（控制理论与控制工程专业论文）火电厂机组运行优化研究.pdf

摘要 本文运用最优化的理论与方法，对火力电站的负荷优化分配、单 台机组的运行优化进行了研究；并对电厂机组运行优化系统进行了初 步设计。 针对机组的负荷分配问题，建立了考虑网损和阀点效应的数学模 型，该模型能更好的反映机组的运行实际效果，并使用了改进的遗传 算法进行求解，取得了较好的效果。 在对单台机组的运行情况进行研究的基础上，对机组重要运行参 数进行分类。部分参数使用设计基准值作为优化目标值；另外一部分 参数使用数据挖掘的方法从历史数据库中挖掘定量关联规则，然后用 回归分析的方法产生动态的运行最佳值模型，用于优化目标值的确 定。 采用偏差分析方法对影响机组运行的重要参数进行评价，分析每 个运行参数对热耗的影响，为指导机组优化运行提供参考。 基于上述方法，建立了二级优化模型。首先对机组进行负荷优化 分配，然后在此负荷的基础上对每台机组的运行进行优化。并建立了 电厂运行优化系统的框架，对系统的结构以及需要实现的功能进行了 阐述。 最后对全文进行了简要的总结，并指出了这一领域有待进一步深 入研究的问题。 关键词火电厂，负荷分配，最优化，优化目标值，偏差分析 髓ep a p e ri sar e s e a r c ho ft h el o a dd i s p a t c ho ft h e r m a lp o w e rp l a n t , t h eo p e r a t i o no p t i m i z a t i o no fs i n g l eu n i t sb yu s i n gt h et h e o r ya n d m e t h o do fo p t i m i z a t i o n a n dt h ep a p e rd o e sap r i m a r yd e s i g nf o rt h e o p e r a t i o no p t i m a ls y s t e mo f p o w e rg e n e r a t i o nu n i t s i nr e s p o n s eo ft h el o a dd i s p a t c ho ft h ep o w e rg e n e r a t i o nu n i t s ，t h e p a p e ri n t r o d u c e sam o d e li n c l u d i n gt h el o s so fw a n s m i s s i o na n dt h e v a l v e p o 缸d i s c o n t i n u i t i e s t h em o d e lw i l l b e t t e r r e f l e c tt h ea c t u a l o p e r a t i o no fu n i t s ，a n da c h i e v eg o o dr e s u l t sb yu s i n gt h ei m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h m st os o l v e t h i sm o d e l o nt h eb a s i so f r e s e a r c ho f o p e r a t i o no f t h es i n g l eu n i t , t h ei m p o r t a n t o p e r a t i o n a lp a r a m e t e r sw e r es e tc l a s s i f i c a t i o n p a r to ft h ep a r a m e t e r su s e d e s i g n - b a s e - v a l u ea st h eo p t i m i z et a r g e tv a l u e t h r o u g ht h eh i s t o r i c a l d a t ao ft h eu n i t ，t h eq u a n t i t a t i v el i n ka r ef o u n d b yd a t am i n i n gt e c h n i q u e ， a n dt h e nt h ep a p e re s t a b l i s ht h ed y n a m i cm o d e lo f t h eb e s tt a r g e tv a l u eo f o p e r a t i o nb yr e g r e s s i o na n a l y s i s ，w h i c hw e r eu s e dt od e t e r m i n et h e o p t i m i z a t i o nt a r g e tv a l u ef o ro t h e rp a r a m e t e r s h e a td e v i a t i o na n a l y s i sf f i d a ) i su s e dt oe v a l u a t et h eo p e r a t i o no f t h eu n i t s ，a n a l y z et h ei n f l u e n c eo f h e a r tc o s tb ye a c ho p e r a t i n gp a r a m e t e r , s oa st 0m a k eag u i d ef o r t h eo p e r a t i o no p t i m i z eo f t h eu n i t s b a s e d0 1 1t h ea b o v em e t h o d o l o g y , t h ep a p e re s t a b l i s h e da t w o - s t e p o p t i m i z a t i o nm o d e l f i r s t , t h em o d e lo p t i m i z e st h ed i s t r i b u t i o no fl o a d ； t h e n , o nt h eb a s i so ft h ec u r r e n tl o a d ，t h em o d e lo p t i m i z e so p e r a t i o n so f e a c hu n i t a n dt h ep a p e re s t a b l i s h e da ni n t e g r a t e dd e s i g n i n g 危d n l e w o r k o fo p e r a t i o no p t i m i z i n gs y s t e mf o rf o s s i l f u e l e dp o w e rg e n e r a t i o n u n i t s ，a n dg i v ea na c c o u n tf o rt h ef r a m eo ft h es y s t e ma n dt h ef u n c t i o n s n e e dt ob ea c h i e v e d f i n a l l y , t h ep a p e r ss u m m a r i z et h er e s e a r c hw o r ko ft h ew h o l ep a p e r a n dm a k eap e r s p e c t i v eo nt h ef u t u r er e s e a r c hw o r k k e yw o r d st h e r m a lp o w e rp l a n t , l o a dd i s p a t c h , o p t i m i z a t i o n , o p t i m i z a t i o nt a r g e tv a l u e ，h e a td e v i a t i o na n a l y s i s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：j ：虱。往日期：力，口年岁月 ；日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保留学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关规定送交学位论文。 作者签名：j 母侄导师签名：巧# 绛日期：州f 年，月7 日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 能源与经济的发展密切相关十五大指出“下世纪中叶我国经济发展要达到 中等发达国家的经济水平”，因此能源工业必须研究制定相应的发展战略以保证 这一发展目标的实现。 我国拥有五分之一的世界人口，目前一年的能源消费量约为1 3 亿吨标准 煤，占世界的十分之一，人均能源消费水平仅相当于世界平均水平的一半。但我 国人口基数极大，预计到2 0 3 0 年前后将达到1 6 亿，假如人均能源消费量达到 2 。3 8 吨标准煤，相当于目前世界的平均水平( 低于中等发达国家目前的水平) ，全 国一年的能源总消费量将达到3 8 亿吨标准煤，是目前的3 倍。因此为了支撑我 国未来的国民经济发展，不得不将现有的能源工业再扩大2 倍，不得不再增加数 倍以上的环境污染排放，不得不将交通运输的4 0 上用于运输能源( 当前仅煤 炭运输就占我国交通运输量的2 0 幻。 我国的能源储量是有限的，从中国能源资料统计【l i 中可知，我国已探明的煤 炭储量占世界储量的1 1 ，原油储量占世界储量的3 ，天然气储量占世界储量 的1 ，但由于人口基数大，能源资源相对匮乏，人均资源占有量相当于世界平 均水平的5 0 0 , 4 。我国人均能源消费量相当于世界人均能源消费水平的一半，尤其 是年人均电力消费量不足世界人均消费水平的4 0 。人均能源资源相对不足以及 人均能源消费量过低，严重限制了我国经济、社会可持续发展。 一方面，我国人均能源资源相对匮乏，另一方面，经济系统的能源利用效率 低下。先进国家的能源利用效率达4 2 以上，而我国能源利用率仅为3 2 ，比 发达国家低l o 个百分点，如果再乘上3 2 1 的能源开采效率，我国能源系统总 效率只有l o 3 ，甚至达不到发达国家的二分之一加之由于我国煤炭资源在地 域上分布不均，北煤南运，西煤东运，中间环节的利用效率还要更低。我国主要 用能产品的单位能耗，比发达国家高2 5 - 9 0 ，加权平均后高4 0 左右。特别 是产值能耗水平与国际水平的差距更大，是先进国家的几倍甚至几十倍。换言之， 我们每生产一万元的国内生成总值( g d p ) 就要比发达国家多花几倍甚至几十倍 的能源成本，以这样高的产值能耗水平去迎接全球一体化的国际竞争是无法想象 的由此可见，节能在提升我国未来经济总体竞争力中的地位是十分重要的。为 此，我国政府非常重视能源的开发与利用，提出“资源开发与节约并举，把节能 硕士学位论文 第一章绪论 放在首位，提高资源利用效率”的资源方针，并于1 9 9 7 年开始实施“节能法”。 火电行业是一个不断将一次能源转化为二次能源的行业，是消耗一次能源 的大户，我国每年开采的煤炭有3 0 用于发电。截至2 0 0 5 年底，全国发电装机 容量达到5 0 8 4 1 万千瓦，其中火电达到3 8 4 1 3 万千瓦 2 1 ，占到全年发电量的8 1 5 ，预计到2 0 2 0 年，煤电仍将在我国的电力容量中占到6 0 例。我国的煤电转 换效率远低于西方发达国家，2 0 0 4 年，全国平均供电煤耗为3 7 6 射千瓦时，比 国际先进水平高5 0 6 0 克千瓦时。2 0 0 5 年电力产业在节能降耗上深挖潜力，供 电煤耗比2 0 0 4 年降低2 克千瓦时，相当于节省标准煤3 0 0 多万吨。如果中国电 力产业达到西方发达国家3 2 0 克，千瓦时的供电煤耗，那么每年节约的标准煤将 超过l 亿吨，由此可见火电厂存在着巨大的节能潜力。 火电厂是由多个设备和系统组成并完成能源转换的重要生产基地，其中的各 个环节都会影响火电厂的经济效益。早在8 0 年代初期，美国e p r i 对全美所有 的燃煤电厂进行了全面的调查与研究【4 】翻，结果证明了机组运行的实际热耗率比 机组设计基准负荷下设计的热耗率平均高出1 0 5 4 k j 噼w h ) 是可以通过各种经济 运行手段得以节省的。由此不难看出，火电厂机组优化运行蕴藏着显著的经济效 益。本文正是在此背景下，对电厂的运行优化进行了研究，并着重研究了多台并 列运行机组的负荷优化分配和单台机组的优化运行。 1 2 火电厂机组运行优化系统概念 1 2 1 火电厂机组运行优化的功能 电厂运行优化是在电厂性能监测的基础上提出来的，前者是后者的延续和发 展。电厂机组运行优化主要包含以下几个层面的内容： 1 ) 在线性能计算功能，即通过对运行参数的实时采集和在线分析计算，提供 反映机组当前实际运行状况的性能参数和指标： 2 ) 机组负荷分配功能，即通过电网中调指令以及当前机组状况和煤耗曲线， 对机组负荷进行最优分配； 3 ) 单台机组运行优化功能，主要是找出机组的运行优化目标值，即通过综合 离线和在线性能数据，提供反映机组当前最优化运行状况的优化参数； 4 ) 偏差分析功能，即通过对上述实际运行状况和最优化运行状况进行比较和 分析做出在线评价，为运行人员提供运行调整决策支持； 5 ) 统计评估功能，即通过对在线评价数据和在线诊断信息进行定期统计分析 做出统计和评价报告，为管理人员提供关于机组运行状况考核和设备状态调整的 决策支持。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 火电厂机组运行优化系统的功能 根据电厂机组运行优化所应该具备的功能，电厂机组运行优化系统应该具备 以下几项功能： 1 ) 支持电厂运行管理人员解决运行优化问题，电厂运行优化问题是一个庞大 的问题体系，既包括结构化问题( 如在线性能计算、负荷分配等) ，也包括半结构 化问题或非结构化问题( 如运行目标值优化、偏差分析等) ； 2 ) 机组运行实时与历史数据的采集、存储与发布等，包括建立数据采集功能 以及实时历史数据库的建立等； 3 ) 提供合适的人机交互方式( 对话方式) 供用户使用，包括建立强大的人机交 互系统和运行优化问题处理系统，以便于运行管理人员使用和管理该系统； 4 ) 能适应环境和用户要求的变化，要求各子系统( 包括人机交互系统和数据 库等系统) 能够适应电厂d c s 、m i s 或s i s 环境和运行管理人员具体要求的变化 1 3 国内外研究现状 1 3 1 机组负荷优化分配的研究现状 机组负荷分配是电力系统中一类典型的优化问题，其目标是在机组组合满足 电力系统运行约束条件基础上使发电成本最低，这对于电力系统安排机组发电生 产，提高系统运行经济效益与可靠性等具有至关重要的作用。为此，国内外的学 者做了大量的研究工作，提出了很多优化算法，但由于电力系统数学模型高维、 非线性且具有很多约束条件的特点，使得计算复杂、计算量大。因此不同领域的 学者们仍在探索新的算法来求解负荷分配问题的精度与速度。 对于有多台单元机组并列运行的负荷分配优化问题，最常用的模型是p 研： 首先，根据各单元机组的综合热力性能试验，确定在不同负荷时各机组的标准煤 消耗量，拟合出煤耗曲线，再以各台机组的燃料消耗量之和作为目标函数，以各 台机组的负荷不超过许可范围、负荷之和等于给定值作为约束条件，最后求解这 个约束优化问题。常用的求解方法是等微增率法，即在计算过程中以目标函数对 各负荷变量的一阶偏导数相等为原则，直接求出各负荷值，然后检验是否满足约 束条件，若不满足，再用迭代法进行修正，直到所有的解满足约束条件为止。使 用等效微增率法，当机组的类型和数量较多时，计算比较烦琐 3 硕士学位论文第一章绪论 此外，解决机组负荷优化分配的传统经典优化算法有：线性规划法 9 1 、非线 性规划法【1 0 1 、动态规划法【i l q 6 l 、拉格朗日乘数法【1 7 1 等。这些方法在解决负荷分 配方面各有优势和不足。线性规划法在模型线性化时会引入误差；动态规划法在 理论上能得到最优解，但遇到高维问题很容易陷入维灾数；拉格朗日乘数法运用 灵活避免了维灾数，但要求模型连续可导且具有凸性，这限制了该方法的广泛应 用；非线性规划法也面临同样的问题。 近年来，人工智能技术不断发展，一些新的优化算法迅速发展并趋于成熟， 遗传算法 1 8 2 4 、模拟退火算法、蚁群算法 2 6 1 、禁忌搜索算法、人工神经网络 2 7 “3 4 、专家系统口5 l 等。这些新算法与传统的数学优化算法不同，可以处理高维、 离散、非凸的非线性问题，从而大大提高了求解速度和精度，但是，这些算法也 存在不足之处。模拟退火算法存在着收敛速度慢的缺点；蚁群算法的优化效率在 一定程度上依赖于局部搜索算法；禁忌搜索算法存在对初始解依赖性强和搜索过 程只是单对单的操作；人工神经网络学习易陷入局部极值区，且难以考虑机组网 损以及阀点效应等约束；专家系统中专家的知识、经验和规则的获取缺乏理论指 导 1 3 2 单台机组运行优化的研究现状 机组运行优化是在机组性能监测的基础上提出来的，前者是后者的延续和发 展。早在2 0 世纪6 0 年代西方国家就进行了机组性能监测方面的工作，但是由于 仪表和自动化水平的限制，当时主要工作只是限于定期的离线状态评估。到了 7 0 和8 0 年代，随着计算机技术与控制技术的发展，涌现了一大批机组性能监测 与诊断系统 3 6 3 8 。8 0 年代末，人工智能在电厂性能监测中得到应用，故障诊断 专家系统应运而生，可以为电厂设备的运行维修提供全方位的信息咨询，对电厂 主要设备的故障原因进行在线分析，并给出相应的解决措施1 3 9 4 4 1 。9 0 年代以来， d c s 系统得到越来越广泛的应用，数据采集速度与仪表性能得到了空前的提高， 已经不再是制约性能监测系统发展的主要方面，各个大型d c s 厂家和科研院所 相继提出了自己的机组性能监测与诊断软件和产品【4 5 1 。 自8 0 年代中期，我国开始了电厂性能在线监测问题的研究，如东南大学、 清华大学、西安交大以及电力科学院和华中中试所等科研单位也先后开始了这方 面的工作，开发了许多应用软件和产品 4 6 1 ，并在此基础上发展了电厂运行优化系 统。 4 硕士学位论文第一章绪论 单台机组运行优化的核心问题是机组重要参数运行优化目标值的确定问题。 目前机组运行优化目标值主要通过以下几种方式确定：( 1 ) 建立以机组经济性为 目标函数，采用机组变工况理论优化计算得到；( 2 ) 通过机组的大量优化试验得 至1 1 1 4 7 _ 研；( 3 ) 在机组实时运行过程中动态优化确定p 卜5 0 l 。目前国内大量采用的方 法为第( 1 ) ，( 2 ) 种，对第三种方法，国内尚未有真正的研究成果报道。国外，在机 组优化运行方面做了大量的研究，可动态的给运行人员提供实时的优化目标值。 早期采用的经济性诊断方法是。小指标分析法”，该方法以其直观、方便等 特点得到了广泛应用，并为机组运行特性的分析作出了贡献但该方法存在的突 出缺点是定量计算机组经济性指标时，以特定工况的参数考察机组所有运行工 况，即运行标准和偏差对经济指标影响的定量系数均为常数，导致定量计算结果 粗糙、准确度不够。六十年代加拿大学者提出了“热偏差分析法【6 7 p ，在西欧、 北美得到广泛应用；美国e p 编写的“火电厂降低热耗率工作导则【4 l ”中，将 热偏差法作为定量分析方法。八十年代初，该方法在我国也开始大范围应用。热 偏差法与小指标分析法相比，是一种“点”与“线”的关系热偏差法定量分析 中，在解决运行参数标准和定量偏差对经济指标影响时均考虑了不同负荷的影 响，但其缺点是数据大多来源于经验数据，且没有考虑环境、系统变化的影响及 偏差之间的相互影响，定量精度不够。八十年代我国基于等效热降理论 4 0 - i 提出的 “能损分析法嘲p ，迅速得到推广应用，并取得了很大的经济效益。该方法是采 用“等效热降”理论对经济性指标发生的偏差进行逐级分解，最后得出各项运行 偏差对经济性的影响值，其特点是在进行热力系统经济性诊断时，考虑了热力系 统各影响因素之间的相互影响。 1 4 本文的主要工作 从前面的综述可以看出，电厂机组的运行优化是一个困难而复杂的研究领 域，有许多问题有待研究本文针对几个需要进一步研究的问题进行了研究： 针对机组的负荷分配问题，建立了计及网损和阀点效应的数学模型，该模型 能更好的反映机组的运行实际，并使用了改进的遗传算法进行求解，取得了较好 的效果 在对单台机组的运行进行研究的基础上，对机组重要运行参数进行分类。部 分参数使用设计基准值作为优化目标值，另外一部分使用数据挖掘的方法从历史 数据库中挖掘定量关联规则，然后用回归分析的方法产生动态的运行最佳值模 型，用于优化目标值的确定。 5 硕士学位论文第一章绪论 采用偏差分析方法对影响机组运行的重要参数进行评价，分析每个运行参 数对热耗的影响，为指导机组优化运行提供参考。 基于上述方法，建立了二级优化模型。首先对机组进行负荷优化分配，然后 在此负荷的基础上对每台机组的运行进行优化并建立了电厂运行优化系统的框 架，对系统的结构以及需要实现的功能进行了阐述。 本文将以上工作分章节展开详细讨论，最后对全文进行总结并指出有待进一 步研究的课题。 6 硕士学位论文第二章火电厂厂级负荷优化分配 2 1 引言 第二章火电厂厂级负荷优化分配 火电厂是一次能源消耗大户，燃料费用约占发电成本的7 0 8 0 ，节能降 耗是发电厂急需解决的关键技术问题。本章根据电厂运行实际，建立了一种计及 电厂网损和阀点效应的负荷优化分配模型，并用改进的遗传算法求解这个模型， 较之不考虑网损和阀点效应的负荷优化分配，其优化结果更接近实际情况。 2 - 2 火电厂负荷优化分配的必要性 纂厂臼伍荀曲线 f 霉i 黔，霉”罗臻7 锈翼粥嚣f ? ? 1 l 。r 一“，。* “i 。“。r 一，l l ，一一、。一：n 卜。：一。 。 一。 ”。一：“一- 。4 4 i 一。 +2 7 ” 蔼 。 i “ 一 i ，扩，矿， 时阿 图2 - 1 莱火电厂日负荷曲线图 图2 - i 为某火电厂日负荷曲线图，由图可以看出，火电厂的负荷在一天之内 都处于波动之中。实际上，随着越来越多的大容量机组投入运行和电网的蜂谷差 日益增大，火电厂大部分时间不在满负荷或接近满负荷状态下运行。在火电厂实 际负荷低于全厂额定总负荷时，各机组间的负荷如何分配才能保证全厂的总能耗 最小? 通常，火电厂在机组间的负荷分配上，通常是让效率高的机组多带负荷， 或是在各机组间平均分配，其实这在大多数情况下是不科学、不经济的。随着电 厂之间竞价上网的推行，各火电厂都在努力提高运行水平，降低全厂煤耗，机组 间进行负荷优化分配成为重要的一环 硕士学位论文第二章火电厂厂级负荷优化分配 2 3 火电厂厂级负荷分配模型 2 3 1 机组负荷优化分配的数学模型 多机组负荷分配就是要在满足电网中调给定的负荷要求下，让系统的煤耗最 低。传统的机组负荷优化分配模型如下： n f i n c = 旦 ( 2 一1 ) l l 约束条件为： ， 1 ) 机组负荷约束： p , - s 只只“； 2 ) 功率平衡约束： 卫= d t - i 式中： c 一一总煤耗量； ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 一一参与负荷分配的机组台数； e 一一机组i 的煤耗； e m 一一机组出力下限： 只一一一机组出力上限： d 一一系统的负荷需求。 本文建立的机组负荷优化分配模型计及了网损和阀点效应，在系统煤耗中， 加上了由于阀点效应造成的损耗；功率平衡约束中机组的功率之和等于电网负荷 需求加上网损造成的损耗。 计及网损和阀点效应的新的机组负荷优化分配模型为： r m i n c = 局+ 互 ( 2 4 ) t = lt = l 约束条件为： ， 1 ) 机组负荷约束： p , - s 只只“。 2 ) 功率平衡约束： 只= d + p r f i - i 式中：。 、 c 一一总煤耗量； 一一参与负荷分配的机组台数； 8 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 硕士学位论文第二章火电厂厂级负荷优化分配 最一一机组i 的煤耗； 名一一网损； e 一一第f 台机组因为阀点效应造成的损耗； 只“一一机组出力下限； p 一一一机组出力上限； d 一一系统的负荷需求。 2 3 2 锅炉煤耗量与汽轮机功率的关系 供电煤耗曲线f 5 l l ( 锅炉煤耗量( 标准煤) 与汽轮机功率曲线) 是决定每台机组 能够分配多少负荷的最重要的因素，也是决定分配到各台机组的负荷是否最优 的基础。因此，供电煤耗曲线的确定非常重要。 由于机组的供电煤耗不仅与所带的负荷有关，还与机组的状况、燃煤特性等 许多因素有关，所以非常难以确定，传统上由热力试验来确定。但由于热力试验 是在特定的条件下进行的，在运行一段时间后，机组的状况和性能会发生改变， 机组的供电煤耗曲线也会发生变化，比如大修前后，机组的煤耗曲线会不一样。 所以，以试验得到的煤耗曲线来进行负荷动态优化分配会产生较大的误差，有 时可能会得到完全错误的结论 为了使煤耗曲线尽可能反映实际情况，从而使优化分配得到的负荷组合尽 可能最优，本文认为煤耗曲线应采用在线监测的方法来获得。随着火电厂在线监 测技术的完备和计算机技术的发展，通过对运行参数的在线监测，可以实时计 算出机组的供电煤耗，然后通过回归计算得到每台机组的供电煤耗曲线。这样得 到的供电煤耗曲线总是最新的，准确性和可靠性强。 典型锅炉煤耗量( 煤耗量) 与汽轮机功率成二次多项式关系： 旦= q 乎+ 岛卑+ q ( 2 - t ) 式中： 且一一第i 台机组的典型锅炉煤耗量( 标准煤) ，单位t h ； 霉一一第i 台机组功率，单位姗； q ，岛，q 一一第f 台机组典型煤耗量( 标准煤) 一汽轮机功率方程的系数， q 0 9 硕士学位论文第二章火电厂厂级负荷优化分配 2 3 3 网损 1 帧t 5 2 - 5 3 】昂是发电机有功功率、传输线路参数和网络拓扑结构的函数，计 算时可忽略或按总负荷的一定百分比确定。然而当电力网络覆盖面较大或负荷密 度较低时，网损有时可达总负荷的2 0 3 0 ，这时网损就成为必须计及的因素。 此时，可通过潮流软件获得网损的精确值。工程人员习惯使用曰系数( 包括 丑，岛，风。) 计算网损，网损与口系数及各发电机有功功率的关系为： 岛=pf8p七prbo+b(2-8) 式中： 尸一一维发电机功率列矢量： ，一一p 的转置； 占一一n x n 维对称方阵； 昂一一维列矢量； 为常数； 一一机组台数。 在实际应用中b 系数可以由潮流软件精确计算，存储在系统实时数据库中， 而且每隔一定时间要修正1 次( 几s 几十s ) 。因此结果是相当精确的。 2 3 4 阀点效应 根据对发电机组运行过程中的只，皿采样可以获得机组的煤耗量与汽轮机功 率曲线，通常是将其表示成二次函数的形式，如式( 2 1 ) 。然而汽轮机进汽阀突然 开启时出现的拔丝现象会在机组的耗量曲线上叠加一个脉动效果，即产生所谓的 阀点效应 s 3 1 ，如图2 - 2 所示。 ，。- 、 - s 芝 噜 、_ ， 删 硒 _ _ p ( 埘矿) 图2 - 2 计及阀点效应的锅炉煤耗量与汽轮机功率曲线 l o 硕士学位论文第二章火电厂厂级负荷优化分配 阀点效应可以表示为： 互= i g l 血( e ( 只一只“) ) l ( 2 - 9 ) 式中： e 一一第f 台机组因为阀点效应造成的损耗； & 、日一一常数，由电厂根据机组热力试验数据给出： 只一第f 台机组出力； 只血一一第i 台机组出力下限。 研究表明，忽略阀点效应，会使求解精度受到影响 2 3 5 对约束条件的处理 对于一般的约束优化问题，根据约束的特点( 等式或不等式) 构造某种。惩罚” 项，然后把它加到目标函数中去。这种“惩罚”策略，对于问题求解过程中企图 违反约束的那些迭代点给以很大的目标数值，迫使这一系列无约束问题的极小点 或者不断的向可行解靠近，或者一直保持在可行域内移动，直到收敛于原约束问 题的极小点 本文采用外点法将等式约束条件( 2 固以惩罚函数项的形式加入目标函数中， 将目标值和罚函数确定为寻优目标，可以得到优化目标函数如下： m i n ，；姜且+ 粪枷睡p 。- d - p w ) 2 小，加，狞g10)t-i m i n ，；且+ 蜀+ 口l i ，i = l ，2 ，狞( 2 f i l l - i 约束条件为： 只血卑s 尹( 2 - 1 1 ) 其中，口为解决具有约束条件的罚函数系数。 计算中惩罚因子口的选取至关重要。理论上应当是口专0 0 但是在实际计算 中，如果口选取过大，可能使算法收敛于非最优解；反之，又可能使算法收敛于 不可行解为此，本文采用自适应调整策略来更新罚因子口，即随着迭代过程的 进行，口逐渐增大，以保证等式约束条件得到满足，并最终找到问题的最优解。 具体调整策略将在后面的遗传算法的适应度函数中讨论。 从模型中可以看出，加入了阀点效应后，目标函数变的非凸了，而遗传算法 不要求目标函数是凸的，又由于遗传算法具有很好的鲁棒性、全局最优性和隐含 硕士学位论文第二章火电厂厂级负荷优化分配 并行性。所以本文选择遗传算法来求解这个优化模型。 2 4 遗传算法及其特点 遗传算法 5 4 - 5 5 ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是一类借鉴生物界的进化规律( 适者生 存，优胜劣汰遗传机制) 演化而来的随机化搜索方法。它是由美国的j h o l l a n d 教授1 9 7 5 年首先提出，其主要特点是直接对结构对象进行操作，不存在求导和 函数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力；采用概率化的 寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要 确定的规则。遗传算法的这些性质，已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、 信号处理、自适应控制和人工生命等领域。它是现代智能计算中的关键技术之一。 遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型。 它的思想源于生物遗传学和适者生存的自然规律，是具有“生存+ 检测”的迭代 过程的搜索算法。遗传算法以一种群体中的所有个体为对象，并利用随机化技术 指导对一个被编码的参数空间进行高效搜索。其中，选择、交叉和变异构成了遗 传算法的遗传操作；参数编码、初始群体的设定、适应度函数的设计、遗传操作 设计、控制参数设定五个要素组成了遗传算法的核心内容。作为一种新的全局 优化搜索算法，遗传算法以其简单通用、鲁棒性强、适于并行处理以及高效、实 用等显著特点，在自适应控制、系统优化、模式识别和参数辨识等领域得到了广 泛应用，取得了良好效果，并逐渐成为重要的智能算法之一。 遗传算法应用于系统优化时，首先将解的搜索空间( 欲求解问题的解空间) 映射为遗传空间，把每一个可能的解称为一个染色体或个体，由所采用的编码表 示，个体的每个元素称为基因。所有染色体组成种群，根据适应度值的大小，按照 预定的目标函数对每个染色体进行评价，保留好的结果，同时寻找更优的结构 ( 解) 。遗传算法作为一种全新的随机优化与搜索算法，具有以下特点：( 1 ) 操作对 象不是解集本身，而是对参数集进行了编码的个体；( 2 ) 是一种多点搜索算法，具 有很好的全局搜索能力，不会过早的陷入局部最优解，而且具有良好的并行搜索 能力；( 3 ) 不需要搜索空间的知识以及梯度等高阶信息，只需要用适应度函数的知 识以及梯度等高阶信息，只需要用适应度函数来评价个体，适用于大规模、高度非 线性的多峰函数的优化以及无解析表达式的目标函数的优化，具有很强的通用 性；( 4 ) 操作的可行解集是经过编码的，目标函数可以解释为编码化个体( 可行解) 的适应值，因而具有良好的可操作性。 硕士学位论文 第二章火电厂厂级负荷优化分配 2 5 机组负荷分配的遗传算法求解 2 5 1 遗传算法用于电厂负荷最优分既的基本步骤 y 土 厅荔习 l 输出结聚i - 图2 - 3 基于遗传算法的负荷最优分配基本步骤 遗传算法应用于电厂负荷的最优分配，必须确定群体和解的集合，经过遗传 算法的选择、交叉、变异和解码运算以及个体评价运算，其基本步骤如图2 - 3 所 示 2 5 2 编码 简单遗传算法采用二进制编码，但是实数编码在函数优化和约束优化领域比 二进制编码更为有效。所以，本文采用实数编码，编码长度等于参与负荷分配的 机组的个数，以向量形式表示，如石= 弛，昱，昂) 。问题的搜索空间就是每台 机组的出力上下限： 只“只”，f = 1 2 ，n 硕士学位论文 第二章火电厂厂级负荷优化分配 2 5 3 初始种群的生成 根据设定的初始种群大小p o p s i z e ，在搜索空间中随机选取p o p s i z e 组数作为 进行遗传运算p o p s i z e 个初始染色体，也就是解空问中负荷分配的初始值；每 个染色体中包含p o p s i z e 个基因( 机组台数) ，在解空间则是分配给每台机组的负 荷。遗传运算从p o p s i z e 个点开始并行搜索，通过对各染色体的基因进行遗传 运算来实现寻找全局最优解。 2 5 4 适应度函数 按照式( 2 7 ) 计算每个个体的厂值，则本文的适应度函数定义为： f = c 一乃，j f f i l ，2 ，p o p s i z e ( 2 - 1 2 ) 式中： ， r、2 乃= 如+ 巳+ 口i 匕一d 一锄l ，= 1 2 ，p o p s i z e ，i = l ，2 ，； ，一一本代中每个个体按照式( 2 - 7 ) 计算出的，值； c 一一给定的一个较大的整数； p o p s i z e 一一种群数量； 一一机组台数。 这样选择适应度函数的目的是为了保证适应度的非负性。 适应度函数选取以后，下面讨论一下适应度函数中的惩罚因子口的选取问 题。 设第七代的惩罚因子为，平均适应度为瓦，瓦= 。芝f j p o p s i z e 如果 f l l 各个个体间的适应度相差不大，比如r - 言- r k - 1 0 0 1 采用这样的自适应惩罚因子是因为：算法初期为了避免过早的不成熟收敛， 希望个体的差异小一点；算法后期为了加速收敛，希望个体的差异大一点。这种 调整当搜索空间缩小到一定精度后终止。 2 5 5 遗传操作 选择操作的改进 将初始群体的各个体的参数值代入目标函数得出各个体的适应值，然后按照 1 4 硕士学位论文 第二章火电厂厂级负荷优化分配 适应值由大到小排序，利用排序选择法，即：把序号在前面的埘个个体复制两份， 不进行交叉和变异操作，直接进入下一代；淘汰序号在后面的m 个个体；序号在 中间的p q 芦妇一2 埘个个体复制一份( 黟妇为群体中的个体总数) ，进行交叉和 变异操作，然后进入下一代具体实现如下： l 互= z l i = l ，2 ，m z ：= z ， f = 脚+ 1 ，2 m y = 1 ，2 ，删 ( 2 - 1 3 ) l 乙= z ，j - 2 r e + l , ，p o p m z ej = r e + l , ，p o p s t z e 一坍 式中： z 一一选择后的种群； z ，一一初始种群。 排序选择在保持群体个体总数不变的情况下，保持一致的选择压力，能够较 好的抑制局部最优解早熟，即非成熟解过早收敛的能力。在本文中m 取初始种群 数的5 ，即r t l = 0 0 5 x p o p s i z e 。 交叉 在选择操作中序号在中间的p o p s i z e 一2 坍个个体中随机选择两个个体作为交 叉操作的副本，如五= ( 只。，丑：，晶) 和x 2 = ( 马。，易，如) 。本文采用单点交叉，对 选中的两个染色体随机设定一个交叉位置，两个个体相互交换该位置前或后的部 分设交叉操作后的新个体分别为珂和墨，则墨= ( 眉。，与z ，岛) ， 墨= ( b 。，p 。，) 。通过交叉，使得遗传算法的搜索能力大大提高 变异 设个体石= ，昱，助是随机选中的变异操作的父本，男是变异点保持其 它负荷不变，在第三台机组的出力上下限范围内随机选取一个出力值代替b 原来 的值，实现了变异。 2 5 6 终止条件 当搜索空间缩减到一定精度范围内，且群体最佳适应度和平均适应度趋于稳 定时，群体中的最佳点即为最优解。 即： 巳一d 一嘞a ( 2 1 4 ) g 每s a ： 2 - 1 5 ) j i 垒乒鸡 2 - 1 6 ) ) t 。 式中： 硕士学位论文 第二章火电厂厂级负荷优化分配 ，严，并一一分别为第k 代和第七一l 代的最佳适应度； ，i ，五。一一分别为第七代和第七一l 代的平均适应度； b ，a 2 ，a 3 一一为给定的较小的正数。 2 5 7 参数确定 遗传算法是基于概率的全局搜索，需要确定的参数一般有选择概率b 、交 叉概率最、变异概率匕、种群规模和终止进化代数现在还没有理论方法来确 定这些参数的最优值，一般只能按经验选取，通常b 取o 1 v o 2 p c 取0 2 o 6 ， 匕取0 0 0 5 0 0 1 2 6 算例分析 各机组的耗量特性常数及出力上下限见表( 2 1 ) ，发电机承担的总负荷 d = 5 0 0 打矿。 表2 - 1 机组耗量曲线系数及出力上下限( 数据来源于耒厂几台不同机组，表中各符号参 考式( 2 - i ) - ( 2 - 5 ) ) 机组 q岛qg h 矿矿 l 0 0 0 1 5 67 9 25 6 13 0 00 0 3 1 51 0 0 06 0 0 2o 0 0 1 9 4 7 8 53 1 02 0 00 0 4 2 01 0 0 04 0 0 3 0 0 0 4 8 27 9 77 81 5 00 0 6 3 05 0 o2 0 0 计算网损的b 系数如下： r0 0 6 7 6 0 o 0 0 9 5 3 - 0 0 0 5 0 7 1 b = l0 0 0 9 5 3 0 0 5 2 1 0 0 0 0 9 0 1 l ； i - 0 0 0 5 0 7 0 0 0 9 0 1 0 0 2 9 4 0i - 0 0 7 6 6 0 昂= l - 0 0 0 3 4 2 l ； 【0 0 1 8 9 0j = 0 0 4 0 3 5 7 。 情形一( 不考虑网损，不考虑阀点效应) ： 令( 2 - 1 0 ) 式中昂= 0 ，e = o 得忽略网损、忽略阀点效应的数学模型： 硕士学位论文第二章火电厂厂级负荷优化分配 minfffi兰枷(”p,-9i-it - i 卜乩玑珂； 忍+ 口li ，矧，2 ，珂； 约束如( 2 1 1 ) 式 情形- - ( 不考虑网损，考虑阀点效应) ： 令( 2 - 1 0 ) 式中巨= o 得忽略网损、考虑阀点效应的数学模型： ( 2 1 7 ) ” 厂 r、 m i n f - - 艺b , + e + 口l 只一di ，j = l 2 ，以； ( 2 - 1 8 ) l - ii - 1i = 1 约束如( 2 - 1 1 ) 式。 情形三( 考虑网损，考虑阀点效应) ： 模型为： m i n f = 姜马+ 妻局+ 口( 兰p , - z ) 一昂) 2 ，；= t ，乙，行q19)t-i i - i 马+ 局+ 口l 一昂i ，f = l ，2 ，行 ( 2 一 扣i 约束如( 2 - 1 1 ) 式。 表2 - 2 试验结果对比表 优化 结果 p , ( m r v )昱( 删)与( 删)p , ( m r v )昂( m w )c ( t h ) 情形一2 3 71 8 87 55 0 05 0 8 0 情形二 3 0 01 0 11 0 05 0 15 1 2 1 情形三 3 0 01 7 29 95 7 17 05 7 3 5 从情形二和情形三可以看出，阀点效应使系统总消耗增加，然而它的增加却 是非线性的，使得各机组之间的负荷功率分配发生了较大变化。从情形三可以看 出，本算例网损超过各机组功率总和的1 0 ，比重较大。由网损引起消耗的增加 ( 较情形二) 亦超过1 0 ，因此不能忽略，综合考虑网损和阀点效应得到的结果 才能更符合实际情况。 1 7 硕士学位论文第二章火电厂厂级负荷优化分配 2 7 本章小结 机组负荷分配是电力系统中一个十分重要的优化问题，恰当地在机组间分配 负荷可以带来巨大的经济效益。传统求解机组负荷分配时是不考虑网损并且忽略 了阀点效应，这是不符合实际情况的。本章建立了一个计及网损以及阀点效应的 新的负荷优化分配模型，并用改进的遗传算法求解这个模型，给出了仿真算例。 硕士学位论文第三章单台机组运行优化 3 1 引言 第三章单台机组运行优化 单台机组运行优化的关键是确定指导机组优化运行的优化目标值【5 p 5 7 1 。机 组运行优化目标值从定义上讲，是提供反映机组当前最优化运行状态的运行参数 和性能指标，而从它在运行优化中的功能定义上讲，它是联系性能计算和偏差分 析的桥梁和纽带，为运行优化操作指导提供了基础和依据。没有正确适用的运行 优化目标值支持，运行优化就失去基础，成了空中楼阁。电厂运行优化目标值问 题包含甚广，本章将重点对机组运行重要参数的定量化问题进行了研究，在传统 方案的基础上，利用数据挖掘的技术优势，提出了一套合理、有效的