（系统工程专业论文）基于AGC的火电厂厂级负荷优化分配系统研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着a g c 系统的进一步发展，a g c 分级控制方式已经逐步体现出其优越性， 这就要求电力企业必须具备厂级负荷分配系统以实现负荷的优化分配。本文在全面 的了解a g c 系统的基础上，主要就是针对厂级负荷分配系统进行开发研究。在对 负荷进行优化分配时，不仅考虑机组的煤耗量最小，还应顾及到机组调整的快速性 及机组的稳定性。采用神经网络建模方法对机组的煤耗特性进行实时的跟踪，为负 荷优化分配的合理性奠定基础。应用多目标模糊规划方法建立负荷优化模型，以免 疫算法作为机组负荷优化分配的寻优算法，实现对机组负荷的实时优化分配。结合 实际数据对优化结果进行分析，证明了分配结果的合理性。 关键词：a g c ，厂级负荷分配，煤耗特性，神经网络，模糊规划，免疫算法 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ea g es y s t e m ，a g cc l a s s i f i c a t i o nc o n t r o l m o d e - s h o w si t sa d v a n t a g es t e pb ys t e p i ti sn e c e s s a r yf o re l e c t r i cp o w e r c o r p o r a t i o n st o h a v el o a dd i s t r i b u t i o ns y s t e mo ff a c t o r yl e v e lt or e a l i z eo p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o n b a s e do n r o u n d l ya n a l y z i n go fa g cs y s t e m ，t h i sp a p e rf o c u s e so ns t u d y i n go ft h el o a dd i s t r i b u t i o n s y s t e m o p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o nd o e sn o to n l ym e a nt h em i n i m u mo fc o a lc o n s u m p t i o n q u a n t i t y , u n i t sr a p i d i t ya n ds t a b i l i t yo fa d j u s t m e n ts h o u l db ea l s oc o n c e m e d a n nm o d e l i n g m e t h o di sa p p h e dt ot r a c kt h eu n i t sr e a l - t i m ec o a lc 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 e f o u n d a t i o nf o rt h e r a t i o n a l i t yo fo p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o n t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h e m a t h e m a t i c a lm o d e lb ym u l t i o b j e c t i v ef u z z yp r o g r a m m i n ga n da p p l i e si m m u n ea l g o r i t h mt o r e a l i z et h eu n i tl o a dr e a l t i m eo p t i m a ld i s t r i b u t i o n a c t u a ld a t ai su s e df o rc a s es t u d ya n di t s r e s u l th a sp r o v e nt h ec o r r e s p o n d i n gd i s t r i b u t i o no fr a t i o n a l i t y x i n gh o n g z h e n ( s y s t e m se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f h u a n gx i a n k e yw o r d s ：a g c ，l o a dd i s t r i b u t i o no fp l a n t ，c o a lc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，n e r v e n e t w o r k ，f u z z yp r o g r a m m i n g ，i m m u n ea l g o r i t h m 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于a g c 的火电厂厂级负荷 优化分配系统研究，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：立受主连 日期： 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： 日 期：乏盟2 墨。碰 导师签名：主姓 日期：超2 三髟 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 自动发电控制a g c 的提出 随着社会的不断发展，科学技术的不断进步，电力工业改革不断走向深入，对电 网的安全、稳定、优质、经济运行提出了越来越高的要求，电网调度自动化也日趋 完善和进一步走向成熟，电网的运行和控制技术也越来越需要先进、科学的技术适 应市场的要求。 电力系统不但要能够安全可靠地供电，还要求电能质量符合电力用户的需要， 电力市场的经济效益达到指标要求。电网调度自动化的内涵不仅包含了e m s 、d m s 以及电能量自动计量系统、调度自动化等一系列内容，还需要相关的市场技术支持 系统的配合，针对发电厂而言，自动发电控制( a g c ) 功能是实现实时经济调度的 前提条件。 经济调度总的目标是在保证频率、电压等技术指标在高品质水平，要求系统能 够在安全、可靠地连续供电的基础上，合理调整和减小损耗，以使整个系统运行获 得最大经济性。其中短期实时经济调度是在既定的运行方式及投入运行设备组合情 况下；根据系统内各参数及厂站之间的实时数据和变化趋势等总的状况进行各机组 有功无功的最佳分配，合理调整网络内部电压，决定系统中的有功无功贮备及其在 电网的合理分布。 开停机计划是经济调度的最基本部分，它需要预先给出很接近实际的计划发电 出力负荷曲线，按照机组最优组合安排好开停机计划，使某个总负荷下的机组的最 小比耗由小到大考虑投入运行。在开停机计划得以执行的基础上对临时负荷波动的 部分，则由自动发电控制a g c 的可调功率来进行调整，以维持电网频率的稳定及 出力变化部分在各机组的合理分配，从而获得最佳的经济效益与社会效益。 a g c 是能量管理系统e m s 的重要组成部分，是短期实时经济调度的主要内容 之一，也是现代电网运行管理中的一种有效的技术措旌。从一定意义上讲，a g c 是 现代电网控制中心的一项基本和重要功能，是维持发电功率和负载功率的平衡、保 证电能质量的重要手段，实行a g c 是电网安全、优质、经济运行的需要，也是电 网商业化运营发展的需要。a g c 功能的提出和运用，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。 a g c 功能实用化是一个较为复杂的系统工程，涉及调度、电网频率、电压控制、 远动、通讯、电厂调节控制子系统等诸多环节，需要相关部门及技术人员的大力支 持与配合，需要改进和调节发电机组的自动化水平，也需要良好的外部工作环境， 华北电力大学硕士学位论文 才能通过大量的艰苦细致的工作，使自动发电控制在各个电网之中发挥巨大的经济 效益和社会效益。 1 2 课题研究的背景及意义 1 2 1a g c 调度方式存在的问题州3 川 随着“厂网分开，竟价上网”等一系列措施的实行，电力企业面对严峻的市场考 验，必须从自身利益出发，多角度深层次地考虑如何切实降低电厂运行成本，延长机 组的使用寿命和检修周期。目前a g c 采用调度直接把负荷指令发给投入a g c 的机 组，称为单机a g c 方式在这种方式下，电网的变负荷要求按比例分配给投入a g c 方式的机组，这种方式存在以下问题： ( 1 ) 由于电网负荷变化非常频繁，电网为及时平衡用电负荷，使投入a g c 的机组 始终处于相应的变负荷状态，机组的煤、风、水随之变化，造成蒸汽压力和温度大幅 度往返波动，对机组的寿命有较大负面影响；另外，辅机、阀门、挡板等设备频繁动 作，也降低了这些设备的使用寿命。因此单机a g c 方式对机组的寿命、运行的经济 性和稳定性都有很大的影响。 ( 2 ) 无法实现负荷经济分配。虽然a g c 系统本身具有负荷优化分配的功能，但 由于调度端的机组信息比较少，实际很难实现机组的优化调度，而且随着厂网分开， 电网对于机组运行职责更少，更不可能实现机组的优化调度。 ( 3 ) 影响电厂的安全运行。如有的电厂既有直流炉又有汽包炉，但系统让每个机 组均同时承担二次调节任务，结果就造成锅炉运行很不稳定，影响了运行的安全。 综合而言，采用a g e 分级控制方式更为合理。当然这就需要开发厂级的负荷优 化分配系统，来接受调度负荷指令，并根据负荷调整对各机组进行负荷的优化分配， 使全厂发电成本最低并兼顾负荷调整的安全性和稳定性。 1 2 2 设置厂级负荷优化分配系统的可行性“1 晦1 “九五”期间，国内机组普遍采用了先进的d c s 系统，老机组也不断进行d c s 改造，机组的热工自动化水平有了很大提高，这就为厂级负荷优化分配系统的设置 提供了基础条件。厂级负荷调度与单机a g c 调度相比具有如下优点： ( 1 ) 大大减少e m s 系统的计算量和复杂程度； ( 2 ) 减少中调与r t u 的通讯量； ( 3 ) 能够实现经济负荷分配； ( 4 ) 更适合目前市场经济条件下的企业经营管理方式。 因此，厂级负荷优化调度颇受发电企业青睐。而对许多发电企业的调查表明：发电 2 华北电力大学硕士学位论文 企业普遍希望采用非直调方式，即a g c 分级控制方式。从中国电力投资集团公司神头 第一发电厂厂级负荷优化调度系统的实际运行来看，厂级负荷优化调度确实更加符合在 电网调度中心统一指挥下网厂二级优化的分层管理原则，以及“厂网分开”的电力市场 化改革方向。 1 3 厂级负荷分配系统国内外研究现状嘲 随着电力市场的发展，发电企业在机组负荷分配方面将有一定的自主权，以利 于全厂整体效益的提高在此背景下，中调下达的负荷指令将不是针对单个机组， 而是针对全厂的总负荷指令。再通过全厂负荷优化分配系统，在保证机组安全和满 足电网负荷要求的前提下，通过综合分析进行负荷二次分配，最大限度的减少机组 主、辅机设备的寿命损耗，降低全厂供电煤耗，以提高全厂的运行效率。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，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，一些学者又提出了将模拟退火算法，遗传算法，免疫算法，人工神经网络 算法，蚁群算法，粒子群优化算法等智能优化算法应用到电厂负荷优化调度。在实际系 统开发方面，德国，美国等国家都有相对成熟的负荷经济优化系统软件。 国内在这方面的理论研究也有喜人的研究成果。 浙江大学的李蔚、刘长东、盛德仁、陈坚红等人将新的智能优化算法一免疫算 法应用到机组负荷优化分配中。优化问题的解对应于免疫算法中的抗体，解的优劣 通过结合力的计算来评价，具有最大结合力的抗体就是问题的优化解。提出应用机 组持续状态时间进行编码改进，可以明显加快算法的搜索速度。免疫算法中特有的 基于抗体浓度更新和抗体多样性也使得算法具有很好的收敛性和搜索性能。 华中科技大学的侯云鹤、鲁丽娟、程时杰等人提出了一种用于求解般形式的 非连续、非凸、非线性约束优化问题的改进粒子群算法，用于求解复杂的非凸、非 线性电力系统经济负荷分配问题。基于随机分析理论，证明了该算法依概率收敛至 全局最优，且收敛性与粒子群的初始分布无关，并提出了一个收敛的充分条件。 哈尔滨工程大学的唐巍、李殿璞提出了一种应用混沌优化理论求解电力系统经 济负荷分配的新方法。该方法以发电费用信息为目标函数，将优化变量各机组有功 功率转变成混沌变量，利用混沌运动的遍历性、随机性和规律性直接对目标函数寻 优。该方法考虑了网损及汽轮机的阀点效应，从而更有效地保证了求解的精度。 东南大学的高山、单渊达提出了一种遗传算法应用于机组优化启停的新思路。 针对机组启停问题的特点，设计了一些启发式技术，使得遗传算法初始种群中的所 3 华北电力大学硕士学位论文 有个体都是可行解；武汉水利电力大学的左浩，陈昆薇等探讨了遗传算法在机组优 化组合中的应用，取得了较好的收敛性能及实际优化效果；长沙电力学院针对火电 厂发电机组优化组合问题的具体特征，提出了一种实数编码的单亲遗传算法，并构 造了两种遗传算子，取得了较好的优化效果。 重庆大学的郝晋、周家启、徐国禹，上海交通大学的石立宝提出了将蚁群优化 算法( a c o ) 用于机组最优投入问题( u c ) 。利用状态、决策及作者提出的路径概 念把u c 设计成类似旅行商问题( t s p ) 的模式，从而方便地求出a c o 问题。 哈尔滨工业大学的王承民、郭志忠，中国电力科学研究院的于尔铿提出了一种 确定机组组合问题的改进动态规划算法，即插值动态规划算法。它是一种启发式方 法，可以和其他的经济调度算法相结合，用以解决多种约束条件下的机组组合问题， 特别是可以处理机组公里上升，下降速度约束，且考虑了机组的开停机特性，并有 效避免了“维数灾”问题 综上所述，我国对负荷优化分配研究工作开展的很多，但大多是围绕优化理论及 优化算法的改进等进行研究，很少将其他一些影响因素考虑到机组负荷优化中，如： 负荷调整的快速性及机组的稳定性等这样，传统的机组负荷优化分配只要满足分 配后煤耗量最小即认为是最优的分配方案。目前，一些人也开始研究应用多目标的 优化方法实现机组负荷的优化分配，综合考虑多个目标的负荷优化分配使优化结果 更符合实际工程需要。 1 4 本论文主要研究工作 采用a g c 分级控制方式时调度中心将调度指令经r t u 发送至厂级负荷分配系 统，由厂级负荷分配系统根据各机组的运行性能将负荷合理地分配给各台发电机 组。 本论文在全面的研究a g c 系统的基础上，主要就是针对厂级负荷分配系统进 行开发研究。在对负荷进行优化分配时，不仅要考虑机组的发电成本( 煤耗量) 最 小，还应顾及到机组运行的稳定性，机组寿命的损耗、机组的负荷调节余量以及全 厂的负荷调节性能。采用神经网络建模方法对机组的煤耗特性进行实时的跟踪，为 负荷优化分配的合理性奠定基础。将目前较为先进的智能算法一免疫算法作为机组 负荷优化分配的寻优算法，实现对机组负荷的实时优化分配结合实际数据，对厂 级负荷优化分配系统进行了验证并分析了其合理性。 1 、机组煤耗特性的确定 机组煤耗特性模型是进行负荷优化分配的前提和基础，要得到有效的负荷分配 方案，首先应得到各机组准确的煤耗特性模型，工程上一般通过热力试验获取的数 据及厂家提供的性能参数来求得，但由于发电厂生产工艺的复杂性，机组的煤耗特 4 华北电力大学硕士学位论文 性不可避免受到诸多因素的影响，如：运行方式，设备状态，环境温度等，因此应 用传统的曲线拟合的方式所得到的煤耗特性与实际存在很大偏差，本论文应用神经 网络实现对机组煤耗特性的实时建模，使得煤耗特性更加准确，保证分配的合理性 2 、数学模型的建立 在进行系统的优化时，首先要为系统建立合理的数学模型。在对机组进行负荷分 配时，应充分考虑经济性，稳定性及调节性能( 如：调节速度等) 因此，对机组 的负荷优化分配也应该是一个综合的指标，不仅要求发电成本小，同时也要考虑负 荷变动对机组寿命的影响及全厂的调节性能等。在优化过程中，还应考虑各种约束 条件，如：功率平衡约束，功率响应速度约束，机组性能约束等。 3 、机组负荷优化分配 目前，机组负荷优化分配问题的传统求解方法有优先顺序法，动态规划法，混 合整数规划法，拉格朗日松弛法等，由于变量和约束条件多，这几种算法的计算精 度均受到不同程度限制，一般不能得到全局最优解。遗传算法具有简单通用、强鲁 棒性和适于并行处理等特点在优化领域得到广泛应用，但也存在着一些不足，如早 熟现象、个体的多样性差、容易陷入局部最优解等。 免疫算法( i m m u n ea l g o r i t h m ，简称i a ) 是最近发展起来的一种全局优化概率 搜索算法，它通过模拟生物的免疫系统原理，利用免疫系统的抗体多样性和自我调 节功能，来保持群体的多样性，从而克服寻优过程的“早熟”问题，确保快速收敛 于全局最优解。本文将免疫算法应用到火电机组的负荷优化分配中，并通过实例分 析了优化结果及其合理性。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章a g c 系统概述 自动发电控制( a o c ) 就是在电力系统内用户负荷发生变化的情况下，及时地 调整系统的发电出力，保证供电的连续性，并使频率偏移指标符合规定要求，实现 符合频率控制。在分区控制的大电网中，还要进行区域间联络线交换负荷的控制。 电网的频率和联络线的控制精度是电力调度人员和电厂运行人员关心的指标。 前者还是一个衡量供电质量好坏的标志，与国计民生以及发电设备本身的安全、经 济运行息息相关；后者是电力系统供求平衡的标志。随着a g c 功能的投入，上述 的两个指标将得到极大程度的改善，并对减轻电力调度人员和电厂运行人员的工作 强度，提高电网的负荷反应速度起到积极的作用 竣囊 发电机组发电机组 图2 - - 1a g c 系统示意图 电力系统a g c 系统由主站控制系统、信息传输系统、和电厂控制系统等组成。 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 是一个典型的、完整的a g c 系统示意图。整个a g c 系统可以简单地分为 两大部分，即电网的a g e ( 决策控制层) 及发电机组的a g c ( 指令执行层) r t l 。 2 1a g c 主站系统叫 自动发电控制( a g c ) 主站系统，又称能量管理系统( e m s ) ，为实现自动发电 控制，e m s 应由以下部分组成： 1 、主站计算机系统 能量管理系统是一个功能复杂的计算机系统，现代的e m s 的一般结构见图2 2 ，其主要组成部分有： ( 1 ) 通信工作站：与远动装置( r t u ) 、厂站自动化系统、其它调度机构的能量管 理系统等进行通信，执行采集信息、发送控制指令的功能。 ( 2 ) 电力系统应用工作站：执行对电 力系统运行计划、统计、监视、控制、 计算、分析等功能。 ( 3 ) 数据管理服务器：执行对电力系 统运行所需的实时和历史数据，设备参 数的存储、管理功能。 ( 4 ) 人一机界面工作站：通过显示画 面、报表等媒介，向调度员提供电力系 统运行信息，向调度员提供输入控制指 令的手段。 2 、能量管理软件系统 ( 1 ) 系统软件：由计算机厂商提供的、 用于管理计算机系统资源的操作系统， 具。 以及用于诊断、调试、维护、编程的支持工 ( 2 ) 支撑软件：为支撑s c a d a 、电力系统应用软件运行所需的数据库管理、人一 机界面管理等软件系统。 ( 3 ) s c a d a ：对实时数据进行采集和处理，对电力系统设备进行监视和控制的软 件系统。 ( 4 ) 电力系统应用软件：实现对发电生产进行调度和控制( 发电调度) 、对电力系 统的运行进行安全分析( 网络分析) 、对电力系统运行人员进行模拟培训( d t s ) 、 支撑电力市场运作等功能的软件系统。 3 、自动发电控制应用软件 自动发电控制主站功能除需有整个主站计算机系统、能量管理软件系统的支撑 7 华北电力大学硕士学位论文 外，其主要功能是通过发电调度者应用软件来实现。发电调度的主要应用有： ( 1 ) 负荷频率控制：调节发电机的发电功率，以响应系统频率、联络线功率变化， 使系统频率、联络线功率维持在规定值；纠正电力系统时钟偏差和无意交换电量； 与经济调度相结合，降低发电总成本或总费用 ( 2 l 备用监视：周期性地监视整个电力系统发电备用容量；根据事故预想，检查 发电备用容量的充裕度；按规定的标准，计算实际备用容量对标准的符合度。 ( 3 ) 控制性能评价；按规定的标准，跟踪和分析负荷频率控制的性能 ( 4 ) 联络线交换计划：接受来自其它应用( 如电力市场支持功能) 、或调度人员输 入的交易计划，将其转换成联络线功率交换计划，提供给负荷频率控制、机组组合、 经济调度等应用使用 ( 5 ) 负荷预计：又分为短期负荷预计和超短期负荷预计，短期负荷预计可预计明 日到数日内规定时间间隔( 如1 小时) 的负荷，是编制发电计划的基础；超短期负 荷预计可预计未来数小时内更小时间间隔( 如1 0 分钟) 的负荷，是调整发电计划 和改变自动发电控制基点功率的依据。 ( 6 ) 机组组合：在满足各种发电和输电的限制条件下，确定优化的发电机组启停 计划，并确定初步的发电计划。 ( 7 ) 经济调度：在运行的发电机组中经济地分配负荷，使发电成本( 发电费用) 最低。其中经济调度计算，直接修改a g c 机组基点功率的闭环控制方式，又称为 经济调度控制( e d c ) 。 2 2a g c 信息传输系统町 如果把能量管理系统比作自动发电控制的大脑，信息传输系统则好比神经系统， 用于传输自动发电控制主站系统所需的信息、以及主站系统发送给电厂的控制指 令。 l 、自动发电控制传输的信息类型 ( 1 ) 为实现自动发电控制偏差所需的信息，如系统频率、与相邻区域的联络线交 换功率等。 ( 2 ) 执行机构的工况信息，如参与a g c 运行的发电的实际发电功率、发电功率调 节的限制条件( 调节范围、调节速率) 、电厂控制系统的运行状态等。 ( 3 ) 控制指令，如调节发电功率的功率设定值或升降命令、改变发电机运行状态 或电厂控制系统运行状态的控制指令。 2 、信息传输技术 i 、远动通信技术：是一种采用专用通道、专用通信协议的通信技术，其特点是： ( 1 ) 由于采用专用通信协议，通信的额外开销少，所需设备和软件简单；但通用 8 华北电力大学硕士学位论文 性差。 ( 2 ) 由于采用专用通道，信息传输不受其它系统通信的影响，传输时间易保证， 排错较容易；但为保证传输的可靠性，一般需配置主备通道，通道资源利用率低。 ( 3 ) 信息传输一般需经过调制成模拟信号、传输、解调成数字数据的过程，传输 速率一般较低，常用的传输速率为1 2 0 0 b p s 9 6 0 0 b p s 。 i i 、数据网络通信技术：是一种采用标准通信协议、共用数据通信网络的通信 技术，其特点是： ( 1 ) 由于采用标准通信协议，通用性好；但通信协议较复杂，通信的额外开销大， 所需设备和软件较复杂。 ( 2 ) 由于采用共用数据通信网络，通道资源利用率高；但传输时间易受数据通信 网络负载轻重的影响，排错较复杂。 ( 3 ) 由于数据通信网络采用数字通信技术，传输速率较高，一般在6 4 k b p s 以上。 3 、信息传输系统的组成部分及其作用 。( 1 ) 主站通信工作站；能量管理系统的一部分，承担与外部通信，交换数据的任 务。进行通信协议的解释和转换，数据的预处理，差错控制等工作。根据所采用的 通信技术，又分为r t u 通信工作站和数据网络通信工作站。 ( 2 ) 通信网络：信息传输的媒介，主要有微波通信网络和光纤通信网络。 ( 3 ) 数据网络：采用标准的通信协议，复用通信网络，提供数据网络通信业务的 增值业务通信网络。目前常用的数据网络有：分组交换网、数字数据网( d d n ) 、 帧中继网、异步传递方式网( 灯m ) 等。 ( 4 ) 远动装置( r t u ) ；采集遥测、遥信数据，发送遥控、遥调信号的设备； ( 5 ) 厂站自动化系统：除具有远动装置的信息采集和控制功能外，还具有人一机 会话和数据处理功能；一般通过数据网络与主站系统进行通信。 2 3a g c 电厂控制系统嘲 发电厂用于接受控制信号、控制发电机组调整发电功率的系统或设备有： ( 1 ) 调速器 调速器是控制发电机组输出功率最基本的执行部件，改变调速器的功率基准值 或转速基准值是进行频率二次调节最基本的方法。对于那些具有功率基准值输入接 口的功频电液调速器、或微机调速器，可通过r t u 或电厂自动化系统直接将功率设 定值或升降命令发送到调速器，实现a g c 控制。 ( 2 ) 调功装置 对于那些不具备功率基准值输入接口的调速器( 如机械式调速器) ，必须由调功 装置进行控制信号的转换，如转换成对调速电动机的控制信号。同时，调功装置还 9 华北电力大学硕士学位论文 具有功率限制控制、转速控制、汽温汽压保护等功能。 ( 3 ) 协调控制系统( c c s ) 单元汽轮发电机组的发电机、汽轮机和锅炉是一个有机的整体，对汽轮发电机 组的运行要求是：当电力系统负荷变化时，机组能迅速满足负荷变化的要求，同时 保持机组主要运行参数( 特别是主汽压) 在允许范围内。而调功装置运用于汽轮发 电机组的控制，只能实现对汽轮机响应负荷变化的控制，无法实现对锅炉的控制。 因此，需要采用协调控制系统，对汽轮发电机组机、电、炉的多个变量进行协调控 制，使机组既能满足电力系统的运行要求，又能保证整个机组的安全性、经济性。 ( 4 ) 全厂控制系统 在有多台机组的电厂中，采用全厂控制系统对主站的a g c 指令在机组之间进行 负荷分配，能降低每台机组调节的频繁程度，进一步提高负荷分配的经济性；避开 机组不宜运行的区域( 如水电机组的振动区、气蚀区) ；当其中某些机组因运行工 况不能响应控制指令时( 如启、停辅机) 将控制指令转移给其它机组。因此，全厂 控制系统是提高电厂的安全性、经济性，改善控制性能的有效手段。 2 4 本章小结 本章从总体上介绍了a g c 系统，对a g c 所实现的功能及其组成部分做了详细 的论述。指出a g c 主要是由主站控制系统、信息传输系统和电厂控制系统三大部 分组成，并对各组成部分所包含的子系统及其所具有的功能作了阐述。对a g c 系 统宏观上的认识将有助于以下基于a g c 的厂级负荷优化分配系统研究工作的开展。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 第三章厂级负荷优化分配系统的设计 发电机组的a g c 控制是整个能量管理系统e m s 的最末环节，是a g c 控制系统 的具体实施单元。整个a g c 控制好比一个自动调节系统，机组的a g c 控制就是该 系统的执行器。执行器( 机组) 的状态、调节性能及控制水平直接影响到整个系统 的运行性能，影响到电网的a g e 的控制效果，即影响到电网的频率控制及联络线 控制精度。 3 1 电厂a g c 控制形式m a g c 系统电厂端的控制环节主要有以下几种方式。 1 、火电厂的单机控制方式 火电厂一般采用单机方式( 如图3 1 ) 。火电机组的控制系统比较复杂，不但机 炉相互配合方式比较多，而且涉及到众多的辅机系统。 一般说来，火电厂的机组是经机炉协调控制系统c c s ( c o o r - d i n a t e dc o n t r o l s y s t e m ) 进行控制的。c c s 对于机、炉、电复杂的运行工况具有完整的监视和控制 功能，对远方调度中心下达的a g c 指令有监视和保护措施，机炉的调节特性和跟 踪负荷的能力较强。 对于未配置c c s 的火电机组，可以安装火电机组调功装置，接收调度端的日计 划负荷曲线并按计划曲线运行，必要时也可参与a g c 闭环控制的次紧急调节和紧 急调节。 图3 1 火电厂单机控制方式 2 、火电厂的集中控制方式 火电厂的集中控制方式见图3 2 。火电厂机组综合自动化改造完成后，由分散 控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 对全厂每台机进行综合协调控制和经济 负荷分配。 华北电力大学硕士学位论文 - 一 _ 调 区 度 域 中 电 心 力 系 g 统 c 1 - _ _ 图3 2 火电厂的集中控制方式 调度中心a g c 的控制命令为全厂总的功率设定值，传送到分布式控制系统d c s 的上位机，然后由d c s 根据机组的经济运行原则并考虑各种机组限值，将总出力命 令分配给各机组。 在这种闭环控制方式中，此时的分布式控制系统d c s 即为调度中心所定义的电 厂控制器p l c ，显然该p l c 控制着全厂机组。 3 2 厂级负荷优化分配系统设计脚 作为电网调度来说，无需对电厂每台机组的运行情况了如指掌，而只要掌握电 厂机组的大概运行情况，将a g c 指令发送到电厂的r t u ，至于每台机组的负荷分 配由对现场更加了解的厂级负荷分配系统进行，它可根据机组设备条件和经济性 能，运用合理的优化策略，分配各机组的负荷，这样更有利于各机组的经济运行， 同时减少了调度中心的压力。 厂级负荷优化分配系统根据电网调度的全厂负荷指令调节全厂负荷，使全厂的 负荷及时满足电网要求。保证机组运行在允许的负荷范围内和安全的工况下。合理 地调配各台机组的负荷调节任务，降低机组的负荷调节频度，提高机组的稳定性， 延长主、辅机组设备的寿命。经济分配各台机组的负荷，降低全厂的供电煤耗。 3 2 1 全厂负荷优化分配 全厂负荷优化分配是厂级负荷优化分配系统的一个最重要功能，其任务是优化 分配全厂机组的负荷，使全厂综合运行成本最低，它应充分考虑机组运行的经济性、 稳定性、机组寿命的损耗、机组的负荷调节余量等因素，另外它还应顾及全厂的负 荷调节性能 1 、提高机组运行的稳定性，延长机组的使用寿命 调度的a g c 指令有很大一部分是频繁小幅度的变化，如果这种负荷指令直接作 用于某一台机组，则机组不能稳定运行。全厂负荷控制系统可以采用轮流调节的方 1 2 华北电力大学硕士学位论文 法，以投入最少机组来完成负荷调节任务为原则来分配机组的负荷调节任务，最大 程度地减少机组变负荷的频度。如四台机组由全厂负荷控制系统控制，机组的变负 荷频度大约是原来的1 3 。 另外在选择机组加或减负荷时，避免机组在短时间内反向变负荷，即机组完成 一次加负荷任务后，让其稳定运行一段时间后再去承担减负荷任务，这样能防止机 组热负荷上下波动产生的疲劳损耗，另外短时间内反向变负荷时，由于机组的热负 荷有较大的惯性，机组负荷的调节性能也比较差通过这些措施能有效地延长机组 使用寿命和检修周期。 2 、负荷经济分配 由于全厂各台机组的煤耗与负荷曲线有一定的差异，所以同样全厂负荷下，不 同负荷分配的运行成本有一定的差异。厂级负荷优化分配系统根据在线的每台机组 供电煤耗或发电成本与负荷的函数关系，计算出不同全厂负荷下最经济的机组负荷 分配 根据实际运行来看，如果每个负荷点都要达到最经济分配，则要求变负荷时有 些机组加负荷，有些机组减负荷，这会严重降低全负荷的负荷响应性能，另外每台 机组都会不停地变负荷，对机组寿命和设备损耗带来不利的影响，还有如果经济性 好的机组始终在高限点，而经济性差的机组始终在低限点，也会影响全厂的负荷调 节性能。基于这些原因，厂级负荷分配系统的负荷优化分配也应该是一个综合指标， 而不是一个纯经济指标，实际上全厂机组负荷分配在经济点附近。 3 2 2 厂级负荷优化分配系统的其他功能 1 、r b 或m f t 工况负荷处理 机组发生r b 或m f t 时，厂级负荷优化分配系统能快速提高其余正常运行机组 的出力，在全厂可能的最大出力前提下，尽力弥补由于机组r b 或m f t 引起的负荷 缺口，减小对电网的影响。 2 、磨煤机启停时负荷控制 厂级负荷优化分配系统应有较强抗内扰能力，在磨煤机启停过程中能保持全厂 负荷基本不变。在单机a g c 时，磨煤机启动或停止时机组负荷波动由电网平衡。 采用全厂负荷控制后，当某台机组磨煤机启动、停止或跳闸时，此机组由于磨煤机 的启动或停止负荷会有较大的波动，厂级负荷优化分配系统通过调整其他机组的负 荷，使全厂负荷保持基本不变。 3 、磨煤机肩停指导 由于磨煤机启停时需要较长时间，而在同一全厂负荷指令下，不同机组的投运 磨煤机数量可以有不同组合，为了保证全厂系统具有较大的负荷调节裕量以满足下 1 3 华北电力大学硕士学位论文 一阶段的负荷变化，提高机组的负荷响应能力，避开机组负荷调节断点，厂级负荷 优化分配系统根据负荷的上、下调节裕量判断何时启停机组的磨煤机 4 、机组负荷闭锁增、减的处理 机组出现负荷调节受到限制时会禁止加或减负荷，在单机a g c 时由于调度得不 到如此详细的信息，经常出现实现负荷的响应不能及时满足调度的要求。厂级负荷 优化分配系统能根据机组的闭锁增、减信息及时调换变负荷的机组，当某台机组出 现闭锁增( 或减) 时，厂级负荷优化分配系统及时选择另一台机组承担变负荷任务， 使全厂负荷及时响应调度要求。 3 3 本章小结 本章介绍了电厂a g c 的两种控制形式：单机控制形式、集中控制形式。通过对 两者的比较可以看出，随着电厂d e s 改造的完成，集中控制形式越来越具有优越性， 不仅可以根据各机组的性能参数合理分配负荷，同时也减轻了调度中心的工作压 力。当然，要实现集中控制方式，核心任务就是开发厂级负荷优化分配系统，以实 现负荷的集中分配。本章进一步从理论上分析了厂级负荷优化分配系统应具有的功 能。除实现合理的负荷优化分配功能以外，还应具有r b 或m f t 工况负荷处理功能、 闭锁增减处理功能等，使负荷优化分配兼顾机组性能的影响，提高机组变负荷的响 应速度，减少故障发生率。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第四章基于神经网络的煤耗特性模型的在线确定 在讨论火电厂负荷优化分配时，各机组的煤耗特性是进行负荷分配的最基本条 件机组煤耗特性为发电( 或供电) 煤耗与发电( 或供电) 负荷量的关系，反映了 机组在各种负荷情况下耗煤量的大小。火电厂的运营成本由两部分组成，第一部分 成本称为固定成本；另一部分是燃料成本即煤耗量。由于煤耗取决于机组的实际情 况，如：运行环境、运行方式、煤种变化、运行人员水平等，而这些因素都是实时 变化的，因此煤耗成本也称实时成本。由于煤耗占火电厂运营成本7 0 以上，因此， 从某种意义上说，机组煤耗特性反映了机组经济性的高低供电煤耗和发电煤耗在 评价电厂机组经济性的工作中起着不同的作用，发电煤耗低于供电煤耗，这是因为 发电煤耗关系中没考虑厂用电的消耗，而供电煤耗是扣除了机组在生产过程中对自 身发出电能的消耗量( 厂用电量) ，因此评价机组最终经济性更为客观，也更为准确。 电网在进行负荷分配时，也只关心电厂或机组的供电煤耗。在本文中所讨论的机组 煤耗特性指的是供电煤耗。 对于电厂而言，通常是不同效率的多台机组并列运行，因此当给定的负荷在机 组问分配时，比较合理的分配方式是根据机组的煤耗特性，在保证总负荷不变的情 况下，使整厂所有机组的总煤耗量最小所以，正确建立电厂中各机组的实时煤耗 特性模型，对机组负荷优化分配的正确性，合理性起着至关重要的作用。 目前火电厂煤耗特性的建立主要有两个问题。一是模型过于简单，通常只考虑 了煤耗与机组电负荷之间的关系，而实际的煤耗不仅是机组电负荷的函数，也是机 组整个运行工况的函数；其次是模型一般都是离线得到的。比如说，传统的负荷分 配所依据的机组煤耗特性曲线一般是通过机组热力试验得到，或由厂家提供，而且 这些曲线在几个月甚至几年的时间内都保持不变。 事实上，由于d c s 或专用的实时数据库中保存了机组运行时所有必要的实时数 据，这些数据反映了机组的运行状态信息。利用这些实时数据，并通过非线性系统 在线建模技术一能得到机组煤耗率与当前运行工况( 而不仅仅是负荷) 之间的更全 面的关系。 4 1 人工神经网络概述1 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是在现代神经科学研究成 果的基础上发展起来的新兴边缘科学，是近年来人工智能计算的一个重要学科分 支。人工神经网络是一种模仿人脑部分功能的仿生结构，一般由输入层、若干隐含 层和输出层组成，每层均有若干节点( 神经元) ，图4 - - 1 所示的是一个单隐含层神 1 5 华北电力大学硕士学位论文 经网络结构图。各网络单元之间紧密联系，整个网络以平行方式处理信息，极为迅 速，且任何一端的信号输入都会传遍整个网络，非常适合于描述具有黑箱性制和非 线性强的对象。 图4 1 单隐层神经网络结构示意图 对人工神经网络的研究可以追溯至上世纪4 0 年代，先后经历了神经网络时代， 弱方法时代、知识工程时代和知识工业时代四个发展阶段。1 9 8 6 年r u m e l h a r t 等研 究者提出多层网络的学习算法一b p 算法，较好地解决了多层网络的学习问题，是人 工神经网络中知识工业时代来临的标志。 理论上己证明人工神经网络通过输入、输出样本的学习，能够准确地模拟任何 复杂的非线性动力学系统，并按并行分布式处理信息，具有自组织、自学习、联想 记忆能力和容错性等优越性，能学习和处理遇到的模式。特别是近几年国内外学者 对b p 算法进行了多次改进，提出了多种改进型算法，如：附加动量法、自适应学 习速率、b f g s 法和l e v e n b e r g - - m a r q u a r d t 算法等，使人工神经网络技术由理论研 究逐渐应用于过程模拟、系统建模、模式识别、故障诊断等领域中。 人工神经网络可由硬件或软件来实现，从经济性和实用性考虑，工程中常采用 软件模拟。一般而言，利用软件模拟，人工神经网络解决工程实际问题主要有以下 几个步骤： ( 1 ) 根据工程实际问题，确定网络输入、输出层节点个数，即样本所包含参数。 输入层节点基本选取原则是：选取对输出影响较大的参数；输出层节点参数即为所 分析解决问题所对应的参数。其中重点是输入层节点的确定，这需要一定的专业水 平； ( 2 ) 通过试验等手段，获得样本空间内相关数据记录，是人工神经网络应用的基 石； ( 3 ) 初步建立网络结构，选择网络学习算法，训练网络，尽可能的使网络“健壮”； ( 4 ) 根据训练网络所得到网络各节点权值、阈值等网络信息，计算在实际输入参 数下，系统输出数值。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 4 2b p 网络模型及学习算法1 2 1 目前人工神经网络的结构有数十种，但其中最典型的是前馈型网络和反馈型网 络。前馈型神经网络( f e c d f o r w a r dn n ) ，又称前馈网络其神经元分层排列，有输 入层、隐含层和输出层，每一层的神经元只接受前一层神经元的输入。反馈型神经 网络( f c e d b a c kn n ) ，又称反馈网络，它的特点是如果总节点数为n ，则每个节点 有n 个输入和一个输出，也就是说，所有节点都是一样的，它们之间都可相互连接。 它是一种反馈动力学系统，需要工作一段时间才能达到稳定。 4 从学习的观点看，前馈网络是一种强有力的学习系统，其结构简单而易于编程； 从系统的观点看，前馈网络是一静态非线性映射，通过简单非线性处理单元的复合 映射，可获得复杂的非线性处理能力。但从计算的观点看，缺乏丰富的动力学行为。 大部分前馈网络都是学习网络，它们的分类能力和模式识别能力一般都强于反馈网 络。典型的前馈网络有感知器网络、b p 网络等。 b p 网络，即误差逆传播神经网络( b a c kp o r p a g a t i o n ) ，是按误差反向传播算法 进行训练的多阶层神经网络。b p 网络是一种具有三层或三层以上的单向传播的多层 前馈网络。上下层之间各种神经元实现全连接，即下层的每个单元与上层的每个单 元都实现权连接，而每层各神经元之间无连接。图4 - - 2 是b p 网络的示意图。 输 入 模 式 4 2 1b p 算法介绍 输入层 隐含层输出层 信息流 图4 2 b p 网络示意图 误差反向传播算法( 即b p 算法) 的基本思想是最小二乘算法，它采用搜索技术， 以期使网络的实际输出值与期望输出值的误差均方值为最小。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 b p 算法的学习过程由正向传播和反向传播组成在正向传播过程中，输入信息 从输入层经隐含层逐层处理，并传向输出层，每层神经元( 节点) 的状态只影响下 一层神经元的状态。如果在输出层不能得到期望的输出，则转入反向传播，将误差 信号沿原来的连接通路返回，通过修改各层神经元的权值，使误差信号最小。 设b p 网络的结构如图4 2 所示，有m 个输入节点，输入层节点的输出等于其 输入输出层有个输出节点，网络的隐含层有q 个节点，q ，是输入层和隐含层节 点之间的连接权值t o 。是隐含层和输出层节点之间的连接权值，隐含层和输出层 节点的输入是前一层节点的输出的加权和，每个节点的激励程度由它的激发函数来 决定。 b p 网络的前馈计算：在训练