火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究

1、南京理工大學碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究姓名：陸信剛申請學位級別：碩士專業(yè)：電氣工程指導教師：都洪基;劉義成20060501摘要提高機組的經濟性，降低成本，是火電廠實行“競價上網”所面臨的迫切任務，所以在電廠各發(fā)電機組間實行機組負荷優(yōu)化分配，提高運行效率，降低生產成本意義重大。本文在大量研究國內外文獻的基礎上，進行了以下幾項工作：論文首先介紹了機組煤耗數據的采集、處理方法，并采用多項式擬合的方法求取了機組煤耗特性曲線；根據機組運行方式的不同，分別建立了相應的負荷優(yōu)化分配模型，并對模型的建立依據，選擇規(guī)則進行了詳細闡述：在分析多種優(yōu)化算法的基礎上。在綜合考慮各種優(yōu)化方法的基礎上，

2、對并列運行機組間實時負荷分配的優(yōu)化算法作出分析，并對等微增率法和動態(tài)規(guī)劃法作了詳細研究，分析研究了多種優(yōu)化算法，詳細介紹了遺傳算法在機組組合方面的應用，并介紹了現代智能算法一免疫優(yōu)化算法及蟻群算法在機組優(yōu)化組合方面的應用：考慮機組優(yōu)化組合問題中的各種約束條件，對傳統(tǒng)的遺傳算法作了改進，用改進后的算法作為優(yōu)化求解方法應用于負荷調度研究，利用具箱進行仿真，對算例進行優(yōu)化運算，通過仿真分析選取最優(yōu)方案。關鍵詞：機組負荷優(yōu)化調度等微增率法動態(tài)規(guī)劃法遺傳算法免疫算法蟻群算法圮，“，一，：，聲明本學位論文是我在導師的指導下取得的研究成果，盡我所知，在本學位論文中，除了加以標注和致謝的部分外，不包含其他人已

3、經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構的學位或學歷而使用過的材料。與我一同工作的同事對本學位論文做出的貢獻均已在論文中作了明確的說明。研究生簽名：幽畏嘭月自學位論文使用授權聲明南京理工大學有權保存本學位論文的電子和紙質文檔，可以借閱或上網公布本學位論文的全部或部分內容，可以向有關部門或機構送交并授權其保存、借閱或上網公布本學位論文的全部或部分內容。對于保密論文，按保密的有關規(guī)定和程序處理。研究生簽名：丑幽酈年，月，日工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究引言課題研究的背景及意義國民經濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求發(fā)電企業(yè)節(jié)約能源電力作為二次能源，其發(fā)展需要充足的一次能源作為支撐

4、，在環(huán)境上也要付出代價。我國雖然幅員遼闊，自然資源總量上較為豐富，但人均資源嚴重匾乏，且分布極不均衡，資源開發(fā)強度大，后備資源普遍不足，加上長期以來在資源開發(fā)利用方面存在的浪費大、破壞嚴重等問題，使國民經濟的高速發(fā)展付出了沉重的資源和代價自然資源的相對匱乏和工業(yè)化帶來的環(huán)境污染，將嚴重制約著我國經濟發(fā)展目標的實現和子孫后代的長遠利益。以往那種粗放式的增長方式已經難以為繼，必須堅定不移地貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，毫不動搖地走新興工業(yè)化道路。火力發(fā)電是一個資源消耗巨大的產業(yè)，我國目前的燃煤機組占全國裝機總容量的，對不可再生的煤炭資源消耗巨大，每年消耗的煤炭占全國煤炭消耗量一半以上。因此通過優(yōu)化火力發(fā)電機

5、組的運行，最大限度地節(jié)約煤炭資源的消耗，從而使可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略真正落到實處，使我國有限的資源得以長久永續(xù)利用，保證資源安全，以最小的資源和環(huán)境代價實現國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展具有要的社會意義。電力工業(yè)市場化改革要求發(fā)電企業(yè)降低運行成本傳統(tǒng)上屬于壟斷行業(yè)的電力工業(yè)，在全球范圍內正經歷著一場深刻的體制變革，即電力工業(yè)的重組（。年代初，美國出現獨立發(fā)電企業(yè)，開始引入競爭機制。到年代后期，英國率先改革電力體制，解除了對電力企業(yè)的管制（），實現廠網分開，高壓輸電與低壓配電分開，在發(fā)電環(huán)節(jié)引入競爭機制，不屬于國有電力公司的發(fā)電廠商和私營的發(fā)電公司紛紛出現。這些發(fā)電廠商和發(fā)電公司不擁有輸電網，他們之間通過競價上

6、網出售電力。發(fā)達國家的電力改革取得了重大成功，并不斷地在世界上其他國家蔓延開來，從年代開始，在世界范圍內更是掀起了電力體制改革地浪潮。世界各國的電力改革的集體措施不同，但總的趨勢是引入及競爭機制，培育電力市場。長期以來，我國實行電力壟斷經營的體制。在這種體制下，發(fā)、輸、配、售集于一體，多數電廠與電網屬于利益共同體。這種體制與傳統(tǒng)的計劃經濟模式是基本適應的。然而隨著社會主義市場經濟體制的建立和發(fā)展，電力發(fā)展的體制性弊端日益明顯，尤其是“九五”以來，隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，供需形勢出現了新的變化，發(fā)、輸、配、送一體化壟斷經營電力體制的缺陷越來越突第頁共頁引言工程碩士學位論文出。在電力體制改革的逐步

7、實施的形勢下，電力企業(yè)的思維模式、工作方法、管理體制都面臨著新的考驗，競爭將更加激烈。隨著電力市場的逐步建立，商業(yè)運營己成為我國電力企業(yè)改革的主要方向。以“廠網分開，競價上網”為主要內容，“以打破壟斷，以引入競爭，降低成本，實現資源優(yōu)化配置”為重要目標的電力體制市場化改革己經進入實施階段，本著建立市場化競爭的原則，由原來國家電力公司一家經營的發(fā)、輸、配、送，到電廠和電網的逐步剝離，再到五大發(fā)電公司的成立，市場主體多元化的新格局己初步形成。逐步揭開了發(fā)電廠商破除壟斷經營，實現競價上網，實現發(fā)電廠側競爭的序幕。這是一場意義重大而影響深遠的改革舉措，它對電力系統(tǒng)的生產，運行調度等都提出了新的要求。改

8、革使我國電力工業(yè)發(fā)生了多方面的變化：一是市場主體由原來的一家變成了多個主體；二是資源配置由原來的以計劃為主逐步走向以市場配置資源為基礎：三是政府管理由原來主要依靠行政手段正在轉向依法監(jiān)管。這些變化為電力工業(yè)的快速發(fā)展無疑帶來了新的機遇。電價結構也發(fā)生了重要變化，即由原來的單一定價變成“兩部分疊加”：一部分是竟價形成的上網電價，一部分是國家嚴格核定的輸配電價，由于上網電價的出現，電價會由此而浮動，對于發(fā)電廠的生產追求更高效益的影響還是很積極的。建立電力市場的目的是在電力工業(yè)內引入競爭機制，通過競爭提高發(fā)電廠的市場效率，降低發(fā)電成本。通過公平競爭可以使可用電力增加，電費下降，促進經濟發(fā)展，將會給全

9、社會帶來巨大的經濟效益和社會效益。在傳統(tǒng)的電網統(tǒng)一調度運行模式下，機組發(fā)電計劃由電網調度中心確定，電廠的自主權很小而在電力市場運行體制下，獨立法人的電廠和發(fā)電公司成為電力市場的主角，電網則電力交易的場所，各發(fā)電公司按電價競爭上網。電力市場交易管理系統(tǒng)根據電價高低確定各個電廠的市場份額，各發(fā)電公司可以根據自己的發(fā)電份額較為自主地安排廠內機組地發(fā)電計劃。此時，如何根據競爭所得到的發(fā)電指標確定廠內機組組合和負荷分配，使電廠機組實現優(yōu)化調度基礎上的優(yōu)化運行，以減少總體的能源消耗，獲取最大利潤，對于處于市場化運行的發(fā)電公司來說，更顯得十分重要。課題簡介及國內外研究現狀電廠負荷優(yōu)化調度包括兩個方面：一是負

10、實時負荷優(yōu)化分配問題，又稱負荷的優(yōu)化組合。負荷實時負荷優(yōu)化分配主要是基于等微增率法、動態(tài)規(guī)劃法，在某個全廠總負荷下，尋求瞬時并列機組的最優(yōu)負荷分配，并沒有考慮機組啟停限制及啟停耗量，所確定的組合方案是在某一時段上各機組運行耗量最小。第頁共頁工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究二是機組的優(yōu)化組合，又稱優(yōu)化啟停問題。優(yōu)化啟停是應用網絡規(guī)劃法確定各臺機組在一個調度周期中各時段上運行的優(yōu)化闖題，它不僅考慮了機組運行耗量，而且計及機組啟停耗量，同時可滿足機組啟停的限制等。等微增率原理的應用則不僅是優(yōu)化分配的基礎，而且也是優(yōu)化組合和優(yōu)化啟停所必需的，因為在確定了優(yōu)化組合和優(yōu)化啟停方案后，全廠總

11、負荷如何分配至要求運行的某些臺機組，仍然應由等微增率原理來確定。長期以來，以古典變分原理為基礎的等微增率法和協調方程式法普遍應用于指導電力系統(tǒng)的經濟運行。電力系統(tǒng)中負荷經濟調度主要就是采用該方法。隨著優(yōu)化算法的發(fā)展，陸續(xù)又有線性規(guī)劃法、神經網絡法、動態(tài)規(guī)劃法、模糊決策、模擬退火法、遺傳算法等應用于該領域的理論研究。其應用多面向電力調度側，而直接以電廠為單位，指導生產，根據機組運行狀況分配負荷，以提高電廠自主控制經濟性方面的研究目前正成為許多科研機構和高校的發(fā)展方向。目前國內有相關的一些科研單位和科研院所在開發(fā)電廠實時監(jiān)控和能耗分析系統(tǒng)的過程中，也注意在朝相關的方向上進行研究。上海新華電站開發(fā)的

12、廠級實時監(jiān)控信息系統(tǒng)從廠級管理的高度對各機組運行工況進行監(jiān)視、分析和判斷，并做出決策，指揮機組運行。廠級負荷自動分配系統(tǒng)經通訊接口站接收電網中調負荷指令，依據本廠各機組運行狀態(tài)。自動對機組的負荷分配進行優(yōu)化、管理，及動態(tài)負荷最優(yōu)配置，并向各單元機組發(fā)出給定負荷指令，以求得到最佳的電力生產安全性及經濟效益。此外，東北大學自動化研究所開發(fā)的火力發(fā)電廠經濟運行決策支持系統(tǒng)，含有輔機優(yōu)化運行分配輔助決策部分。國外有許多公司和研究機構，在電廠經濟性能監(jiān)測診斷方面作了大量研究，如美國的電力研究院（），公司、西屋公司、日本的東芝電氣、日立、歐洲的法國電力部（），瑞士的，德國的西門子公司、丹麥的公司等，均有較

13、完善的經濟性能監(jiān)測系統(tǒng)，但是在此基礎上對發(fā)電側機組間負荷分配方面涉及不多。最優(yōu)化技術是研究和解決最優(yōu)化問題的一門學科。它研究和解決如何在一切可能的方案中尋求最優(yōu)的方案。換言之，最優(yōu)化技術研究和解決兩大類問題：如何將最優(yōu)化問題表示成數學模型：如何根據數學模型。求出其最優(yōu)解。常用的求解方法有等微增率法、整數規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法、模擬退火法、人工神經網絡法、遺傳算法等。等微增率法（）是在計算過程中以目標函數對各負荷變量的一階偏導數相等為原則，直接求出各負荷值，然后檢驗是否滿足約束條件，若不滿足，再用迭代法進行修正，直到所有的解滿足約束條第頁共頁引言工程碩士學位論文件為止。但是由于等微增率法建立在古典變

14、分原理基礎上，為了達到系統(tǒng)標準煤耗最小，要求總媒耗目標函數為嚴格凸函數，即各機組的煤耗、煤耗微增率曲線要為單調遞增且可微的；同時，由于對微增率曲線有嚴格的精度要求，在計算處理過程中則有可能出現失真的情況。這兩點在一定程度上影響了等微增率法的可信度?；旌险麛狄?guī)劃法（）是變量中既有整數又有非整數的數學規(guī)劃問題，根據除整型變量以外的其他變量函數類型，可分為線性混合整數規(guī)劃和非線性混合整數規(guī)劃?；旌险麛狄?guī)劃法比較復雜，不直觀，對實際系統(tǒng)直接使用計算量太大必須要精心構思分解，它在機組負荷優(yōu)化問題中實用化的成果不多。動態(tài)規(guī)劃法（）是研究多階段決策過程最優(yōu)解的一種有效方法。所謂多階段決策過程是指按時間或空間

15、順序，將問題分解為若干互相聯系的階段，依次對它每一階段做出決策，最后獲得整個過程的最優(yōu)解。動態(tài)規(guī)劃方法能把一個多階段最優(yōu)決策問題根據貝爾曼（）的最優(yōu)化問題變換成一系列單階段最優(yōu)決策問題來求解，這樣就大大減少了工作量，對指標函數求極值問題大為簡化，而且一旦找到最優(yōu)決策序列，就是全局最優(yōu)解。它的收斂性能優(yōu)良、結果穩(wěn)定，在實際系統(tǒng)中得到廣泛應用。動態(tài)規(guī)劃法的缺陷是：對機組較多的電力系統(tǒng)計算量太大，必須采用近似方法加以簡化。則不可避免的要丟失最優(yōu)解：要求求解的問題具有明顯的階段性，難于考慮與時間有關的約束條件和機組功率變化速率等限制；通盤考慮整個系統(tǒng)的問題時，使用起來不夠靈活。神經網絡（）優(yōu)化計算方法

16、的主要思想是：利用非線性大規(guī)模動力系統(tǒng)的特征，將優(yōu)化計算問題映射為神經網絡的動態(tài)演化過程，這時優(yōu)化問題的目標函數就被映射為神經網絡的能量函數。由于神經網絡能量函數的極小點對應于系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點，于是求解能量函數極小點變換成求解系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點。任意給定系統(tǒng)一個初始狀態(tài)，隨著時間的演化，網絡的運動軌道總是在相空間中朝著能量函數減小的方向運動，最終達到系統(tǒng)的平衡點。這樣，優(yōu)化問題也就在網絡系統(tǒng)的演化中悄悄完成了。神經網絡優(yōu)化方法是一種比較新的優(yōu)化方法，在許多領域得到了充分利用，但其美中不足的是在優(yōu)化過程中，其最優(yōu)解容易陷入局部最優(yōu)的循環(huán)中從而影響了優(yōu)化結果的優(yōu)良性。遺傳算法（）是一種在思想上和方法

17、上都很新的全局搜索優(yōu)化方法，以其簡單通用、方法靈活、魯棒性強、適合于并行處理和適應性好等特點，在人工智能、系統(tǒng)工程和經濟管理等各個領域都得到了廣泛的運用。算法本身不要求對優(yōu)化問題的性質作深入的數學分析，這為不太熟悉數學分析第頁共頁工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問廈的研究和算法的科研人員使用該方法帶來了很大方便。遺傳算法也有缺點：）遺傳算法本質上屬于無約束優(yōu)化算法，如何處理好約束將在很大程度上影響算法的效率；）由于遺傳算法仍屬于隨機優(yōu)化算法，不能保證得到全局最優(yōu)解，計算量大，所需時間長。對于這種算法應考慮防止早熟，加快收斂速度，采用適合的方法處理約束條件。因此需要對其進行改進。目前，隨著

18、負荷優(yōu)化調度研究的深入，又出現了更新的智能仿生算法，如免疫優(yōu)化算法，蟻群算法等等。它們在負荷優(yōu)化分配方面有廣闊的應用前景。免疫算法（）具有快速隨機的全局搜索能力，但對于系統(tǒng)中的反饋信息利用不足，當求解到一定范圍時往往做大量無為的冗余迭代，求解效率低。蟻群算法（）具有分布式并行全局搜索能力，但由于初期信息素匱乏，致使求解速度緩慢。但他們顯然都優(yōu)于遺傳算法。若能將這兩種算法相結合，取長補短，將會得到更好的效果。論文所傲的主要工作以往各文獻中提出的火電機組負荷分配的數學模型只是以供電煤耗作為目標函數，僅僅考慮到電廠內部的純負荷分配，而沒有考慮到機組參與運行時，轉子的疲勞壽命損耗、啟停過程的能量損失以

19、及點火助燃用油量諸因素，因此，所得優(yōu)化方案并不能使電網的經濟運行達到最佳值。隨著電廠設備的不斷更新，發(fā)電技術的不斷進步，機組的變更與增減，在負荷分配優(yōu)化的研究課題中需要考慮的因素越來越多，所建立的數學模型也越來越復雜，因此關于這課題的研究也從未間斷過在以往研究和建立的火電機組調峰負荷分配優(yōu)化的數學模型的基礎上，本文以電廠熟力試驗數據及實時數據采集系統(tǒng)獲得的電廠生產數據為基礎和前提，在得到單元機組能耗運行特性基礎上，以各型機組的供電煤耗特性、啟停過程的能量損失以及點火助燃用油量諸因素作為優(yōu)化條件，對各型機組的啟停和最佳負荷分配進行統(tǒng)一優(yōu)化，建立優(yōu)化數學模型和軟件，提出不同條件下的啟停和負荷分配優(yōu)

20、化方案，為生產提供科學的指導，并為在線自動化系統(tǒng)打下理論和技術基礎。本文主要進行以下工作：、確定能耗特性曲線：負荷優(yōu)化分配的基礎是機組的能耗特性曲線。隨著電廠運行水平的提高，有相當的電廠投入了在線經濟性能監(jiān)測軟件，將得到的煤耗值通過多項式擬合便可得到機組能耗特性函數和曲線，這為負荷在線分配提供了基礎。由于煤耗特性曲線在一定時間段內基本保持不變，因此也可以將歷史數據進行離線擬合，得到煤耗曲線。、建立負荷優(yōu)化分配分析模型：以單元機組為研究對象，應用優(yōu)化方法建第頁共頁引言工程碩士學位論文立負荷優(yōu)化機組的耳標函數及對應的約束方程，計算過程中考慮機組出力上下限及系統(tǒng)負荷需求限制。、在綜合考慮各種優(yōu)化方法

21、的基礎上，對并列運行機組間實時負荷分配的優(yōu)化算法作出分析，簡單介紹了早期的等微增率法、動態(tài)規(guī)劃法等優(yōu)化算法，詳細介紹了現代智能算法在負荷優(yōu)化分配當中的應用。、考慮機組優(yōu)化組合問題中的各種約束條件，對傳統(tǒng)的遺傳算法作了改進，用改進后的算法作為優(yōu)化求解方法應用于負荷調度研究，利用具軟件編制優(yōu)化計算程序，對算例進行優(yōu)化運算，通過仿真分析選取最優(yōu)方案。并對免疫算法、蟻群優(yōu)化算法和遺傳算法迸行了比較。第頁共頁工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究機組負荷優(yōu)化調度模型負荷優(yōu)化分配是電廠經濟運行的一項很重要的工作，目的是為了尋求各機組之間怎樣分配負荷才能使電廠，甚至電網的能源消耗量最小，負荷分配的

22、原理具有普遍性。以往基于電網調度的負荷分配，優(yōu)化指標選取有較多方案：標準煤耗量、熱耗量、供電成本。電能生產衡量的經濟指標通常是標準煤耗量；為便于對不同類型的機組進行比較，也采用熱耗量作為檢驗電廠經濟性的指標；為反映電廠生產條件不同、廠址離煤礦、離用電負荷距離差異、輸電及燃煤價格差別，在相同標準煤耗時，經濟效益也是有差距的，因而有的采用以供電成本代替發(fā)電成本作為衡量電廠經濟性的指標。其中，通常采用供電成本作為目標函數進行優(yōu)化最能反映出對應于電網調度時全網經濟性能最優(yōu)的特征。但是成本中除了考慮煤耗費用外，還需考慮固有設備費用或設備折舊費，勞動力費用或運行費用。一般狀況下，這些因素由于受到物價等影響

23、而較難考慮?，F有報價決策系統(tǒng)中，既是以此為指標進行分析的。由于本課題是基于機組侗性能優(yōu)劣而進行負荷優(yōu)化分配研究，以求達到機組能源消耗量總和為最小，因此采用單元機組標準煤耗量作為基礎函數，電廠機組煤耗總量為目標函數。單元機組煤耗特性曲線數據擬合所要解決的問題在科學研究和工程技術問題中，常常需要研究變量與變量之間的關系，這類關系可以分為確定性關系和非確定性關系。所謂確定性關系，是指變量之間的關系可由各種各樣的算子方程描述，也即存在完全確定的函數關系，例如，能量守恒定律和帶有邊界條件的微分方程等。所謂非確定性關系，是指由于各種復雜因素使得變量之間找不到完全確定的關系，或者在目前的科學技術和數學水平上

24、暫時還找不到完全確定的關系，但是這些變量之間的關系確實存在。這時可以采用其它手段，如通過實驗獲得大量數據，再從這些數據中找出變量之間的內在聯系。從給定的離散數據中找出變量之間的關系的問題，稱作數據擬合問題，這類數據的計算方法稱作數據擬合方法。描述變量之聞的關系的最基本的工具是函數。數據擬合問題就是由已知的數據求出擬合函數的問題。這里所說的函數包括單變量的單值函數、多變量的第頁共頁機組負荷優(yōu)化分配模型工程碗士學位論文單值函數以及單變量的相量值函數。在簡單問題中，變量之間的關系可由各種各樣的函數顯示給出，但在絕大多數問題中，變量之閱的函數關系是由算子方程式或實驗數據得出的。這樣就有必要根據所研究過

25、程的有限信息去構造這些函數的近似表達式，即構造這些未知函數的逼近。正因為如此，逼近問題也相應地分為兩大類：第一大類問題發(fā)生于各種物理過程的數學模型。因為這些數學模型涉及到確定未知函數的算子方程，所以稱為算子方程問題。通常只由簡單的特定問題才能求出解析解。因此，在實踐中，通常必須構造逼近解。第二大類問題要求根據未知函數的有限個數據（常常是觀測結果）構造該函數的逼近。也就是數據擬合問題。在這類問題中，因為原來的函數并不知道，所以似乎并沒有對原來的函數的收斂性與逼近速度可言，但是為了討論某一種擬合方法。也可以先假定原來的函數（即未知函數）己經表示出來，在這一前提下，再討論逼近過程（即算法）的收斂性與

26、逼近速度等。本文所要討論的機組煤耗量與負荷的關系問題實際屬于上述第二大類問題。機組煤耗特性數據的獲取機組在穩(wěn)定運行狀態(tài)下，輸入的燃料與輸出電功率問的對應關系，即為單元機組的能耗特性?？杀硎緸椋海ǎǎC組的煤耗特性曲線是實現負荷優(yōu)化調度的重要基礎。一般說，煤耗特性曲線可通過下列途徑得到：即機組常規(guī)熱力試驗數據、機組日常運行記錄數據、機組制造生產廠家提供的數據?？紤]到熱力性能試驗不可能經常進行，試驗狀態(tài)與運行狀態(tài)的差別等諸多因素，雖然性能試驗可得到較準確的機組熱耗值，但用試驗煤耗特性曲線作為負荷優(yōu)化調度的依據一般不易為電廠運行人員接受，而機組制造生產廠家提供的理論數據更與實際運行狀態(tài)有較大差別

27、因此利用機組在不同負荷下的實際運行記錄數據得到的煤耗特性曲線將更具有實時性，由于取用的是各臺機組在同一天內同一時刻的記錄數據，因而也更具可比性。當然性能試驗數據與運行記錄數據相比，通過前者得到的煤耗特性更為準確，但在負荷優(yōu)化調度的研究中，是對各臺機組的煤耗特性進行相對比較，并不要求每臺機組精確的煤耗絕對值，因此，這一問題就并不顯得重要。本部分內容主要討論由日常機組工作數據處理得到單無機組的整體能耗特性。先對有關原始數據來源及處理進行簡要說明，為保證負荷優(yōu)化分配的準第頁共頁工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究確性，要求對參與分配的機組逐臺進行數據采集，但由于客觀原因，使采集工作和數據

28、處理不能同步，因此課題采用以往的機組運行數據進行處理，以得到機組煤耗曲線。煤耗特性曲線擬合由于得到的是離散的機組運行數據，因此為了下一步的機組負荷分配工作，必須利用這組數據求解出機組的近似煤耗函數。由于單元機組煤耗值線性度不大且試驗數據有一定的變化趨勢，因此我們選用擬合模型得到單元機組煤耗特性曲線。擬合不需要曲線在數據點與數據完全吻合。多項式擬合是曲線擬合的一種。設（）是一個定義在實軸上的函數，（），（），（）是“）在點上的函數值。又設是某個函數空問，所謂曲線擬合，就是要在函數空間中找一個函數（），使得已懈，）一腳心。百巧，（）一腳其中，吼，是權重系數。特殊地，可取吼一一，甲（）就稱為在點對）

29、的擬合曲線。通常，我們要求函數空間是一個有限維的線性空間，也即存在著一組線性無關的函數仍（），仍（），（），使得蓬，刪。（），乩，）純（）。，于是求擬合曲線“）就可以簡化為求一組實數：，。，使得下面的目標函數達到最小值：口，口：，盯。，善善純，一，（，口：，盯。）純（，）一（，）通過偏導數方法：，可以得到如下的線性方程組（稱為正規(guī)方程）：（仍，）（仍，仍）（紈，覡）鋤，仍）鋤，）囂乏（紈，鯁）（紈，甄）址其中，概，吼）哆緯（）紙（），（，仍）（，仍）（，蜘）（），）芝：吼（，）吼（），。尸第頁共頁機組負荷優(yōu)化分配模型工程碩士學位論文于是，曲線擬合的系數，一，可以通過求解正規(guī)方程。本課題只考慮多

30、項式擬合，也即仍（），鯤（）。，：并令吼。于是有（緯，紙）緯（，）（）”，尸戶（絞），眠），叫這時擬合曲線伊（）。也稱為擬合多項式。多項式擬合次數的確定，直接關系到曲線擬合的精度。從理論上講，取值越大擬合曲線的效果越理想，越能反映逼近函數的特性；取值越小，相對誤差越大。但是對于電力性能曲線的擬合，國際電工委員會（）推薦使用二次多項式（），同時規(guī)程明確指出不推薦使用高次多項式。國際標準化組織（）在有關的試驗驗收規(guī)程中也有類似的提法。之所以不推薦使用高次多項式，是因為使用了高次多項式后，式（）所形成的方程組將呈現出高度的病態(tài)。給求解帶來了不便；另外，高次多項式本身的解析性決定了高次曲線是不穩(wěn)定的，

31、局部數據的微小變動會對整個曲線的形狀產生較大的影響，再加上由于試驗數據本身帶有采集誤差，后面采用高次多項式擬合將使所得到的曲線穩(wěn)定性更差。因此考慮到電力系統(tǒng)的煤耗數據特點，本文選用二次多項式對機組運行數據進行擬合。在具軟件里，系統(tǒng)提供數據的多項式擬合函數，具體調用形式如下：（，），用階多項式擬合，向量給定的數據由于在程序編寫過程中，需要用到擬合多項式的系數矩陣，因此系統(tǒng)專門編寫了函數供程序調用，得到所需的系數矩陣。（，）下面我們以一臺機組為例，利用其運行數據求解機組的煤耗函數，并繪制它的煤耗曲線。第頁麩頁工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究表不同負荷下機組發(fā)電標準煤耗統(tǒng)計采用二次多

32、項式進行擬合，在命令窗口輸入，；【，；（，）得到的結果為：，故擬合函數為：（）。將負荷值代入煤耗函數求出所對應的煤耗值，并與實際統(tǒng)計值相比較如下：表機組發(fā)電標準煤耗對照表畫出機組煤耗的觀測曲線與擬合曲線如圖所示。第頁共頁機組負荷優(yōu)化分配模型工程碩士學位論文 圖，機組煤耗特性觀測曲線與擬合曲線對照圖由表及圖可以看出，二次多項式擬合結果可以比較好的反應出機組的煤耗特性，同時也證明了其在電力系統(tǒng)煤耗曲線擬合研究中的可行性。煤耗特性計算部分要求用戶輸入同一日期內各臺機組在不同負荷下的有關運行數據，經曲線擬合，即可得到各機組二次煤耗特性曲線。特性曲線可以定期更換，如根據季節(jié)每年更換四次，如有條件，也可每

33、月，甚至更短時間更換一次。機組負荷優(yōu)化調度模型的建立求得了單元機組的煤耗特性之后，就可以建立系統(tǒng)負荷優(yōu)化調度模型。緒論中我們己經提到，負荷優(yōu)化調度系統(tǒng)提供了在全廠任一總負荷下，各機組間負荷調度的依據，有兩個方案可供選擇，即負荷優(yōu)化分配、機組優(yōu)化組合。負荷優(yōu)化分配是在某個全廠總負荷下，尋求瞬時并列機組間的負荷最優(yōu)分配，并沒有考慮機組啟停限制及啟停耗量。機組優(yōu)化組合是確定各臺機組在一個調度周期中各時段上運行的優(yōu)化問題，它不僅考慮了機組運行耗量，而且計及機組啟停耗量，同時可滿足機組啟停的限制等。下面就針對這兩種方案分別寫出各自的負荷調度模型。實時負荷優(yōu)化分配模型設全廠有臺機組可投入并聯運行，全廠總負

34、荷為，全廠負荷的優(yōu)化組合分配就是將此負荷合理的分配到臺并聯運行的機組上，而使全廠總的煤耗量最小。第頁共頁工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究由上述內容可求得單元機組的煤耗特性：（）砰，（）負荷優(yōu)化分配的目標函數為：。（；），（，）其約束條件為：；一，耐，；。血。缸，。，式中：系統(tǒng)總煤耗（下同）；系統(tǒng)總負荷；（卜第臺機組的煤耗方程（下同）；第臺機組的負荷（下同）；。，。廠第臺機組的負荷上、下限（下同）；第臺機組的運行狀態(tài)，可?。ū硎就C）或（表示運行）；第臺機組的人為啟停狀態(tài)限制，取表示限制停機，取表示可以運行。因此，負荷優(yōu)化分配的問題就是在滿足約束條件下求解目標函數，這是一個有整型

35、變量，連續(xù)變量及非線性函數（）的混合整數非線性規(guī)劃問題。機組優(yōu)化組合模型設機組調度周期為小時，將其分為個時段，機組或等效機組臺數為，各時段總負荷為。）目標函數要求系統(tǒng)在小時時段內各機組的總耗量為最小，目標函數可以寫為：（，匕）【。，（“（）】式中，廣機組在時段運行狀態(tài)變量，可取，兩個值，表示停機，表示運行；廣機組在時段的功率變量：（。卜一機組的運行耗能；機組的啟動耗量，它與停機時間的長短有關。第頁共頁機組負荷優(yōu)化分配模型工程碩士學位論文）功率平衡約束功率平衡方程為：。，）旋轉備用約束按系統(tǒng)總負荷的考慮旋轉備用量，則：。，式中，。系統(tǒng)旋轉備用容量。）機組容量約束。；。，）機組啟停次數約束窆。一（

36、），）機組最小連續(xù)停運和連續(xù)運行小時數約束（。一（一”）×芝：）：（吣一】。）ד）卜式中，一、分別為每臺機組的最小連續(xù)停運和連續(xù)運行小時數。）功率速度約束一（：（）。，氣×，式中，、：發(fā)電機組輸出功率的允許的最大下降速度和最大上升速度，。廣一機組的旋轉備用容量。因此從數學上講，機組優(yōu)化組合就是在以上約束條件下求目標函數的極小值，這是一個有整數變量、連續(xù)變量及非線性函數的混合整數非線性規(guī)劃問題。在使用負荷優(yōu)化調度系統(tǒng)時，如果選擇負荷優(yōu)化方案，就要求用戶輸入對象系統(tǒng)總分配負荷，各單元機組的負荷上下限以及單元機組煤耗函數等數據，機組數目由系統(tǒng)自動增加；而選擇優(yōu)化機組組

37、合分配方案，除了輸入上述的負荷優(yōu)化分配的各項數據外，還要求用戶輸入各單元機組的初始狀態(tài)及啟停煤耗數據，然后根據需要選擇不同的算法進行負荷優(yōu)化分配，經比較后得到最佳的優(yōu)化結果。第頁共頁工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究本章小結本章主要介紹了機組煤耗特性曲線的求解方法，以及兩種不同的負荷優(yōu)化調度方案的數學模型。單元杌組是電力生產的基本環(huán)節(jié)，獲得可靠的機組運行煤耗數據，并在此基礎上得到機組的運行特性，是全面、準確評價機組性能的重要部分：而根據系統(tǒng)實際運行情況及對系統(tǒng)運行的主觀要求而確定的優(yōu)化調度模型則是負荷優(yōu)化分配的基礎，直接影響到優(yōu)化結果的實用性與經濟性。第頁共頁實時負荷優(yōu)化分配工程

38、碩士學位論文實時負荷優(yōu)化分配負荷優(yōu)化分配問題綜述在實際的工作中，火電機組負荷優(yōu)化分配最簡單的方法是效率法。即以效率為基礎，效率高的機組盡可能多帶負荷，效率低的機組則盡可能少帶負荷。盡管這個原則簡單直觀，容易操作執(zhí)行，但缺乏科學依據。目前大多數火電廠仍然采用這種方法。因此研究火電機組負荷最優(yōu)分配具有重要的經濟意義。等微增率法應用與負荷優(yōu)化分配公式推導設某火力發(fā)電廠有臺機組并列運行，全廠總負荷為，負荷經濟分配的目標就是將合理地分配到全廠臺機組，使全廠總煤耗量最小。設各機組的煤耗特性曲線為（）（。，）（）由于經濟分配的目的是便全廠總煤耗量最小，則目標函數為：（）（）另外，各機組負荷之和應該等于，此問

39、題就轉化為在約束條件下求式（）的極小值。構造拉格朗日函數：（）一（）令，則式（）變?yōu)橐粭l件極值的必要條件為式（）的一階偏導數為零，（）的二階偏導數大于零，則存在極小值。于是問題變成以（，）為多變量求的無條件極值，第頁共頁（。）充分條件為式即對多變量工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究的一階導數為零：一，里：墮一型：弭粥粥里：里一旯型：；一：旦一五：由于每一熱力設備的煤耗僅僅與它自身生產的能量有關，故盟：墮，里：堡，里：魚田砜鞏當為定值時，得：一：，塑：，型：鞏識將式（），（）代入（）式得墮：堡一：盟：，啦砜式（）即為等微增煤耗率方程。對多變量（，）求的二階導數得：。，哦田弧，；卯絲

40、識絲識由微分學的原理可知，目標函數取得極小值的充分條件為式（）的對角線上的所有子行列式都是正值，即矩陣是正定的，也即其二階導數大于零。一般汽輪發(fā)電機組的煤耗特性都是上凹的，且隨負荷的上升而單調地增大，即所有子行歹式均為正值，故按等微增分配的總煤耗量是最小的。所以為使全廠總煤耗量取得極小值各機組必須以相等的耗量微增率運行，且各機組負荷之和與系統(tǒng)總負荷相等，此即為等微增的基本原理。需要注意的是，上面的推導過程沒有考慮機組的上、下限，即第頁共頁。；盟弧實時負荷優(yōu)化分配工程碩士學位論文。，一分別為第機組的最小、最大負荷因此所得到的解（，）中有些可能不滿足（）式的約束，此時應對優(yōu)化結果進行處理，若有的機

41、組發(fā)電功率已經越過其上（下）限。（。），則將此固定為相應的限值，這樣做根據最優(yōu)性條件得到的結果仍然是在（）式的約束條件下的最優(yōu)值。等微增原理的物理意義等微增原理不僅僅是一個數學推導結果，而且也具有直接的物理意義。下面結合圖形從運行調節(jié)的角度來說明等微增的物理意義。（）【）圖機組煤耗特性圖以兩臺機組為例，其煤耗特性如圖（）及（）所示。設兩臺機組分別運行在點和點，它們承擔的總負荷為，即若此時兩機組的煤耗微增率不相等，等魯，則運行人員可以改變負荷的分配示機組出力減小，機組出力增加，從而保持總負荷不變。則調節(jié)后機組的煤耗減小魯，機組的煤耗增大。魯。全廠總煤耗量由于上述負荷分配的改變而產生的變化量為：第

42、頁共頁工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究魯凹一魯艮凹譬一簧）（）由此可見，當并聯運行的機組的煤耗微增率互不相等時，運行人員應減小煤耗微增率大的機組的負荷，增加煤耗微增率小的機組的負荷，這樣可在總負荷不便的前提下減小全廠的總煤耗量，同時也說明原來的負荷分配方案不是經濟的，需要調整。不難理解，只有當所有并聯運行的機組的煤耗微增率都彼此相等時這種調整才能結束，這時若再重新調整負荷分配，非但不能帶來新的節(jié)約反而會使總煤耗量增大，正所謂過猶不及。等微增的幾何解么！一呻么一：蛞機：），圖兩臺機組的煤耗特性等微增率圖仍然以兩臺機組為例，圖表示該兩臺機組的煤耗特性曲線，號機的（）在上部，橫坐標值

43、自左向右，！；號機的：（）在下部，橫坐標值自右向左，即，。對應于點的縱坐標，（），（），。即兩臺機組的總煤耗量。經濟分配負荷要使全廠煤耗為最小，也即在兩煤耗特性曲線間所夾垂線長度為最短的一點，就是經濟分配負荷的方案。圖中的點即為所求全廠煤耗最小的負荷經濟分配方案。對應于，號機的煤耗特性上的點分別為，過點，作兩煤耗特性曲線的切線，則這兩切線必互相平行，平行切線之間所夾垂線的長度，第頁共頁實時負荷優(yōu)化分配工程碩士學位論文為最短，這說明只有兩條曲線的斜率都相等時，總煤耗量才為最小，即）：，這與公式推導得到的結果是一致的，此即為等微增原理的幾何解。等微增的計算機算法）輸入各機組的煤耗特性（即式（）、各

44、機組的負荷上下限及全廠總負荷；）不考慮各機組的負荷上、下限，對機組進行負荷優(yōu)化計算，得到各機組的優(yōu)化分配負荷：）根據式（）判斷有哪臺機組越限，對于越限的機組，讓它帶邊界負荷。即如果機組越上限，讓它帶上限負荷，如果機組越下限，讓它帶下限負荷；）不越限的機組問進行負荷優(yōu)化分配計算；）重復步驟）、）直至對所有機組優(yōu)化分配結束；輸出優(yōu)化分配結果。無論由數學推導還是幾何解都可以看出，等微增原理的應用是有一定的局限性的，它只能解決二次曲線形狀是上凹的情況，對于曲線是上凸的情況并不適用，當全廠各臺機組的特性曲線的形狀凹凸不一致時，用等微增算法計算得到的結果是錯誤的，此時用動態(tài)規(guī)劃等對特性曲線沒有要求的算法比

45、較合適。動態(tài)規(guī)劃法應用于負荷優(yōu)化分配口動態(tài)規(guī)劃是運籌學的一個重要組成部分，是求解多階段決策過程及不定期和無限期決策過程最優(yōu)化的數學方法。為了解決多階段決策過程最優(yōu)化問題。年，數學家（）貝爾曼等人提出最優(yōu)化原理。最優(yōu)化原理的思想方法是，把多階段決策過程分解為一系列單階段決策問題，并逐個求解，從而得到最優(yōu)決策。人們正是在最優(yōu)化原理的基礎上建立并發(fā)展了動態(tài)規(guī)劃，并將其應用于機組間負荷最優(yōu)化分配問題的解算過程。算法對煤耗特性沒有嚴格的規(guī)定限制條件：可以一次求得全局最優(yōu)點；是確定機組啟停和最優(yōu)組合的有效方法?？梢?，對動態(tài)規(guī)劃法進行研究還是很有意義的。動態(tài)規(guī)劃法的基本方法是把一個給定的原始問題分成許多階段，或幾個子問題，然后依次加以解決，最后一個階段或子問題的最優(yōu)解就是該原始問題的最優(yōu)解。即一個整體最優(yōu)化問題，可以分解為一個序列多階段最優(yōu)化問題來求解。雖然動態(tài)規(guī)劃是由研究以時間為劃分階段的決策問題而引出的，但是某些第頁共頁工程碩士學位論文火電廠機組負荷優(yōu)化調度問題的研究與時間無關的規(guī)劃問題，只要人為地引入時間因素，把它看成多階段決策過程，也可用動態(tài)規(guī)劃方法來方便地求解。此外，萊些不定期和無限期決策過程最優(yōu)化問題也可用動態(tài)規(guī)劃來求