的單臺(tái)電弧爐功率特性圖。

圖5為本發(fā)明建立的國(guó)內(nèi)某企業(yè)2150軋鋼生產(chǎn)線功率模型與實(shí)測(cè)波形的對(duì)比圖。

圖6為本發(fā)明建立的國(guó)內(nèi)某企業(yè)1580軋鋼生產(chǎn)線功率模型與實(shí)測(cè)波形的對(duì)比圖。

圖7為本發(fā)明建立的國(guó)內(nèi)某企業(yè)h型鋼軋鋼生產(chǎn)線功率模型與實(shí)測(cè)波形的對(duì)比圖。

圖8為本發(fā)明建立的國(guó)內(nèi)某企業(yè)單臺(tái)電弧爐功率模型與實(shí)測(cè)波形的對(duì)比圖。

圖9為本發(fā)明建立的某企業(yè)總功率模型與實(shí)測(cè)波形的對(duì)比圖。

圖10為本發(fā)明建立的某企業(yè)總功率模型時(shí)域誤差圖。

圖11為本發(fā)明建立的某企業(yè)總功率模型時(shí)域誤差分布圖。

圖12為本發(fā)明建立的某企業(yè)總功率模型頻譜對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)提供一種鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中鋼鐵負(fù)荷的功率建模不能描述短時(shí)間內(nèi)鋼鐵工業(yè)功率波動(dòng)特征且建模所需數(shù)據(jù)量較大的問(wèn)題。

本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，總體思路如下：

一種鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法，包括：

軋鋼負(fù)荷功率特性建模、電弧爐負(fù)荷功率特性建模、其他類負(fù)荷功率特性建模；

其中，所述軋鋼負(fù)荷功率特性建模包括如下步驟：

獲取軋鋼負(fù)荷信息；

建立軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型；

獲取軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序；

根據(jù)所述軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型和所述軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序建立軋鋼功率序列；

其中，所述電弧爐負(fù)荷功率特性建模包括如下步驟：

獲取電弧爐負(fù)荷信息；

建立電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型；

獲取電弧爐的啟停時(shí)序；

根據(jù)所述電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型和所述電弧爐的啟停時(shí)序建立電弧爐功率序列；

其中，所述其他類負(fù)荷功率特征建模包括如下步驟：

獲取其他類負(fù)荷的額定總功率，所述其他類負(fù)荷指鋼鐵工業(yè)廠內(nèi)除軋鋼負(fù)荷和電弧爐負(fù)荷以外的負(fù)荷；

獲取其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)；

根據(jù)所述其他類負(fù)荷的額定總功率和所述其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)建立其他類負(fù)荷功率模型。

本發(fā)明實(shí)施例獲取軋鋼負(fù)荷信息和電弧爐負(fù)荷信息，在理解鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)原理的基礎(chǔ)上，建立軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型和電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型。軋鋼負(fù)荷信息和電弧爐負(fù)荷信息可從pmu數(shù)據(jù)中辨識(shí)得出，相對(duì)于傳統(tǒng)建模的參數(shù)獲取，減少了建模的前期調(diào)研工作量。軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型及電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型建立后，只需獲得軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序及電弧爐的啟停時(shí)序，即可建立軋鋼功率序列及電弧爐功率序列，無(wú)需再去鋼鐵企業(yè)調(diào)取pmu數(shù)據(jù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的pmu數(shù)據(jù)導(dǎo)入式建模方法，減少了建模所需的數(shù)據(jù)量。根據(jù)其他類負(fù)荷運(yùn)行時(shí)波動(dòng)較小的特征，建立其他類負(fù)荷功率模型。本發(fā)明在充分理解鋼鐵工業(yè)負(fù)荷控制原理的基礎(chǔ)上建立鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性模型，相對(duì)于傳統(tǒng)的建模方式，其物理含義更加明確，能夠解釋鋼鐵企業(yè)負(fù)荷功率的波動(dòng)原因。本發(fā)明首次將鋼鐵工業(yè)的負(fù)荷波動(dòng)與鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程控制相結(jié)合，通過(guò)軋鋼負(fù)荷功率特性建模、電弧爐負(fù)荷功率特性建模、其他類負(fù)荷功率特性建模，進(jìn)而建立鋼鐵工業(yè)總功率序列模型，能夠高精度描述短時(shí)間內(nèi)鋼鐵工業(yè)功率波動(dòng)特性。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說(shuō)明書附圖以及具體的實(shí)施方式對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

本實(shí)施例提供了一種鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法，如圖1所示，包括：軋鋼負(fù)荷功率特性建模、電弧爐負(fù)荷功率特性建模、其他類負(fù)荷功率特性建模。

一、軋鋼負(fù)荷功率特性建模

軋鋼負(fù)荷屬于電動(dòng)機(jī)的一種，其任務(wù)是完成鋼坯的塑形。當(dāng)鋼坯進(jìn)入軋機(jī)時(shí)，軋機(jī)功率會(huì)急劇上升，當(dāng)鋼坯離開(kāi)軋機(jī)時(shí)，軋機(jī)功率急劇下降。通常情況下，軋鋼生產(chǎn)線軋機(jī)分為粗軋和精軋兩類。粗軋機(jī)一般為可逆式軋制，鋼坯通過(guò)奇數(shù)次來(lái)回軋后，最終通過(guò)單臺(tái)粗軋機(jī)。精軋機(jī)通常連續(xù)排列，鋼坯一次性通過(guò)精軋機(jī)送入下道工序，可以認(rèn)為精軋機(jī)是軋制道次為1的粗軋機(jī)。圖2所示的國(guó)內(nèi)某鋼企軋鋼生產(chǎn)線工藝，鋼坯通過(guò)r1粗軋后，在r2往復(fù)粗軋五次送入精軋區(qū)，再以一定速度通過(guò)f1～f7七臺(tái)精軋機(jī)，至此一塊鋼坯完成一次軋鋼過(guò)程。

所述軋鋼負(fù)荷功率特性建模包括如下步驟：

步驟10：獲取軋鋼負(fù)荷信息。

所述軋鋼負(fù)荷信息包括：鋼坯進(jìn)入軋機(jī)的時(shí)刻、鋼坯通過(guò)軋機(jī)的時(shí)長(zhǎng)、軋機(jī)的平均功率、粗軋機(jī)的臺(tái)數(shù)、精軋機(jī)的臺(tái)數(shù)、每臺(tái)粗軋機(jī)的軋制道次、鋼坯的塊數(shù)。

步驟20：建立軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型。

為用解析表達(dá)式揭示軋鋼負(fù)荷的功率波動(dòng)規(guī)律，定義自變量為時(shí)間t的門型函數(shù)，其函數(shù)圖形如圖3所示。

一塊鋼坯通過(guò)一臺(tái)軋機(jī)的功率函數(shù)如式(1)所示。

其中，t0表示鋼坯進(jìn)入軋機(jī)的時(shí)刻，δt表示鋼坯通過(guò)軋機(jī)的時(shí)長(zhǎng)，a表示軋機(jī)在δt時(shí)間內(nèi)的平均功率。

將δt和a合稱為軋機(jī)的特性參數(shù)。每臺(tái)軋機(jī)的特性參數(shù)皆不相同，但由于在軋鋼過(guò)程中，每塊鋼坯在不同工序時(shí)的長(zhǎng)度、厚度、傳送速度有著嚴(yán)格的要求，因此在同一批產(chǎn)品的軋制過(guò)程中，所有鋼坯經(jīng)過(guò)同一軋機(jī)所耗的時(shí)長(zhǎng)δt以及平均功率a可以近似認(rèn)為是常數(shù)。

現(xiàn)考慮有nsteel塊鋼坯，nrough臺(tái)粗軋機(jī)，nfinish臺(tái)精軋機(jī)，其中第i臺(tái)粗軋機(jī)的軋制道次為ki，對(duì)整個(gè)軋鋼過(guò)程所產(chǎn)生的功率波形進(jìn)行解析描述。

第1塊鋼坯通過(guò)第i臺(tái)ki道次的粗軋機(jī)完成粗軋工序的功率如式(2)所示：

第1塊鋼坯通過(guò)nrough臺(tái)粗軋機(jī)完成整個(gè)粗軋工序的功率如式(3)所示：

同理可得，第1塊鋼坯通過(guò)第i臺(tái)精軋機(jī)完成精軋工序的功率如式(4)所示：

pf1i(t)＝proll(t,tfi,δtfi,afi)(4)

第1塊鋼坯通過(guò)nfinish臺(tái)精軋機(jī)完成整個(gè)精軋工序的功率如式(5)所示：

得到的pr1(t)和pf1(t)為所述軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型。

步驟30：獲取軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序。

所述軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序包括：第i塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序與第1塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序的時(shí)間間隔、第i塊鋼坯進(jìn)入精軋工序與第1塊鋼坯進(jìn)入精軋工序的時(shí)間間隔。

步驟40：根據(jù)所述軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型和所述軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序建立軋鋼功率序列。

第i塊鋼坯完成整個(gè)粗軋工序的功率如式(6)所示：

pri(t)＝pr1(t-δtri)(6)

其中，δtri為第i塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序與第1塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序的時(shí)間間隔；

第i塊鋼坯完成整個(gè)精軋工序的功率如式(7)所示：

pfi(t)＝pf1(t-δtfi)(7)

其中，δtfi為第i塊鋼坯進(jìn)入精軋工序與第1塊鋼坯進(jìn)入精軋工序的時(shí)間間隔；

nsteel塊鋼坯完成粗軋工序的功率如式(8)所示：

nsteel塊鋼坯完成精軋工序的功率如式(9)所示：

nsteel塊鋼坯完成單條軋鋼生產(chǎn)線軋制工序的功率如式(10)所示：

得到的prftotal(t)即為所述軋鋼功率序列。

式(10)表明，在某型號(hào)軋鋼產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，只要得知第1塊鋼坯在整個(gè)過(guò)程中的粗軋功率、精軋功率和每塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序和精軋工序的時(shí)間間隔序列，則可以模擬出整條軋鋼生產(chǎn)線在某段時(shí)間內(nèi)的功率。

二、電弧爐負(fù)荷功率特性建模

所述電弧爐負(fù)荷功率特性建模包括如下步驟：

步驟10：獲取電弧爐負(fù)荷信息。

所述電弧爐負(fù)荷信息包括：從電弧爐起弧時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定額定功率時(shí)刻所需的時(shí)長(zhǎng)δtup、操作人員下令關(guān)停電弧爐到電弧爐功率為0所需的時(shí)長(zhǎng)δtdown、電弧爐運(yùn)行時(shí)的額定功率prated、電弧爐功率波動(dòng)參數(shù)δmax。

δtup通常為5～10s；δtdown通常不大于10s。

步驟20：建立電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型。

所述電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型如式(11)所示：

plf(t)的函數(shù)圖形如圖4所示。

其中，δ(t)為(-δmax,+δmax)之間的隨機(jī)值，用以表示電弧爐在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的隨機(jī)功率波動(dòng)。根據(jù)實(shí)際工況，所述電弧爐功率波動(dòng)參數(shù)δmax設(shè)置為5％～20％。

步驟30：獲取電弧爐的啟停時(shí)序。

所述電弧爐的啟停時(shí)序包括：電弧爐通電起弧時(shí)刻ton、電弧爐徹底斷電時(shí)刻toff。

步驟40：根據(jù)所述電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型和所述電弧爐的啟停時(shí)序建立電弧爐功率序列。

將所述電弧爐通電起弧時(shí)刻ton和所述電弧爐徹底斷電時(shí)刻toff代入式(11)中，得到所述電弧爐功率序列。

對(duì)于同一個(gè)電弧爐，可根據(jù)實(shí)際情況將式(11)中的δtup、δtdown、prated、δmax設(shè)為常數(shù)，則對(duì)于一個(gè)電弧爐，只需給出某段時(shí)間內(nèi)啟停的時(shí)間序列ton和toff，即可表征該電弧爐在該段生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的功率波形。

三、其他負(fù)荷功率特性建模

除軋鋼機(jī)和電弧爐以外，鋼鐵工業(yè)中其他負(fù)荷(水泵機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、除塵機(jī)、傳送機(jī)等)等負(fù)荷運(yùn)行時(shí)功率波動(dòng)小，除非進(jìn)行階段性人工調(diào)節(jié)，否則在中短時(shí)間尺度內(nèi)可近似認(rèn)為其按恒功率方式運(yùn)行。

所述其他類負(fù)荷功率特征建模包括如下步驟：

步驟10：獲取其他類負(fù)荷的額定總功率，所述其他類負(fù)荷指鋼鐵工業(yè)廠內(nèi)除軋鋼負(fù)荷和電弧爐負(fù)荷以外的負(fù)荷。

potherrated等效為其他類負(fù)荷運(yùn)行時(shí)額定功率之和。

步驟20：獲取其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)。

δother(t)為(-δothermax,+δothermax)之間的隨機(jī)值，表征其他類負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的隨機(jī)波動(dòng)功率大小，由于其他類負(fù)荷功率在中短期內(nèi)較為穩(wěn)定，所述其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)δothermax設(shè)置為5％。

步驟30：根據(jù)所述其他類負(fù)荷的額定總功率和所述其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)建立其他類負(fù)荷功率模型。

所述其他類負(fù)荷功率模型如式(12)所示：

pothers(t)＝[1+δother(t)]potherrated(12)

其中，potherrated為其他類負(fù)荷的額定總功率，δothermax為其他類負(fù)荷的功率波動(dòng)參數(shù)，δother(t)為(-δothermax,+δothermax)之間的隨機(jī)值。

四、鋼鐵工業(yè)總功率特性建模

由式(10)～(12)得出了單條軋鋼產(chǎn)生線、單個(gè)電弧爐和其他類負(fù)荷的功率表達(dá)式。依次類推，將單一軋鋼生產(chǎn)線和單個(gè)電弧爐的功率進(jìn)行擴(kuò)展可以得到某個(gè)鋼鐵企業(yè)的總功率隨時(shí)間的變化規(guī)律。

鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法還包括鋼鐵工業(yè)總功率特性建模，步驟如下：

步驟10：獲取軋鋼生產(chǎn)線的數(shù)量和電弧爐的數(shù)量。

步驟20：根據(jù)所述軋鋼生產(chǎn)線的數(shù)量、所述電弧爐的數(shù)量、所述軋鋼功率序列、所述電弧爐功率序列、所述其他類負(fù)荷功率模型建立所述鋼鐵工業(yè)總功率特性模型。

所述鋼鐵工業(yè)總功率特性模型如式(13)所示：

其中，penterprise(t)為鋼鐵工業(yè)總功率，nr為軋鋼生產(chǎn)線的個(gè)數(shù)，nl為電弧爐的個(gè)數(shù)。

五、算例及仿真

傳統(tǒng)的鋼鐵企業(yè)功率建模方法，是直接將鋼功率導(dǎo)入仿真軟件運(yùn)行，若想進(jìn)行不同工況的功率曲線仿真，需要重新獲取pmu數(shù)據(jù)。本發(fā)明的建模方法，是在理解鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)原理后，建立基本功率模型，模型中的參數(shù)，從pmu數(shù)據(jù)中辨識(shí)得出。一旦模型建立，以后可根據(jù)自行安排的鋼坯進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)間序列和電弧爐的啟停時(shí)刻時(shí)間序列自行產(chǎn)生鋼鐵企業(yè)功率波形，無(wú)需再去鋼廠調(diào)取pmu數(shù)據(jù)。

本發(fā)明基于國(guó)內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)展開(kāi)算例仿真。該鋼廠年產(chǎn)能在1300萬(wàn)噸以上，平均負(fù)荷約為1000mw。

算例一：軋鋼生產(chǎn)線及電弧爐負(fù)荷波形仿真

以該鋼鐵企業(yè)2150軋鋼生產(chǎn)線、1580軋鋼生產(chǎn)線、h型鋼軋鋼生產(chǎn)線實(shí)測(cè)pmu數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為100ms)為例，辨識(shí)出每塊鋼坯進(jìn)入粗軋工序和精軋工序的起始時(shí)刻，并形成時(shí)間序列輸入式(10)中，從而構(gòu)建不同軋線在生產(chǎn)過(guò)程中的功率波形，仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。

同樣地，以該鋼鐵企業(yè)電弧爐實(shí)測(cè)pmu數(shù)據(jù)為例，辨識(shí)出電弧爐的啟停時(shí)刻并形成時(shí)間序列輸入式(11)中，從而構(gòu)建電弧爐功率波形，圖8為其中一臺(tái)電弧爐負(fù)荷的仿真波形結(jié)果。

算例二：鋼鐵工業(yè)總功率特性仿真

算例一呈現(xiàn)了單個(gè)軋鋼生產(chǎn)線、電弧爐的功率仿真波形。本例通過(guò)式(13)將同時(shí)段內(nèi)所有持續(xù)性沖擊負(fù)荷、間歇型沖擊負(fù)荷及穩(wěn)定負(fù)荷進(jìn)行疊加，得到國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)1200s時(shí)長(zhǎng)的總功率仿真波形，如圖9所示。本文的主要目的是仿真鋼鐵工業(yè)的波動(dòng)特性，而穩(wěn)定負(fù)荷并不表現(xiàn)出強(qiáng)烈的波動(dòng)性，因此穩(wěn)定負(fù)荷potherrated的數(shù)值大小取估計(jì)值825mw。

對(duì)實(shí)測(cè)波形和仿真波形進(jìn)行誤差分析，得到每個(gè)仿真步長(zhǎng)下的誤差以及1200s內(nèi)的誤差分布，如圖10和圖11所示。經(jīng)分析，每個(gè)仿真步長(zhǎng)下的誤差約為±5％，96.18％的誤差集中在(-3％，+3％)之間。

為檢驗(yàn)功率仿真模型是否具有與實(shí)際數(shù)據(jù)相同的波動(dòng)性特征，對(duì)圖9中的實(shí)測(cè)波形和仿真波形進(jìn)行頻譜分析。為提高頻譜分辨度，將數(shù)據(jù)扣除相同直流分量后再進(jìn)行傅里葉變換，得到頻譜如圖12所示。由頻譜圖可知，實(shí)測(cè)功率與仿真功率頻譜具有較高的吻合度，主要幅值分量集中在0～0.02hz的低頻范圍內(nèi)，次要分量集中在0.02～0.07hz的中頻范圍內(nèi)，說(shuō)明本發(fā)明所建模型與實(shí)際數(shù)據(jù)具有相同的波動(dòng)特性。

綜上所述，本發(fā)明所述建模方法具有可操作性和較高的精度，適用于含鋼鐵工業(yè)負(fù)荷的短期仿真研究。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性建模方法至少包括如下技術(shù)效果：

在本發(fā)明實(shí)施例中，獲取軋鋼負(fù)荷信息和電弧爐負(fù)荷信息，在理解鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)原理的基礎(chǔ)上，建立軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型和電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型。軋鋼負(fù)荷信息和電弧爐負(fù)荷信息可從pmu數(shù)據(jù)中辨識(shí)得出，相對(duì)于傳統(tǒng)建模的參數(shù)獲取，減少了建模的前期調(diào)研工作量。軋鋼負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型及電弧爐負(fù)荷功率基礎(chǔ)模型建立后，只需獲得軋鋼進(jìn)入生產(chǎn)線的時(shí)序及電弧爐的啟停時(shí)序，即可建立軋鋼功率序列及電弧爐功率序列，無(wú)需再去鋼鐵企業(yè)調(diào)取pmu數(shù)據(jù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的pmu數(shù)據(jù)導(dǎo)入式建模方法，減少了建模所需的數(shù)據(jù)量。根據(jù)其他類負(fù)荷運(yùn)行時(shí)波動(dòng)較小的特征，建立其他類負(fù)荷功率模型。本發(fā)明在充分理解鋼鐵工業(yè)負(fù)荷控制原理的基礎(chǔ)上建立鋼鐵工業(yè)負(fù)荷功率特性模型，相對(duì)于傳統(tǒng)的建模方式，其物理含義更加明確，能夠解釋鋼鐵企業(yè)負(fù)荷功率的波動(dòng)原因。本發(fā)明首次將鋼鐵工業(yè)的負(fù)荷波動(dòng)與鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程控制相結(jié)合，通過(guò)軋鋼負(fù)荷功率特性建模、電弧爐負(fù)荷功率特性建模、其他類負(fù)荷功率特性建模，進(jìn)而建立鋼鐵工業(yè)總功率序列模型，能夠高精度描述短時(shí)間內(nèi)鋼鐵工業(yè)功率波動(dòng)特性。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。