一种短流程炼钢用户用电调节能力评估方法及系统与流程

本发明属于用电调节能力评估，涉及一种考虑工序负荷分类的短流程炼钢用户用电调节能力评估方法及系统。

背景技术：

1、钢铁行业用电量占比高，工序用能调节潜力大，是灵活性较好的电网需求侧资源之一。特别是短流程炼钢用户，其炼钢工序采用大功率电弧炉设备，调节潜力较大。短流程炼钢生产工序涉及的能耗设备功率大、种类多，用能特性复杂，如电弧炉需要频繁启停加料，轧钢机每轧一次钢坯就产生一定的冲击功率，各工序用能特性差异大，调节特性也不同。对短流程炼钢用户而言，其调节特性与工序流程紧密关联。基于工序用能可调，通过对短流程炼钢用户的工序负荷进行平移或削减，提高其参与电网调节的稳定性和灵活性，为新能源的接入和面向电网的需求侧响应技术提供支撑。

2、短流程炼钢用户与电网的供需互动系统建设尚处于起始阶段，亟需开展深入研究，为钢铁工业负荷参与电网互动调节提供技术基础。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑工序负荷分类的短流程炼钢用户用电调节能力评估方法及系统，其建立考虑工序负荷分类的短流程炼钢用户用电调节能力评估模型，通过该评估模型实现对短流程炼钢用户用电调节能力的准确评估。

2、本发明采用如下的一种技术方案：一种短流程炼钢用户用电调节能力评估方法，其包括：

3、步骤1，建立短流程炼钢用户生产流程等效模型；

4、步骤2，对短流程炼钢用户工序的能耗及运行特性进行分析，并进行工序负荷分类；

5、步骤3，建立考虑工序负荷分类的短流程炼钢用户用电调节能力评估模型，该模型以某一时段内短流程炼钢用户用电调节能力最大为目标函数，调节能力以考虑工序可调后短流程炼钢用户对外的购电功率与按生产计划生产时所预测的短流程炼钢用户对外的购电功率之差表征。

6、本发明基于生产工序的能耗与运行特征，对考虑过程工艺的短流程炼钢用户进行工序负荷分类，并建立考虑工序用能可调的用电调节能力评估模型，实现对短流程炼钢用户用电调节能力的评估。

7、本发明所建的评估模型为混合整数线性优化模型，可通过调用商业求解器gurobi等求解。

8、进一步地，所述的短流程炼钢用户生产流程等效模型包括电弧炉炼钢工序、轧钢工序和设在前两个工序之间的缓冲区，所述的缓冲区用于暂存钢水，考虑电和热两种能源；电弧炉工序及轧钢工序均有余热可回收，轧钢工序的热来源为煤或天然气，考虑煤及天然气消耗不受限，对调节能力无影响；由电源供电给电弧炉炼钢工序、轧钢工序和缓冲区。

9、更进一步地，所述的短流程炼钢用户生产流程等效模型，以物料流向为导向，能量流与物料流集成集合如下：

10、(1)

11、其中，表示能量流与物料流集成集合；为对外的购电功率；为余热发电装置的输出电功率；、、分别为电弧炉炼钢工序、缓冲区及轧钢工序的电功率；、分别为电弧炉炼钢工序、轧钢工序的可回收热功率；为余热发电装置的输入热功率，等于与之和；为原料输入量；为电弧炉炼钢工序的物料输出量；为缓冲区的物料输出量；为轧钢工序的物料输出量，即最终的成品输出量； t表示矩阵转置。

12、进一步地，根据能耗设备对电网产生不同时间尺度的冲击进行工序负荷分类，将短流程炼钢用户工序负荷分为间歇性冲击负荷、持续性冲击负荷以及稳定负荷；所述的间歇性冲击负荷为电弧炉炼钢工序，具有小时级可调特性；所述的持续性冲击负荷为轧钢工序，具有分钟级可调特性；稳定负荷为照明设备及传输装置，具有日级可调特性。

13、进一步地，所述的目标函数如下式所示：

14、(2)

15、其中，为考虑工序可调后短流程炼钢用户时刻对外的购电功率；为按生产计划生产时所预测的短流程炼钢用户时刻对外的购电功率； t1为整个生产周期。

16、进一步地，步骤3还包括：建立考虑工序用能可调的约束条件；所述的约束条件包括可调工序的操作运行约束、工序耦合约束、缓冲区库存约束、生产计划目标约束以及生产过程能量守恒约束。

17、更进一步地，所述可调工序的操作运行约束为电弧炉炼钢工序的操作约束和轧钢工序的操作约束；

18、所述电弧炉炼钢工序的操作约束如下：

19、(3)

20、(4)

21、其中，为电弧炉炼钢工序在运行周期内的时间刻度数；为0-1变量，下标 sub1表示电弧炉炼钢工序；当时，表示时刻电弧炉炼钢工序处于非工作状态，能耗和物料输出为0；当时，表示时刻电弧炉炼钢工序处于正常工作状态；为电弧炉炼钢工序的工作状态矩阵；为短流程炼钢用户的能量流与物料流集成集合；为考虑电弧炉操作变化工作状态后短流程炼钢用户的能量流与物料流集成集合；

22、电弧炉炼钢工序的调节次数约束如下：

23、(5)

24、其中，为电弧炉最大允许调节次数；

25、所述轧钢工序的操作约束如下：

26、(6)

27、(7)

28、其中，为轧钢工序在运行周期内的时间刻度数；为0-1变量，下标 sub3表示轧钢工序；当时，表示时刻轧钢工序处于非工作状态，能耗和物料输出为0；当时，表示时刻轧钢工序处于正常工作状态；为轧钢工序的工作状态矩阵；为考虑轧钢工序操作变化工作状态后短流程炼钢用户的能量流与物料流集成集合；

29、轧钢工序的调节次数约束如下：

30、(8)

31、其中，为轧钢工序最大允许调节次数；

32、对于电弧炉炼钢工序和轧钢工序调节时间尺度不同这一问题，通过以下约束实现时间尺度协调：取与实际相近的轧钢工序调节时间尺度为基准值，电弧炉炼钢工序的调节时间尺度取与实际相近且为轧钢工序调节时间尺度的整数倍，即电弧炉在一定整数倍的轧钢工序调节时间尺度内处于同一工作状态，约束如下：

33、(9)

34、其中，为正整数。

35、更进一步地，所述的工序耦合约束如下：

36、所述电弧炉炼钢工序涉及电热两种能源，建立其工序耦合约束如下：

37、(10)

38、式中，表示维度为4×2的零矩阵；、、分别表示电弧炉炼钢工序单位物料输出对应的电耗量、余热回收量、原料消耗量；

39、所述轧钢工序耦合约束为：

40、(11)

41、其中，为能源转换系数矩阵；、、分别表示轧钢工序单位物料输出对应的电耗量、余热回收量、物料消耗量；为能源消耗和生产之间线性关系中的常数项；、、表示维度为4×4、4×1、4×3的零矩阵；

42、所述的缓冲区库存约束如下：

43、对于缓冲区，时刻的库存容量等于时刻的容量加上时刻的物料输入量，再减去时刻的物料输出量，而由于容量存在上下限，其约束如下所示：

44、(12)

45、(13)

46、其中，为时刻缓冲区的物料库存量；、分别为缓冲区的物料库存的上、下限；为时刻电弧炉炼钢工序的物料输出量，即缓冲区的物料输入量；为时刻缓冲区的物料输出量；

47、所述的生产计划目标约束如下：

48、在整个生产周期内，必须满足计划的总产量，约束如下：

49、(14)

50、其中，为时刻轧钢工序的成品输出量；为整个生产周期内的计划生产总量。

51、更进一步地，所述的生产过程能量守恒约束如下：

52、对于整个系统的电功率和热功率，每时每刻都应保持平衡，其平衡约束如下：

53、(15)

54、(16)

55、(17)

56、其中，、分别为时刻电弧炉炼钢工序、轧钢工序可回收热功率；为时刻余热发电装置消耗的总热功率；为余热发电装置的热电转换效率；为时刻余热发电装置的输出电功率；为时刻对外的购电功率；、、分别为时刻电弧炉炼钢工序、缓冲区以及轧钢工序的电功率。

57、本发明采用的另一种技术方案为：一种短流程炼钢用户用电调节能力评估系统，其包括：

58、等效模型建立单元：用于建立短流程炼钢用户生产流程等效模型；

59、工序负荷分类单元：对短流程炼钢用户工序的能耗及运行特性进行分析，并进行工序负荷分类；

60、评估模型建立单元：建立考虑工序负荷分类的短流程炼钢用户用电调节能力评估模型，该模型以某一时段内短流程炼钢用户用电调节能力最大为目标函数，调节能力以考虑工序可调后短流程炼钢用户对外的购电功率与按生产计划生产时所预测的短流程炼钢用户对外的购电功率之差表征。

61、本发明具有的有益效果如下：本发明基于短流程炼钢用户生产流程等效模型，考虑工序用能可调，综合工序耦合、安全运行及工序调节约束等，对短流程炼钢用户的用电调节能力进行准确评估。本发明旨在加强短流程炼钢用户参与电网需求响应的能力，在增大电网灵活调节能力的同时保障短流程炼钢用户的生产计划和生产安全。此外，本发明也适用于长流程炼钢用户的炼钢及后续工序的用电调节能力评估。