（电力系统及其自动化专业论文）发电机组检修计划优化及其管理系统实现.pdf

a b s t r a c t a f t e rs e p a r a t i n gf r o mt h eg r i d ，g e n e f a t i o n su n i tm a i n t e n a n c eb e l o n g st o “so w n m a n a g e m e n ta n da d m i n i s t r a t i o nc a t e g o r y c 0 n s i d e r i n gb o t ht h eg e n e r a t i o n se c o n o m i c b e n e f n sa n dt h e p o w e rg r i d so p e r a t i o n a ls t a b i l i t y ，i ti sn e c e s s a r yf o rt h eb o t ht o p a r t i c i p a t ei ng e n e f a t o rm a i n t e n a n c es c h e d u l i n g ，w h i c hb r i n g sn e wp f o b l e m st ot h e g e n e r a t o rm a i n t e n a n c es c h e d u l em a n a g e m e n t i ti su r g e n tt om a k er a t i o n a ls c h e d u i e u s i n ga d v a n c e dc o n l p u t e ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n df e a l i z es c i e n t i f i ca n de f f e c t i v e m a n a g e m e n t o fg e n e r a t o rn l a j n t e n a n c e v i r t u a n y ，g e n e r a t o r m a i n t e n a n c e s c h e d u l i n g i sa m u l t i - o b j e c t i v e a d m u l t i c o n s t r a i n lq u e s t i o n i tc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g a n da l g o r i t h m i c o p t i m i z i n g r e s e a r c h e r se s t a b l i s hm o d e l sm a i n l yi nl h ev i e wo f f e l i a b i l i t yo re c o n o my t h et r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sa r eh e u r i s t i cm e t h o d s a n dm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g w i t hr a p i d l yd e v e l o p i n go ft h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e i nr e c e n ty e a r s ，s o m ei n t e n i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d ss u c ha sg e n e t i ca 1 9 0 r i t h m s ， s i m u l a t i o na n n e a l i n g ，t a b o os e a f c ha n dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na r eu s e da n d b r i n gan e ww a yt os o l v et h ep r o b l e mo fg e n e r a t o rm a i n t e n a n c es c h e d u l i n g i nt h i s p a p e r ，am o d e la i m e dt om i n i m i z et h eo p e f a t i o nc o s ti se s t a b l i s h e da n di m p r o v e da n t c o l o n yo p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m t h es t a t em e m o r ym e c h a n i s m a n dp e n a l i z e df u n c t i o na r eu s e dt od e a lw i t ht e m l so fc o n s t r a i n t s t h em e t h o d p r o p o s e di n t h i sp a p e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sp o s i t i v ef e e d b a c k ，d i s t r i b u t e d c a l c u l a t i o n ，g r e e d ya n dh e u r i s t i cs e a r c h ，e t c i ti sag o o dt r yt os o l v i n gt h ep r o b l e mo f g e n e r a t o rm a i n t e n a n c es c h e d u l i n g s c h e d u l i n gi st h em o s ti m p o f t a n tp a r to fg e n e r a t o rm a i n t e n a n c em a n a g e m e n t c 0 n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s0 ft h ee l e m e n t a r yp o w e fm a r k e t ，t h ec o n s t r a i n t sa n d p o w e rb a l a n c e ，t h i sp a p e rp r o p o s e dam e t h o do fo p t i m i z i n ga n da d j u s t i n gm a i n t e n a n c c s c h e d u i eb a s e do ne q u a if e s e r v e f u r t h e r ，b a s e do na n a l y z i n gm a i n t e n a n c es c h e d u i e m a n a g e m e n t ，as y s t e md e s i g nb a s e d0 nj 2 e ei sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h ef u n c t i o no ft h e k e ym o d u l e sa n dt h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sa r ee l a b o r a t e d t h es u c c e s s f u l r e a l i z a t i o no ft h i s s y s t e m i so f g r e a tp r a c t i c a l v a l u et ot h e m a n a g e m e n t i n f o m a t i o n i z a t i o nf o rt h em a i n t e n a n c es c h e d u l i n g k e yw o r d s ：p o w e fs y s t e m ；p o w e fm a r k e t ；g e n e r a t o rm a i n t e n a n c es c h e d u l i n g ； a n tc o l o n ya l g o r i t h m ；e q u a lr e s e r v e ；j 2 e e m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：侮瓿落日期：曙年歹月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖 南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：，”占年歹月为日 日期：1 n 年，月伽日 硕l ：学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 电力市场改革 在传统的电力体制模式下，电力企业基本上都采取发电、输电、配电、售电 垂直一体化的组织结构进行垄断经营，这种自上而下的管理体制在资金调度、统 一规划建设、提高供电可靠性等方面有力地推进了电力工业的发展，对稳定物价， 保障人民生活的基本供给起了重要的作用。但是随着社会经济的发展和科学技 术水平的不断提高，各行各业对电力的依赖程度越来越高，对电力供应的数量和 品质也提出了更高的要求，而电力行业的垄断结构使得电力企业由于缺乏竞争而 产生工作效率低下，服务质量差等问题，这严重制约了国民经济的健康、有序、 快速发展。通过在电力行业内引入市场竞争机制，打破电力工业的垄断局面，以 节约电力建设成本，提高供电服务质量，实现社会资源的合理分配，提高资源利 用率，是促进电力工业与社会、经济、环境协调发展的有益尝试”3 。 世界上最早实行电力市场的国家是智利，起步于2 0 世纪7 0 年代末，其目的 在于消除国有企业的腐败、低效和缺乏资金的状况。智利于1 9 8 2 年正式颁布了新 电力法，以法律形式确立了输电系统向所有发电厂及用户开放的原则，打破了地 区垄断，正式启动了电力交易及实时电力的交易方式，把电力企业推向了竞争市 场1 。受此影响，英国、澳大利亚、瑞典、美国等国家先后进行了电力市场化的 改革。经过近3 0 年的发展，各国在电力市场化改革的过程中虽然经历了一定的挫 折，但更重要的是积累了不少宝贵的经验，这有力地推动了电力市场改革实施的 历程，电力市场化改革的趋势已经不可避免。 我国电力工业的体制改革起始于2 0 世纪8 0 年代中期，经过了集资办电、政 企分开、厂网分开、竞价上网的试点阶段，正在逐步进入实质性的市场化改革阶 段”1 。集资办电调动了社会多方面的积极性，使电力建设资金渠道转向了多元化， 这加快了电力发展的步伐，改善了电力供应短缺的局面。政企分开使电力部从国 家事业部门脱离开来组建成为国家电力公司，从而将电力的发展推向了市场，为 厂网分开、竞价上网的市场化改革奠定了基础。2 0 0 2 年底国家电力公司重组为两 家电网公司和5 家发电公司，厂网正式分离，2 0 0 3 年3 月电力监管委员会成立， 这标志着我国电力市场化改革已进入实质性操作阶段。2 0 0 5 年，东北电网首先启 动了区域电力市场的改革试点工作。2 0 0 6 年，三级电力市场交易体系初步搭建完 成，使我国的电力体制改革又向前迈进了一步。目前我国已经基本完成厂网分离， 发电机纽榆修计划优化及其管理系统实现 电网企业主辅分离改革正在逐步推进。 电网调度管理机构是电力系统运行的统一组织、指挥、指导、协调机构，通 过规划系统运行方式、监控系统运行状态等手段进行电网调度决策管理，这对保 证电力系统的安全稳定运行起着举足轻重的作用。在传统的电力体制模式下，机 组的检修安排由电网调度部门根据电网运行状况统一进行规划安排。随着“厂网 分开、竞价上网”的电力市场改革的不断深入，发电机组的检修管理面临了新的 问题。由于发电企业从电网分离开来，成为独立的经营主体参与市场竞争，其发 电设备的检修管理属于企业内部经营管理范畴，而发电企业的最直接的目标是追 求利益最大化，它希望按其自身的经济利益需要来制定检修计划临1 但是，作为 电力系统的重要组成部分，发电机组的检修安排势必会影响到电网的安全与稳定。 因此，发电机组的检修计划安排必须由发电企业和电网调度机构二者共同参与。 发电企业根据各机组的运行特性制定相应的机组检修计划，使机组保持良好的状 态挂网运行，以延长机组的服役周期，同时避免由于机组故障而引起的经济效益 损失；调度机构则在公平合理调度的基础上，对发电企业上报的机组检修计划进 行优化调整和跟踪管理，以确保电网运行的安全与稳定。电力市场条件下检修计 划安排的主要流程如图1 1 示。 图1 1 发电机组检修计划安排流程 1 1 2 电力信息化进程 电能是关乎国计民生的重要战略资源，对于电力企业来说，保证安全、可靠、 优质地供电对于国民经济的健康有序发展具有重要意义。但是由于其以电磁波的 速度传输，且电能的生产、传输和消费是一个同时完成的连续过程，任何环节运 行状态的改变都会立刻对整个系统的安全与稳定产生不同程度的影响，因而对电 能的生产过程实行有效控制是一项技术精密复杂的系统工程。 由于电力生产安全性与稳定性的要求，电力企业对生产过程控制与管理的信 硕i 学位论文 息技术应用一向比较重视。电力信息化建设是随着计算机技术的不断发展和应用 而发展的，我国的电力信息化建设起步较早，在2 0 世纪六、七十年代，就开展了 电力生产、调度自动化的应用，8 0 年代后期逐渐开展了企业管理信息化的建设。 但是在传统电力工业体制下，电力企业垄断经营模式使得电力企业自身只关注电 力的安全生产，而不太关注生产成本与经济效益，因而生产自动化与管理信息化 的发展处于不平衡状态。一方面，管理信息化滞后于生产自动化，另一方面，生 产自动化系统与管理信息系统处于相互分离状态，彼此不能有效互通。随着经济 体制改革的进一步深化和信息网络技术的不断发展，信息技术应用的深度和广度 达到了前所未有的地步，这对提供电能服务的电力企业提出了全新的任务和挑战。 许多电力部门开始越来越重视生产自动化与管理信息化的协调发展，通过充分利 用现有的资源和先进的信息化管理技术，有计划地开发建设企业管理信息系统， 使信息技术的应用由操作层向管理层延伸，从单机、单项目向网络化、整体性、 综合性应用发展，以实现企业内部科学高效的管理，在保证电力系统安全、优质、 经济运行的同时，促进自身的不断完善和发展。 对于电网调度机构来说，制定合理的电网运行方式是一项业务流程复杂、技 术要求较高的工作，不仅需要进行电力电量平衡、负荷预测、备用评估等，还需 要考虑各发电机组的运行状态和电网的潮流分布等情况。采用不断发展的计算机 自动控制、网络通信与信息管理技术进行日常事务管理，是电网调度机构提高工 作效率和决策水平的重要手段。目前我们国家绝大部分省级调度计算机应用都已 拥有调度自动化系统( e m s e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 和调度管理信息系统 ( d m i s d i s p a t c hm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，这为调度管理人员提供了丰富的 系统运行状态信息。针对机组检修计划问题，电网调度机构在保证电网的安全、 优质、经济运行同时，还需要考虑协调发电企业的经济利益，这增加了计划调整 工作的复杂性，采用软件系统读取e m s 与d m i s 系统接口中的信息资源，并进行 检修计划的智能优化与分析统计，可提高调度机构日常事务管理的工作效率和决 策水平。 1 2 课题研究意义 发电机组的失效是由电力系统的物理特点决定的，由于电力系统运行状态的 改变会影响各元件的性能参数，随着机组使用时间的增长或者电力系统稳定性遭 受到严重破坏等情况的出现，发电机组会由于出现不同程度的老化或故障而失效。 机组的失效按失效状态可分为不可修复失效和可修复失效，尽管实际上常常发生 不可修复失效，但大量的失效是可修复失效哺1 。为避免机组过早进入不可修复失 效状态，需要根据机组的运行特点对其进行定期或不定期的维护，这种为使机组 保持良好的运行状态而对机组进行的拆装、状态检查、元件更新等维护方式即为 机组检修。机组检修是电力系统安全稳定运行的重要保障，虽然在检修过程中消 耗了一定的检修费用，提高了发电企业的成本，但是从长远来看，对设备进行合 理的检修维护延长了发电机组的使用寿命，从而降低了发电机组的运行费用，合 理利用了资源。 发电机组的检修管理模式主要有故障检修、定期检修、状态检修和改进性检 修四类。1 。故障检修是一种不可预知的检修方式，由于电网中重要设备故障会影 响整个系统的安全稳定运行，因此在检修管理工作中需要尽量使重要设备避免发 生故障检修的情况；计划检修是机组检修管理中最常用、最重要的检修模式，它 的目的是周期性地安排机组的预防性检修，通过对各发电机组的检修计划进行协 调优化，可使电网在保留足够备用的情况下满足负荷需求，从而确保电网的运行 稳定；状态检修是从检修的科学性考虑，通过对机组的运行状态进行在线监测与 分析，可使运行性能优良的设备避免不必要的计划检修，同时最大限度地消除由 于机组突发故障而引起的电网事故，因而状态检修是效果最好的检修方式，但其 技术要求较高，现有技术对汽机、锅炉、发电机等主机设备的各种故障模式的监 测手段还不能完全覆盖；改进性检修是从提高设备利用率的角度对其进行的技术 改造。 虽然状态检修模式在安排机组检修计划时合理性最好，但其需要监测的内容 太多，投资风险过大，在我国现有的技术水平下还不宜大量普及，我国现今仍采 用的是以计划检修为主导的机组检修管理模式。在这种管理模式下，机组的检修 计划安排在电力系统运行规划中具有十分重要的意义，它通常指的是在满足系统 运行可靠性和检修技术要求的前提下，以最大的经济效益预先安排好计划时间内 机组预防性检修的停电时间序列。由于机组停机检修直接影响电网总发电出力， 所以它对系统运行的安全性和经济性都有很大影响。良好的机组检修计划能够增 强系统的可靠性，平衡不同地域的电力需求，同时还能够降低机组的运行成本。 此外，许多短期和长期运行计划问题，例如机组组合、抽水蓄能和常规水电优化、 燃料计划、可靠性计算以及发电费用预算等都要以检修计划为输入数据，所以周 密地制定一个最优的机组检修计划有着重要的现实意义。随着电网装机容量和机 组台数的增加，检修计划问题的重要性亦越来越被人们认识伯1 。 本文针对电网调度机构的发电机组检修计划管理问题，总结了发电机组检修 计划问题的研究内容和方法，并提出了一种基于改进蚁群算法进行求解的算法优 化策略，这丰富了机组检修计划的优化理论。另外，本文在对机组检修计划管理 业务进行调查研究的基础上，设计出了相应的发电机组检修计划管理系统，可满 足省级电网调度管理部门的检修计划信息化管理的需要，提高检修计划的优化调 整效率；还可以为发电计划经济调度等调度管理应用系统提供数据参考，从而方 便了电网运行方式和发电计划的合理编制；利用系统对机组的检修计划进行跟踪 4 硕i j 学位论文 评估，也为管理人员制定合理的决策提供了依据。 1 3 国内外机组检修计划研究现状 机组检修计划问题一般可分为数学建模和算法优化两部分。数学建模是依据 一定的约束规则针对优化目标建立起目标函数，算法优化是对建立的目标函数采 用一定的优化算法进行求解，以得出合理的检修计划。针对机组检修计划优化问 题，国内外学者根据不同的优化主目标，从理论上和实践中进行了广泛的研究， 提出了许多有益的见解。 以可靠性为目标，文献【9 1 从服务生产的角度出发，考虑实际运行中的多项约 束条件，选择等备用容量法和等备用率法建立可靠性模型，并应用启发式算法进 行求解：对于全年各时段系统的可靠性指标采用随机生产模拟中原理先进的等效 电量函数法进行计算；最后应用程序对甘肃电网机组检修计划方案进行优化，验 证了模型的有效性和合理性，具有重要的实用价值。 以经济性为目标，文献1 0 1 1 1 以检修费用与生产费用之和最小为目标函数， 在考虑发电机组检修约束条件和可靠性约束条件的基础上，建立了发电企业机组 检修的理论模型，并利用b e n d e r s 分解的优化方法进行了求解。文献f 1 2 1 3 1 以机 组长期运行的经济利润最大作为优化的目标函数，文献【1 2 】引入了市场清算价格 ( m c p m a r k e tc l e a r i n gp r i c e ) 计算各机组的收益，考虑了机组的生产成本、可变检 修成本与固定检修成本，并利用遗传算法对模型进行求解；文献【1 3 】考虑了机组 的老化与维修效果，并且在全出力运行状态、计划维修状态以及故障后维修状态 三种情况下对目标函数进行简化，同时引入蒙特卡罗模拟法描述机组故障发生过 程并对模型进行求解。 考虑多种优化目标，文献f 1 4 1 将多目标规划理论引进电力系统机组计划检修 问题中，提出了最大最小备用和最小最大电力不足概率两种优化模型，并利用最 大最小法进行模型求解。文献【1 5 】针对初级电力市场的特征，为兼顾电网与电厂 双方的经济利益和社会效益，从工程实用的角度考虑系统等备用和发电公司公平 性2 个目标建立了目标函数，并协调2 个子目标，采用权重系数的方法将多目标 问题转化为单目标问题，并利用整数规划的隐枚举法对模型进行求解。文献【1 6 】 将检修计划问题描述成0 1 整数规划问题，考虑可靠性、发电费甩、检修费用或一 与现有计划之间的偏差等指标建立了一个n 维向量的目标函数。文献【1 7 】综合考 虑了可靠性、经济性和公平性，用等备用法保证系统可靠性；用各公司单位容量 机会成本( 0 c p c o p p o r t u n i t yc o s tp e rc a p a c i t y ) 均值描述总体经济性；用0 c p c 标 准差描述公平性；然后利用纯属加权法综合考虑计划的经济性和公平性，依据此 思想设计了相应的发电机组检修模型，并利用启发式算法进行求解，为电力市场 条件下机组检修计划的安排提供了有益的参考。 1 4 本文主要内容 设计合理的发电机组检修计划模型和采用系统实现检修计划的信息化管理具 有重要的意义，本文在吸取前人宝贵经验与方法的基础上，考虑机组检修计划的 实用性和理论意义，建立了等备用法的数学模型和运行费用数学模型两种机组检 修计划模型，并分别对这两种模型进行求解，然后结合检修计划管理实务设计了 相应的管理信息系统。本文的主要内容包括以下5 部分： 第一章：绪论。该部分介绍了课题研究背景和研究意义，对国内外在机组检 修计划方面的理论与实际研究工作进行了概述，并总结了本文的主要内容和工作。 第二章：机组检修计划模型及优化方法研究。该部分按实现目标的不同对机 组检修计划的模型进行分类，并概述了求解检修计划优化问题的主要方法，分析 了各种模型和优化方法的优缺点。 第三章：基于改进蚁群算法求解机组检修优化问题。提出了一种基于运行费 用最小的机组检修计划模型，介绍了蚁群算法的基本原理和特点，并利用改进型 的蚁群算法对模型进行优化求解。 第四章：基于等备用法的机组检修优化调整。在总结等备用法主要优点的基 础上，从工程实用的角度，考虑多种检修安排原则，采用启发式算法对机组检修 计划问题进行求解，设计出机组检修计划优化调整的主要流程。 第五章：系统设计与实现。分析了机组检修计划管理的业务特点与主要流程， 对系统的功能模块、开发方案和实现技术进行了设计规划。 第2 章机组检修计划模型及优化方法研究 2 1 机组检修计划模型分类 长期以来，发电机组检修计划在电力系统规划设计或运行调度中都具有重要 意义，合理的检修计划是电力系统安全与经济运行的重要保障。在电力市场环境 下，厂网经营权分离，各经济实体追求经济利益的最大化是市场发展的客观规律。 发电公司作为一个独立的经济实体，不再受系统的管制，此时机组检修计划的制 定有了很大变化，不仅影响系统的可靠运行，也直接影响到各发电公司的经济利 益，因此如何确定一个有效的检修计划模型成了各方关注的焦点。 电网调度部门在优化调整发电计划时，不仅需要考虑系统的可靠性、检修计 划的经济性，还要考虑调度的公平合理性等，而解决此类问题时还需要考虑一些 不确定性的因素，例如要满足系统的可靠性，就需要考虑系统负荷水平和负荷预 测的不确定性、机组强迫停运的随机性等；要满足经济性，就要考虑燃料供应和 价格的多变性、检修资源的不确定性等；要满足调度公平合理性，就要考虑市场 损益补偿的不确定性等。优化指标以及不确定因素的多样性给建立合理的检修计 划模型带来了一定的复杂性。 研究人员对合理安排发电机组检修计划问题，从理论上到方法上也作了广泛 的探讨。研究和实践都表明，发电机组检修计划的安排属于电力系统最优运行规 划的范畴，实质上是一个多目标、多约束的优化问题。针对不同的优化主目标， 国内外学者提出了许多有价值的数学模型，这些模型一般只选取一个指标作为优 化目标函数，而对其它指标则以约束条件的方式进行处理；或者是兼顾几个优化 指标而得到一个综合的目标函数。根据优化目标的不同，机组检修计划模型主要 分为可靠性模型、经济性模型以及多目标综合模型等。 2 1 1 可靠性模型 电力系统的可靠性是对电力系统以可接受的质量标准和所需数量不问断地向 电力用户供应电力和电能量之能力的度量甩户的停电损失与电力系统运行的可 靠性有着极为密切的关系，而发电机组的检修停运使电网备用容量减少，从而对 系统的可靠性产生重大影响。为使系统在运行过程中保持足够的备用或降低由于 系统状态突发性变化而引起事故的风险，发电机组的检修计划必须考虑系统的可 靠性。电力系统可靠性的标准有确定性的和概率性2 种，确定性的有n - l 原则、 备用百分数原则以及备用应大于系统最大机组容量等原则，概率性指标有电力不 足期望( l o l e l o s so fe n e r g ye x p e c t a t i o n ) 、电力不足概率( l 1 d l p - l o s s o f l o a d 发电机组榆修汁划优化及其管理系统实现 p r o b a b i l i t y ) 、电量不足期望( e e n s e x p e c t e de n e r g yn o ts u p p l i e d ) 等。 可靠性模型主要从提高系统安全与稳定运行的方面考虑机组的检修安排，以 可靠性为主目标函数。根据可靠性的标准不同，目标函数也可分为确定性和随机 性2 大类“”。 ( 1 ) 确定性可靠性目标函数。 增强系统可靠性的一个重要要求是保证系统拥有充足的备用，确定性可靠性 目标函数即是从系统备用的角度考虑的。它以机组检修停运后系统的净备用最大 为目标，我们可以根据电网中机组最大装机容量和负荷水平等因素设定整个系统 的最大备用容量，将每个时段考虑机组检修时系统的备用容量与其相比较，尽量 使二者接近相等。其目标函数可表示如下： 式中f 一机组标号； 卜检修周期内某一时段的时段标号； 卜检修周期内的时段总数，一般情况下检修计划的安排周期为一年，一 个时段可以是一天、一周、一句或一个月，若以一周为一个时段， 则全年共5 2 个时段； _ 一参加检修计划优化的机组总台数： 工广f 时段系统总用电负荷； r 广t 时段的系统备用容量； j j i 机组f 在t 时段的检修状态，检修时其值为0 ，否则为1 ： p 广机组f 的额定输出功率； r 。一检修周期内的最大备用容量 这种模型的主要优点是概念简单且实现方便，在负荷水平和装机容量确定的 情况下，只需将机组检修按一定的顺序安排在电力供应相对充足的时段即可，因 而在机组检修计划管理实际中经常使用。但由于此目标函数是建立在系统装机容 量和负荷需求确定的基础上的，忽略了发电机组可用率和负荷变化的不确定性因 素，因此具有相同净备用的不同时段系统的可靠性不一定相同，故此模型一般不 能够得到最优解，且无法反映计划的经济性指标。 ( 2 ) 随机性可靠性目标函数。 降低电力系统风险是增强系统可靠性的重要途径，但是电力系统风险的根源 在于其行为的概率特征，系统中机组的随机故障往往超出人力所能控制的范围， 负荷也总是存在着不确定性，因而不可能对其进行准确预测，这就常常要求进行 - 8 p 舭 卜 也 硕l ：学位论文 概率经济分析。随机性可靠性目标函数考虑了研究周期内各时段的概率性风险指 标如l o l p 、e e n s 等，以系统整个周期内风险最小或风险相等为目标安排机组的 检修计划。不同机组检修组合方案可得出不同的风险指标，该模型的主要目标就 是寻求满足约束条件的风险最小的或较小的检修组合方案，目标函数可表示如下： m i n ，一f ( 石)( 2 2 ) 式中f 御一系统风险指标l o l p 或e e n s ； 謦一机组检修计划的组合方案。 系统风险指标l o l p 和e e n s 可以利用随机生产模拟方法得出，它以等效持 续负荷曲线为核心，把发电机组的随机停运和随机负荷模型结合在一起。其计算 过程可表示如下“： 设研究区间( 0 ，t ) 上系统负荷时序曲线为l ( t ) ，对l ( t ) 进行分解： o ) 霉工。( f ) + 工，2 ( f )( 2 3 ) 式中厶巾) 在区间( o ，“) 和( t 。，d 上等于工( f ) ，在区间似，f 。) 上等于0 ，上口( f ) 在区间( o ，“) 和( b ，d 上等于0 ，在区间似，“) 上等于工( f ) a 图2 1 持续负荷曲线 图2 2 等效持续负荷曲线的形成 图2 1 表示一条持续负荷曲线，x 表示系统负荷，f 表示持续时间，r 为研究周 期，曲线上任何一点0 ，f ) 表示系统负荷不小于工的持续时间为担，0 ) ，令 p 可b ) = f ( x ) ，r 。按照负荷持续曲线的定义，对于工“( f ) 和工j 2 ( f ) 分别求得负荷持续 曲线如o ) 和血( 力，满足 ，( 力一厶( 砷+ 工：( 砷( 2 4 ) 等效负荷曲线是把发电机组的随机故障影响当成等效负荷对原始负荷曲线不 断修正的结果。如图2 2 示，o o 。为原始持续负荷曲线，设发电机组1 先带负 荷，其容量为c l ，强迫停运率为9 1 。当其由于故障停运时，和其他机组共同承担 负荷为，o ( 廿c 1 ) 。考虑发电机组l 的停运后，系统的负荷曲线表达式为 。 ，o ( 砷一a 厂o ) + q 1 ，o c 1 )( 2 5 ) 图2 2 中阴影部分代表了总负荷的电量增量，它正好等于机组1 因故障而少发 的电量。 依次类推，对前f 1 台机组进行卷积计算，可得 ，“- 1 ( 工) 一五 - 1 ( 力+ ! 。1 ( 砷( 2 6 ) 假定发电机组f 在研究区间( 0 ，d 的子区间( 0 ，“) 和( ，d 上被安排运行，其 容量为c i ，强迫停运率为鼋f ，在子区间m ，) 上计划停运。对应于负荷持续曲线 血0 ) ，发电机组f 处于停运状态的概率为吼，处于正常运行状态的概率为 p l = 1 - 卯；对应于负荷持续曲线尼o ) ，发电机组f 处于计划停运状态。因此，对第 f 台发电机组卷积计算，得到系统的等效持续负荷曲线为： ，“( 砷一p ， 。1 ( z ) + 吼正 - 1 0 一c 。) + 工g 。1 o e ) ( 2 7 ) 第f 台机组的发电量为： 如霉p i 磁。船。( 砷出 ( 2 8 ) 式中畸一t2 再c j 薯。t 。+ c r 。善c j 。 当对系统内所有机组随机停运结束后，得到最大等效持续负荷曲线和最大等 效负荷，如图2 3 所示。 图2 3 最大等效持续负荷曲线 利用最大等效持续负荷曲线和最大等效负荷可得 系统电力不足概率l o l p 为： 工d l p 一，p ( c 工)( 2 9 ) 系统电量不足期望值e e n s 为： e e 船一z 亡p ( 砷出 ( 2 - 1 0 ) 式中工系统晟大负荷； 万一系统中的发电机组数： q 一系统中的全部机组的总容量。 这种模型考虑了影响系统正常运行的随机性因素如机组强迫停运等，更符合 系统的实际运行状况，弥补了确定性目标函数在此方面的不足。但是这种模型的 原始数据需要机组的强迫停运率等可靠性指标，而这些指标变化较大，尤其是在 硕i 学位论文 水电比重较大的电网内。在枯水年，火电机组的运行小时数极高，将导致火电机 组强迫停运率升高，水电机组强追停运率降低；丰水年则反之。可靠性指标变化 的不确定使得原始数据可能会出现偏差，从而影响了优化计算的结果。 2 1 2 经济性模型 从电力系统的安全稳定运行要求看，可靠性占居着首要地位，但是从电力市 场的角度看，各经济实体都是以自身的经济效益为出发点。电力系统可靠性指标 对电力系统的可靠性与经济性有直接的影响。可靠性指标高，会提高系统的可靠 性，但却使得机组装机容量加大，投资上涨；可靠性指标低，可以减小系统的装 机容量和投资，但却使国民经济受到损害，给社会生活造成不良影响。在实际情 况当中，可靠性和经济性往往是互相冲突的，经济研究表明，可靠性最高的系统 运行方式并不一定是总运行成本最小的，而在市场体制下需要顾及各电厂经济利 益，因而考虑系统运行成本的优化检修计划比单纯考虑可靠性的要好。从经济性 的角度考虑，制定适当的发电机组检修计划应该满足以下几个条件。“： ( 1 1 减少发电企业的运行成本： ( 2 ) 保证系统的可靠性； ( 3 1 延长机组的使用寿命； f 4 1 预留新机组的投资成本。 由于系统的可靠性要求是必须满足的，为体现系统运行可靠性和发电企业经 济合理性的统一，经济性模型一般是考虑系统的运行费用最小或经济收益最大作 为目标函数，而将系统的运行可靠性以约束条件的方式进行处理。这种方法在电 力市场环境下具有重要的理论意义和学术价值，因而在检修计划优化的理论研究 中被广泛采用。 从机组运行费用的角度考虑，经济费用主要包括机组的检修费用和生产费用 两部分。一台发电机组的总检修费用由2 部分构成：一部分是未磨损的检修投资 损失，它是由于机组检修太早引起的；另一部分是实际检修成本，这部分是距 上次检修时间的函数。生产费用则是在检修计划已经确定的情况下，机组生产一 定电能所需的燃料费用。 以机组的运行费用最小的目标函数，可表示如下： m i n ，一c + g ( 2 1 1 ) 式中了c ，一研究周期内所有机组的生产费用总和； y c 。一研究周期内所有机组的检修费用总和： 假定系统内机组总台数为n ，机组f 在检修时段f 的检修成本为c “，单位生 产成本为口“，以h 表示机组的状态，o 表示检修状态，1 表示运行状态。则在整 个周期r 内所有机组的检修费用总和为： r c 一。善善巳。一) ( 2 1 2 ) 考虑机组的可用率为m ，假定机组i 的带负荷点为工p ( f ) ， 表示机组的等值 持续负荷曲线，则在整个周期丁内所有机组的生产费用总和为： c ，一砉砉g f f 搿正o ) 出 ( 2 1 3 ) 由此可见，总检修费用基本上是一个凸函数，而生产费用则是运行机组的非 线性函数。机组可用率是一个不确定的因素，为了简便起见，可以在主函数中忽 略掉机组可用率的影响，这时： c - 砉弘嚣1 胁皿- 砉砉a 毛 1 4 ) 式中p l f _ 机组f 在f 时段的输出功率。 2 1 3 多目标综合模型 由于发电机组检修计划是一个多目标、多约束的优化问题，因而可以从多目 标协调优化的角度建立目标函数。多目标综合模型即考虑检修计划本身的多个优 化指标建立起数学模型，目前研究人员从不同的角度利用不同的方法提出了许多 有益的见解，主要有： ( 1 ) 应用数学规划理论对不同的指标建立矩阵向量 ( 2 、对各指标设定权重系数，从而得到一个综合的目标函数。 ( 3 ) 建立检修计划指标评价体系，对不同的优化指标进行综合评价。 通过建立多目标综合模型兼顾考虑可靠性、经济性、公平性等多种指标，反 映了机组检修计划问题的本质，但这也增加了模型求解的困难，例如：利用多目 标规划时容易使模型向量维数过高，利用权重系数或指标评价体系则可能由于指 标估计的主观性而无法得到合理解。 2 1 4 约束条件 制定发电检修计划的基本前提是要保证所制定计划的可行性，而可行检修计 划是由给定的各种约束条件确定的。根据来源不同，检修计划约束一般可分为三 种基本类型脂”。 第一类由发电机组检修技术所确定的约束： ( 1 ) 机组检修开始时段要求，即必须按照设备状态或定期进行检修，例如可用 最早允许开工时间和最迟必须开工时间表示期望检修时段约束： ( 2 ) 检修持续时间的允许范围，如通常规定的各种容量、类型机组各类检修的 标准工期： ( 3 ) 机组检修连续性要求，即维修工作不得中断，机组不能没有检修完全就投 硕l 学位论文 入运行，修就一定要修好： ( 4 ) 机组检修时序要求，如对机组检修的先后，重叠关系的要求。 ( 5 ) 机组检修问隔要求，对同一机组的前后两次检修，需要保持一定的间隔， 以避免过早检修而影响机组的运行费用。 第二类由电力系统运行特点所要求的约束： ( 1 ) 电网潮流与稳定性要求； ( 2 ) 满足系统可靠性要求，用达到可靠性指标( 如l o l p 、e e n s 等) 或间接地 用达到最小电网储备等要求来表示： ( 3 1 季节性或其他原因的禁止检修约束。 第三类由可用人力及物质资源限制所确定的约束条件： ( 1 ) 按照专业、所属公司、地理位置等划分的检修人员的约束； ( 2 ) 某特定检修人员不能同时维修多台机组； ( 3 ) 对物质资源，例如工件，特殊设备，备品备件，以及更广泛意义上同时检 修的容量约束。 在上述各种约束中，有些约束是必须满足的严格约束，有些约束则有一定的 松弛度。比如说，要求在计划时间内完成检修，以及满足适当水平的电力系统可 靠性要求的约束是必须满足的严格约束，而资源和人力限制为松弛约束，因为对 所需资源进行及时规划、增加维修人员及增大工作量，能在一定时间内完成更多 的检修工作。 2 2 机组检修优化算法综述 机组检修计划优化是一个多目标、多约束的组合优化问题，研究人员根据不 同的主目标可建立起不同的数学模型，而针对不同的数学模型，又需要采用一定 的数学优化方法对问题进行求解，以期得到较优的合理的检修计划。目前求解机 组检修计划问题常用的数学优化方法主要有启发式方法、数学规划方法以及智能 优化方法等。 2 2 1 启发式方法 启发式优化方法的特点是在检修周期内，应用反复试探的方法使检修计划逐 渐逼近目标函数的要求“。由于采用这种方法在求解过程中，可以方便地引进各 种约束条件，而与它们是线性、非线性或离散等情况无关，这对于实际工程应用 相当重要，有利于规划人员参与决策，因此这种方法在检修计划实际中得到了广 泛的应用。常见的启发式优化方法有等备用法、等风险度法和最小风险度法等。 f 1 ) 等备用法妇”1 。 等备用法是将最大检修机组安排在最小负荷期间，使全年各个时段系统的备 用容量尽可能相等。采用等备用法在实际处理时根据目标函数取值的不同，又可 分为等备用容量法和等备用率法。可表示如下： r r f ，j l f 一1 ，2 ，丁)( 2 1 5 ) 或 勉= ( f f ，- f ，f 一1 ，2 ，z ) ( 2 + 1 6 ) 式中r 广时段f 的系统净备用容量； 工f p 一时段f 的最大负荷； p 一研究周期的时段数。 等备用容量法是以各时段系统净备用容量相等作为目标函数，但是考虑到从 保持一定的可靠性出发，在低负荷期间和高负荷期间所需的备用容量并不相同， 因此，在检修计划安排时，应尽可能在低负荷多安排检修，而在高负荷期间则少 安排或不安排，采用等备用率以各时段的净备用容量与该时段的晟大负荷的比值 相等作为目标函数，可以达到这个目的。 等备用法的主要步骤可表示如下： 1 ) 将检修机组按一定顺序排列，一般是按照机组容量进行排列，容量大的在 前，容量小的在后； 2 ) 在负荷曲线上，从负荷最低的时段开始，逐台将检修设备容量叠加在选定 时段的负荷曲线上，直到所有检修设备安排完为止。 等备用法的主要优点就是简单方便，是安排检修计划的传统方法，因而在工 程实际中应用广泛，但其简单的求解不能够反映机组的可用度和负荷的不确定性。 ( 2 ) 等风险度法陋2 。“。 等风险度法从机组可靠性出发，在研究周期内，试图使高峰负荷期问增大储 备容量，低谷负荷期间减小储备容量，从而使系统的风险指标尽可能相等。这种 方法考虑了机组强迫停运和负荷逐日变化的影响，避免了在等备用法中只用时段 内的最大负荷作为代表负荷的缺点，提高了计算的合理性。 衡量系统风险的指标主要有l o l p 和e e n s 。l o l p 是概率性的指标，它表示 日尖峰负荷超过系统可用发电容量的概率，还可以简单地用引起停电故障的时间 在所统计期间内所占的百分数表示。采用l o l p 指标的优点是概念清晰，计算简 单，缺点是它只说明电力不足的可能性，不能说明电力不足的严重程度。e e n s 同样也是概率性指标，它反映了电量不足的概率，可以直接将其作为经济性指标 进行方案比较。 等风险度法的实现步骤与等备用法类似，也是一个“拉平”的过程，不同的 是该方法利用发电机组的有效容量来修改负荷曲线，从而拉