（控制理论与控制工程专业论文）大型火电厂机组的负荷优化分配研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文以大容量机组 ( 6 0 0 m w 或以 上)为研究对象，首先分析了 机组的煤耗特 性。在特性曲线的拟合上，提出了一种统计方法，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. 在此基础上， 建立了简单、 完整、符合电厂实际的数学模型。然后分别用动态规划法和遗传算法解决负荷优化 问题。动态规划法对模型要求较低，结果准确，但是当机组台数较多时产生 “ 维数 灾”问题。针对这一不足，本文提出两种改进的实数编码遗传算法，分别从遗传参 数和遗传算子的角度改进了常规的遗传算法.仿真实验证明，改进后的遗传算法具 有很高的搜索效率和全局搜索能力，能够在短时间内收敛到非常接近全局最优解的 近似解，满足负荷优化对实时性和精度的要求。 关键词:负荷优化分配，煤耗特性曲线，动态规划法，遗传算法，实数编码 abs t ract a i m e d a t l a r g e u n i t s ( 6 0 0 mw o r m o r e ) , c o a l c o n s u m p t i o n i s a n a l y z e d a t f i r s t i n t h i s p a p e r . a s t a t i s t i c a l m e t h o d i s p r e s e n t e d t o f i t c o a l c o n s u m p t i o n c u r v e , w h i c h c o n s i d e r s b o t h h i s t o ry d a t a a n d c u r r e n t d a t a , a n d m a k e s t h e c u r v e c l o s e r t o r e a l u n i t . t h e n s i m p l e i n t e g r a t e d a n d f a c t u a l m a t h e m a t i c m o d e l i s b u i l t , a n d d y n a m i c p r o g r a m m in g a n d g e n e t i c a l g o r i t h m a r e u s e d t o s o l v e t h e p r o b l e m . d y n a m i c p r o g r a m m i n g h a s l e s s d e m a n d f o r m o d e l a n d p r e c i s e r e s u l t , b u t i t b r i n g s d i m e n s i o n d i s a s t e r w h e n m o r e u n i t s . t h e r e f o r e , t w o i m p r o v e d r e a l - c o d e d g e n e t i c a l g o r i t h m s a r e p r e s e n t e d , w h i c h i m p r o v e u s u a l g e n e t i c a l g o r i t h m i n t e r m s o f g e n e t i c p a r a m e t e r s a n d g e n e t i c o p e r a t o r s . i t i s p r o v e d b y s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s t h a t i m p r o v e d g e n e t i c a l g o r i t h m h a s h i g h e f f i c i e n c y a n d s t r o n g a b i l i ty o f g l o b a l s e a r c h , a n d f i n d r e s u l t n e a r g l o b a l o p t i m a l v a l u e i n s h o r t t i m e , w h i c h s a t i s f i e s t h e d e m a n d o f e c o n o m i c l o a d d i s p a t c h f o r r e a l - t i m e a n d s e a r c h v e r a c i t y . n i m i n ( c o n t r o l t h e o ry a n d c o n t r o l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . l i u j i z h e n a n d c h e n y a n g i a o k e y wo r d s: e c o n o mi c l o a d d i s p a t c h , c o a l c o n s u m p t i o n c u rve , d y n a m i c p r o g r a mm i n g , g e n e t i c a l g o r i t h m, r e a l - c o d e d 睑 o口 f 0卜 月 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 大型火电厂机组的负荷优化分配研 究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得 的 研究成果。 据本人所知， 除了文中特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人 已 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名 4 1p1.1 孰日期 : .2 0 07 , 3 , ir . 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向 有关部门 送交学位论文的原件与复印 件: 学校可以 采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并 保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为 目 的 ， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以 用不同方式在不同 媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学 位论 文在 解密后遵守 此规定 ) 作者签名: 4 18敏导师签名 州 0 , 日期 : 问 . 3 - , 日期:o 7 . d . r 了 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪 论 1 . 1课题的背景和意义 1 . 1节约能源对国民经济的可持续发展具有重要意义 能源是人类社会发展的重要物质基础，也是一切工业生产不可缺少的物质条 件，经济发展的速度和规模、国防力量的 增强以及人民生活水平的改善，均与能源 的生产、供应和使用有着密切的关系。我国是世界上能源蕴藏和生产的大国，一次 能源的生产居世界第三，但同时也是世界第二大能源消费国。目前，我国的能源利 用效率约为3 3 %，比发达国家落后2 0 年，相差1 0 个百分点，而能源消费强度大大高 于发达国家及世界平均水平，约为美国的3 倍，日本的7 .2 倍。这就使得我国能源供 求矛盾十分突出，节约能源、降低能耗也就成为我国一项长期的基本国策.1 9 9 8 年 1 月1 日，我国颁布并开始实施了 中华人民共和国节约能源法。根据 节能法 的规定，我国现阶段主要的能源政策是 “ 开发与节能并重，近期把节能放在优先地 位” 1 。 因 此， 节能降 耗必 然成为 杜会各界 普遍关 注的问 题。 电能是一种优质的二次能源，可以方便的转化为机械能、热能、光能、化学能 等各种能量形式，电能的质量指标电压与频率也易于改变，从而满足人们不同 的需求，因此，电能又被称为高品 位能源 1 1然而作为二次能源，电能的发展需要 充足的一次能源作为支撑。我国的煤炭资源非常丰富，一次能源探明储量中，煤炭 占 9 4 % ，石油占5 .4 %，天然气占 0 . 6 %，这就造成电力生产结构以火电为主，水电、 核电及风电为辅的状况。目 前，燃煤机组占全国装机总容量的7 0 %以上，每年消耗 的煤炭占全国煤炭总产量的一半以上。根据 中国能源发展报告提供的数据，如 果发电用煤占煤炭总产量的比 例按照过去几年2 %的平均年增长水平， 到2 0 2 0 年发电 用煤需求将可能上升到煤炭总产量的8 0 %, 需要大约1 9 .6 2 5 . 8 7 亿吨原煤用于发电。 在如此大的煤耗基数下，如果每发一度电节约1 克煤，全国每年将节煤2 0 万吨以上. 而在火电厂内实现机组负荷的优化调度可望节煤1 %，全国每年将节约原煤4 0 0 万吨 以 上2 l 。由 此可见，通过电 厂 ( 如无特殊说明， 本文中的电 厂均指火电厂) 合理的 负荷优化调度，能够真正做到“ 节能降耗”，从而使我国有限的一次能源得以长久 利用，这对国民经济的可持续、快速、健康的发展具有重要意义。 1 . 1 . 2电力工业的市场化改革要求发电 企业降低运营成本 近百年来，世界上大多数国家对电力工业都实行垂直一体化的垄断经营，电力 行业普遍存在发电成本高、效率低、服务质量差的现象。2 0 世纪7 0 年代初，美国出 华北电力大学硕士学位论文 现独立的发电 企业，开始引入竞争机制。 到8 0 年代后期，英国率先改革电力体制， 实现厂网分开，在发电环节引入竞争机制，不属于国有电力公司的发电厂商和私营 的发电公司纷纷出现。发达国家的电力体制改革取得了重大成功，并不断在世界上 其他国家蔓延开 来， 从9 0 年代开始，在世界范围内 掀起了电 力体制改革的浪潮2 我国在9 0 年代提出了电力市场的改革，以“ 打破垄断，引入竟争，降低成本， 实现资源优化配置”为目标，以 “ 厂网分开，竞价上网”为主要内容，由原来的国 家电力公司垄断，到电厂和电网的逐步剥离，再到五大发电公司的成立，市场主体 多元化的新格局己 初步形成.改革使原有的电力生产运营方式发生了一系列变化: 一是市场主体由原来的一个变成了多个;二是资源配置方式由原来的以计划为主逐 步走向以 市场为主;三是政府管理模式由 原来的主要依靠行政手段逐步转向依法监 管。“ 竞价上网”使电价结构也发生了变化，脱离了原来的政府定价模式，由“ 一 口 价” 变为“ 两部分叠加”:一部分是竞争形成的上网电价，一部分是国家严格核 定的输配电价。前者的出现导致了电价的波动，这恰恰形成了各发电企业竞争的原 动力.目 前， 国家电监会正在启动东北、 华东地区作为竞价上网的试点。 可以肯定， 随着电力工业市场化改革的不断深入，竞价上网将会成为必然的发展趋势。 改革以后，发电企业从生产型企业转变为经营型企业，作为独立的经济实体参 与市场竞争，随着西电东送、南北互供、全国联网的逐步实现，竞争的压力将会越 来越大.因此，发电企业必须最大限度的降低生产成本，以求在激烈的竞争中获得 生存和发展。对电厂而言，生产成本中燃料费用所占的比重高达7 0 %以上，如果仅 考虑变动成本， 燃料费用占9 0 %以上，因此，降低燃料耗量无疑是企业降低生产成 本的有力手段。厂级负荷优化分配解决的正是这个问题。在满足电网负荷要求和机 组安全、稳定运行的前提下，通过在各机组间合理的分配负荷，可以达到全厂总的 燃料耗量最小，从而最大限度的降低生产成本，增强企业的市场竞争力。 1 . 1 . 3现有的负荷调度方式的弊端和厂级负荷优化分配的可行性 1 . 1 . 3 . 1现有的负荷调度方式的弊端 长期以 来，我国电网调度主要按 “ 计划经济” 模式和电网安全准则进行中长期 的负荷调度. 对于不具有自 动发电控制 ( a g c ) 功能的电厂，值长依靠调度电 话或 远程发送单元 ( r t u )接收电网调度发来的全厂中长期负荷曲线和实时负荷指令， 再通过机组值班人员分配给各机组; 对于具有a g c 功能的电厂， 采用直调机组的方 式， 即电网 调度通过 r t u 直接对 机组传送负 荷 指令3 1 . 这种调度方式 存在以 下问 题: ( 1 ) 要求电厂严格按照日 计划负荷曲线控制发电，结合奖惩办法实行考核， 这 样以来运行人员的责任很大，因为要保证全厂的出力符合调度曲 线，势必要频繁调 整机组的出力，而完全依靠手动控制，运行人员负担很重，且易出事故。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 )由于电网中用电负荷的峰谷日 益增大，电厂的机组不可能长期在满负荷下 运行， 此时如果没有科学的负荷优化调度， 将会给电厂带来巨大的经济损失。 另外， 在变负荷状态下，机组的煤、风、水随之变化，造成蒸汽压力和温度大幅波动，加 之辅机、阀门、挡板等设备频繁动作，降低了机组设备的使用寿命。 ( 3 )由于各机组的分散控制系统 ( d c s ) 彼此隔离，生产管理者难以全面、准 确、 实时的掌握机组运行状况， 更无法在全厂内实现负荷的经济调度。 厂网分开后， 全网负荷调度变成一个发电经济实体的负荷调度，这种方式显然是难以适应的。 1 . 1 . 3 . 2厂级负荷优化分配系统的可行性 “ 九五”期间，国内新建电厂的机组采用了先进的d c s ，许多老厂也进行了机 组的 d c s 改造，普遍采用协调控制系统 ( c c s )。这类机组的自 动化程度较高，机 组协调性能好，许多电厂的自 动控制水平已达到或接近世界发达国家水平。从电网 方面 看， a g c 机组的可调容量也 在逐年上升4 i . 这些都为厂级负荷优化分配系统的 研发创造了条件。因此，可以在a g c 与机组d c s 之间设置厂级负荷优化分配系统， 电网仅通过a g c 与厂级负荷优化分配系统通信， 控制全厂的总负荷，由厂级负荷优 化分配系统与机组的d c s 通信，完成机组负荷的分配与调节。厂级负荷优化分配系 统有利于电厂合理的安排每台机组的出力，减少机组不必要的负荷波动，提高了电 厂运行的经济性，也简化了电 厂向电网传送的信息量。 另外，负荷优化分配系统还可作为厂级监控信息系统 ( s i s )中的子功能模块。 s i s 和管理信息系统mi s 共同构成厂级生产过程自动化和管理现代化系统( 简称厂级 自 动化系统) , i . m i s 主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务， 完成设备和维 修管理、生产经营管理 ( 包括电力市场报价子系统) 、财务管理等;s i s 主要处理全 厂实时数据，完成厂级生产过程的监控和管理，厂级故障诊断和分析，厂级性能计 算、 分析和经济负荷调度等. s i s 是面向生产管理层的自 动化平台， 它位于d c s 控制 系统、各辅助生产过程控制系统的上一级，是联系各生产过程控制系统和m i s 的纽 带。 它以电力市场为目标，不仅要满足全厂生产过程综合自 动化的需要，向m i s 提 供所需要的全厂生产过程实时数据，而且还要满足电网实时安全和经济调度的需 要。 s i s 综合全厂各单元机组、 辅助车间的实时信息， 通过计算、 优化和分析， 对各 单元机组的运行和设备维护提供在线指导，并进行电厂各单元机组间的负荷经济分 配。 通过它的计算机和通信设施， 可实现全厂各生产部门的实时信息共享 6 s i s 的建立， 顺应了信息化时代的发展要求。 它可以解决厂级生产、 技术层的自 动化问题， 使电厂形成完整的厂级经营层 ( m i s )、厂级生产技术层 ( s i s ) 和生产 过程层 ( d c s )有机联系的综合自 动化系统，实现了电力生产的完全自 动化.而负 荷优化分配正是s i s 系统的重要功能模块， 是企业节约成本的关键技术之一。 由此可 见，对厂级负荷优化分配的研究具有重要的现实意义。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2厂级负荷优化分配系统的研究现状 1 . 2 . 1国内外研究概况 电力系统的经济调度一直是受到国内外学者普遍关注的课题，它己有近 6 0年 的研究历史，尤其是上世纪 8 0年代以来，世界各国纷纷建立电力市场以打破电力 企业的垄断经营，引入竞争机制，对这一课题的研究就更具有现实意义。厂级负荷 优化分配是电力系统经济调度中的重要环节，对提高企业的经济效益和改善系统的 安全、稳定性有很大贡献，因此，国内外学者提出了许多有价值的解决方法。 国外在这方面的研究较早，尤其在优化理论上提出了大量的算法，主要有等微 增率法、 线性规划法、拉格朗日 松弛法、 动态规划法7 - 9 等。 近年来，随着计算机 和人工智能技术的发展，一些学者又提出将遗传算法、模拟退火算法、人工神经网 络法、 馄沌优化算法 1 0 - 1 7 1 等智能化方法用于机组的负荷优化调度问 题。 在实际系统 的开发方面，也取得了一些成果，例如，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 m电 厂、 韩国h a d o n g 电 厂已 经有相对成功的运行经验f l a t 与国外相比，国内由于长期受到电力供应紧张局面的影响，以及电厂自 动化和 信息化的相对落后，在这方面的研究起步较晚。在算法的研究上比较接近国外先进 水平， 提出了 许多有价值的算法和改进措施 1 9 - 2 5 1 . 在实际系统的 开发上也取得了 一 些成果， 例如，西安热工研究院开发的厂级实时监控系统、国电南瑞开发的火电厂 厂级网络互联系统、上海新华电站开发的厂级实时监控信息系统等。但是也存在着 一些问题，如:大多只能做离线指导，难以做到在线的实时控制;算法落后，大多 采用穷举算法，软件的实时性和稳定性较差等。 厂级负荷优化分配系统的研发不仅需要数学知识、计算机技术、信息技术、热 能动力技术、控制理论、管理科学、软件技术等，还需要全厂生产过程的自 动化和 综合一体化管理，总的来看，国内外在这方面的研究均处于起步阶段。 1 . 2 . 2负荷优化分配算法 厂级负荷优化分配是一类高维、非线性、多约束、多阶段并且对实时性要求很 高的 复 杂优化问 题2 6 1 ， 其算法大体可分为 三 种类型: 传统优化方法、 数学 优化方 法 和智能化方法。下面对这几类算法作详细介绍. 1 . 2 . 2 . 1传统优化方法 ( 1 )等微增率法 等微增率法 ( e q u a l i n c r e m e n t a l d i s c h a r g e c r i t e r i o n )是在计算过程中以目 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， 然后检验其是否满 足约束条件， 若不满足， 再用迭代法进行修正， 直到所有的解都满足约束条件为止. 4 华北电力大学硕士学位论文 该方法模型简单，计算速度快，但由于等微增率原则是建立在古典变分理论基础上 的，为了达到目标函数最小，要求机组的煤耗特性为严格凸函数，同时对微增率曲 线有严格的精度要求，实际的机组煤耗特性很难满足。 1 . 2 . 2 . 2数学优化方法 ( 2 )线性规划法 线性规划法( l i n e a r p r o g r a m m i n g ) 是求一个线性目 标函数在一组线性约束条件 下的极值问题。由于锅炉的标准煤耗量与锅炉负荷之间近似为线性关系，汽机的标 准汽耗量与电功率之间的关系是线性或者分段线性的，因此，单元机组的标准煤耗 量与电功率之间也可以近似成线性关系。该方法也是一种计算量小、简单快捷的方 法，但需要将单元机组的耗量特性曲线以及约束条件进行线性化处理，这必然会引 入误差，使计算结果失真。 ( 3 )拉格朗日 松弛法 拉格朗日 松弛法( l a g r a n g e r e l a x a t i o n ) 是解决复杂整数和组合优化问 题的一 种 非线性方法。它的思想是在目 标函数中针对系统的祸合约束引入拉格朗日乘子，构 造一个增广目标函数形成对偶问题，通过解决对偶问题的极大或极小值来求解目 标 函数的最优值。该方法的优点是当优化组合的系统较大时，计算量近似线性增长， 随着机组的增加，算法的效果越来越好。缺点是求得的对偶问题的解对于原问题通 常是不可行的，因此需要专门的算法，根据对偶解生成一个好的可行解，并可以根 据可行解与对偶解之间的对偶间隙，来评价可行解的好坏。同时，算法的迭代过程 可能出现振荡或者奇异现象，因此，该方法适于求解大系统的优化问题。 ( 4 )动态规划法 动 态规 划法( d y n a m i c p r o g r a m m in g ) 是 研究多 阶段决策过 程最优 解的 一种有效 方法。它根据 “ 最优决策的任何子阶段仍然是最优”的原理，将多阶段决策过程根 据贝尔曼 ( r . b e l l m a n )最优化理论转变成一系列单阶段最优决策问题，依次求出 每一阶段的最优解，最后获得整个过程的最优解。 文献 2 7 提出一种启发式算法与动态规划法相结合的办法解决机组组合问 题， 以启发式算法的解作为初值， 用逐步动态规划法再次优化， 求出 机组组合的最优解， 这样既克服了优先顺序法理论上的缺陷，又减少了逐步动态规划法的计算量，明显 的 缩短了 计算时间.文献 2 s 在传统动态规划法的基础上采用局部加密的办法， 解 决了 传统动态规划法计算时间长、精度差的缺点，其基本思想是先取较大的计算步 长， 求出 较为粗糙的最优解， 在最优解轨线附近缩小步长再求最优解，如此循环， 直到求出 满意解为止. 文献 2 9 利用动态规划法求解具有爬坡约束的机组负荷优化 问题。文献 3 0 构建了一个双重嵌套式的动态规划模型，把机组台数、台号组合以 华北电力大学硕士学位论文 及机组之间的最优分配统一考虑，即把时间和空间统一优化考虑，时间优化作为第 一层动态规划，空间优化作为第二层动态规划嵌套在第一层当中，从而建立一个统 一的递推模型来迭代计算。 动态规划法对数学模型和机组的煤耗特性要求较低，一旦找到最优决策序列， 就是全局最优解，因而其结果稳定，在实际系统中得到了广泛的应用。该方法的缺 点是对机组较多的负荷优化问题计算量太大，即产生 “ 维数灾”问题，解决的办法 是减小迭代步长， 则不可避免的会丢失最优解; 要求求解的问题具有明显的阶段性， 难以 考虑与时间有关的约束条件和机组功率变化速率等限制;对实时性要求高的系 统，该算法由于计算时间较长，难以满足要求. 1 . 2 . 2 . 3智能化方法 ( 5 ) 遗传算法 遗传算法 ( g e n e t i c a l g o r it h m ) 是 基于生 物自 然选择和遗传机理的一种高 度并 行、随机和自适应的优化算法， 它将问题的求解表示成 “ 染色体”的适者生存过程， 通过 “ 染色体”群的一代代不断进化，包括选择、交叉、变异等操作，最终收敛到 “ 最适应环境”的个体，从而求得问题的最优解或满意解。 文献 3 1 3 5 采用传统的 二进制编码遗 传算 法。 文献 3 1 将群体分 成若干个小的 区域并行寻优，并且以带有惩罚因子的增广函数作为评价函数，很好的解决了 机组 启停组合问 题; 文献 3 2 处理了 机组组合问 题中的多重约束条件，使结果更具有实 际 意义: 文献 3 3 采用启发式技术和映 射技 术对 初始群体加以 约束， 并用边界 搜索 方法优化搜索路径， 提高了 遗传算法的 搜索效率; 文 献 3 4 根据火电 厂实际 运行中 日负荷曲线的特征，采用二进制分块矩阵编码，大大缩短了编码的长度;文献 3 5 用遗传算法解决水火电联合系统的负荷优化问题，避免了对复杂的协调方程的求 解，有效地克服了系统的非线性和水火电不易协调的缺陷。 文献 3 6 3 8 采用实数 编码的遗传算法， 省去了 传统遗传算法编码和解码的 繁 琐步 骤，而且使个体获得明 确的物理意义。 文献 3 6 以 汽轮发电 机组热耗方程的 解 最小为优化目 标，在不考虑启停组合的情况下， 提出了负荷的在线动态优化分配方 案; 文献 3 7 提出 一种矩阵 实数编码的 遗传算 法， 将机 组启停和负荷经济分配两 层 优化问 题归一化求解，并采用多窗口 变异技术和处理约束条件的个体调整方法， 在 解决大规模机组组合问 题时有很好的 效果:文献【 3 8 针对传统遗传算法在使用惩罚 函数处理约束条件上的不足，提出一种改进的处理方法:直接比较比例法， 在 解决有功负荷分配问题时得到了质量较高的 解。 文献 3 9 4 0 采用二进制 和实数混合编 码的 方 法。 文献 3 9 针 对经典 遗传 算法不 具有渐近收敛性的 缺点， 用压缩映射的办法使计算过程渐近收敛; 文献 4 0 将机组 华北电力大学硕士学位论文 组合问题分解为两个优化子问题: 用实数编码来模拟功率， 解决负荷经济分配问题; 用二进制编码来模拟机组的启停状态， 解决机组优化组合的0 - 1 混合整数非线性规划 问题.将算法应用于模拟的1 0 台机组的优化组合问题，取得了很好的效果。 遗传算法是一种通用的优化算法，其编码技术和遗传操作比较简单，对求解问 题的限制性约束较少， 鲁棒性强， 同时它可以在整个解空间内搜索， 收敛性能良好， 能够以较大的概率收敛到全局最优解。算法本身不要求对优化问题的性质作深入的 数学分析，为不太熟悉数学分析的科研人员带来了很大方便。鉴于以上优点，遗传 算法在复杂系统的优化问题中得到了广泛的研究和应用。 ( 6 )模拟退火算法 模拟退火算法 ( s i m u l a t e d a n n e a l i n g ) 是8 0 年代初期发展起来的一种求解大规 模组合优化问题的随机性方法，它以优化问题的求解与物理系统退火过程的相似性 为基础， 利用m e t r o p o l i s 算法并通过模拟融熔金属的 物理退火性质， 采用随机迭代的 搜索过程。该方法具有良好的收敛性，但算法性能依赖于退火方案的选择，且需要 进行大量的随机迭代，也有可能无法跳出局部最优而找不到全局最优解。 ( 7 )混沌优化算法 混 沌 优化 算法 ( c h a o t i c o p t i m iz a t io n ) 是 近年来随着混 沌学 科的发 展而提出的， 它通过将优化问题的模型向混沌变量的映射，充分利用混沌变量在混沌运动过程中 所具有的遍历性、 随机性、 规律性特点来搜索全局最优解 t 9 。 该方法更有可能跳出 局部最优解的循环，因为它的随机性和遍历性是建立在内在规律基础上的，其搜索 过程依照自 身运动规律能到达所属区间内的所有点，其遍历性不需要外力作用。 其他智能 化方法可参考文献 2 0 2 5 ， 这里不再一一介绍。总的来说，智能化 方法对优化问题的数学模型和目标函数要求低，允许出现多种非线性和不连续因 素， 例如阀点 效应 t o t 1 7 1 ， 而且可以 方便的 处 理各种约束条件， 因 此较适于 解决高 维、 复杂的负荷优化分配问题。 1 . 3本文的研究内容 本文以目前国内普遍投建的大型火电机组 ( 6 0 0 mw 或以上)为研究对象，以 最大限度的降低电厂的供电成本为目 标，对厂级负荷优化分配进行了研究。 在数学模型方面，考虑到大型火电 厂机组的数量少、容量大，只在特殊情况下 才会停机，本文只研究了稳态情况下的负荷分配结果。在目 标函数的选取上，忽略 了对供电成本影响较小且难以形成对比的设备折旧、市场变化等因素，以供电煤耗 率 ( 标准煤)作为优化目 标;在约束条件的处理上，摒弃了对机组启停组合问题影 响较大的约束， 只考虑基本的机组输出功率上下限约束。 在此基础上， 建立了简单、 完整、符合电厂实际的数学模型。 华北电力大学硕士学位论文 在算法上，考虑到机组的煤耗特性随实际运行情况不断变化，本文选取了对煤 耗特性要求较低的动态规划法和遗传算法。动态规划法收敛性能好，能准确找到全 局最优解，且结果稳定，但是当参与负荷分配的机组台数较多时，由算法本身导致 的“ 维数灾”问题难以克服。 针对这一缺点， 本文采用了智能化算法 遗传算法， 并针对遗传参数和遗传算子对算法作了改进，使其不仅搜索效率高，全局搜索能力 强，而且计算速度快，实时性好，适用于多台机组的负荷优化分配。 综上所述，本文的主要工作有: ( 1 ) 机组煤耗特性曲线的确定和负荷优化分配的数学模型。 将机组运行的原始 数据经过整理、 热力计算， 得到与供电功率 p ( m w) 相对应的煤耗率b( 创 k w h ) . 再由数学方法拟合，即可获得机组的煤耗特性曲线。在数据拟合上，本文提出一种 统计方法，将同负荷点的煤耗历史值和当前值加权平均作为该负荷点的煤耗。在此 基础上，建立了负荷优化分配的数学模型。 ( 2 )研究了动态规划法的基本概念、 方程、求解问题的一般步骤，以及动态规 划法应用于负荷优化分配的决策过程，并在ma t l a b 工具中用程序实现。 通过仿真 实验，分析了动态规划法在解决该问题时的优势和不足。 ( 3 ) 研究了遗传算法的基本原理、 特点和基本实现步骤， 然后将实数编码的遗 传算法应用于负荷优化分配.针对遗传参数和遗传算子，提出了两套改进方案，并 在m a t l a b 工具中用程序实现. 通过与动态规划法的比较， 分析了传统遗传算法和 两套改进遗传算法的优缺点。 ( 4 )基于天津盘山电厂2 x 6 0 0 mw机组的原始运行数据，模拟t 6 x 6 0 0 mw机 组的煤耗特性曲线，分别将动态规划法和遗传算法应用于6 台机组的负荷优化分配. 分析了传统遗传算法和两套改进遗传算法的参数设置，并从寻优时间、寻优结果的 准确性和遗传算法的收敛性三个角度对其进行了比较，验证了上述结论。 华北电力大学硕士学位论文 第二章机组的煤耗特性和负荷优化分配的数学模型 目标函数是进行负荷优化分配的前提和基础，要得到最优的负荷分配方案，首 先要确定优化的目 标函数。 2 . 1以供电煤耗作为优化目标的依据 火电机组的负荷优化分配，是指在满足电网负荷要求和机组出力限制的条件 下，合理安排各运行机组的负荷，使电厂的综合供电成本最小。显然，供电成本最 能全面、准确的反映一个电厂或电力系统的经济性，但是由于供电成本包括的因素 太多， 其中如工资、 燃料价格等因素随市场的变化不断波动， 使数学模型过于复杂， 难以 求解，还可能导致模型的失真。而以供电煤耗作为负荷优化分配的目 标函数， 就抓住了问题的主要方面，具有稳定性和可比性，特别是当其他费用比较固定且机 组出力变化不大时，煤耗与出力的关系就十分近似于供电成本与出力的关系。 2 . 2机组的煤耗特性及其确定方法 大型火电机组一般是由锅炉、 汽轮机、 发电机和变压器串连而成的单元制机组， 主要的生产过程是:通过燃料在锅炉中燃烧，将燃料中的化学能转换为蒸汽热能， 再将蒸汽引入汽轮机膨胀做功，将热能转换为机械能以带动发电机发电 ( 本文中的 机组均指燃煤机组，燃料单位为吨标准煤)。在能量转化过程中伴随着各种能量损 失，而在稳定运行时，并不单独考虑每一种损失，而是考虑最初输入的燃料尸 和最 后输出的电能p 在整个转化过程中的变化关系。 f 和p 的关系很复杂， 一般情况下， f 不仅是尸 的函数， 还与尸 的变化率有关， 如果再考虑汽轮机阀门开度的调节、 机组启 停或低负荷嫩烧时需要投油稳燃等因素，两者的关系将会更复杂。为了便于研究， 这里仅讨论机组输入输出的静态关系，也就是机组的煤耗特性，表示为: f = f ( p ) ( 2 - 1 ) 根据这种关系绘制的曲线就是煤耗特性曲线。 需要说明的是，“ 煤耗” 一般指标准煤耗量 ( t / h ) 或煤耗率 ( g / k w h )， 而在 火电 厂范围内，标准煤耗率是表明能量转换过程技术完善程度的最全面指标，也是 衡量机组经济性的重要指标，目 前国内的大型火电厂也多以 煤耗率来表征机组的煤 耗特性，因此本文也采用标准煤耗率。 煤耗特性曲线的确定通常有三种方法:一是将机组日常运行数据记录整理得 出:二是由机组的热力试验求取:三是按照制造厂家提供的设计数据并以实际试验 数据和运行记录数据校正确定。这三种方法中，方法二因为通过针对性的热力试验 获得，比其他两种方法获得的数据更准确， 更能体现机组的特性，但是试验任务繁 华北电力大学硕士学位论文 重和其他的一些客观因素，导致这种方法无法在短时间内实现。为了在规定的时间 内完成论文，文中编制机组煤耗特性曲线的原始数据，均取自 机组历年的运行记录 报表。 将原始数据经过热力计算， 得到与机组的供电功率p ( mw) 相对应的煤耗率 数 值b ( g / k w h ) ， 再经过数 据拟 合，即 可获 得机组的 煤耗 特性曲 线。 2 . 3煤耗特性曲线的计算过程 2 . 3 . 1原始数据的整理 获取煤耗特性计算所需要的原始数据，是编制机组煤耗特性曲线的第一步。本 文分别从各机组的运行报表中选取3 0 个工作点，这3 0 个工作点均匀分布在机组稳定 运行的范围内，即为机组额定负荷的5 0 -1 0 0 %范围内，各工作点的负荷间距为 l o m w ( 机组不投油、能投自 动的情况下)。 为了比较真实的反映机组的煤耗特性，每个工作点均选取若干组数据，由于运 行报表的数据可能不够合理，必须对所选的数据进行分析，从中舍弃不合理的数据 组，然后将剩下的各组数据中的同名数据进行算术平均，即: 一 客 x !声 ( 2 - 2 ) 式中 ， 戈一经筛 选后的同 名 数据，n 一经筛 选后的 数据组数， 平均值x就代表该 工 作点下的参与热力计算的参数。 对数据的筛选，可以从以下两方面进行: ( 1 )根据物理常识或工程技术原理判断数据的合理性 例如，在汽轮机调节阀门开度不变的情况下，如果没有其他操作且设备运行正 常，当主蒸汽压力升高时，主蒸汽流量、监视段压力、各段抽汽压力以及机组功率 都应该相应增大。在这种情况下，若发现其中某个数据反而减小，显然不合理，应 将这个数据所在的数据组剔除。 ( 2 ) 应用 g r u b b s 检测方法 4 1 判断 若 某 个参数 有。 个原始 数 据， 分别 为戈， x z . ， 戈， 于 是 有 x o 一 i x ,/ , ( 2 - 3 ) 残差为: o , = x , 一 x a ( , - 1 , 2 , . . . , n ) ( 2 - 4 ) 假定原始数据是正态分布，则均方根误差按b e s s e l 式估计，即: 华北电力大学硕士学位论文 ” 一 q ,=/ (n 一 。 ( 2 - 5 ) c r r u b b s 方法是先选定一个危险率a，然后根据n 和a 查表得到临界值t ( n , a ) , 若其中某个数据满足下式，则认为是异常数据，该数据组应该舍弃。 。 。 户_ t ( n , a ) ( 2 - 6 ) 在舍弃一组数据后，总的数据少了 一个， 所以 应重新计算x a 和a ， 再重复上述 方法判别是否有其他异常数据。至于危险率“，根据有关经验一般取值0 .0 5 . 2 . 3 . 2热力计算的前提条件 机组的热力计算采用常规的热力平衡方法，由于机组热力系统结构复杂、规模 庞大，影响原始数据的因素很多，例如系统漏水漏汽、有补给水流入、阀门关闭不 严等。因此，为了简化热力计算，假设原始数据是在以下条件下得出的: ( 1 )热力系统没有泄漏; ( 2 ) 各机组均无补给水进入; ( 3 )各机组之间的各种联通管阀门处于关闭状态，以防止各机组间有汽水混合 而影响机组性能的独立性; ( 4 ) 旁路门和逆止门关闭严密， 如高压加热器的旁路门、高压缸旁路门、备用 泵的出口逆止门等，以免引起热力计算的误差; ( 5 )不计给水在高压加热器内的阻力损失; ( 6 ) 各个测点均稳定可靠， 数据通讯部分没有错误，由于现场测点不全而导致 的少量数据缺失，可参考机组出厂数据说明书。 2 . 3 . 3热力计算过程 一般地，对于单元制机组，标准煤耗率b ( g / k w h )可用标准煤耗量b ( t / h ) 和 机组的供电功率尸( mw)来表示: b=1 0 - ( 2 - 7 ) 而 b 又可表示成锅炉效率0 单元机组热耗量q ( k j / t ) 和标准煤低位发热量q a ( k j / k g ) 的函数: b = 一 卫 止 x 1 0 3 1 1 q a ( 2 - 8 ) 式中 ，q o 规定为2 9 .2 9 x 1 0 3 k j / k g ( 即 每公 斤 7 0 0 0 大卡) ， 也 可以 用下式 将原 燃 料 折 合成标准煤: 华北电力大学硕士学位论文 b = b . q ( 2 - 9 ) q o 式中，b . q 分别为原燃料量和原燃料的单位发热量。 由以 上分析可知， 机组的 供电 煤耗可以 通过测取锅炉效率冲 、 单元机组热耗量 q 和供电功率尸 得到，下面就分别介绍各个指标的确定方法。 2 . 3 . 3 . 1锅炉效率77 锅炉效率的计算有正平衡和反平衡两种方法，正平衡法需要测取煤的流量，但 目前国内外尚未找到精确测量煤粉流量的方法，故用正平衡法难以在线确定机组的 煤耗特性:反平衡法需要知道煤的成分与热值，这些数据一般来自化学车间的分析 结果，而且近年来采用y 射线在线测定煤的热值已 取得一定的进展，但锅炉排烟氧 量与飞灰可燃物的测取还没有得到很好的解决，对于具体的电厂，目前可以根据运 行经验将这些无法准确测定的参数指定为定值，如有需要可根据机组大修前后试验 的结果随时调整。 锅 炉 效 率 的 反 平 衡 计 算 式 4 2 - 4 3 1 为 : n n = 1 0 0 一 ( 9 2 + 9 3 + 9 d + 9 s + 4 s ) ( 2 - 1 0 ) 式中，27e 一锅炉反 平衡效率% : 9 2 一排烟热损失 % : 9 3 一化学不完全燃烧热损失 % ; 9 ; 一机械不完全燃烧热损失 % : 9 ， 一锅炉散热损失 % ; 9 s 一灰渣物理热损失 % 。 ( 1 ) 排烟热损失9 2 该项损失是由于排烟带走了一部分锅炉的热量造成的， 是大容量锅炉所有的热 损失中 最大的一项， 一般为5 1 2 % g 2 主要与排烟容积和排烟温度有关， 简化的 计 算公式为: 9 2 一 认 %+ k 2 x t ， 一 t% ( 2 - 1 1 ) a 万 一 o z 2 1 二 留 一 2 1 一0， ( 2 - 1 2 ) 式中 k棍 一简化函 数， 大小 和煤 种有关 a 。 一过量空 气 系数; 1 2 推荐值见表2 - 1 , 华北电力大学硕士学位论文 t v r 一排 烟 温 度 。 c ， 来自 原 始数 据; t 1 一送风机进口 温度 。 c， 一 般取平 均环 境温度，t , f = 2 0 c ; o z 一烟气中 氧含量的 体积百 分数 % ， 可测得. 表2 - 1瓦 ， 棍的 推荐值 煤种 k ,k z 无烟煤、烟煤 3 . 5 50 . 4 4 洗中煤、长焰烟煤 3 . 5 70 . 6 2 褐媒3 . 0 20. 9 0 燃料煤3 . 5 50 . 3 2 ( 2 ) 化学不完 全燃烧热 损失r 3 该项 损失是由 于 烟中 含有残余的 可燃 气体( c o , h 2 , c h ; 等) 造成的 . 对于 煤粉炉 公式为 ，该项损失一般 0 . 5 %;对于燃油炉，该项损失在1 -3 %之间。具体的计算 93 二 音 (30 18c o + 2579h 2 + 8555c h 4) % ( 2 - 1 3 ) 峪 = 1 .8 6 6 cy +0 . 3 7 5 s y r o z + c o ( 2 - 1 4 ) 式 中 ， 心 一 干 烟 气 容 积m 3 / k g ; 眺一