科技新进展：冶金企业电网“数智孪生+源网荷储”双轮驱动：能效提升与智能运维技术及应用

一、研究的背景与问题

在当前市场环境变化、需求总量下降的形势下，传统冶金企业的高能耗、复杂现场环境、电力保供压力大、人才培养周期长、企业电网复杂等痛点被急剧放大。若不改变则面临淘汰，冶金企业电网管理走向智能化成为应对挑战与机遇的必由之路。南钢2023年前有2座220kV变电站、5座110kV变电站、130多座6kV及以上配电房，配置自发电总装机容量49.3万kW，最大用电负荷约为85万kW，年使用电量约58亿kWh。为解决用电负荷集中于220kV五号总降压变电所（简称五总降），且大小发电机组和同步电动机全部并网在五总降，导致五总降10千伏系统短路电流接近开关开断容量的极限等问题。由于历史缘由，南钢电网极为复杂，运维管控难度大，存在一些行业电网共性的难点痛点，主要表现在：（1）电网网架不合理；（2）缺乏有效管控手段；（3）运行风险大；（4）生产变化和检修的不确定性等因素导致负荷预测和调控难度大；（5）应急处置、电力决策缺乏有效支撑，决策难度比较大；（6）复合型专业技术人员严重不足。

二、解决问题的思路与技术方案

基于南钢电网的痛点，结合系统内智能电网的建设情况，项目组拟通过解决南钢问题，找到一个业内的普适性解决方案。

1、2023年后新建六降220kV智能站所，自建55MWh分布式屋顶光伏，61MW/123MWh的储能电站，利用源网荷储优化电网网架结构，调整发变配电。

2、一切业务数字化，建立人与物理工厂的价值链接，推进智能站所的建设。

3、一切数字业务化，构建了电力数据中心、决策中心、应急中心、控制中心，为智能调度提供支撑，旨在实现电网的安全、灵活、经济运行，对企业电网进行优化管控。

4、通过智能电网整体架构的搭建和实施，应用电力集控、源网荷储协调控制、高级应用、数字孪生、DTS仿真等功能，实现对冶金企业电网全面监测、优化和管控。

基于以上总体规划，企业以电网稳定、能效提升、智能运维、智能决策为抓手，聚焦核心需求，主要应用以下智能电网创新技术进行提升：

1、建立多种能源结构互补，以新建220kV六总降智能变电站为负荷中心的企业电网新架构，为能效提升、稳定运行提供了基础保障；

2、建立规范、高效、智能化的主辅一体化平台，实现主控辅控智能化管控；

3、采用AI技术、智能预警实现企业无人站所的安全运行；

4、通过人工智能、多模型融合的技术进行负荷预测，负荷响应；

5、利用源网荷储、智能应急等技术建立电力模型，实现智能调度。

三、主要创新性成果

本项目聚焦冶金企业电网智能化转型，攻克了全景可视难、数据互通难、故障诊断难、应急决策难、协同管控难五大行业共性难题，形成一套具有自主知识产权的“感-传-智-控”一体化智能电网解决方案。

1、面向南钢电网全景交互的视频融合一体化动态孪生建模技术

针对离散布局导致的可视化难题，首创视频融合一体化动态孪生建模技术。通过视频流智能切片、参数化三维重建及反馈控制点云分割，实现了视频与三维模型的深度耦合与毫秒级同步，支持万级节点场景快速加载与模型自动重构，解决了传统数字模型更新滞后的痛点。

（1）复杂场景多源视频流时空智能切片及瓦片化融合建模方法，该方法突破传统视频监控的时空割裂局限，加快了模型生成速度，形成设备运行状态与物理空间耦合的实时数字镜像。该方法实现了无级数字孪生同步，实现视频流与三维模型实时同步融合（延迟约93毫秒），支持不低于128路1080P视频同时接入与处理，显著提升了复杂工况下的可视化效率。

（2）动态拓扑感知驱动的情境自适应三维模型自动生成工具链，该方法减少了95%以上的用户交互操作，建立设备级与系统级双维度拓扑演化机制，实现电网拓扑结构变化时的孪生模型自动重构。在设备元器件级别建模精度下，500节点规模区域场景电气网络拓扑变化自动识别准确率超过97%，全景三维可视化模型准确重构时间在1.4秒以内。

（3）面向南钢电网多场景自适应切换的高效孪生建模引擎，经多个场景实践验证，该引擎在多路视频接入与模型融合的高负载情况下，支持1万规模设备节点场景，首次加载时间不超过5秒，实现精确到设备元器件级别建模的模型精细度，交互响应时间小于30毫秒。

2、电气主辅设备多域时空异步数据的跨安全区一致映射技术

研发跨安全区一致映射技术，打通主辅系统数据壁垒，实现安全互通。结合无人巡检路径优化与机器人震动抑制技术，实现高效智能运维。平台使紧急停电事故率降低超68%，供电可靠性提升超83%。

（1）异构主辅设备数据的时空源权全生命周期一致化映射模型。该模型将主辅系统多源异构数据在物理空间与数字空间实现精准映射，实现在10000数据点并行环境下的数据一致性超过99.9%，设备全生命周期各阶段关键数据映射率超过96%。

（2）虚实映射图谱驱动的跨安全区多域数据可信双向传输机制。在以电气主辅设备为中心的数据一致化映射模型基础上，构建了生产运行与信息管理之间的整体虚实映射图谱。发明的加密代理通道内应用层协议检测方法使得系统能够精准识别代理的应用层协议类型，协议识别准确率超99%。发明的代理大语言模型会话属性推断技术实现了对指令会话的精确监测，大大增强了跨安全区智能应用的安全性。生产管理大区向信息管理大区传输延迟平均约43毫秒，信息管理大区向生产管理大区传输延迟平均约141毫秒，为生产运行的实时运维和设备状态监测提供了可靠支撑。

（3）多协议自适应兼容的南钢电气主辅系统数据同步系统。基于一致化映射模型和虚实映射图谱驱动的跨安全区数据传输机制，研制了多协议自适应兼容的南钢电气主辅系统数据同步系统。同时，系统充分兼容CIM/E等26种主流工业协议，结合加密代理通道内应用层协议检测技术，自适应选择最优传输路径和模式，协议转换成功率超99%，非合规数据通信行为检出率超98%，确保了生产区与管理区之间的双向数据高效流动和实时同步，在典型南钢应用场景下实现了每日平均超2300万条跨区域数据的安全流转。

3、南钢生产工艺知识增强的故障智能定位及设备健康管理技术

一是构建告警-工艺-设备多级因果链模型，实现故障快速溯源，典型故障定位准确率超97%，复杂故障定位时间缩短70%以上。二是集成电场耦合局放检测、特高频、超声相控阵等多模态感知手段，攻克了电缆隐蔽缺陷检测等难题，实现了关键设备全周期健康管理，对15类渐变故障的预警提前量超18天，准确率超96%。三是构建了专用诊断模型与场景化微调语言模型内联的端到端分析系统，实现了从自然语言查询到自动分析与报告生成的智能诊断，需求理解准确率达96%，故障查询响应准确率超98%，电缆绝缘故障预警时间提前41%，监测成本降低62%。

4、基于多源信息融合的电网故障智能辅助决策技术

从电网运行管理视角出发，构建了一个覆盖“事前监测-事中处置-事后评估-反馈提升”全流程的电网故障处置决策闭环体系。用于持续优化诊断规则、处置策略、运行方式优化，全面提升电网的安全韧性与运营效率。

（1）融合推理验证和可信优化的故障诊断模型。该模型运用高精度故障特征分析算法与量测特征量多维度判别技术，对海量的故障、告警、录波信息进行深度特征提取与因果关联验证，精准识别出导致开关跳闸的真实有效信号，从信息源头过滤干扰，解决了传统人工研判中信息过载导致的“误判、漏判”难题。

（2）基于知识图谱与潮流校验的故障预案在线生成与校验技术。提出了一种将知识图谱与路径搜索相结合的故障处置预案在线生成及校验方法。在准确诊断故障并划定停电区域后，系统以“最少操作开关”为优先原则，自动搜索停电区域与带电区域之间所有可操作的联络断路器，形成初步的转供电恢复路径集合。

（3）全流程电网故障处置决策体系。由事故诊断模型、电网故障设备定位、停电范围分析等六个模块组成。其中事故诊断专家规则库是电网故障设备推理的基础。模型覆盖6kV-220kV所有电压等级故障信息处理的全过程，故障定位准确率≥99%，处置预案生成时间<10秒。

5、“感-传-智-控”多层协同的南钢电气主辅一体化智能运维平台

针对南钢电气系统层级庞大引发的协同管控难题，创新性地构建了“感、传、智、控”多层协同的智能运维平台。

（1）跨安全域的零信任协同管控技术。该技术构建了基于行为特征的动态信任评估机制，通过内置的可信计算环境，支持智能模型的安全调用与运维策略的可信分发。跨域业务流程处理时间比传统方式减少超85%，大幅提升了跨安全域业务协同效率。

（2）极端工况下的弹性容灾调度技术。在应急场景下，可快速启动差异化容灾方案，保障关键负载的精准供电，显著增强了南钢电气系统的应急处置能力，5类极端工况下核心功能平均恢复时间在13分钟以内。

（3）多场景自适应的主辅一体化运维平台。通过构建多层级安全防护体系，为复杂工况下的智能运维提供安全保障，在实际应用中，供电可靠性提升超83%，加速了南钢电气系统的智能化升级。

四、应用情况与效果

该项目主体功能自2023年10月在南钢上线以来，总降集控人员从55人管4站优化至22人管9站，人效提升82%。该项目已应用到全厂9个总降、33台主变、高压GIS设备等设备，合计应用320个预测模型健康状态评估与预警，电网短路故障率较之前下降83%。应急处置由原来的人预案变成10s定位故障，自动推送处置方案，预案100%可预演。通过降低电能损耗、增加绿色能源利用率，能源环保效益突出，年减碳约52万吨。通过储能调控和余热余压发电，年可实现“削峰填谷”转移高峰用电约8000千瓦时。依托优化调度光伏绿电、储能削峰填谷模型、峰谷套利模型、需量控制模型等技术措施，项目在2023至2025年两年期内，预计实现综合经济效益21006万元，带来显著运营降本。

信息来源：南京钢铁股份有限公司