厂级AGC机组负荷优化分配系统研究

第54卷第1期2012年2月汽轮机技术TURBINETECHNOL0GYVO154NO1FEB2012厂级AGC机组负荷优化分配系统研究姚静，方彦军1武汉大学动力与机械学院，武汉430072；2湖北大学物理与电子技术学院，武汉430062摘要针对我国目前电网的调度模式，提出了在自动发电控制AGC方式下的厂级负荷优化分配系统实现方案，该方案不改变电厂原有网络结构，直接在厂级监控信息系统中增加负荷控制节点，这样既不改变控制系统原有的各项功能，又使厂级负荷控制的投切比较灵活，大大增强了系统的稳定性。在优化算法上提出了遗传禁忌混合算法，以某电厂的3台机组为例，采用2008年负荷数据进行优化分配，并与实际分配进行对比，结果表明采用该算法进行优化分配后煤耗率下降了02GKWH一53GKWH，对电厂节能降耗，提高经济效益有重要意义。关键词火电厂；经济负荷分配；自动发电控制；遗传算法；禁忌搜索分类号TP29文献标识码A文章编号10015884201201005203RESEARCHOILOPTIMALLOADDISTRIBUTIONSYSTEMFORAGCUNITSYAOJING一。FANGYANJUN1SCHOOLOFPOWERANDMECHANICALENGINEERING，WUHANUNIVERSITY，WUHAN430072，CHINA；2FACULTYOFPHYSICSANDELECTRONICS，HUBEIUNIVERSITY，WUHAN430062，CHINAABSTRACTACCORDINGTOTHECURRENTPOWERGRIDDISPATCHINGMODEINOURCOUNTRY，THISPAPERPROPOSESAPLANTLEVELOPTIMALLOADDISTRIBUTIONSTRATEGYINAUTOMATICGENERATIONCONTROLAGCDIRECTIONTHISSCHEMEDOESNTCHANGETHEPREVIOUSNETWORKSTRUCTUREOFTHEPOWERPLANT，BUTINCREASEDIRECTLYLOADCONTROLNODEINTHEPLANTLEVELSUPERVISORYINFORMATIONSYSTEM，WHICHDOESNTCHANGETHEORIGINALFUNCTIONOFCONTROLSYSTEM，FURTHERMOREMAKESTHEONOFFOFPLANTLEVELLOADCONTROLMOREFLEXIBLEANDIMPROVESTHESTABILITYOFTHESYSTEMAGENETICTABUSEARCHHYBRIDALGORITHMISPROPOSEDTAKEA3UNITSYSTEMFOREXAMPLE，THELOADDATAIN2008ISA11OTEDWITHTHEPROPOSEDALGORITHIMTHERESUHSARECOMPAREDWITHTHEPRACTICALALLOCATIONANDDEMONSTRATETHATCOALCONSUMPTIONRATEDECREASESBY02GKWH53GKWHBYADOPTINGTHEPROPOSEDALGORITHM，WHICHISOFGREATIMPORTANCETOENERGYCONSERVATIONANDCONSUMPTIONREDUCTIONANDECONOMICBENEFITSIMPROVEMENTKEYWORDSTHERMALPOWERPLANT；ECONOMICLOADDISTRIBUTION；AUTOMATICGENERATIONCONTROLAGC；GENETICALGORITHM；TABUSEARCH0前言随着大容量机组的不断投入运行，机组的自动化水平越来越高，目前我国调度的方式是电网中调直接把负荷指令发至电厂机组，称为单机自动发电控制AUTOMATICGENERATIONCONTROL，AGC方式。它的提出和运用，在提高电网的运行控制水平和管理水平、减轻调度人员和电厂工作人员的劳动强度方面发挥了极为重要的作用，但由于机组给调度的信息不足，在调度侧不可能做到各台机组的负荷最优分配，而发电企业作为一个独立的经济实体，既要满足电网对其负荷的要求，又要降低成本，在电力市场环境下竞价上网。目前，研究机组负荷优化分配的文献较多，但多属优化算法的理论研究，没有考虑电厂现行的系统结构以及负荷优化分配控制节点的接入方案，机组煤耗特性一般由生产厂家提供或通过定期热力试验得到，基本长期不变。本文则充分耋虑工这些因素，提出工掏建级负荷控制系统的方案，在收稿日期20110504保证机组安全和满足电网负荷要求的前提下，借助机组在线性能监测系统对煤耗曲线实时更新，然后采用遗传禁忌混合算法对负荷进行二次优化分配，以降低全厂供电煤耗，提高经济效益。1系统的整体设计厂级负荷分配的目的就是根据中调过来的负荷总量，结合电厂各机组实际运行情况，实现总负荷在电厂内各机组间的最优分配。具体的讲，该系统要实现的功能主要有如下几点1接收来自中调的全厂总负荷指令，接收各机组当前的运行信息；2根据所建立的数学模型和控制算法做出最优负荷分配决策，生成每台机组各自的负荷指令；3将生成的各机组的负荷指令以4MA20MA方式送至相应机组的分布式控制系统DISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM，作者简介姚静1976，女，博士研究生，讲师，主要从事控制系统集成与优化设计方面的研究。第1期姚静等厂级AGC机组负荷优化分配系统研究53DCS，由原机组AGC和协调控制系统COORDINATEDCONTROLSYSTEM，CCS完成机组的负荷调节。厂级负荷控制就是在原有负荷控制系统中增加一个用于全厂负荷优化分配的控制节点。从系统的安全与稳定方面考虑，要求该控制节点与原来的单机AGC不冲突，而且原来的单机AGC仍然保留其功能。其整体的控制流程示意图如图1所示。厂级负荷控制系统所生成的最优负荷分配指令通过单机AGC控制系统送至各机组的执行系统来完成调节。I匮幢I；鲨图1系统控制流程示意图根据电厂现行的网络结构，在不改变电厂原有网络系统的基础上，设计了厂级负荷控制节点的接入方案。厂级负荷控制节点的接入位置及相应网络结构如图2所示。图2厂级负荷控制系统网络结构该方案完全不改变中调与运程控制终端REMOTETERMINALUNIT，RTU之间，RTU与机组DCS之问的信号流及网络拓扑，直接在厂级监控信息系统网络中增加厂级负荷控制节点。在这种方案中，厂级负荷控制节点相对独立，这样既不改变控制系统原来的各项功能，又使厂级负荷控制的投切比较灵活，大大增强了系统的稳定性。信号传输方面，中调负荷指令经RTU后进人各机组DCS系统，厂级负荷控制节点通过机组问的公共环网读取各机组接收到的最初负荷指令，再根据已定的优化控制算法完成负荷的整体优化分配，最后将生成的最优负荷指令通过单机AGC控制系统送至各机组的执行系统来完成调节。从而实现厂级负荷优化分配。2负荷最优分配问题的数学模型经济负荷分配问题的优化目标是在满足系统运行约束条件下，优化机组功率，从而使全厂各机组的总煤耗最低J。其目标函数为MINFMINFPI1互式中，F为全厂总标准煤耗，T；N为全厂发电机组台数；P为第I台机组的有功功率，MW；P为第I台机组的煤耗特性，反应机组在稳定运行状态下，输入的燃料与输出功率P间的对应关系，MW。一般用二次函数近似表示如下FPI0IBSPCI2经济负荷分配问题还需满足如下约束条件功率平衡约定P。P3功率上下限约定PPP4其中，P。为系统要求的总负荷，MW；P为第I台机组的功率下限，MW；P为第I台机组的功率上限，MW。3遗传禁忌混合算法遗传算法GENETICALGORITHMS，GA是由美国MICHIGAN大学的JOHNHHOLLAND教授及其同事提出的一种进化算法，是一种高效、并行、全局搜索的优化方法，能够在搜索过程中自动获取和积累有关搜索空间的知识，并自适应地控制搜索过程以求得最优解。目前，遗传算法已在机组负荷优化分配方面得到了广泛的应用I9J，并且针对遗传算法易早熟、不收敛等缺陷，很多研究人员在算法结构、遗传算子设计等方面对遗传算法进行了改进，大大提高了算法优化效率。禁忌搜索是一种全局逐步寻优的启发式优化算法，通过近期搜索记忆和藐视准则达到搜索解空间的目的。其基本思想如下给出一个初始解，通过应用操作符“移动”，对当前解进行操作，产生一组当前解的邻域，接着在邻域里搜索一个最优解作为当前解，重复前面的操作，如此反复直到满足收敛条件。为避免陷入搜索循环，设置一个指定长度的禁忌表，如果将要进行的操作在禁忌表里，就禁止该操作，对特别有益的操作可以忽略禁忌特性，这样的规则称为藐视准则。其优点是在搜索过程中可以接受劣解，具有较强的“爬山能力”，缺点是对初始解具有较强的依赖性，另外迭代搜索过程是把一个解移动到另一个解，降低了得到全局最优解的概率。面对不断增大的实际问题规模和复杂程度，单一算法性能改进表现出很大的局限性，为了有效、快速地解决问题，算法混合思想已成为提高算法优化性能的一个重要而有效的途径，其宗旨是将不同算法在优化机制、进程、搜索行为、操作上进行有机结合，使其相互取长补短，以产生更好的优化效率。遗传一禁忌混合算法有效结合了遗传算法并行的大范围搜索能力和禁忌算法的局部搜索能力”J，其基本思想如下通过遗传算法对种群进行全局搜索，当遗传算法接近于早熟时，对每个个体进行禁忌搜索操作，使个体趋向于所在区域的局部最优解，从而改善群体的质量。算法步骤如下第一步，采用实数编码，在功率上下限范围内随机产生N汽轮机技术第54卷种群大小个初始解，初始种群的个体要求是满足约束条件的可行解，这里假设有台机组，前N一1台机组的负荷在机组上下限范围内随机获得，最后一台机组的负荷为PP。NL一P，1若PP则PP；若PP则PP第二步，适应值函数选取FCFFCF；这里C为一个较大常数，F为总煤耗，为惩罚函数，FCSAP。一P，这样保证结果满足功率平衡约定。计算个体适应值，若满足收敛条件则结束，若不满足收敛条件则继续第三步；第三步，执行遗传操作，这里选择采用轮盘法，交叉和变异采用一般的随机法进行，交叉概率P03，变异概率P01；第四步，利用种群适应值的样本方差来判断种群的多样性，样本方差值小到一定程度就认为个体多样性较差，遗传算法趋于早熟则执行第五步，否则到第二步；第五步，以遗传算法的结果作为初始解进行禁忌搜索，若找到更优的解则用该解代替原来的解，返回第二步继续。禁忌搜索过程如下第一步，以遗传算法的结果作为禁忌搜索的初始解，取初始解中一个个体作为当前解；第二步，在当前解的邻域产生个候选解；第三步，计算各候选解的个体适应值，得到适应值最优的候选解Y；第四步，候选解Y的适应值优于当前最优解状态，或者Y不在禁忌表里则令XY，并将Y加入禁忌表，到下一步继续，否则到第三步，重新选取适应值最优的候选解L，；第五步，满足收敛条件则结束，不满足则返回到第二步继续。4应用实例以某电厂的3台660MW燃煤机组为研究对象，3台机组功率最低限制为230MW，最高限制为670MW，根据机组2008年的负荷状况对优化分配进行评估。机组的煤耗特性曲线是进行负荷优化调度的前提和基础，要得到最优的负荷调度方案，必须准确地获取机组实时性能下的煤耗特性曲线，这就需要对煤耗特性进行实时更新。一般情况下，机组煤耗特性在短期内变化很少，而机组大修和小修等特殊情况发生后煤耗特性会发生较大的变化。因此，采用一般情况下隔一段时间周期更新煤耗特性曲线和特殊情况下手动强制更新煤耗特性曲线相结合的方法。该厂装有在线煤耗监测系统，可以得到实时的机组功率与供电煤耗，这些离散的数据点F，P通常采用多项式来拟合输入输出特性，曲线拟合的方法有很多，比如线性拟合、双曲线型拟合、二次多项式拟合等。本文采用二次型FP曲线，这是由于二次曲线可使问题简化且有足够的精度。通过二次曲线拟合得到3台机组某一时刻的煤耗特性曲线如下F1P1000054547砰76771PL23798P200004302979057P218716P300007186974682P331365从2008年全年负荷数据中选取10个负荷点，将优化分配前后的煤耗情况进行对比，结果如图3所示。箍I、I一实际煤耗率L优化后煤耗率；、_T、1总负荷MW图3优化前后煤耗率由图3可知负荷增加煤耗率下降，进行优化分配后煤耗率明显低于优化前，取煤耗率下降最多与下降最少的负荷点列表1所示。表1优化前后煤耗率由上表可知进行负荷优化分配后煤耗率最少下降了02GKWH，最多下降了53GKWH。该电厂装机容量为1980MW，自2002年以来，该厂的年发电量都在120亿KWH以上，在这么大的发电基数下，降低煤耗率必然对该厂节能降耗、提高经济效益有重要意义。5结论针对目前火电厂负荷调度的非最优化问题，提出了厂级负荷控制系统实现方案，该方案根据电厂现行的网络结构，在不改变电厂原有网络系统的基础上，直接在厂级监控信息系统网络中增加负荷控制节点，这样既不改变控制系统原来的各项功能，又使厂级负荷控制的投切比较灵活，大大增强了系统的稳定性。在优化算法上提出了遗传禁忌混合算法，该算法有效结合了遗传算法并行的大范围搜索能力和禁忌算法的局部搜索能力。以某电厂的3台机组为例，采用2008年负荷数据进行优化分配，并与实际分配进行对比，结果表明采用该算法进行优化分配后煤耗率下降了02GKWH一53GKWH，对电厂节能降耗，提高经济效益有重要意义。下转第58页58汽轮机技术第54卷亭导J转速RMIN图5收益却随风机转速的变化线MJS，不存在环境风，环境温度分别为10、14、16C、20和22C时，收益却与风机转速的关系曲线。不同环境温度下，P最大所对应的风机转速即为最优转速。风机转速偏离最优值时，收益却均会降低。环境温度越高，对应的最优风机转速越大，这是由于单位体积空气的冷却效能降低所致。图6为忽略管内外污垢热阻，冷却单元热负荷分别为1387MJS、1064MJS、752MJS，不存在环境风时，最优风机转速与环境温度的关系。由图可知，风机最优转速随环境温度与冷端热负荷的升高而增加。冷端热负荷为77687MJS且环境温度超过24QC后，风机转速达上限值679RMIN，此时由于风机转速的限制，收益已无法靠增加转速来提高。4结论1综合考虑环境温度与冷却单元热负荷的影响，得出了机组不同工况下的最优背压值。2机组在某环境温度与冷却单元热负荷下，均存在一个风机的最优转速，使收益卸最高。冷却单元热负荷不变，最优转速和最优蒸汽压力随环境温度的升高而增加，收益鲁磐图6风机最优转速随环境温度的变化线P减小。3在环境温度与冷却单元热负荷均较高时，风机转速达到最大值，需要考虑其它的方法来改善运行经济性。4根据目标函数优化的结果，可对机组优化运行提供参考。参考文献李育海，刘刚漳山2300MW直接空冷系统存在的问题及解决方案J电力设备，2006，731721高清林直接空冷机组存在的问题及其对策初探J汽轮机技术，2008，5015861孔令华空冷机组冷端系统运行特性分析及优化D保定华北电力大学，2008郭立军，何川泵与风机M北京中国电力出版，2004杨世铭，陶文铨传热学M北京中国电力出版社，2002严俊杰，张春雨，李秀云，等直接空冷系统变工况特性的理论研究J热能动力工程，2000，156601603李宏雄包二300MW直接空冷机组降低排汽压力方法研究D保定华北电力大学，2007营丽华，金建国，李勇背压变化对汽轮发电机组电功率影响的计算方法研究J汽轮机技术，2006，4811113上接第54页参考文献沈从奇，归一数，方炯火电厂全厂负荷优化分配及其控制方式研究J华东电力，2005，333160164马晓茜，王毅，廖艳芬火电厂机组负荷优化调度软件系统的设计与实现J华南理工大学学报，2006，346112116CSEE，2005，252125129INCHINESE王友，马晓茜，刘翱自动发电控制下的火电厂厂级负荷优化分配J中国电机工程学报，2008，2814103107SANTOSJR，LORAAT，EXPOSITOAG，ETA1FINDINGIMPROVEDLOCALMINIMAOFPOWERSYSTEMOPTIMIZATIONPROBLEMSBYINTERIORPOINTMETHODSJIEEETRANSACTIONSONPOWERSYSTEMS，2003，1812