（控制理论与控制工程专业论文）基于sis平台的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 为适应我国电力市场新的运作模式，针对当前电网负荷峰谷差日益增大及中调 要求电厂快速完成电网负荷需求这一本质要求，首先提出了以快速完成电网负荷需 求为目的的负荷优化决策模型；其次结合经济优化数学模型，通过对两个目标函数 进行无量纲化处理，提出了基于快速性与经济性多目标优化的负荷分配动态数学模 型。该模型通过权重的在线调整，能够有效控制负荷分配的快速性指标和经济性指 标，这为电厂在满足中调要求的同时，最大限度地降低煤耗量，赢得最大上网负荷 提供了科学的负荷调度理论依据。最后，对三种优化数学模型，提出了两种不同的 解决方案，实验证明了数学模型的正确性、有效性及算法的高效寻优性能。 结合实际电厂模型，开发了基于多目标优化的负荷分配系统软件，为理论研究 的工程化应用，奠定了坚实的基础。 关键词：厂级监控信息系统、多目标优化、动态规划、粒子群优化，数学模型 a b s t r a c t i no r d e rt oa d a p tt h en e wm o d eo fe l e c t r i c p o w e rm a r k e ti n o u rc o u n t r y ， c o n t r a p o s i n gt h eg r e a t e rd i f f e r e n c eg a pb e t w e e nt h ep e a kl o a da n dt h ev a l l ea n dt h e r e q u e s tt h a tp o w e rp l a n t s ( p p ) m u s ta c c o m p l i s ht h el o a dd e m a n d e db yp o w e r n e t w o r k ( p n ) f l e e t l y ，t h i sp a p e rp r o p o s e da no p t i m a ll o a dd i s p a t c hm o d e l ( o l d ) b a s e do ns p e e d i n e s sf i r s t l y ；s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fe c o n o m i cm o d e l ，i tp r o p o s e d o l dm o d e lb a s e do ns p e e d i n e s sa n de c o n o m yv i ah a v i n gd i m e n s i o n l e s sd i s p o s a lt o a i mf u n c t i o n s i tc o u l dc o n t r o ls p e e d i n e s sa n de c o n o m yi n d e xb ya d j u s t i n gw e i g h t s o nl i n e ，i tp r o v i d e ss c i e n t i f i ct h e o r yb a s i sf o rl o a dd i s p a t c h ，w h i c hl e t sp pr e d u c e c o a lc o n s u m p t i o nt om i n i m u ma n dw i nm a x i m a ll o a dw h i l em e e t i n gd e m a n db yp n a tt h es a m et i m e f i n a l l y , t h i sp a p e rp r o p o s e dt w om e a n st os o l v et h r e em o d e l sa n d s o m ee x a m p l e sw a sg i v e nt os h o wt h a tt h em o d e l sa r ec o r r e c ta n de f f e c t i v ea n d a r i t h m e t i ch a sp o w e r f u ls e a r c h i n gp e r f o r m a n c e w i t hr e a lp l a n t sm o d e l ，am u l t i - o b j e c t i v eo l ds y s t e mw a sd e v e l o p e d ，w h i c h e s t a b l i s h e ss o l i df o u n d a t i o nf o rt h e o r yr e s e a r c ht oe n g i n e e r i n g w a n gz h i g u o ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fl i uj i z h e n k e y w o r d s ：s i s ，m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m a l ，d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，p s o ，m o d e l 华北电力大学硕士学位论文 摘要 为适应我国电力市场新的运作模式，针对当前电网负荷峰谷差日益增大及中调 要求电厂快速完成电网负荷需求这一本质要求，首先提出了以快速完成电网负荷需 求为目的的负荷优化决策模型；其次结合经济优化数学模型，通过对两个目标函数 进行无量纲化处理，提出了基于快速性与经济性多目标优化的负荷分配动态数学模 型。该模型通过权重的在线调整，能够有效控制负荷分配的快速性指标和经济性指 标，这为电厂在满足中调要求的同时，最大限度地降低煤耗量，赢得最大上网负荷 提供了科学的负荷调度理论依据。最后，对三种优化数学模型，提出了两种不同的 解决方案，实验证明了数学模型的正确性、有效性及算法的高效寻优性能。 结合实际电厂模型，开发了基于多目标优化的负荷分配系统软件，为理论研究 的工程化应用，奠定了坚实的基础。 关键词：厂级监控信息系统、多目标优化、动态规划、粒子群优化。数学模型 a b s t r a c t i no r d e rt oa d a p tt h en e wm o d eo fe l e c t r i cp o w e rm a r k e ti no u rc o u n t r y ， c o n t r a p o s i n gt h eg r e a t e rd i f f e r e n c eg a pb e t w e e nt h ep e a kl o a da n dt h ev a l l ea n dt h e r e q u e s tt h a tp o w e rp l a n t s ( p p ) m u s ta c c o m p l i s ht h el o a dd e m a n d e db yp o w e r n e t w o r k ( p n ) f l e e t l y ，t h i sp a p e rp r o p o s e da no p t i m a ll o a dd i s p a t c hm o d e l( o l d ) b a s e do ns p e e d i n e s sf i r s t l y ；s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fe c o n o m i cm o d e l ，i tp r o p o s e d o l dm o d e lb a s e do ns p e e d i n e s sa n de c o n o m yv i ah a v i n gd i m e n s i o n l e s sd i s p o s a lt o a i mf u n c t i o n s i tc o u l dc o n t r o ls p e e d i n e s sa n de c o n o m yi n d e xb ya d j u s t i n gw e i g h t s o nl i n e ，i tp r o v i d e ss c i e n t i f i ct h e o r yb a s i sf o rl o a dd i s p a t c h ，w h i c hl e t sp pr e d u c e c o a lc o n s u m p t i o nt om i n i m u ma n dw i nm a x i m a ll o a dw h i l em e e t i n gd e m a n db yp n a tt h es a m et i m e f i n a l l y , t h i sp a p e rp r o p o s e dt w om e a n st os o l v et h r e em o d e l sa n d s o m ee x a m p l e sw a sg i v e nt os h o wt h a tt h em o d e l sa r ec o r r e c ta n de f f e c t i v ea n d a r i t h m e t i ch a sp o w e r f u ls e a r c h i n gp e r f o r m a n c e w i t hr e a lp l a n t sm o d e l ，am u l t i o b j e c t i v eo l ds y s t e mw a sd e v e l o p e d ，w h i c h e s t a b l i s h e ss o l i df o u n d a t i o nf o rt h e o r yr e s e a r c ht oe n g i n e e r i n g w a n gz h i g u o ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fl i uj i z h e n k e y w o r d s ：s i s ，m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m a l ，d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，p s o ，m o d e l 华北电力大学硕士学位论文 s i s m i s d c s c c s e m s r t u a g c d p p s o b p s o m p s o r b m f t 主要符号表 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 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 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m c o o r d i n a t ec o n t r o ls y s t e m e n e r g ym a r t a g es y s t e m r e m o t et e r m i n a lu n i t a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l d y n a m i cp r o g r a m m i n g p a r t i c l es w a r mo p t i m i z e r b a s i cp a r t i c l es w a r mo p t i m i z e r m o d i f i e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z e r n m b a c k m a s t e rf u e lt r i p 厂级监控信息系统 管理信息系统 分散控制系统 协调控制系统 能量管理系统 远方终端单元 自动发电控制 动态规划 粒子群优化 基本粒子群优化 改进粒子群优化 机组甩负荷 主燃料跳闸 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于s i s 平台的厂级负荷优化分配 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：垂溘! 坌日期：趁三，仝 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。 作者签名：呈渔鲴导师签名 日 期：诬一= 】：压 日期：迦：芝： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章 引言 1 1 1 我国可持续发展战略要求发电企业降能节耗圆 我国资源丰富但人口众多，人均资源相对不足，节约能源是一项任重而道远的 任务。电力作为二次能源，它的快速发展需要充足的一次能源作为支撑。火力发电 历年来一直是一个能源消耗大户。目前，我国燃煤机组占全国总装机容量的8 0 左 右，对不可再生能源一煤炭的消耗巨大，每年用于火力发电的煤量占全国总耗煤的 一半以上。 随着国民经济的持续健康发展，电力工业也呈现出高速发展的势头，我国装机 容量从1 9 9 5 年的1 6 亿千瓦，迅速发展到现在的4 4 亿千瓦。据专家预测，到2 0 2 0 年，我国发电装机容量将达9 亿千瓦，火电耗煤量将是一个让人触目惊心的数字。 由此可以推断我国电力工业的高速发展将不可避免地导致能源供应的紧张局面，那 么电力工业在不断深化改革、锐意进取的同时，如何实现可持续发展? 无疑，发电 企业必须从根本上来解决这一突出问题，企业降能节耗刻不容缓。 篁i 0 0 0 0 0 簋9 至8 0 0 0 0 瓦7 0 0 0 0 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 o 图l l 我国近年装机容量及2 0 2 0 年预测容量 因此，通过优化火力发电机组的运行，最大限度地降低煤耗，对缓解我国能源 紧张局面，使可持续发展战略真正落到实处，保证我国有限的一次能源得以长久利 用，具有十分重要的社会意义。 华北电力大学硕士学位论文 1 1 2 电力市场化改革迫使发电企业降低供电成本” 长期以来，我国电力实行垄断经营体制。这种模式集发电，输电，配电，售电 于一身，“网厂”实属一个经济共同体。这种体制基本上能够适应当时的计划经济 模式，然而随着社会主义市场经济体制的建立和发展，我国当时的电力体制弊端日 益暴露。为了更好地优化资源，提高电力服务质量，进一步推动电力工业持续向前 发展，我国开展了以“厂网分开，竞价上网”为主要内容，以“打破垄断，引入竞 争，降低成本，实现资源优化配置”为重要目标的电力市场化改革。 电力工业市场化改革后，传统的集发、输、配、售于一体的垂直管理体制已被 打破，市场主体多元化的电力市场格局将逐步形成。发电企业将成为独立的法人， 面对激烈的竞争市场，发电企业将自主经营，自负盈亏。特别是随着西电东送，南 北互供，全国联网的逐步实现，作为市场主体的发电企业所面临的市场竞争压力将 与日俱增。 竞价上网的市场原则授权电力交易中心根据相应的市场竞争规则和相应的市 场交易制度，决定谁的电力质量好，谁的价格低，就允许谁发电，以及发多少电。 发电企业要想提高全厂整体经济效益就必须做好以下几点： ( 1 ) 降低供电成本； ( 2 ) 提高供电质量； ( 3 ) 降低环境污染。 降低供电成本，除了加大设备的技术改造外，努力提高机组的运行水平也是一条重 要途径。 1 1 3 电网对发电企业提出的新需求。1 如今，我国电力工业虽然发展迅速，但依然不能摆脱用电日益紧张的局面，参 与“调峰”的电厂也已经从单独水电“调峰”，发展到水电、火电共同参与的局面。 而早在1 9 9 9 年，我国电力规划专家侯子良先生在其中国火电厂自动化发展趋势 及对策一文中指出：“电网为了自身的安全和经济效益，对火电厂单元机组提出 了一系列严格的调频和调峰的范围和速度上的要求”。经过六年的发展，我国的电 网峰谷差持续加剧( 见图2 ) ，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。电力企业如何提高完成电网负荷需求的快速性能，获得最大上网负荷将成为 电力企业提高全厂经济效益的有效途径之一。 发电企业提高完成电网负荷需求快速性能的方法有以下两种： 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 通过对机组进行技术改造，有效提高单个机组的负荷升降性能； ( 2 ) 通过对不同性能的机组进行科学的负荷分配，有效提高全厂整体负荷升降速 度，从而达到快速完成电网负荷需求的目的。前者是一种强有效手段，可以对全厂 机组性能进行有效的提高，而后者是一种弱有效手段，对于提高全厂整体负荷升降 速度有一定的限度。但后者实施容易，且技术实现难度不大，并且只要改造后的机 组负荷升降速率性能不一，仍然可阱实施第二种方案，实现全厂负荷升降速率性能 的再提高，所以研究基于快速完成电网负荷需求为目的的负荷优化分配有着重大的 现实意义。 图1 2 我国电网负荷峰谷差 1 1 4 当前负荷调度方式存在的问题及设置厂级负荷调度的可行性 1 1 4 1 当前负荷调度方式存在的问题【7 】【8 l 【9 】 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 计划负荷分配和实时调度，电厂值长主要依靠调度电话或r t u 接收中调发来的负荷 指令，再有值长通过单元机组值班人员人工分配给每台机组。这样为了保证全厂的 负荷符合计划负荷曲线，势必频繁调整机组负荷，而完全依靠手动控制，则运行人 员责任重大，负担重，且易出事故。 另外一种方式就是对具备a g c 功能的电厂采用直调方式，电网调度通过远方 终端直接对电厂的机组传送负荷指令。这种方式存在以下问题： ( 1 ) 由于电网负荷变化频繁，使投入a g c 的机组始终处于变化状态，机组的煤、 风、水频繁变化，蒸汽的压力和温度大幅度频繁波动，这对机组寿命有较大的 负面影响。另外，辅机、阀门，挡板等设备频繁动作，降低了这些设备的使用 华北电力大学硕士学位论文 寿命。 ( 2 ) 没有考虑负荷的经济分配。尽管调度的a g c 有经济分配功能，但由于机组 给调度的信息不够，在调度侧不可能做到各台机组负荷的经济分配。在厂网分 开后，全网负荷经济分配变成一个发电经济实体的负荷经济分配，所以调度更 不可能实现负荷的经济分配。 ( 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。 1 1 4 ，2 设置厂级负荷调度的可行性 9 1 1 1 0 】 “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s i s 间的通讯量： ( 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： 发电企业普遍希望采用非直调方式，b 口厂级负荷调度方式。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 1 4 3 厂级负荷调度系统的技术实现【5 】【1 0 】 1 l 】 目前，火电厂负荷优化调度系统以其投入少、操作性强、调度科学合理等优点 在某些电厂已经得到应用。技术实现上大致有以下几种： ( 1 ) 离线负荷优化分配指导系统。这类系统以机组生产厂家提供的或通过定期的 热力学实验获得的机组性能曲线为依据，通过优化计算从而获得机组的负荷分 配，分配数据仅作为指导： ( 2 ) 在线负荷优化分配系统。这类系统通过数据采集系统对机组的性能参数进行 实时采集，从而拟合出更为真实、更能反映机组当前状况的枫组性能曲线，最 后通过优化算法进行机组的负荷优化分配。 s i s 是有我国电力规划专家侯予良先生于1 9 9 7 年提出，主要目的是实现m i s 和d c s 在整个电厂范围内信息共享，为电厂自动化，信息化和经济运行提供基础平 台。s i s 系统中机组性能监测功能提供的机组实时信息，为厂级负荷优化分配系统 4 华北电力大学硕士学位论文 提供更为精确的机组性能参数，保证了厂级负荷优化分配系统更为准确，快捷地给 出优化负荷数据，并以目标调节的方式，将负荷数据直接发送到机组的c c s ，由 c c s 自动控制机组负荷增减。因此研究基于s i s 平台的厂级负荷优化分配系统将具 有很好的现实意义。 1 2 厂级负荷优化分配研究现状2 。2 8 3 机组的负荷优化分配和机组的优化组合，是电力系统经济调度的重要环节，这也是 国内外一个非常令人感兴趣的研究课题，已有近6 0 年的历史。由于负荷优化调度方法 对提高发电企业的经济效益和改善机组系统安全运行有较大作用，因此，各国学者在这 方面进行了大量的理论研究并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对 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一般形式的非连 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 收敛性于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 虑了网损及气轮机的阀点效应，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，取得了较好的搜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 华北电力大学硕士学位论文 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 设计成类似旅行商闯题( 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 处理枫组公里上升，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。 国内在实际负荷优化分配系统开发方面也有着相对成功的经验。北京华电天仁电力 控制技术有限公司开发的负荷优化分配系统模块已在中电神头第二发电厂有着较为成 功的应用。清华同方电子有限公司，西安热工研究院等在这方面也有相对成功的项目开 发与应用经验。 1 3 本文主要工作 针对非调峰电厂，从传统负荷优化基于经济指标最优的思想出发，本文详细论 述了煤耗特性曲线拟合问题，及改进的动态规划算法与改进的粒子群算法在负荷分 配中的应用，并对工程应用作了探讨；针对调峰电厂及当前我国电网峰谷差值逐年 增大，中调要求电厂快速完成电网负荷需求，真正起到快速“平峰”的特点，本文 提出了以快速完成电网负荷需求为目的的厂级负荷优化动态数学决策模型，并详细 论述了改进粒子群算法及改进动态规划算法在其中的应用：最后结合传统的负荷经 济优化数学决策模型及本文提出的快速性负荷优化数学决策模型提出了基于快速 性和经济性多目标优化的火电厂厂级负荷分配动态数学决策模型，为火电厂在不同 时刻对经济性和快速性指标的不同需求提供了极大的方便性。论文主要工作如下： ( 1 ) 分析了煤耗特性曲线拟合算法，并开发了基于v c 和m a t l a b 混和编程思 想的煤耗特性曲线拟合工程应用模块； ( 2 ) 提出以快速完成电网负荷需求为目的厂级负荷优化分配动态数学决策模型 和基于快速性与经济性多目标优化的厂级负荷分配动态数学决策模型： ( 3 ) 提出了经济性、快速性、多目标优化的改进动态规划解决方案及改进粒子群 优化算法解决方案： ( 4 ) 详细介绍了当前实现厂级负荷优化分配系统的先进技术实现平台s i s 系统 并探讨了基于s i s 网络平台的厂级负荷优化分配系统的工程实现问题，为经济 性负荷优化、快速性负荷优化、多目标负荷优化在工程中的应用奠定了坚实的 基础。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章厂级监控信息系统 2 。1 厂级监控信息系统概述 2 1 1 厂级监控信息系统的提出及其重大意义 如今，我国火力发电厂基本上实现了厂内单元机组的自动化控制，但机组d c s 间彼此隔离，从而导致了机组间“信息孤岛”的产生。这就造成了生产管理者不能 实时、全面、准确地掌握全厂机组运行状况，更无法实现全厂机组负荷经济分配。 理论上，通过d c s 间的互联是完全可以解决的，但一般情况下电厂都有多台机组， 将多台机组d c s 的操作管理层网络互联，这样将对d c s 间通信产生不利影响：同 时，还要在这样的系统中运行大量的优化与管理软件，从而降低了单元机组的监控 可靠性和传输实时性。因此，电厂极少采用机组d c s 间直接互联而成的全厂操作管 理层网络模式。 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d c s 系统和面向经营管理者的m i s 系统，恰恰缺少面向生产管理者的 自动化网络监控信息系统，这是造成我国电力生产管理水平和运行经济性指标不高 的原因之一。 基于以上分析，在下层d c s 系统和上层m i s 系统间建立一套面向电厂生产管 理者的厂级监控信息系统就十分必要。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 n s y s t e m ) 是我国电力专家侯子良先生1 9 9 7 年首次提出的。厂级监控信息系统是专为 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。 厂级监控信息系统( s i s ) 属于厂级生产过程自动化范畴，是实现电厂管理信息 系统与各种分散控制系统之间数据交换的桥梁。厂级监控信息系统以分散控制系统 ( d c s ) 为基础，以经济运行和提高发电企业整体效益为目的，采用先进、适用、 有效的专业计算方法，实现整个电厂范围内信息共享，厂级生产过程的实时信息监 控和调度，同时又提高了机组运行的可靠性。它为电厂管理层的决策提供真实、可 靠的实时运行数据，为市场运作下的企业提供科学、准确的经济性指标。因此，它 是电厂生产的成本信息和报价信息的基础。从管理角度来看，它为控制企业成本、 提高生产力提供了重要而真实的运行数据。同时，通过数据的分析和比较，能提出 科学合理的决策方案，使企业管理层的经营决策更具科学性。厂级监控信息系统实 了 华北电力大学硕士学位论文 现了全厂范围内的管控一体化，为实现全厂整体效益的提高、信息技术的提升和稳 定、经济运行的根本目的打下坚实基础。 2 1 2 厂级监控信息系统与其他系统的对比分析 2 1 2 1s i s 与d c s 的区别 服务对象不同。s i s 主要为全厂综合优化服务，而d c s 则主要为机组级自动 化服务。 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 于监控目的( 例如负荷实时调度) ，而d c s 则相反，主要是监控功能，只包括 少量的管理信息( 例如历史数据存档等) ，人们在命名时，常常以主要功能来 确定，因此，厂级的称为监控信息系统，机组级则称为监控系统。 2 1 2 2s i s 与m i s 的区别 服务范畴不同。s i s 属于实时生产过程管理与监控范畴，而m i s 则属于企业 管理现代化范畴。 实时性要求不同。s i s 实时性要求强，因为全厂生产过程的综合监控需要连 续进行，而且生产过程的管理也属于实时性管理，许多问题必须不间断地处理 ( 例如设备状态监测和分析) ；相对而言，m i s 的实时性要求要低一些，属于 离线分析和管理，一般也无须不间断地处理。 安全等级不同。由于s i s 属于电力监控信息系统范畴，而m i s 属于管理信息 系统范畴，且一般都会与公共因特网相连，因此s i s 的安全等级要高于m i s 。 2 2 厂级监控信息系统功能模块划分 厂级监控信息系统对于电厂的安全、稳定、经济运行具有十分重要的意义。主 要集中各单元机组的性能参数及设备状态信息、从厂级管理的高度对各机组运行工 况进行监视、分析和判断，并做出决策，指挥机组运行。厂级负荷优化分配系统通 过通讯接口站接收电网中调负荷指令，依据本厂各机组运行状态，自动对机组的负 荷分配迸行优化、管理，及动态负荷最优配置，并向各单元机组发出给定负荷指令， 以求得到最佳的电力生产安全性和经济效益。厂级监控信息系统一般包括以下几个 功能模块。 ( 1 ) 生产过程信息监测和统计模块 8 华北电力大学硕士学位论文 生产过程信息监测和统计模块通过系统图、趋势曲线、棒图、表格等形式实时 显示全厂各机组、车间、系统、设备的运行状态参数，为生产管理人员提供直观的 实时生产过程信息，并对历史数据进行有效的统计整理，形成全厂各类生产统计报 表。基于厂级s i s 网络平台的生产过程信息监测功能使得生产管理人员在任何配有 s i s 系统客户端的地方均可获取生产过程信息，便于及时发现问题，快速做出调整； 基于数据压缩的统一实时历史数据库便于生产管理人员将实时数据与历史数据统 一考虑，提高决策质量：不同于d c s 和车间级的监测，该功能集成全厂所有机组、 车间、系统、设备的运行状态参数，给出的是完整的全厂总览信息；基于计算机办 公自动化技术的自动统计功能和报表打印功能大大降低生产管理人员的劳动量。 ( 2 ) - | 生能监测和优化模块 性能监测和优化模块依据a s m e 、国标和行标等电厂性能计算标准，利用高效 有序的数值计算引擎，对面向具体设备、系统、机组搭建的性能数学模型模块进行 在线计算，量化其各项性能参数，从而达到性能监测目的，并且提供相应手段对机 组进行性能优化。 性能监测和优化模块包含以下子模块及设备性能数学模型模块：系统质量能量 平衡模块、水蒸汽性质模块、锅炉性能模块、汽机性能模块、凝汽器性能模块、给 水加热器性能模块、空预器性能模块、过再热器性能模块、泵性能模块、风机性能 模块、冷却塔性能模块、燃气轮机性能模块、空冷凝汽器性能模块、循环流化床锅 炉性能模块、余热锅炉性能模块等。该模块实现性能优化的具体形式是：实时计算 机组及其主要辅机的各项性能参数，如功率、效率、热耗、出力、汽蚀度、端差、 温升、传热系数、清洁度等，并将当前性能参数与基于数学仿真模型计算所得理想 ( 期望) 性能指标进行比较，给出每项偏差造成的损失，并指导应采取的运行或维 护措施，以达到期望的性能状态。另外，该模块不但能够使运行人员实时监测当前 运行工况，而且，在机组变工况运行前，可提供离线试运行方式并预测变工况的各 项性能参数，为运行人员提供特定工况运行的预学习手段，从而达到优化运行的目 的。 总之，使用性能监测和优化功能模块有益于节约燃料成本；提高设备运行可靠 性；提高机组调峰能力；降低污染排放；提高运行人员操作水平。 ( 3 ) 经济性分析和优化模块 经济性分析和优化模块的目的在于降低机组运行可控损失，改进机组热耗。其 主要方法是将主要可控参数的实时状态参数与其目标值进行计算、比较、分析。这 些可控参数由用户根据生产过程的需要进行选择，并能人为加以控制调节。而目标 9 华北电力大学硕士学位论文 值的计算则主要基于设计数据、性能试验、运行历史数据等信息，利用高逼真度的 数学仿真模型计算而来。这些信息可以由用户配置并且在权限许可下进行修改。可 控参数对热耗率的影响由实际值与目标值的偏差计算而来，常称作耗差分析。对耗 差超出允许范围的损失，系统可根据基于神经网络的专家系统工具诊断出造成大偏 差的原因，并给出可供选择的操作指导意见。 经济性分析和优化模块通过优化机组运行，改进机组热耗，从而降低运行成本。 同时，该子系统能帮助运行人员对吹灰、喷水、蒸汽状态、烟温及其它性能参数进 行很好的判断、权衡，帮助他们很好地对影响经济性的主要原因进行监测、操作和 控制，不断提高对机组设备的掌控能力，从而达到培训运行人员的目的。主要可控 参数通常包括：主蒸汽温度、压力，再热蒸汽温度、压力，过再热蒸汽喷水流量， 空预器排烟温度，锅炉排烟氧量，省煤器给水温度，凝汽器真空、过冷度，补水流 量，排污流量，厂用电量，辅汽耗量，助燃油耗量等。 ( 4 ) 设备寿命监测和管理模块 设备寿命监测和管理子系统通过实时监测机组主要设备状态参数，像温度、压 力、流量和负荷等，在机组启停过程和甩负荷等负荷激烈变化过程中，根据数学模 型计算其机械应力和热应力，并根据交变应力转化为当前运行工况下的寿命损耗 率，从而量化和评估锅炉、汽机等主要设备的寿命损耗，以达到维持机组运行可靠 性，减少设备检修、更换费用，延长设备使用寿命，提高发电产出的目的。 设备寿命监测和管理子系统使用户可以同时实时监测高温压力容器的蠕变和 疲劳损伤。它所监测管理的设备主要包括锅炉过热器、再热器、汽包、主再热汽管 道、汽机转子、叶片、推力瓦、阀门汽室、给水加热器等。 ( 5 ) 设备状态监测和故障诊断 设备状态监测和故障诊断模块能监测电厂设备的运行状态，判断其是否正常， 预测、诊断、消除故障，指导设备的管理和维修。它由状态监测和故障诊断两部分 组成。状态监测是掌握设备运行状态的第一手信息，针对各种运行状态参数，结合 其历史信息，考虑环境因素，采用专业的分析和判断方法，评估其是否处于正常、 异常和故障三种状态，并进行显示和记录，对异常状态作出报警，对故障状态为故 障诊断提供信息。 故障诊断是根据状态监测获得的信息，结合结构参数、物性参数、环境参数， 对设备的故障进行预报、判断和分析，确定其性质、类别、部位、程度、原因，指 出发展的趋势和后果，提出控制其继续发展和消除故障的对策措施，最终使设备恢 复到正常状态。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 设备状态监测和故障诊断的设计、开发、应用应当是分阶段分步骤实施的。它 主要包括三个层次的内容：故障辨识、故障诊断、操作指导，这也符合人们发现问 题、分析问题、解决问题的客观规律。设备状态监测和故障诊断模块所基于的技术 原理包括高逼真度的设备数学模型、基于模糊推理机制的专家系统、具有自学习功 能的神经网络技术等。 设备状态监测和故障诊断子系统主要包括的应用范围有：基于高精度高实时性 的锅炉全流程数学模型计算的锅炉清洁度监测、空预器漏风状态监测；锅炉受热面 爆管t 泄漏监测、制粉系统状态监测及故障诊断；优化燃烧指导、炉膛结渣预报、大 型旋转机械振动状态监测等。 ( 6 ) 厂级优化负荷分配模块 电力负荷调度中，“调度到机”的a g c 方式是目前普遍采用的方式。随着“厂 网分开，竞价上网”的逐步落实，为了提高电厂的安全生产管理水平与经济效益， 以及更加符合电力调度分级管理的原则。“调度到厂”的a g c 方式将普遍推广应用。 s i s 系统计算机网络的建立，实时性能监测和经济性分析功能的实现，为厂级优化 负荷分配奠定了基础。 厂级优化负荷分配模块接受电网调度中心e m s 的全厂负荷指令，然后采用智 能优化算法进行负荷优化，并将分配结果以指令形式发送到各机组协调控制系统， 在使全厂负荷及时响应电网负荷要求的同时，保证每台机组运行安全、稳定、经济。 优化负荷分配的基础是优化机组供电煤耗。由于性能监测与经济性分析功能的有力 支持，优化负荷分配能够充分优化机组的供电煤耗，同时充分考虑到了机组效率、 热耗率、频率响应和其他损失的优化，而且，对机组调节允许范围、调节裕量、负 荷闭锁增减、机组爬坡、r u n b a c k 、m f t 、磨煤机启停等约束条件进行了充分考 虑和处理，在保证机组运行安全的前提下，降低机组负荷调节频度。提高机组稳定 性，延长主、辅机组设备寿命，合理调配各台机组负荷，降低全厂供电煤耗，从而 提高全厂经济效益。 2 3 厂级监控信息系统网络架构 s i s 系统数据通讯网络是s i s 系统中各种控制系统的通讯支撑平台，是s i s 系 统极其重要的组成部分，处于核心地位。对于厂级监控信息系统的网络设计，要遵 循“先进、开放、可靠、安全、可扩充、可维护、可操作、经济性”的设计原则。 典型的s i s 网络有以下两种架构方式。 2 3 ，1 独立s i s 网络 1 1 华北电力大学硕士学位论文 独立s i s 网络是将整个电厂信息化系统规划为三层网络结构( 下层为过程控制 网( p c s ) 、中层为s i s 网、上层为m i s 网) 及两库结构( s i s 实时历史数据库及 m i s 关系数据库) ，独立s i s 网络具有网络层次清晰、功能分布合理、维修扩充灵活 等特点。其典型拓扑结构如下图所示。 2 3 2 与m i s 共享网络 图2 - 1 独立s i s 网络架构 这种方案适用于对s i s 功能要求不高、投资较小、机组容量较小的电厂。其特 点是充分利用现有网络，采霜两网( 生产控制网及m i s 网) 两库( s i s 实时历史数 据库及m i s 关系数据库) 结构。在实时数据标签量较小、历史存储时间要求不长的 情况下，还可以用m i s 网上的通用数据库代替s i s 实时历史数据库，以进一步节 约投资。 图2 2s i s 与m i s 共享网络架构 华北电力大学硕士学位论文 2 4 本章小节 本章详细阐述了厂级监控信息系统的提出背景及重大意义，并将厂级监控信息 系统与其他系统m i s 、d c s 等做了分析对比，最后对厂级监控信息系统的功能模块 划分及网络架构技术实现做了探讨，从而为基于s i s 平台的厂级负荷优化分配系统 的研究奠定了良好基础。 华北电力大学硕士学位论文 第三章机组煤耗特性曲线拟合 负荷优化分配的基础是优化机组的供电煤耗。因此煤耗特性蓝线拟合在基于经 济指标最优的厂级负荷优化分配中起着至关重要的作用。煤耗特性曲线拟合的精确 性将对基于经济指标最优的厂级负荷优化分配的准确度有着直接的影响。因此，选 取具有高精度的拟合算法具有十分重要的作用。 基于s i s 网络平台的厂级负荷优化分配系统中的数据通讯模块将实时提取s i s 实时数据库中的机组性能参数( 该数据由s i s 中的性能监测与经济性分析功能模块 计算得到) ，送往本地负荷优化中心数据库，供机组煤耗特性曲线拟合算法模块定 时拟合出机组的煤耗特性曲线，从而为优化算法模块提供较为准确的机组性能参 数，保证优化负荷的科学性与真实性。 图3 - l 厂级负荷优化分配系统中机组性能参数数据流向 3 1 数据拟合所耍解决的问题 在科学研究中，经常需要研究变量之间的对应关系，这类关系可以分为确定性 关系与非确定性关系。机组的供电煤耗量与机组承担负荷本身并没有必然的联系， 因此属于非确定性关系。 从给定的大量离散数据中找出变量之间的对应关系问题，称为数据拟合问题， 而此类数据拟合的方法则称为数据拟合算法。通过数据拟合算法拟合出机组的供电 煤耗量与负荷之间的数学关系，为参与负荷优化的机组提供优化解决方案就是数据 拟合所要解决的问题。 拟合所要解决的问题。 9 一 华北电力大学硕士学位论文 3 2 曲线拟合的最小二乘算法 最小二乘算法是