（机械电子工程专业论文）基于vpn网络的负荷调度决策系统的研究与开发.pdf

j e 瘟窑道盔堂亟堂僮纶塞 虫塞撞蓦 中文摘要 随着电力体制改革的逐步展开，电力企业不仅需要追求发电机组的经济性， 更为关键的是需要提高企业整体竞争力，在更大范围内参与竞争。为此，我们开 发了基于，n 网络的负荷调度决策系统，它对提高机组负荷的合理分配以及帮助 电力企业进行信息化、科学化的电力生产管理有着十分重大的现实意义。 本文以某发电公司的四台2 0 0 m w 发电机组为研究对象，主要做了以下工作： ( 1 ) 概要介绍国内外电力企业远程监控系统以及负荷分配理论的发展状况。对 负荷调度决策理论进行深入研究和分析，并结合现场的实际需要，采用u m l ( 统 一建模语言) 进行了负荷调度决策系统结构与功能的设计。 ( 2 ) 本着减少企业费用，提高企业效率的原则，将v p n 网络设计为负荷调度 决策系统的通讯子模块，为系统安全、可靠的运行提供了良好的网络通讯基础。 此外，根据对v p n 网络安全性的研究，本文提出了一种采用线性反馈移位寄存器 ( u 峪r ) 和进位反馈移位寄存器( f ( 葛r ) 级联的密钥生成算法。 ( 3 ) 采用面向对象的设计方法，通过j a v a 以及o r a d e 数据库技术实现了系统 的经济指标远程监测、电网负荷分配、报表生成、权限管理、在线帮助等模块功 能的开发，经过实际运行证明，系统具有很好的实时性、稳定性和实用性。 关键词：负荷调度虚拟专用网统一建模语言线性反馈移位寄存器进位反 馈移位寄存器 北京交通大学硕士学位论文 w i t ht h ed c v e l o p m c t0 fr e f o 珊i np o w e r g c n e r a t i o ns y s t c mt h ep o w 盯s t a t i o n 加t o n l y c dt dp u 捌i tt l l ee n 帆i cb e n e f i to fg c n c m t i n g - s e t sb u ta l s on e e dt oi m p r o v e n w h o l ee m e 删咖p e t i v cc 叩a b i l i t yt op a r t i c i p a t ct h em a f k e tc o m p c t i t i 伽 t h e r e f o m 、ed c v c l 叩e dt h ei j d a dd i s p a t c h i n gd e d s i o n m a 虹n gs y s t 啪b 髂i n gv p n 北t 啪r k hc 姐i m p r o v el o a d d j s p a t c h 孤de n l l a l l c et l i ep 0 啊c r g e n c r a t i n gm 粕a g e m e m l e v do fe n t a l 戚s e i n t h i sp a p c r f o m2 0 0 m wu l l i t so fp c 啊c r p l a n ta 地s t u d i c da n d t h e m a i nc o n c c m s a i ea sf b u o w s ( 1 ) t h cr 。n th o m e 柚d a b r o a ds t a t eo ft h el g d i s t 柚c cs u p c r v i s o r ys y s t e m 柚d i o a dd i s p a t c 协n g 撤缸m d u c e db f i e n y 1 r h e nt h es t 邝c t i i 觚df i l n d i 伽so ft h cu d s b 硒i n g na r ed 鼯i 印c dw i t hu m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl 丑n g i l a g e ) ，a 伽r d i n g t o p r a c t i c a ln c e d s ( 2 ) a c c o r d i n gt h ep d n c i p i e o fd e c 佗勰i n gt h ee x p 柏s e s 柚di n c r c a s i n gt h e e n t e r p r i s ee f ! f i c i e n c yt h ev p n 押o r ki sd e s i 印e d 勰t h ec o m m u n i c a t i o n a ls u b m o d u l e 面o r d e rt oo 虢rah i g h - p e 面咖a n c cc o m m u c a t i 伽f o u n d a t i o nf o rs e c u r ca n dr c l i a b l e m n b e s i d e sw i t ht h er c s e a r d ii ns e c u r i t yo fv p nn e t w o f kt h ec j p h 盯一g e n c r a t i n g t e d m o l o g yi sd 船i 萨e db y t h ec o m b i n i n go fl f s r ( l i n e 越f e e d b a c ks h i f tr e g i s t e 力锄d f c s r ( r 宅d b a c ks h i f tr e 舀s t e rw i t hc a n yo p e f a t i o n ) ( 3 ) a p p l y i n gw i l ho b j c c i o f j e n t e dm e t h o d 卸dj a v a 锄dc 胁d et e c h n o l o g y ，t h e f i l n c t i o n s0 ft h cl d d sb 勰i n gv p nn e t w o r ka r c 化a l i z c dw h i c hi n c l u d ep 啪e t e 娼 1 i n em o n i t o i 嗨】o a dd i s p a | c h i n 岛f o 硼p r i n t j n 吕a u t h o r i t ym 柚a g i n g 柚dt h eh e l p 蚰l i n e t h es y s t 锄i sr c a l t i m c ，s t a b i e 锄dp r a d i c a li l lp f a c t i c c l y w o r 踯：l 0 a dd i s p a t c h i n gv p nu m lu s rf c s r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 孝辛导：谚元 签字日期：加6 年，胡日签字日期：z 形年，2 月二j 日 致谢 本论文的工作是在我的导师王爽心教授以及刘如九老师的悉心指导下完成 的，王爽心教授和刘如九老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮 助和影响。在此衷心感谢三年来王爽心教授和刘如九老师对我的关心和指导。 王爽心教授和刘如九老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上 和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的谢意。 王爽心教授和刘如九老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，姜妍、吴京蓬、王涛等同学对我论文中的负 荷分配算法研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父亲李先荣、母亲肖淑荃，他们的理解和支持使我能够在学校专 心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 绪论 自上个世纪九十年代以来，随着电子技术、信息技术、管理科学的迅速发展 以及我国电力体制改革的不断深化和发展，我国的电力生产方式也发生了重大的 变化。而作为电力生产管理中非常重要的一项课题即负荷调度分配管理正在逐渐 被人们所认识、重视以及应用。负荷调度决策系统就是以负荷分配理论为基础， 使用现代化的技术手段针对电力生产实际情况开发的。它可以使电力企业决策者 在第一时间及时、准确地掌握企业电力生产第一线的情况，根据市场需求做出高 效、灵敏、及时的反应，增强企业竞争力，赢得市场主动权i l l 。但是对于目前绝大 多数的电力企业来说，部署的负荷调度决策系统往往都存在一定的局限性。比如 它们多位于企业内部局域网中，对于外部的访问需求就显得无能为力了。此外它 们还有诸如企业的相关机构无法共享机组负荷调度决策信息、系统难以适应未来 企业网络扩展的需要等种种弊端。使用d d n 专线可以将相关电力企业的网络互联， 在大范围内共享机组负荷数据和信息。但是它面临着组网费用、维护费用过于庞 大、网络结构过于复杂、不易维护和升级等问题。因此，如何能够在保证网络信 息安全的前提下，使用一种网络互联手段将不同地域的企业内部负荷调度决策系 统互联，达到负荷决策信息的极大共享，满足日益增长的企业信息化要求这一课 题便摆在了我们的面前。 近年来，v 1 ) n 网络( v i n u a lp f i v a t cn e 蛔o f k ) 1 2 j 越来越受到大量电力企业的关注。 这是因为) n 网络可以帮助授权的移动用户、电力企业分支机构、商业伙伴及供 应商等与电力企业的内部网建立可信的安全连接，提供对电力企业内部信息共享 的支持，并保证数据的安全可靠传输。v p n 指的是利用开放的公用网络( 指i l l t e m e t ) 作为用户信息传输的媒体，通过隧道封装 射、信息加密1 4 1 、用户认证和访问控制等 安全技术实现对信息传输过程的安全保护，从而向用户提供类似专用网络的安全 性能。通过i n t e m c t 传输，v p n 可以降低费用、增加灵活性、更容易管理i ”。 正因v p n 网络有如此卓越的优点，我们开发了基于n 网络的负荷调度决 策系统。它能够帮助电力企业以提高企业运行经济性、增强参与电力市场机制下 的竞争、提高企业信息化水平、增强企业网络灵活性为目标，研究和分析企业机 组负荷特性，以电力企业的高可靠性数据采集系统为基础，运用先进的计算方法 1 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 得到实时负荷特性和优化措施，进而提供给企业管理人员、企业合作伙伴、上级 主管公司、电力企业分支机构等用户使用。在大范围内实现了电力信息共享，对 提高电力企业的现代化生产水平、提高电力企业自主控制运行的经济性具有重要 意义。 1 2 本文相关技术的国内发展现状 1 2 1 远程监控技术的国内外研究现状 远程监控【q 是指授权用户利用计算机或移动设备，通过有线或无线网络传输技 术实现对远端现场信息的监视、控制和管理。远程监控最早来自于医疗系统中的 远程诊断系统。目前，该技术在医疗系统中发展较为完善。计算机软硬件技术、 网络通信技术和电子技术的飞速发展，为远程监控系统的研究开发提供了坚实的 基础。国内外已积极地开展远程监控的应用与研究，并取得了良好的成果。 1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省 理工学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要 讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法 性验证等，并对未来的远程监控技术的发展作了展望。同时，由斯坦福大学和麻 省理工学院合作开发基于h l t e m e t 的下一代远程监控诊断示范系统的工作也得到了 制造业、计算机业和仪器仪表业领域里的s 蛐、h p 、b o c i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家 大公司的热情支持和通力合作。此后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统 t c s t b e d l 7 l 。t e s t b e d 使用嵌入式w c b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i 柚n e t 初步部署 和完善了面向在全球范围的信息监控和诊断示范性网络。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi i l f o 咖a t i 彻m a n a g 啪e n t0 p c n s y s t 咖l i 柚哟、s m 肿( s o c i e t yf o rm a c h j n e r yf a i l u r cp 研e n t i 伽1 钳i n o l o g y ) 、 c o m a d e m ( c 0 n d i t i 衄m 衄i t i o n 卸de n 西n e e r i n gm 柚a g e m 朗o 等，也纷纷通过网络 进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广的工作，并制定了一些信息交换格式和 标准。许多大公司也在他们的产品中加入了h t e m e t 的功能，如b e n t l y 公司的计算 机在线设备运行监测系统d a t am 缸a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e d d d 的方式向远程终端发送设备运行状态信息。著名的n a t i o n a lh l s t 埘m 如t s 公司 也在它的产品l 曲w i n d a w s i c v l 以及b bv m w l 8 】中加入了网络通讯处理模块，进 而可以通过w w w 、f 1 1 p 、e - m a i l 方式在l l l t e m e t 范围内进行监控数据的传送。 2 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究目前，西安交大、华中科技大 学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校己取得了较为先进的研究成果，如西 安交通大学研制的。大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统r m m d ”、 华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m d ”、哈尔滨工业大学 的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m m d e s ”等。 1 2 2 负荷分配国内外发展状况 机组负荷优化分配和机组优化组合是电力系统经济调度的重要环节。在经过 了国内外专家、学者、企业的长期的研究和不懈努力之后，机组负荷优化领域产 生了很多极有实际应用价值的负荷分配优化算法。 1 优先顺序法1 9 】 优先顺序法0 r i 砸t yl i s t ) 将系统可调度的机组按某种经济特性指标事先排出 顺序，然后根据系统负荷的大小按该顺序依次安排机组运行。优先顺序法提出较 早，现在仍在研究和应用之中。其特点是计算速度快，占用内存少。尽管常常找 不到最优解，但能满足一般的应用要求。 2 动态规划法1 1 0 ，1 1 】 动态规划法( d y n a m i cp r o 争a m m i n g ) 是解决多阶段决策过程最优化的一种数学 方法。用动态规划法求解机组组合问题时，整个调度期间r 被分成若干个时段， 通常每个时段为一小时或十五分钟，每个时段即为动态规划过程中的一个阶段。 各阶段的状态即为该时段所有可能的机组开停状态组合。从初始阶段开始，从前 向后计算到达各阶段各状态的累计费用( 包括开停机费用和运行时的燃料费) ，再 从最后阶段累计费用最小的状态开始，由后向前回溯，依次记录各阶段使总的累 计费用最小的状态。这样便可以得到最优的开停机方案。 3 遗传算法【1 二1 3 l 遗传算法是目前广泛研究和应用的模拟自然界生物进化过程的一种优化组合 算法。遗传算法是一个框架性的算法，可以根据具体问题进行不同的考虑。其优 点是：对目标函数形态没有特殊的要求，从理论上来说可以找到全局最优解，能 够得到多个可选方案。方法比较灵活，可以考虑多种约束；适合于并行处理。但 是，遗传算法本质上属于无约束优化算法，如何处理约束条件将在很大程度上影 响算法的效率。此外，由于它是一种随机优化算法，因此不能保证得到全局最优 解。而且它的计算量比较大，所需时间很长，不利于实时系统的应用。 4 现代智能优化算法 3 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 近几年，随着计算机和人工智能等技术的发展，不断有新的算法出现，除上 述遗传算法外，还有模拟退火算法l 、禁忌搜索算法、人工神经网络等。这里就 不作详细的讲解了 与国外优化调度理论长期不断的研究相比，国内在这方面的研究起步稍晚， 但是发展十分迅速。随着近年来国内部分地区的电力饱和，特别是电力市场的不 断发展的情况下，机组的优化调度问题也越来越引起电力系统部门和学者的重视。 清华大学的赵子臣、相年德、夏清、张伯明等人提出了一种机组组合优化的 新型启发式方法，郎应用启发式和逐步动态规划法进行机组最优组合的求解i ”l 。 他们认为，“该方法在机组排序时，除考虑其比耗大小外，还计及随时间变化的启 停费用对优先级的影响，并以启发式算法的解为初值，用逐步动态规划法再次优 化，既可以得到机组组合的最优解，克服优先级法理论上的缺陷，又能极大地减 少逐步动态规划法的计算量，显著缩短了计算时问”。 西安交通大学的朱振青、王东平、孙启宏将遗传算法应用于机组组合，提出 了一种“机组组合的扩散并行遗传算法”1 1 6 l ，他们认为“采用扩散并行遗传算法 可以加快运算过程，并找到更好的解，且异步法优于同步法”。 浙江大学生产工程研究所王剑峰、顾新建和浙江电力局中心调度所高国宁、 那志强等人在研究过程中，提出了一种基于递减编制法的电网调度计划编制方法。 主要考虑短期调度问题，用于鳃决机组组合、短期水电计划、水火电协调问题i l ”。 1 2 3v p n 网络的发展背景和现状 虚拟专用网技术，即) n 技术，诞生于1 9 9 3 年。随着时间的推移，n 开始 在世界范围内崭露头脚。近年来，随着h i t e m e t 的迅猛发展，企业的全球化进程的 加快，v p n 以迅猛发展之势成为了最受关注的一种网络应用技术。根据网络调查 组织h l f o n e t 的预测：“2 0 0 5 年，中国v p n 市场需求将迅速增加。2 0 0 0 年以来，这一 市场以每年1 到2 倍的速度增长，2 0 0 4 年更是达到了2 5 倍的增长速度。保守一点， 2 0 0 5 年也会保持这一速度”1 1 8 l 。北美著名的网络公司j u n i p e r 的分析师表示，由于 员工在外远程访问的机会愈来愈多，使得s s l v p n l l 9 】的重要性日益提升，s s l v p n 势将成为远程访问方案的主流。不过，s s l ，n 不会取代现有的i p s e c w i 捌，球s c c v l n 仍适用于办公室之间的固定式联机，两者会彼此共存。 s s l v p n 目前主要针对企业的移动办公人员、顾问及s o h o 一族，它可提供安 全的远程访问服务，而且无须安装或设定客户端软件，也无须变更原来的局域网 络基础设施，用户可利用任何网页浏览器，安全存取企业内部网络的资源。 4 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 此外，根据市场调查机构麟g m 叩的数据显示，2 0 0 5 2 0 0 6 年，以有7 0 的v p n 使用者采用s s l 解决方案。可以预见的是，s s l 、，1 ) n 已经成为远程访问方 案的技术主流。又根据h l f o n e t 的估计，s s l n 的整体市场商机，将从抛5 年的3 6 亿美元，增长到2 0 0 7 年的5 9 1 亿美元。 n 代表了当今网络发展演化的最高形式，它综合了传统数据网络的性能优 点：安全和品质服务管理。此外，它还具有共享数据网络结构的优点( 简单和低成 本1 。因此，v p n 必将成为未来异地局域网互联业务的主要工具。 1 3 本课题的背景以及研究意义 随着我国电力体制改革的不断深化和发展，电力工业运营模式由垂直一体化 垄断经营逐步转化为发电竞争上网模式。各大电力公司均以独立的法人身份参与 发电市场竞争。为了最大限度地获取利润，各个电力公司必须对其发电机组进行 负荷优化分配调度，从而保证最大的经济效益。 在我国，火力发电占全国发电总量的比重相当大。而火力发电企业又是一次 能源的消耗大户，燃料费用约占发电成本的7 0 8 0 。节能降耗，即在电力生产 过程中保证机组安全运行的前提下，以经济效益为主要指标，如何使总的机组运 行费用最小成为了火力发电企业乃至我国急需解决的重大技术改造课题。 火力发电企业的发电机组性能优化技术大多是通过安装在单一机组上的经济 性监测系统【2 1 】来实现的，其核心部分是在线能耗分析和变工况下运行指标最优值 的确定。但是最为显著的一个缺点就是无法综合进行机组间优化调度决策。而负 荷调度决策系统的主要任务是针对火力发电企业主、辅机设备以及热力系统运行 的经济状况，定性及定量分析各种运行方式、运行参数对多台机组经济性的影响 大小，以及整个发电系统的节能潜力，并提供可行的运行优化措施，对火力发电 企业的机组调整操作进行指导，以达到优化机组运行的目的。 研究火电机组的负荷优化分配技术、运行优化技术和 n 网络互联技术，可 以实现火电机组优化运行的目的。从而节能降耗、降低发电成本，为火力发电企 业增强市场竞争力、减少资源浪费提供强有力的手段。我们开发的这套“基于v p n 网络的负荷调度决策系统”就是在电力市场化的大背景下应运而生的，目的是提 高火力发电企业的现代化生产水平，为火力发电企业的生产和经营管理服务。 5 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本课题主要研究工作 远程监控系统涉及网络通信技术、网络安全、数据库、面向对象编程技术等 诸多技术。本文将围绕这些技术，讨论基于v p n 网络的负荷调度决策系统的软硬 件结构和模块的设计。本文主要研究内容包括以下五个方面： 1 从机组间负荷优化分配以及机组间优化组合两个方面对目前的负荷分配优 化理论进行阐述和总结。为基于v p n 的负荷调度决策系统的开发提供优化理论依 据，对电力企业机组实际优化提供理论指导。 2 对v p n 网络技术进行深入细致的研究。针对，n 网络安全性的要求，提 出针对密钥生成的种结合线性反馈移位寄存器和进位反馈移位寄存器的伪随机 数的生成算法。它可以从随机密钥的生成入手，部分加强v p n 网络的安全性。 3 深入分析本课题的系统需求，使用统一建模语言( u m l ) 对基于v p n 网 络的负荷调度决策系统的总体方案进行设计，包括硬件和软件设计，并阐述本系 统的功能特点。 4 设计v p n 网络的通讯系统、数据库服务系统以及其他模块的结构、功能以 及具体的实现方法。从实际情况出发，对基于v p n 网络的负荷调度决策系统进行 具体的研究、设计和开发。 5 总结与展望。对本文的工作做出总结，同时指出本文研究所存在的不足以 及今后的发展趋势。 1 5 本章小结 本章介绍了“基于v p n 的负荷调度决策系统”的开发背景，远程监控技术、 负荷优化分配技术以及，n 技术的国内外发展状况，最后给出了本人所做的主要 工作情况。 6 北京交通大学硕士学位论文第二章电网负荷调度理论基础 2 电网负荷调度理论基础 2 1 机组有功功率的经济调度 2 1 1 发电机组耗量特性 随着电力工业的发展，机组呈现出向大容量、高参数、大机组发展的趋势。 截至目前，电力系统中的主力火电机组均为单元式结构的大型机组。汽机、锅炉、 发电机三位一体，共同构成发电侧的最小环节。因此对参与电力负荷分配的机组 而言，必须从机组单元的角度、从整体上考虑单元机组的能耗特性，从而为实现 分配负荷奠定基础。 发电机组在单位时间内，消耗的能源与发出的有功功率的关系称为机组的耗 量特性。机组的燃料消耗量f 与发电功率p 的关系很复杂，一般情况下，f 不仅 是发电功率p 的函数，而且还与p 的变化率等因素有关。简单起见，我们仅讨论 机组输入输出的静态关系，即机组发电有功功率p 长期不变的条件下的关系，这 样可将耗量特性表示为： f f ( p )( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，p 为发电有功功率，单位为m w ，为燃料耗量，它可以由每小 时消耗燃料所含热量计算，单位为h ，也可以用其相当的标准煤的吨数计算， 单位为蛐。 。 典型的火电机组耗量特性i 捌如图2 1 所示，曲线上的起伏是由于汽轮机的调 节汽门随着发电有功功率的增大而依次开放所形成的，当上一级汽门己全开而下 一级汽门刚开时，蒸汽的流通会因节流效应产生损失，而导致耗量增大，曲线向 上凸起。在计算分析中通常采用一条近似的平滑曲线来代替实际的耗量特性曲线。 7 北京交通大学硕士学位论文 第二章电网负荷调度理论基础 图2 一l 火电机组耗量特性 本文采用二次曲线来近似表示，这时耗量特性表示为： ，一4 b + 4 1 p + 4 2 尸2 ( 2 - 2 ) 由式( 2 2 ) 表示的机组长期运行所能承担的负荷是有限制的，即存在机组出力 上下限： 民王尸墨j f 眦( 2 3 ) 式中，最大发电有功功率f ，眦一般为发电机组的有功功率的额定值，最小发电 有功功率名妯受技术限制，一般取决于锅炉燃烧的稳定性 2 1 2 机组负荷分配及等微增原理 负荷优化分配是电厂经济运行的一项很重要的工作，目的是为了寻求各机组 之间怎样分配负荷才能使电厂的能源消耗量最小。在火电厂的生产过程中，实现 机组负荷的经济分配，主要是根据编制好的企业机组能耗特性曲线，接受系统负 荷需求信息，采用优化分配原理和算法，得到运行机组的最优承担负荷值。 以往基于电网侧的负荷分配运用时，优化指标选取有较多方案：标准煤耗量、 热耗量、供电成本。电能生产衡量的经济指标通常是标准煤耗量。为便于对不同 类型的机组进行比较，也采用热耗量作为检验电厂经济性的指标。为反映电厂生 产条件不同、厂址离煤矿、输电及燃煤价格差别，在相同标准煤耗时，经济效益 也是有差距的，因面有的采用以供电成本代替发电成本作为衡量电厂经济性的指 标。 其中，通常采用供电成本作为目标函数进行优化最能反映出对应于电网调度 时全网经济性能最优的特征，但是成本中除了考虑耗煤费用外，还需考虑的因素 有设备费用或设备折旧费，劳动力费用或运行费用。一般情况下，这些因素由于 受到物价等影响而较难考虑。现有报价决策系统中，既是以此为指标进行分析的。 2 1 3 应用等微增原理进行负荷分配 假定机组组合给定，煤耗及其微增率曲线是连续可微的。这在实际上是可以 实现的。通过对运行数据进行强制性拟合可以得到单调连续可微的函数表达式。 设在一火力发电系统中有台机组投入并列运行，系统的总负荷有功功率为 昂，所谓负荷经济分配就是把此负荷有功功率为昂合理地分配在台运行着的发 8 北京交通大学硕士学位论文 第二章电网负荷调度理论基础 电机组之问从而使整个系统总燃料消耗最小。 设台机组中的第f 台机组耗量特性为只一e 僻)f 一1 2 ，经济分配的 目的是使系统总耗量最小，即 m i n f 一善e 一荟e ( 只) ( 2 q 留留 。 同时发电机组发出有功功率日之和应满足平衡方程： 号一昂一丑- o ( 2 5 ) 儡 这里昂为需求总负荷，最为网损。由于影响网损的因素很多，计算非常复杂， 实际当中经常采用各种近似方法进行计算，或根据电力系统长期运行实践，直接 取为定值。在小型电力系统中，网损可以忽略不计。即最= 0 。 因此求解整个电力系统的总燃料消耗最小问题从数学的角度讲是在求约束条 件式( 2 5 ) 下目标函数式( 2 - 4 ) 的极值问题，其变量为发电机组有功功率 只( i = 1 ，2 ，) 设b g r a n g c 乘子为a ，构造l a g m n g c 函数 l 4 善e ( e ) 一a ( 荟只一弓) ( 2 - 6 ) 对于目标函数，为凸函数的情形，工取得极值时，亦取得极值，所以，取得 条件极值的条件是 同时 展开得 丝。o a 只 丝o a a 堡。a 够 f - 1 ，2 ， f ；1 2 ， ( 2 7 ) 这里峨奶成为机组f 的耗量微增率，表示每增加一个单位的发电有功功率， 其煤耗量的增加量。 可见：为使得全厂总煤耗f 取得极小值，各机组必须以相等的耗量微增率运 行且满足功率平衡条件式( 2 4 ) ，按此方法分配给各发电机组的发电有功功率p 是 经济分配，这就是等微增率原理。 如果机组的耗量特性曲线均取为二次多项式形式，即如式( 2 2 ) 所示形式，则 根据式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) ，求解可得 只；兰二纽( 2 8 ) 知五 9 北京交通大学硕士学位论文第二章电网负荷调度理论基础 及 ( 2 - 9 ) 等微增率准则只反映了目标函数取极小值的必要条件。并不是充分条件。除了 要求微增率相等外，还要求机组耗量特性是递增的且连续可微，因为由函数分析 可知，如果耗量特性不是递增且连续可微的，则按等微增率原理分配负荷所得到 的系统总耗量不是极小而是极大。 在电厂机组实际运行过程中，在一定出力( 只) 下，当投入厂用电设备，输 出能量突然增加一定的值。将输出能量转化为吨标准煤，此时，煤耗突然增加a f ， 机组煤耗特性曲线有一个小的阶跃，则该点煤耗率趋向于无穷大。此时，按前述 的等微增率分配的原则就不完全成立。对于具有这种特性的火电系统，按要求对 等微增率特性作某些处理后，仍然可按等微增率分配方法作近似处理。 2 2 机组问优化组合问题 对于机组优化组合问题1 1 0 1 1 1 ，传统的方法在求解过程中都或多或少的存在一 些缺点，得不到十分理想的结果。具体表现在：优先顺序法未计及随时间变化的 启动耗量对优先级的影响，不能保证获得最优解。动态规划法可以考虑机组的启 停耗量，但计算量较大，存在“维数灾”，所需计算时间和内存随着机组和时段的 增加而迅速增大。拉格朗日松弛法由于目标函数的非凸性，用对偶法求解时，存 在对偶间隙，算法的迭代过程中有可能出现振荡或奇异现象p j 。 现代智能方法在机组优化调度问题中体现出优势，但也存在不足之处。具体 表现在：由于模拟进化算法的随机性，不能保证每次计算都能收敛到全局最优解， 同时还存在“早熟”现象。模拟退火算法存在收敛速度慢的缺点，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。人工神经网络的学习训练 易陷入局部极值区，并且不同的具体问题，网络合适的隐含层数目和节点数目较 难确定，模糊优化算法中隶属函数的确定及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 0 ，旦土屹竺善 北京交通大学硕士学位论文 第二章电髓负荷调度理论基础 2 2 1 机组优化组合问题及数学模型 设火电系统中共有尼台机组，各机组的出力上、下限分别为弓一、霉。，并 将一天分为r 个时段，每个时段的相应序号为f ，f 时段的系统总负荷为昂，时 段f 的各机组出力为卑，( f 1 ，2 ，一) 。则机组优化组合问题的数学模型为： 一、机组经济组合的目标函数 i i n f 甑，z ，卜面n 善l 善配，f 僻j + q ，( 1 一珥一淹l 纶1 0 ) 二、机组优化组合问题的约束条件 ( 一) 系统功率平衡约束 若不考虑网损，则功率平衡约束方程为 艺吃一昂，( f 一谤一，r ) ( 2 1 1 ) 只，由f 时段投入运行的发电机组按等微增率原理进行计算，即满足： 孕：孕一；孕；a f ；坛，( 2 1 2 ) 屯d 2 |d w 。 ( 二) 机组容量约束 每个时段的机组出力不能超过其上、下限。 。( 巴只一a 一1 ，2 ，；f = 1 ，2 ，丁) ( 2 。1 3 ) 。为机组f 的最小技术出力，只。为机组j 的最大出力，本文中取为机组的 额定功率。 ( 三) 机组备用容量约束 善，曲s 弓，善p ，一一只， ( 2 。1 4 ) 式中z 。时段f 的系统备用要求，按系统总负荷的7 考虑备用容量一般 取e ，一j i l 弓。= o 0 7 己，。 ( 四) 功率响应速度约束 - 半：| 量萋 吨小半誊白2 ，刃 ( 五) 机组启停约束 对于启停调峰机组，还有机组启停约束的跟制。最小允许停机时间是指机组一 北京交通大学硕士学位论文 第二章电网负荷调度理论基础 旦处于停机状态至少要停运的时间，最小允许运行时问是指机组投入运行后起码 要运行的时间 如果机组的启停过于频繁，不仅给运行带来困难，而且容易造成机组的疲劳 损坏，因此应对启停次数加以限制，常常规定不超过1 2 次。 在某些时间内有的机组由于检修等原因必须停机，而有的机组由于负担供热 任务或者系统中维持节点电压水平的要求必须运行。若以玑。表示机组i 在时段f 的 状态( 0 表示停机，1 表示开机) ，则机组启停约束可写为： 艺陋，一u ，4 l s 鸠i 以，一u ，4 卜鸠 ( f = 1 ，2 ，) q ，五 o = l 2 ，；f 一1 ，2 ，r ) ( 1 一q ，j ) 2 互 o 一1 ，2 ，；f = 1 2 ，r ) 上式中：m 为调度周期( 一日) 内机组i 的最大允许停机次数。王、乏分别 为调度周期( 一日) 内每台机组的最小连续停运小时数和最小连续运行小时数。 兰、机组优化组合问题的数学模型【刎 这样，火电系统机组组合问题就可以描述为如下的一个多时段决策的全局优化问题 m i n 善f 善阢，f ( 只，) + q ，( 1 一u f 一) li 豇号，= o ；堵一，r ) 只。兄s 只。 q = 1 ，2 ，；f = 1 ，2 ，r ) 阢，一珥川i m r ( f = 1 ，2 ，) 瞄，屯j ，薹 ( t 电) ，薹 阢，五 g = 1 ，2 ，；f ；l ，2 ，? ) ( 1 一玑，j ) 乏互 a = 1 ，2 ，；f = l ，2 ，丁) 善p t 曲s 昂，s 善p t 一一易 - 竿砉白s 和吨，竽冀。2 ，刃 上式中：己表示机组j 在时段f 上的有功功率值，阢，2 0 时，吃一o “篆h 薹 、-，、j 北京交通大学硕士学位论文第二章电网负荷调度理论基础 号一、霉。为机组f 的出力上下限 f 为系统在一个调度周期( 9 6 时段) 上各机组总耗量之和。 s 为机组f 的启动耗量，与停机时间长短有关。 王、五分别为调度周期( 一日) 内每台机组的最小连续停运时间和最小连 续运行时间。 、k 分别为机组f 每分钟输出功率允许的最大下降速度和最大上升速度。 2 2 2 优先顺序法应用机组优化 优先顺序法是将系统可调度的机组按最小比耗量由小到大排出顺序，根据系 统单时段的负萄的大小按这种顺序依次投切机组。这种方法提出较早，5 0 年代已 有文章介绍。优先顺序法由于直接源于实际调度经验，是经验调度方法的算法描 述和程序实现，作法简单、直观，得到广泛的应用。 一、计算最小比耗量雎m 由发电机的运行耗量特性可知，比耗可以表达为 h f 毒口j 2 弓+ 4 n + 口柚只 剖m 一鸶叫最；接 一l = 一一日i ，二f i 一 a p l p 吨“p 乞。“、j 口f 2 计算中，圪的选取如下： 当只岫s 圪五只一时，圪。薏； 当足 p 。时，己t 卑。； 当圪 “) n l i n 时应投入第 一+ 1 台机组；反之，不投入。 从优先顺序表上选择能满足系统负荷( 加备用) 要求的最小机组号厅，按等微 增率原贝| j 计算抖台机组满足负荷的微增率屯。如果丸s 以，则第一1 台机组不投 入，即席台机组最优，计算下时段的开机组合；如果九，心，则继续试探肘1 1 4 北京交通大学硕士学位论文第二章电网负荷调度理论基础 台机组。 重复以上步骤，计算出9 6 个时段对应的机组组合。这样的机组组合没有考虑 各时段间启动耗量的影响，比较粗糙，可通过动态规划法加以修正 优先顺序法的原则是效率高的机组尽可能多发电，这种方法具有明显的运行 实践特点，具有某种意义上的科学性。 2 2 3 动态规划法应用机组优化 一、动态规划方法概述 动态规划( d y n a m i cp f o 伊a m m i n 曲是解决多阶段决策过程最优化的一种数学方 法，该方法能把一个多阶段最优决策问题根据贝尔曼 0 ) 。 定理2 ：对初态( 以；口，4 ，口，口，) ，记pa ：_ = ：。吼4 z 一坼- 2 r 则该初态下f c s r 的输出序列为有理数a = p q 的2 - a d i c 表示，其中q 为f l 筠r 的连接整 数( 曲e d i o ni n t c g e r ) a f c s r 的最大周期不是2 “一1 ( n 是移位寄存器的长度) ，而是q 1 。这个数给 出抽头数，且定义为：口一+ 2 2 q 2 + 2 4 吼+ + ? 吼一1 。 定义4 ：一个周期性的二进制序列s 的2 一a d i c 复杂性( l f s r 的复杂性) 是指 能够产生序列s 的f i 嚣r 的最短长度。 通过g a l o i s 配置的f c s r 可以很容易的实现2 a d i c 的除式p q ，如图3 6 所示。 ；压习早臣习甲田甲臣 ， o ，印o i 峥0 2 峥q 1 哼 图3 - 6g a l o i s 配置的进位反馈移位寄存器 其中，田代表移位加法。法则如下： ( ；1 b a g = a b o c a i r lo b c l r l 一s = a o b o c i 卜l 本文中，如图3 6 所示的电路以下图所示的框图代替。 廿拶 北京交通大学硕士学位论文第三章n 网络的关键技术及研究 3 4 2 基于l f s r 和f c s r 级联的密钥生成方法 由于类似于b e f l e k 锄p m a 蹒e y 算法的存在，单独使用l f s r 或者是f c s r 结 构的伪随机数发生器都是不安全的。另一方面，使用非线性的寄存器结构将会使 系统变得难以分析从而导致安全性降低。 一个比较理想的伪随机数发生器解决方案就是混合使用两种不同结构的伪随 机数发生器( 例如u i s r 和f c s r ) 。这样针对u 毽r 的b c d c k 锄p m 鹤y 算法将 由于在混合发生器里f c s r 结构的存在而变得毫无用处。反之亦然。 1 l f s r 和f c s r 的简单混合 文献4 给出一种简单混合l f s r 和f c s r 的方式。示意如图3 - 7 。 围8 习 i j 毽r 发生器f c s r 除法器 图3 - 7u 丐r 和f ( 葛r 的简单混合 首先使用l f s r 发生器计算s 暖) 一p 暖) ，q 僻) 。s 为s ( x ) 的相关2 一a d i c 序列。 再通过f c s r 计算s t s 鼋，伪随机数发生器的输出即为s 。 设q ( x ) 的阶次为k 。k 为素数且一l 为素数。本例中k 为8 9 。p ( x ) 的阶次要 小于k 。f c s r 中的q 要满足以下关系：一1 要与川一1 互素。本发生器的主要原 理是2 a d i c 操作和线性操作是不相关的。本发生器的周期2 “( r = 2 “，当k 为 8 9 ) 。 线性复杂度为2 “2 。详细的论述请参见文献【3 7 j 。l i 嗒r 和f ( s r 简单混合后， 其随机统计特性和安全强度都大为加强，但是同时，系统的时间开销也显著加大。 本文设计一种基于此u s r 和f ( 蕊r 简单混合的g o l l m 枷级联i 卅，将使系统的随 机统计特性和安全强度与时间开销达到合理平衡。 2 g o l l m a i i n 级联方式下的简单混合u 唱r 和f c s r 我们称前节中的u 珞r 和只：s r 的简单混合为u 略r f c s r 混合发生器 ( u s 脏c s rm i x e r ) 。 g o l l i n 枷级联是由一连串u s 肼c s r 混合发生器组成。其中每一个 l f s r 肥s r 混合发生器的时钟都受前一个u s 肼c s r 混合发生器的控制。如图 3 8 所示。 北京交通大学硕士学位论文第三章 n 网络的关键技术及研究 ) d d 匿圜) 啪匿 一、 。，。一一一一。o 一一一一 图3 - 8 瓯曲m 级联方式f 的u 毽r 和f l 筠r 混合 如果时间t 1 时m i 】【c f - 1 的输出是1 ，那么将步进到m i 】【e r 2 ；如果在时间t 1 时m i x c r - 2 的输出是2 ，那么将步进到m i x c f - 3 ；依此类推。最后一个u s r f ( = s r m i ) c r 的输出即为这个发生器的输出。 如果所有的u 峪r 仍c s r 混合发生器的q ( 殉的阶次都为k ( 且d e 甙p ) + l k ) 而且具有相同的q ，那么由n 个u 珞刚f i c s r 混合发生器组成的这个发生器的线性 复杂度为垆。2 ( 一矿4 妇i 矽4 。 g o l l m 跏级联方式下，u 嗒r 胂c s r 混合发生器可使用较小的k 和q 以加快发 生器的速度，使用较大的n 保证长周期、高线性复杂度和良好的统计特性。 例如取n _ 1 5 时，k 取1 0 ，q 取6 5 3 ，g o l l m 枷级联的线性复杂度超过2 “。 与单纯s r 的g o l l m a 肋级联方式相比，u 唱r m c s r 混合发生器的g o l l i i l 啪 级联可以很好的抵抗锁定攻击( 1 0 c k i n ) 。这是源于u 唱r m c s r 混合发生器在密 码分析中难于进行重构。 3 5 本章小节 本章对，n 网络的定义、工作原理、体系结构、网络技术、安全协议以及安 全技术进行了具体的分析。此外，结合本人对基于g o l l m 锄级联方式下的线性反 馈移位寄存器、进位反馈移位寄存器结合的密码生成系