（动力机械及工程专业论文）基于sis平台的负荷优化分配系统研究.pdf

中文摘要 摘要 节能降耗，提高能源利用效率是我国发展经济的基本政策。随着“厂网分开、竞价 上网”为目标的电力体制改革的不断深化，电网中用电负荷峰谷差的日益增大，研究火 力发电厂厂级负荷优化分配具有重要意义。 本文以厂级监控信息系统( s i s ) 为平台，以标准供电煤耗量为模型目标函数，构建火 力发电机组负荷优化分配系统的整体框架。采用神经网络建模方法对机组的煤耗特性进 行实时跟踪，为负荷优化分配的合理性奠定基础。在煤耗特性曲线的拟合和更新上，提 出了一种适合工程应用的曲线更新方法，并综合考虑历史数据和当前数据对煤耗特性的 影响，使曲线更真实的反映机组的实际状况。在分析多种优化算法的基础上，采用了等 微增率算法和遗传算法，并根据课题需要对遗传算法进行了改进。 在理论研究的基础上，基于s i s 平台构建了负荷优化分配系统实施方案。结合实例对 计算结果的经济性进行了分析和评估，结果表明，该系统计算得到的负荷分配结果合理 可行，可显著提高火电厂的经济效益，具有良好的应用前景。 关键词：厂级监控信息系统，负荷优化分配，煤耗特性，神经网络，等微增率，遗传算法 a b s t r a c t a b s t r a c t s a v i n ge n e r g ya n di m p r o v i n gu t i l i z i n ge f f i c i e n c yo fe n e r g yr e s o u r c ei so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp o l i c i e so fd e v e l o p i n ge c o n o m yi no u rc o u n t r y w i t ht h er e f o r m a t i o no fe l e c t r i c m a r k e tc o n t i n u e d ，p o w e rp r o d u c e r sa r es p l i tf r o mg r i dc o m p a n i e s ，a n da r cs u p p l y i n gt h eg r i d a tp r i c e st h eb i d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm a x i m a la n dm i n i m a l i o a di np o w e rg r i di sg r o w i n g g r e a t e r s o ，i th a sg r e a tv a l u e t or e s e a r c ht h el o a do p t i m a ld i s p a t c h i n gi nt h e r m a lp o w e r p l a n t w i t ht h ec o a lc o n s u m p t i o na st h eo b i e c t i v ef u n c t i o no ft h em o d e l t h i st h e s i sm a i n l y d i s c u s s e st h ew h o l ef r a m e w o r ko fo p t i m a ld i s p a t c h i n gs y s t e mb a s e do ns i s ( s u p e r v i s i o n i n f o r m a t i o ns y s t e m ) n e u r a ln e t w o r km o d e li s a p p l i e dt ot r a c kt h eu n i t 担r e a l t i m ec o a l c o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h er a t i o n a l i t yo fo p t i m a ll o a d d i s t r i b u t i o n t oo b t a i nt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fc o a ic o n s u m p t i o no fo n eg e n e r a t o rs e t t h i s t h e s i sp r o p o s e san e ww a yt or e f r e s ht h ec u r v e ，w h i c hc o n s i d e r sb o t hh i s t o r yd a t aa n dc u r r e n t d a t a ，a n dm a k e st h ec u r v ec l o s e rt or e a lu n i t b a s e do na n a l y z i n gm a n yo p t i m i z a t i o nm e t h o d s t h et h e o r i e so fe q u a li n c r e m e n t a lg r o w t ha n dg e n e t i ca l g o r i t h ma r eu s e di nt h es t u d i e so n o p t i m i z i n gl o a d a n dp u tf o r w a r dg e n e t i ca l g o r i t h mt os o l v et h ep r o b l e m so fo p t i m a il o a d d i s p a t c h ，a sw e l la si m p r o v e di tf o rt h en e e d so fm yr e s e a r c h o nt h ef o u n d a t i o no ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h i st h e s i sd e v e l o p e da no p t i m a l l o a dd i s p a t c h s y s t e m t h ee x a m p l e sw e r eu s e dt os t u d yo p t i m a l l o a dd i s p a t c ha n di t sr e s u l th a dp r o v e dt h e r a t i o n a li t yo fc o r r e s p o n d i n gd i s t r i b u t i o n b e s i d e s t h er e s e a r c hc a nb r i n go b v i o u se c o n o m i c p r o f i tt ot h e r m a lp o w e rp l a n t i th a se x p a n s i v ef o r e g r o u n do fa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s i s ，o p t i m a ll o a dd i s p a t c h ，c h a r a c t e r i s t i c so fc o a lc o n s u m p t i o n ，n e u r a ln e t w o r k ， e q u a li n c r e m e n t a lg r o w t h ，g e n e t i ca l g o r i t h m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：趁疆聋绑勿日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期：竺墨! 生乡 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 可持续发展对发电企业节约能源的要求 我国能源探明储量中，煤炭占9 4 ，石油占5 4 ，天然气占0 6 ，这种“富煤贫油少气”的能 源资源特点，决定了我国能源生产与消费以煤为主的格局将长期难以改变。 电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础产业，是关系国计 民生的摹础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。作为一种先进的生产力和基础产业， 电力行、j k 对促进国民经济的发展和社会进步起到蓖要作用。 随着我国国民经济的迅速发展，我国电力系统规模越来越大，一次能源的消耗数量惊人，图1 - 1 体现了2 0 0 2 年至1 j 2 0 0 6 年能源消费总量及其增长速度。电力系统是社会所需能源的主要提供者之一， 同时也是燃料的最主要的消耗大户。截止2 0 0 6 年底，全国发电装机容量达至 j 6 2 2 0 0 万千瓦。其中，火 电达至i j 4 8 4 0 5 万千瓦，约占总容量7 7 8 2 拉1 ，对不可再生的煤炭资源消耗巨大，火电厂用煤占我国煤 炭消耗的总量的一半以上，预计以后仍有较大的增长趋势。这将对我国煤炭开发生产造成巨大的压 力。但是我国人均能源拥有量仅为世界人均值的3 6 左右，能源利用率也处于较低水平，火电机组年 平均供电煤耗比国外先进水平高约6 0 7 0 9 ( k w h ) 【3 。同时，环境保护对火电机组能耗也提出了更 为严格的要求。因此，继续深入研究火电机组的安全、经济运行，提高火电站运行效率，大力开展 节能降耗工作，最大限度地节约煤炭资源的消耗，从而使可持续发展战略真正落到实处，使我国有 限的资源得以长久永续利用，保证资源安全，以最小的资源和环境代价实现国民经济的持续快速发 展具有重要的社会意义。 万吨标准煤 3 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 42 0 0 52 0 0 6 图1 - 12 0 0 2 - 2 0 0 6 年能源消费总量及其增长速度 1 1 2 电力市场改革促使发电企业降低成本 我国电力市场改革的总体目标是：打破垄断，引入竞争，提高效率，降低成本，健全电价机制，优化 资源配置，促进电力发展，推进全国联网，构建政府监管下的政企分开、公平竞争、开放有序、健康发 1 加 ；日 加 佰 们 5 0 东南大学硕士学位论文 展的电力市场体系阳1 。电力生产运营方式开始由传统的电力垄断向“厂网分开，竞价上网”的发电侧 市场竞争运营模式转变。在这样的情况下电力企业应该如何应对，已经成为电力企业和员工非常关 心的问题。 “厂网分开”和“竞价上网”是我国正在深化的电力体制改革的阶段目标和特征，而独立发电 企业在未来的电力市场e 更具有竞争的代表意义【5 1 。改革后的独立发电企业面临着从原来“计划经 济条件下被动接受电网调度命令运行”向“电力市场条件下实行竞价上网运营”的转变，如何面对 改革带来的竞争和挑战，是每个处于竞争条件下的发电企业所关心的重要问题之一。为了强化发电 企业的竞争优势，电力企业从机组运行的经济性出发要求降低运行成本，提升其市场竞争力，以最少 的投入，获得最大的收益，负荷优化分配日益体现出其经济上的重要意义。随着我国经济改革的深入 和发电机组自动化水平的提高，负荷优化分配的应用将会越来越普遍，这一背景使得机组负荷优化 分配系统的研究具有迫切的现实要求。 1 1 3 电力系统自动化和信息化程度进一步提高 现代信息技术的发展，在整个社会的各个领域发挥着巨大作用。信息技术在电力行业的广泛应 用，极大地提高了电力生产能力，带来了瞩目的社会效益。信息技术从2 0 世纪6 0 年代开始进入电 力行业，从生产过程自动化起步，到目前已经发展到综合应用，进一步由操作层向管理层延伸，逐 渐实现管理信息化，建立了各级企业的管理信息系统哺1 。集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，d c s ) 、管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) 已经逐步走向成熟，在现 代化发电厂中已经具有相当的普及率。为了衔接管理层与控制层，我国提出厂级监控信息系统 ( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，s i s ) 的概念。电站s i s 是主要为火电厂全厂实时生产过程 综合优化服务的生产过程实时管理和监控的信息系统【8 1 ，是一个融电厂热能动力工程、计算机与信 息工程、管理与决策科学、热工控制技术、人工智能技术等学科与技术于一体的集成信息系统旧1 。 从1 9 9 7 年s i s 系统概念诞生开始，s i s 系统得到了迅速发展和应用，2 0 0 0 年纳入火力发电厂设 计技术规程，2 0 0 4 年形成火电发电厂厂级监控信息系统技术条件 t o l ，2 0 0 5 年6 月1 日起由国 家发改委正式颁布实施。该规范作为电力行业s i s 系统的标准，为未来s i s 应用的发展指明了方向。 机组间负荷优化分配是s i s 系统的一个至关重要的应用，随着s i s 建设逐渐进入高潮“川1 刳，加快负 荷优化分配系统的研究，促进s i s 应用技术走向成熟，进一步发挥s i s 系统的效益，是当前极具有 挑战性的任务。信息技术在现代电厂的广泛应用，一方面对厂级负荷优化分配提出了更高的要求， 另一方面也为其提供了更丰富的信息来源和更强大的信息处理手段，并极大促进了负荷优化分配的 发展。 1 1 4 电网对发电企业提出新要求 随着电力建设速度的加快和国民经济产业结构的调整，近年来，用电紧张的局面已经得到了根 本的改变，部分地区的电力工业已经出现相对“过剩”的现象，各大电网的负荷峰谷差值约为电网 总容量的3 0 ，个别的地区高达5 0 ，预计今后缺电局面缓解后，其值还会更高。因此电网的调峰要 求火电厂的负荷需经常地、较大幅度地进行调整。峰谷差的增加直接导致机组频繁升降负荷和调停 次数的增加，再加上部分地区发电量有了富余，如果没有对机组负荷的合理规划，将对电厂经济效 益造成很大的影响。 中调为了保证电网负荷的稳定性，对参与“调峰”的电厂提出的负荷响应速度要求将更为严格， 一个电厂能不能迅速完成电网负荷升降任务，起到快速“平峰”的作用，有效保证电网电量供给， 将是中调评价一个参与“调峰”电厂的有效指标，根据指标完成情况，决定电厂的上网电量及发放 “调峰”补贴。所以在满足用电需要的基础上，如何提高完成电嘲负荷需求的快速性能，合理分配 各机组负荷使机组保持在较经济的状态下运行，将成为电力企业提高全厂经济效益的有效途径之一。 火电厂参与统一调度的机组台数增加，各个机组由于其热力设备的类型、设计水平、制造质量、 2 第一章绪论 安装工艺和运行工况的不同，使得同一个电厂内的各个机组的煤耗特性有较大区别，即使同一机组 在不同时期，如大修前后，性能也可能不同。为保证全厂各时段内总体运行的经济性，降低供电煤 耗率，就应考虑全厂机组的最优组合和运行机组间的负荷优化分配两个问题。所谓机组最优组合， 就是机组需要启停时，根据各机组的启动煤耗量及机组正常运行的煤耗特性，确定各负荷下机组的 最优组合方式和开停机顺序，使该负荷时段内总煤耗量最小，而负荷优化分配则是在全厂机组组合 方式一定的情况下，全盘考虑全厂各运行机组的煤耗特性，从而合理的分配各机组所带负荷，使全 厂总的煤耗量最小。从国内外经验可知机组优化调度可节省的总耗量可达的0 5 1 5 ，经济效益 相当显著。 在一次能源日益紧张的今天，本课题的研究对缓和能源供求状况，改善自然牛态环境，节约有 限的、不可再生的煤炭资源，降低企业发电成本，提高企业竞争力方面，都有十分重要的学术价值 和工程意义。 1 2 负荷优化分配系统研究现状 1 2 1 国内外研究现状 机组负荷优化分配己有近6 0 年的研究历史，尤其是自上世纪8 0 年代以来，电力系统的运行体 制问题引起广泛的关注，世界各国纷纷开始建立电力市场以改变电力企业垄断经营，来增强企业的 竞争力，由于负荷优化分配方法对提高发电企业的经济效益和改善系统安全运行有很大的贡献，因 此许多学者在这方面进行了理论研究并且提出了许多解决方案。 国外在这方面的研究较早，尤其在优化理论方面，提出了大量的算法，主要有等微增率法、线 性规划法，混合整数规划法、动态规划法等。近年来，随着计算机技术和优化理论的发展，一些学 者又提出将模拟退火、遗传算法、人工神经网络等智能算法应用到机组负荷优化分配。在实际系统 的开发方面，也取得了一些成果，德国s i e m e n s 公司的负荷优化软件在德国m a n n h e i 电厂、韩国 h a d o n g 电厂己有相对成功运行的经验“。 在国内由于受长期电力供应紧张局面的影响，以及发电厂自动化和信息化相对落后的原因，对 厂级负荷优化分配方面的研究较国外起步晚，尽管取得了一些成果，但基本还处于试验阶段，即使 投入实际应用，也很难达到预期的优化效果。 当前关于厂级负荷优化分配的文献研究较多，一些负荷优化分配软件已经在某蝗电厂得到了应 用，由于机组实际运行工况比较复杂，应用效果依然不大理想。主要体现了以下几方面的不足： 1 基本上都是进行离线负荷分配。其采用的煤耗特性曲线不是实时的，不能体现机组当前的实际 运行状况。 2 未考虑机组的主要运行设备的综合性能和安全因素。运行经济性好的机组，可能其某些设备健康 状态并不好，因此，把较多负荷分配到这样的机组上是不合理的，影响了机组设备的安全性和使 用寿命。 3 不能实时给出准确的优化结果。由于过度的追求经济性最优，使得机组负荷优化分配模型越来 越复杂，花费大量的时间进行计算和决策，降低了模型的效率，在保证经济性最优的同时，却不 能有助于电厂快速完成电网的升降负荷需求。 4 没有考虑频繁变负荷给机组带来的影响。机组负荷频繁的变化，使得机组的可控运行参数需要 及时的调节，要求机组设备快速响应，这种频繁的调节和响应极大的影响了机组的稳定性和设 备的使用寿命。 1 2 2 负荷优化分配的算法 1 传统优化算法 3 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 优先顺序法 优先顺序法是较早出现的一种解决机组组合和负荷分配的算法，即把机组按照某个运行点处的 运行效率的高低排列，首先把负荷加到效率高的机组上，依次加负荷到机组的最佳效率点而不是到 满载，减负荷则相反。这些方法尽管简单易行，但是未得到理论证明，有很大的近似性，不能保证 负荷分配方案最优。根据系统理论分析的观点，着将全部带负荷机组视为一个系统，每台机组视为 系统的一部分或局部，局部最优的组合未必就会得出系统或全局最优的结论。 文献 1 5 采用优先顺序法和等微增原贝0 考虑一个多区域电网的经济调度问题。经典的优先顺序 法在排序过程中不考虑负荷变化，是一种静态排序策略。而文献 1 6 提出了一种考虑负荷变化的优 先顺序法，称为顺序投入法，在调度过程中动态的考虑机组j b y , j 。文献 1 7 将传统的经济指标：即 平均满负荷费用和投入利用因子结合使用，作为排序的指标，取得了更好的效果。文献 1 8 在顺序 投入法中引入了一个全局决策过程，以克服这种方法有时找不到最优解或次优解的缺陷。 优先顺序法计算速度快，占用内存少，虽然有时候找不到最优解，但能满足一般的应用要求， 所以得到了较为广泛的应用。优先顺序法既可单独使用，也可与动态规划法等方法结合使用。 ( 2 ) 等微增率法 该方法是以数学极值理论为基础，在1 9 3 4 年提出来的。首先假定n 台机组的煤耗曲线和微增率 曲线是连续可微的，这也是使用该方法的前提条件。在此基础上以负荷需求为约束条件，以煤耗或 标准煤耗为目标函数，用h e s s e nm a t r i x ( 海赛矩阵) 来判断是否存在最优解，若h e s s e nm a t r i x 正定，则有最优解。当各台机组的煤耗微增率均随负荷的上升而单调递增时，这种分配方法就能保 证分配方案是最优的“。 基于等微增法机组间的负荷优化分配，简单明了，使用方便，运行人员在实践中积累了丰富的 经验，是目前各国电力实行经济调度的主要方法，但由于其建立在古典变分学基础上，为了达到系 统标准煤耗最小，要求总煤耗目标函数为严格凸函数，即各机组的煤耗曲线为单调递增可微。对煤 耗曲线有严格的精度要求，煤耗曲线的准确程度将直接影响优化的结果。 2 基于数学规划的方法 ( 1 ) 动态规划法 动态规划法通过枚举各种可能的状态组合的过程中巧妙的摒弃了那些不需要考虑的解，是解决 多阶段决策过程最优化的一种数学方法。它的收敛性能优良、结果稳定，在实际系统中得到广泛应 用。 动态规划法是目前电厂负荷优化分配常用的方法，介绍的文章也较多。文献 2 0 根据现场试验 结果，应用动态规划原理对某电厂3 台3 0 0 m w 机组的负荷分配进行了优化。结果表明，它比平均分 配负荷的调度方式煤耗明显降低。文献 2 1 应用动态规划法解决唐山发电厂机组的经济负荷分配问 题，节省燃煤约占全厂煤耗的1 。文献 2 2 针对拥有多台机组的火电厂在全厂总负荷变化的情况 下，在各机组间分配负荷时存在的问题，采用改进的动态规划方法进行机组负荷的最优分配，降低 了计算的复杂性，确保了总成本的最低，可以明显提高电j 一运行的经济性。应用于机组负荷优化分 配的动态规划，对目标函数的性态没有特殊的要求，理论上能求得全局最优解，但随着问题规模的 增大而陷入“维数灾”，且难于考虑与时间有关的约束条件和机组爬坡速率等限制。 ( 2 ) 线性规划法 线性规划起源于二次大战后期，是美国空军数学顾问g b d a n t z i g 首先提出来的。线性规划丰要 用于求解线形目标函数，线性约束条件( 等式或不等式约束) 的优化问题，应用线性规划方法求解机 组间的负荷优化分配问题，首先要把表示机组经济性的煤耗特性曲线分段线性化，即分段建立目标 函数，小区间内等微增耗为常数，然后采用线性规划的数值方法进行求解【2 引 由于火电机组的耗量特性曲线一般不服从线性函数，近似为线性函数后，再用线性规划，分配 结果偏离实际最优方案。 ( 3 ) 非线性规划法 非线性规划法是根据电厂机组的热力数据，构造出一组描述系统实际过程的数学模型，并用非 4 第一章绪论 线性规划法求得最优化方案的一种复杂解算方法。这种方法虽然在大多数情况下可以计算出最优值， 但其过程复杂，计算量大，且在变量边界附近容易使寻优陷入死循环，所以在工程中的应用受到了 很大的限制，还有待研究。 3 现代智能优化算法 ( 1 ) 遗传算法： 遗传算法的基本思想是基于d a r , i n 的进化论和m e n d e l 的遗传学说拉劓。遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ) 是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种全局优化的概率搜索算法。它 起源于6 0 年代对自然和人工自适应系统的研究，已被人们广泛地应用于函数优化、组合优化、生产 调度问题、自动控制、机器学习、图像和信号处理、机器人学、遗传编程和人工生命等领域，是现 代智能计算的关键技术之一嵋“。 遗传算法模拟了自然选择和遗传中发生的复制、交叉和变异等现象，从任一初始种群 h 发，通 过随机选择、交叉和变异操作，产生一群更适应环境的个体，使群体进化到搜索空间中越来越好的 区域，这样一代一代地不断繁衍进化，最后收敛到一群最适应环境的个体，求得问题的最优解。 遗传算法本身不要求对优化问题作深入的数学分析，这为对数学理论和算法不太熟悉的科研人 员带来了方便。遗传算法已经成为一个多学科、多领域的重要研究方向，由于其简单、通用、鲁棒 性强、不依赖于问题模型的优点，适合并行分布处理，随着电力系统改革及本课题研究的深入，遗 传算法也被引入到电力系统负荷优化分配的研究中来，逐渐称为机组负荷优化分配的一种重要优化 算法。 ( 2 ) 模拟退火法： 模拟退火算法是人们从自然界中固体退火过程中得到启发并从中抽象出来的一种随机的优化算 法晗“。在同一温度，分子停留在能量低的状态的概率比停留在能量高的状态的概率要大，当温度趋 于零时，分子停留在最低能量状态的概率趋于1 。在负荷的优化分配中将能量看成是目标函数，则 寻求能量最低点的问题就转化成求解目标函数的最小值问题。该算法最为显著的特征是它以一定的 概率接受目标函数值增大的移动，所以能从局部最优解的“陷阱”中爬出来，而不会简单地终止于 1 个局部最优解上，即具有全局收敛性。并且，理论己经证明只要系统模拟过程满足一定的要求( 系 统温度无限趋近于o 并且在每一温度下模拟充分) ，则该算法将以概率1 渐近收敛于全局最优解。模 拟退火算法可以直观理解为：在一个给定的温度，从一个状态随机的变化到另一个状态，每一个状态 到达的次次数服从一个概率分布，当温度很低时，以概率1 停留在最优解幢“。 文献 2 6 研究了模拟退火算法在两台供热机组负荷优化分配中的应用，取得了较好的效果。模 拟退火算法理论上具有全局收敛性，但实际上因为初始温度、温降控制方法、终止规则都是人为确 定的，人为的调整必然造成计算结果的差异。 ( 3 ) 禁忌搜索算法 禁忌搜索算法是一种人工智能算法，是局部搜索算法的扩展，在搜索过程中获得知识，能够以 较大的概率跳出局部极值区。它以其较高的求解质量和效率己在许多优化问题中显示出强大的寻优 能力，但存在对初始解依赖性较强的缺点，另一个缺点是搜索只是单对单操作。 ( 4 ) 人工神经网络法 人工神经网络法是对人类大脑的一种物理结构上的模拟，即以计算机仿真的方法，从物理结构 上模拟人脑，以使系统具有人脑的某些智能。人工神经网络在优化问题中，常用的两种重要模型是 b p 网络和h o p f i e l d 网络模型。 神经网络模型的优点是在线计算能力强，适合实时控制。文献 2 8 将负荷优化分配问题映射到 h o p f i e l d 神经网络模型，然后利用h o p f i e l d 的动力特性搜索最优分配。文献 2 9 运用双h o p f i e l d 神经网络求解机组的负荷优化分配，结果表明能有效的解决机组负荷优化分配的问题。神经网络模 型同时也存在着收敛速度慢，当神经元个数不断增加时，存在容易陷入局部最优的问题，且确定网 络合适的隐含层数目和节点数目较困难。 总之，几十年来随着计算机技术的迅速发展和优化理论的深入研究，电力科学工作者几乎尝试 东南大学硕仁学化论文 了应用所有优化算法解决电力系统的机组负荷优化分配问题。但到目前为止，还没有找到一种既理 想又实用的算法，究其根本原因，该问题本身是一个复杂的大型、动态、有约束的混合整数非线性 规划问题，因此如何在已有研究成果的基础上继续完善、改进和探索新的求解方法，是电力系统经 济运行所面i 临的一个亟待解决的问题。 1 3 本文主要工作及篇章结构 本文将在考虑火电厂实际运行特性的基础上，针对单元制式的火电厂中存在的主要问题，对其 数学模型的建立，煤耗曲线的拟合，以及等微增率法，遗传算法在负荷优化分配中的应用等一系列 理论和工程问题作了深入讨论。最后提出了适用于s i s 系统的厂级负荷优化分配的思路和方案，并 致力于负荷优化分配系统作为s i s 模块的研究开发。 本文共分为七章，除本章绪论外，其余各章内容安排如下： 第二章：首先介绍了厂级_ | ；f 控信息系统的基本概念，然后从硬件方面对厂级监控信息系统的架 构作了分析介绍，并从软件和功能方面对厂级监控信息系统进行介绍。阐述了基于s i s 平台的负荷 优化分配的发展背景和研究要点，并与传统a g c 方式进行对比。 第三章：介绍了煤耗特性曲线的几种获取方法，深入分析了煤耗指标常规计算方法，并分析了 煤耗指标的各个影响因素，然后建立了基于神经网络的煤耗特性模型。在曲线拟合和更新上，提出 了一种适合工程应用的煤耗特性曲线在线拟合和更新方法。 第四章：确定了负荷优化分配的模型。确定了负荷优化分配目标函数及约束条件。 第五章：首先深入分析了等微增率法的推导过程、求解原理和递推算法。其次介绍了遗传算法 的基本概念、基本步骤和基本特点，并结合负荷优化分配的模型特点对遗传算法进行了改进。最后 结合应用实例对两种算法进行对比分析。 第六章：简要介绍了系统的开发工具及平台，并对系统方案的各个功能模块作了介绍。并介绍 了软件系统的前台界面和功能特点。 第七章：结论及展望，对本文所做的工作进行总结，并指出下一步工作的研究方向。 6 第一章绪论 参考文献 1 王武震，张伟红我国的能源安全战略初探 j 商场现代化，2 0 0 6 年1 月( 上旬刊) ：2 0 2 - 2 0 3 2 2 0 0 7 中国电力行业研究报告，h t t p ：w w w u m r n e t c o m a r ti c l e r e p o r t 1i 0 1 7 3 9 9 h t m l 3 毕小龙热力系统的状态监测与故障诊断研究 d ： 博士论文 东南大学，2 0 0 7 4 魏兰电力市场化对电力企业资本运营的影响上海电力学院学报，2 3 ( 2 ) ，2 0 0 7 ：1 7 9 - 1 8 2 5 李泓泽，何海峰，郭鑫厂网分开后独立发电企业竞争力评价的相关问题探讨电网技 术，2 8 ( 2 0 ) ，2 0 0 4 ：7 - 1 0 6 3 电力工业信息化的建设与发展，h u p ：l l w w w i - p o w e r c o m c n i p o w e r p w s o r i n f o d 1 0 1 0 7 1 2 0 0 1 h t m 7 侯子良火电厂厂级自动化系统总体功能设计思路探讨 j 中国电力，2 0 0 1 ，3 4 ( 4 ) ：5 6 - 5 8 8 侯子良再论火电厂厂级监控信息系统 j 电力系统自动化，2 0 0 2 ，2 6 ( 1 5 ) ：1 - 3 9 余勇厂级监控信息系统方案研究 c 电站自动化信息化学术技术交流会议，南京：2 0 0 2 i o d l t 9 2 4 2 0 0 5 ，火电厂厂级监控信息系统技术条件 s 北京：中国电力出版社，2 0 0 5 1 1 侯子良登高望远推动s i s 健康发展一一关于s i s 若干问题的讨论 j 电力信息 化，2 0 0 6 ，4 ( 1 ) ：3 3 3 7 1 2 侯子良s i s - - 中国电厂信息化道路 j 电力信息化，2 0 0 6 ，4 ( 6 ) ：4 2 4 5 1 3 孙瑞在线与离线相结合的机组负荷优化分配 d ： 硕士论文 上海：上海发电设备成套设计 研究所，2 0 0 4 1 4 马欣欣火电厂优化软件的应用及前景( 续) ，中国电力，1 9 9 9 ，3 2 ( 7 ) ：5 2 5 6 1 5 s h o u l t sr r ，c h a n gsk ，e t a l ap r a c t i c a la p p r o a c ht ou n i tc o m m i t m e n t ，e c o n o m i c d i s p a t c h ，a n ds a v i n g s a l l o c a t i o nf o r m u l t i p l e a r e a p o o l o p e r a t i o n w i t h i m p o r t e x p o r t c o n s t r a i n t s i e e et r a n so np a s ，1 9 8 0 ，9 9 ( 2 ) 1 6 l e efn s h o r t - t e r mu n i tc o m m i t m e n t - an e wm e t h o d i e e et r a n so np w r s ，1 9 8 8 ，3 ( 2 ) 1 7 l e efn t h ea p p l i c a t i o no fc o m m i t m e n tu t i l i z a t i o nf a c t o r ( c u f ) t ot h e r m a lu n i t c o 衄it m e n t ，i e e et r a n so np w r s ，1 9 9 1 ，6 ( 2 ) 1 8 f a njy ，z h a n gl ，m c d o n a l djd e n h a n c e dt e c h n i q u e so ns e q u e n t i a lu n i tc o m m i t m e n tw i t h i n t e r c h a n g et r a n s a c t i o n s i e e et r a n so np w r s ，1 9 6 6 ，1 l ( 1 ) 1 9 周云山火电机组性能及负荷优化分配研究 d ： 硕士学位论文 北京，华北电力大学，2 0 0 3 2 0 刘严，谭忠富动态规划方法在机组负荷最优分配中的应用 j 现代电力，2 0 ( 2 ) ，2 0 0 3 ：7 6 - 8 0 2 1 李建华动态规划法在发电厂负荷经济分配中的应用 j 河北电力技术，1 9 9 4 ( 4 ) 2 2 田丰，周绍兴，李新康动态规划在国产3 0 0 m w 机组负荷最优分配中的应用 j 热力发 电，2 0 0 2 ( 6 ) 2 3 李崇祥，文尚曦，刘振，等供热机组热、电负荷经济调度研究 j ，热力发电，2 0 0 0 ( 5 ) ：1 3 - 1 5 2 4 王小平，曹立明遗传算法一理论、应用与软件实现 m 西安：西安交通大学出版社，2 0 0 2 2 5 周明，孙树栋遗传算法原理及应用 m 北京：国防工业出版社，1 9 9 9 2 6 温志刚，于勇，骆贵兵，等模拟退火算法在供热机组负荷分配中的应用研究 j ，热力发电， 2 0 0 3 ( 7 ) ：1 8 - 2 2 2 7 张丽红火电厂多台机组间的负荷优化分配研究 d ： 硕士学位论文 河北，华北电力大 学。2 0 0 5 2 8 汪军基于人工智能的优化算法及其在电厂中的应用 d ： 博士学位论文 南京：东南大学， 1 9 9 9 2 9 郭鹏，郭俊君，韩璞双h o p f i e l d 网络在求解机组负荷分配中的应用 j 华北电力大学学 报。2 0 0 4 ，3 1 ( 3 ) ：8 5 0 7 第二章厂级监控信息系统及负荷优化分配 第二章厂级监控信息系统及负荷优化分配 本文所研究的是基于s i s 平台的负荷优化分配，在讨论负荷优化分配之前，有必要对s i s 系统 的整体框架及其设计思路进行介绍。 s i s 系统是负荷优化分配模块的应用平台，是实现负荷在线分配的基础。一方面，s i s 系统的性 能监测与分析模块为负荷分配提供了用于确定机组耗量特性的实时参数指标。另一方面，调度中心 直接将调度指令下达到发电企业，在s i s 系统中接受调度负荷，使实时负荷优化分配成为可能。 2 1 厂级监控信息系统 2 1 1 厂级监控信息系统的概念 随着以“厂网分开、竞价上网”为核心的电力体制改革的推进，我国各电力生产企业面i 临着日 趋激烈的市场竞争。为了最大限度地发挥机组性能，降低发电成本，提高企业的生产管理水平和整 体经济效益，增强电厂的市场竞争力，我国火电逐渐注重企业信息化建设，整合企业软硬件资源， 综合考虑管理信息系统和各生产控制系统的集成。在全，范围内实现生产信息共享，进一步提高全 厂综合自动化水平，为进一步降低企业成本，提高发电企业的生产效益和安全运行水平打下坚实基 础。 电力企业在生产管理上一般划分三个层次，一是处于下层的面向运行操作者的控制操作层；二 是处于中间的面向生产和技术管理者的生产管理层；三是处于上层的面向行政和经营管理者的经营 决策层。目前，我国许多发电企业均建立了面向运行操作者的分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，简称d c s ) 和面向经营管理者的管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称m i s ) 。 由于m i s 是企业管理现代化系统，主要完成设备和维修管理、生产经营管理和财务管理等功能，基 本没有生产过程的实时数据，属于离线分析和管理，无法向生产管理者提供足够的实时信息。虽然 我圈火电厂基本实现了单元机组的自动化控制，但是各单元机组的生产控制系统之间相互独立，生 产实时信息不能共享，造成信息资源的浪费，使生产管理者不能实时、全面、准确地掌握各机组的 运行状况，更无法实现机组的优化运行。因此，非常有必要在m i s 与各生产控制系统之间建设联系 的桥梁，即厂级监控信息系统( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e mi np l a n tl e v e l ，简称s i s ) 。 厂级监控信息系统( s i s ) 是为全厂实时生产过程综合优化服务的生产实时管理和监控的信息系 统拉1 。一方面，s i s 系统采集生产实时数据，实现性能计算与分析、故障诊断、负荷分配指导等功 能；另一方面，将机组状态信息和性能信息发送给上层的m i s 系统。s i s 属于厂级生产过程自动化 范畴，从全厂的生产控制系统采集生产实时数据，对实时数据和历史数据进行各种数据挖掘分析， 完成厂级生产过程的状态监视、故障诊断、性能计算和负荷优化分配等功能，为电厂运行人员和生 产管理人员提供操作指导，同时也向m i s 提供其所需要的实时和历史数据。s i s 在机组级各生产控 制系统与厂级m i s 之间搭建起联系的桥梁，在全厂范围内实现信息共享，并建立起高级应用项目所 需的实时数据平台，为火电厂的自动化、信息化和经济运行提供了基础平台。 2 1 2 厂级监控信息系统与其他系统的区别 厂级监控信息系统与电厂的其他系统不同，s i s 系统是连接d c s 系统和管理信息系统( m i s ) 的桥梁，起着“承上启下”的重要作用引。 1 厂级监控信息系统( s i s ) 与分布式控制系统( d c s ) 的区别在于： ( 1 ) 服务对象不同。s i s 主要为全厂综合优化服务，而d c s 主要是为机组自动化服务。 ( 2 ) 主要功能不同。s i s 功能大量用于对实时生产过程的管理目的，只有少量用于监控目 8 东南大学硕j ：学化论文 的，而d c s 等则相反，主要是监控功能。 2 厂级监控信息系统( s i s ) 与管理信息系统( m i s ) 也不同： ( 1 ) 服务范畴不同。s i s 属于实时生产过程管理和监控范畴，而m i s 主要为全厂运营、生产 和行政的管理工作服务。 ( 2 ) 实时性要求不同。s i s 实时性强，很多功能需要实时在线的处理。而m i s 实时性要求 就低一些，属于离线分析和管理。 2 1 3 厂级监控信息系统发展现状 信息化是当今全球的发展趋势，我国火电厂自动化的发展在走过分散控制系统时代和网络化时 代后，即将进入数字化和信息化时代。火电厂厂级监控信息系统s i s 作为在这一发展历程中的一个 重要环节从概念的提出到如今已有近十个年头。 截至2 0 0 6 年初，我国共计1 4 个公司承担了1 2 6 个电厂的s i s 项目的建设，其中单机容晕不低 于3 0 0 m w 机组的s i s 共计8 8 套，占7 0 ，新建电厂的s i s 计9 6 套，占7 6 ，具有优化功能的s i s 计9 6 套，占7 1 ，具有独立网络的s i s 计9 5 套，占7 5 ，由国内公司供货的s i s 计有1 0 2 套，占 8 1 ，这些数据有力的表明，我国的s i s 系统建设正在步入高潮旧1 。 侯子良教授在( 2 0 0 0 年电厂仪表和控制( i c ) 系统设计原则中提出应进一步提高全厂综合自 动化水平，在大型火电厂配置厂级监控信息系统( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称为s i s ) 的新设计思路。经过一个短暂的酝酿期后，在2 0 0 0 年国家经贸委颁发的火力发电厂设计技术规程 ( d l 5 0 0 0 - - - 2 0 0 0 ) 第1 2 1 0 条“厂级监控和管理信息系统”中明确规定，“当电厂规划容量为1 2 0 0 m w 及以上、单机容量为3 0 0 m w 及以上时，可设置厂级监控信息系统。”目前，s i s 已在新建大型火电工 程中普遍推广应用：同时，已经投入运行的一些大型火电厂也纷纷在增配s i s 功能软件。2 0 0 5 年， 火力发电厂厂级监控信息系统技术条件( d l t9 2 4 - 2 0 0 5 ) 由国家发展改革委员