火电厂厂级负荷优化调度系统研究与开发

基于动态规划法的厂级负荷经济分配系统研究与实现 摘要 厂级负荷经济分配是电厂节能和运行优化的重要研究内容 在电力市场改革的环境下 结合发电企业追求经济效益的具 体要求 分析了应用于厂级负荷经济分配的动态规划算法 给出了厂级负荷经济分配系统的设计思路 并对该系统进行了经济 分配验证 研究结果表明 基于动态规划法的厂级负荷经济分配寻优速率较快 可以快速响应中调的负荷变动 在实际工程中 能得到理想的效果 关键词 火电厂 负荷经济分配 动态规划算法 一 前言 目前 电网对发电厂的调度方式绝大多数采用单机AGC直调方式 即将负荷指令发给每台机组 直接调 度每台机组的负荷 但是 由于电网所涉及的机组比较多 无法充分考虑各台机组的运行工况 导致发电 效率不高 发电企业所得经济效益较低 厂级负荷经济分配更加符合电力调度分级管理的原则和市场经济 条件下的电厂经营管理运作方式 因此 在一定程度上颇受发电企业的青睐 厂级负荷经济分配系统就是要依据机组的供电煤耗特性和各台机组的运行工况 以全厂运行机组供电 煤耗量最少为目标进行机组间的负荷优化分配 该系统将在节能降耗 提高能源利用率 增加发电企业经 济效益等方面有深远意义 二 厂级负荷经济分配理论的研究二 厂级负荷经济分配理论的研究 厂级负荷经济分配系统是以全厂供电煤耗量最少为目标的 其核心是综合各机组运行工况 对中调负 荷指令进行经济计算 并将经济负荷指令下发给所辖各台机组 DCS 而经济性计算首先要确定各台单元机 组的供电煤耗特性曲线 构建合理的数学决策模型 然后选择科学的优化算法进行负荷的经济分配 1 供电煤耗特性曲线的拟合 全厂各单元机组的供电煤耗特性曲线是进行厂级负荷经济分配的最基本条件 各单元机组供电煤耗特 性反映的是发电 或供电 煤耗与机组发电负荷的关系 火力发电企业的运营成本一般由两部分组成 第一 部分称为固定成本 另一部分称为燃料成本 即煤耗成本 火电厂燃料成本约占发电总变动成本的百分之 九十以上 因此 从某种意义上说 单元机组煤耗特性反映了机组的经济性的高低 而供电煤耗和发电煤 耗在评价一个火力发电厂单元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 这是发电煤 耗的关系中没有考虑到厂用电的消耗 而供电煤耗是扣除了单元机组在自身发电中的消耗量 电网在进行 负荷优化分配的时候 也是只关心火力发电厂单元机组的供电煤耗 供电煤耗特性曲线的拟合需要解决两个问题 它们是 第一 选用哪种类型的函数作为供电煤耗特性 的拟合函数 第二 确定所选择的拟合函数后 怎样确定所要拟合的供电煤耗特性函数中的参数 因此 供电煤耗特性数学模型应该是建立在合理的目标拟合函数基础上的 而所要拟合的目标函数是否合理 主 要体现在该函数是否符合供电煤耗与对应负荷点的总体变化规律 图 3 供电煤耗量与对应负荷关系曲线 根据工程实际经验 我们将单元机组的供电煤耗量与对应负荷点从最小值到最大值在坐标系中描点绘 制曲线 如图 3 所示 根据所得实际供电煤耗量与对应负荷点的关系曲线的形状 可知目标函数的可以在 线性函数 双曲线函数 二次多项式函数中选择 由于不同的负荷经济分配算法对供电煤耗特性曲线的形 状有不同的要求 如等微增率算法要求供电煤耗特性曲线光滑递增 连续下凹 线性规划算法要求供电煤 耗特性曲线是一条连续递增的直线 而动态规划法对供电煤耗特性曲线的形状要求不是很高 因此本文采 用动态规划法进行负荷经济分配 为了保证负荷分配结果的准确性 科学性 本文选用二次多项式作为曲 线拟合的目标函数 采用工程上常用的最小二乘法作为曲线的拟合方法 2 构建数学决策模型 选择一个合理的数学模型对厂级负荷经济分配应用的成功与否起到至关重要的作用 厂级负荷经济分 配就是以火力发电企业的发电成本最低为目标 即以全厂单元机组的供电总煤耗最低为目标函数 然后选 择合理的经济分配算法 在满足全厂单元机组安全稳定运行的约束条件下 经济分配全厂厂级总指令 优 化全厂机组的运行 使得全厂供电总煤耗最低 所以 火电厂厂级负荷经济分配的目标函数应以全厂供电 总煤耗量最小为目标确定数学决策模型 负荷经济分配的模型如下所示 1 n i ii n i i PfSMinS 11 约束条件 1 系统负荷平衡约束 2 n i iSUM PP 1 2 负荷上下限约束 3 iii PPP maxmin 式中 S 全厂总的供电煤耗量 第 i 台机组的供电煤耗量 i S n 全厂并列运行的机组总台数 第 i 台机组预分配的负荷指令 i P 电厂获得的全厂总负荷指令 SUM P 第 i 台机组供电煤耗与承担负荷的特性函数 采用二次函数形式 ii Pf 第 i 台单元机组的负荷下限 MW i Pmin 第 i 台单元机组的负荷上限 MW i Pmax 3 经济分配算法研究 在已采用厂级负荷分配的火电厂中 运行人员习惯使用的最简单的负荷分配方法是效率法 即以单元 机组的效率为负荷分配基础 效率较高的单元机组下发尽量多的负荷指令 多发电 效率较低的单元机组 下发尽量少的负荷指令 少发电 尽管这个方法简单直观 且容易操作执行 但在很大程度上依赖于运行 值长对各台机组运行工况的掌握程度 缺乏科学依据 因此 研究分析科学合理的厂级负荷经济分配方法 具有非常重要的意义 求解厂级负荷经济分配问题传统的计算方法是等微增率法 该算法计算简单 易于编程实现 然而等 微增率算法对机组的供电煤耗特性曲线形状有着严格的要求 供电煤耗特性曲线必须为严格上凹的 而现 实中的机组供电煤耗特性曲线无法保证这一条件 为了避开煤耗特性曲线的限制问题 本文采用对煤耗特 性曲线无任何限制的动态规划算法 动态规划最优原理可以概述为 无论过去的状态和决策如何 对前面 的决策所形成的状态而言 余下的诸决策必须构成最优策略 动态规划具有下述优点 易于确定全局最优 解 能得到一簇解 易于分析结果 可以利用经验提高求解率 用动态规划算法求式 1 在式 2 3 约束下的极小值 就是求一个 n 全厂机组总台数 阶段决 策过程 阶段 将电厂参与厂级负荷经济分配的 n 台机组看成 n 个阶段 状态 设 k 阶段的状态变量为 代表电厂参与厂级负荷经济分配的前 k 台机组的总负荷指令 k x 决策变量 设厂级负荷经济分配第 k 阶段的决策变量为 代表参与厂级负荷经济分配的第 k 台机组 k P 的负荷指令 状态转移方程 4 11 kkk Pxxnk 2 1 边界条件 5 0 00 xF 最优值函数 6 k i ii PP kk PfxF i 1 min 1 决策集合 7 1maxminkkkkkkkkk xxPPPPPPD 递推方程 8 min 11kkkk P kk Pfxfxf k 动态规划法在厂级负荷经济分配中的应用的详细求解过程可分为顺序递推寻优和逆向运算取值两个过 程 1 顺序递推寻优 全厂共有 n 台机组参与厂级负荷经济分配 那么顺序递推寻优的过程可分为 n 个步骤 即 n 个阶段 第一步 第一台机组参与厂级负荷经济分配 因此 煤耗特性数学模型和约束条件都是第一台机组的 有 9 11 PfxF kk 初始状态 10 11 Px 约束条件 11 1max11min PPP 将以一定的步长在第一台机组负荷的上下限之间变化 即的取值范围为 用一定的 1 x 1 x 1max1min PP 步长将的上下限分为个不同的负荷指令值 即为 对 1 x 1 l 1max11min1112111 11 PxPxxxx ll 应这些负荷指令取值点分别计算出第一台机组在不同出力下的供电 11 1 1212 1111 1ll xPxPxP 煤耗量 把这些供电煤耗量看作是第一台单元机组在相应的出力下的最小供 1 1 12 12 11 11 1ll xfxfxf 电煤耗量 这样就得到第一组数据集合 1 1 12 12 11 11 1ll xFxFxF 111 1 1 12 12 12 11 11 11 1lll xFxxFxxFx 第二步 全厂参与厂级负荷经济分配的两台机组的负荷经济分配总指令为 那么有 2 x 12 min 2222122 2 PfPxFxF P 13 2 1 max2 2 1 min i i i i PxP 14 2max22min PPP 当两台机组共同参与厂级负荷经济分配时 两台机组的总指令以相同的步长在两台机组总负荷上下 2 x 限范围内变化 即的取值区间为 结合第一步得到的数据集合 计算出对应于个不 2 x 22 minmax 11 ii ii PP 2 l 同取值的最优函数值 2 1 max2 2 1 min1222212 22 i il i il PxPxxxx 并计算出对应的第二台机组的最经济负荷指令 22 2 22 22 21 21 2ll xFxFxF 2 22 21 2 l PPP 当时 显然知道为第一 第二两台机组的负荷之和 即可知 不同的值 1 22 xx 1 2 x 12 1 2 PxP 2 P 会有相对应的取值 与的组合就会有 M K 1 种 不同的 Mkk PPP 21 2 2 1 P Mkk PPP 11 1 1 1 P 2 P 组合两台单元机组负荷分配的结果就有所不同 两台单元机组的总供电煤耗量就不同 而在这几种组合中 肯定有一种组合使得这两台机组的总煤耗量最小 就是使最小 假设在这种组合下 第一 第二 12 2 xF 台单元机组的出力分别为和 和也就是达到两台单元机组总负荷为的最优分配策略 11 P 12 P 11 P 12 P 12 x 同理可以求得对应于的 同时可以计算得出两台机组相应的最 2 222l xx 22 2 22 22 2ll xFxF 优负荷分配结果 和 和 可以得到全厂两台机组参与厂级负荷经济分配时的数据 21 P 22 P 2 1l P 2 2l P 集合 2222 2 2 2 22 22 22 22 21 21 21 21 2 llll PxFxPxFxPxFx 中间步骤 设全厂参与厂级负荷经济分配的运行机组 k 台总负荷指令为 那么有 k x 15 min 1kkkkk P kk PfPxFxF k 16 k i ik k i i PxP 1 max 1 min 17 kkk PPP maxmin 当 k 台机组同时并列运行时 k 台机组的总负荷以相同的步长在 k 台机组总负荷上下限范围内变化 即 k x 的取值区间为 结合第 k 1 步的计算结果 可以得到对应于不同取值 k x minmax 11 kk ii ii PP k x 时的最优函数值 1 max 1 min121 k i ilk k i iklkkk PxPxxxx kk 2 2 1 1 kk lklkkkkk xFxFxF 同理可以求出第 k 台单元机组对应的最优负荷计算结果 记录得到的数据 k lkkk PPP 2 1 2 2 2 2 1 1 1 1 kkkk lklklklkkkkkkkkk PxFxPxFxPxFx 最后步骤 由于最后一个阶段是全厂 n 台机组同时并列运行 即全厂总负荷为 不必像前几步那样进行计算 n x 我们可根据第 n 1 步的计算结果 计算出当时 不同值对应的供电总煤耗的值 比较 SUMn Px n P nn xF 得到最经济的负荷分配结果 同时得到数据集合 2 2 2 2 1 1 1 1 nnnn lnlnlnlnnnnnnnnn PxFxPxFxPxFx 2 逆向运算取值 当所有机组都参与负荷经济分配时 厂级指令就是所有机组的总负荷指令 那么 在最后步骤即 SUM P 可直接查出第 n 台机组所应承担的经济负荷指令 在第 n 1 阶段 即假设全厂机组只有 n 1 台参与厂级 n P 负荷经济分配 全厂参与经济分配的指令为时的 同理 其他机组的负荷指令即可由动态 nSUM PP 1n P 规划法的状态转移方程依次得到 也即 所确定的 n 台机组的负荷经济分配结果为 n P 1n P 1 P 三 系统设计思路 一 系统硬件组成 系统组成以电厂 DCS 系统的实际情况为依据 厂级负荷经济调度系统的硬件主要包括 RTU 厂级负荷 经济调度服务器 机组 DCS PLC 相应的通讯设备等 其中厂级负荷经济调度服务器为新增计算机 用于 接收中调指令和向各单元机组 DCS 系统下发经济分配指令等工作 RTU 需要支持解析超短期负荷预测数据 传输协议 其他硬件都为电厂的原有配置 系统构成框图如图 1 所示 1 1机机组组D DC CS S 3 3机机组组D DC CS S 4 4机机组组D DC CS S 2 2机机组组D DC CS S 通通讯讯站站 O OP PC CS Se er rv ve er r 通通讯讯站站 O OP PC CS Se er rv ve er r P PL LC C1 1P PL LC C2 2 P PL LC C3 3 厂厂级级R RT TU U R RS S4 48 85 5厂厂级级A AG GC C 计计算算 操操作作站站 O OP PC CS Se er rv ve er r O OP PC CC Cl li ie en nt t 厂厂级级A AG GC C 操操作作站站 O OP PC CC Cl li ie en nt t 图 1 厂级负荷经济分配系统硬件结构图 二 系统软件结构 厂级负荷经济分配系统服务器软件功能模块主要包括 视图界面 数据库接口 OPC 客户端 负荷分 配模块 RTU 通信模块 OPC 服务器等 如图 2 所示 负荷分配服务器软件架构 视图界面用户 数据库接口数据库 OPC客户端 机组OPC 服务器 负荷分配策略 模块 机组负荷 指令 RTU通信接口 模块 RTU OPC服务器 第三方软 件 图 2 厂级负荷经济分配系统软件结构 系统中采用了专门的厂级负荷经济分配服务器 该服务器为一台新配置的工作站计算机 主要功能包 括 1 接收 处理形成电厂日发电计划曲线趋势 电厂超短期负荷预测曲线趋势 为超前进行机组负荷 经济分配提供参考依据 2 通过各台机组集散控制系统 DCS 通信站接收传送来的实时数据与运行状态 实现厂级负荷按比例 或平均分配的自动分配方式 3 采用先进的优化控制策略 根据接收到的各机组的运行参数和短期负荷指令 计算出经济的各机 组负荷指令 同时形成各机组启停辅机的指导信息 下发至各单元机组 DCS 系统 各机组的负荷指令可作 带运行指导的手动分配 也可直接进行经济分配 4 界面友好的图形化接口为负荷经济分配系统的监控客户端 如果拥有一定的权限后 还可以修订 一些优化分配策略 5 可以将负荷指令 运行参数 分配结果实时保存到数据库中 作为历史数据备用 四 算例分析 为了说明厂级负荷经济分配系统的经济分配效果 这里对某电厂的全厂机组总负荷进行经济分配 首 先根据该电厂的供电煤耗和对应负荷点的数据进行供电煤耗特性曲线的拟合 然后根据拟合得到的供电煤 耗特性曲线进行全厂负荷经济分配 1 确定机组供电煤耗特性曲线 所设计的某电厂厂级负荷经济分配系统是在四台 300MW 机组间进行的负荷分配 首先拟合四台机组 的供电煤耗特性曲线 统计得到四台机组的供电标准煤耗率和供电标准煤耗量与相应负荷值的对应关系 如表 1 所示 表 1 某电厂四台机组供电煤耗分析 供电煤耗率 g kWh 供电煤耗量 吨 小时 序号 负荷 MW 1 机组 2 机组 3 机组 4 机组 1 机组 2 机组 3 机组 4 机组 1150358 787 356 771 357 311 380 323 53 818 53 516 53 597 57 048 2160353 756 350 626 354 492 373 533 56 601 56 100 56 719 59 765 3180346 028 340 836 349 668 362 749 62 285 61 350 62 940 65 295 4200340 630 333 546 345 657 354 760 68 126 66 709 69 131 70 952 5220336 923 328 073 342 237 348 805 74 123 72 176 75 292 76 737 6240334 496 323 963 339 261 344 374 80 279 77 751 81 423 82 650 7260333 042 320 903 336 626 341 116 86 591 83 435 87 523 88 690 8280332 354 318 666 334 259 338 779 93 059 89 227 93 592 94 858 9300332 280 317 089 332 106 337 180 99 684 95 127 99 632 101 154 由表 1 中的数据 在厂级负荷经济分配系统供电煤耗特性曲线拟合模块中进行最小二乘法拟合 得出 机组的供电煤耗特性曲线 如图 4 所示 为厂级负荷经济分配系统所得的四台机组的供电煤耗特性曲线 1 机组为红色曲线 2 机组为绿色曲线 3 机组为蓝色曲线 4 机组为紫色曲线 由图中曲线可以看出 2 机组的性能从整体上好于其它三台机组 其平均煤耗量在整个负荷范围内均比较低 图 4 四台机组的供电煤耗特性曲线 2 负荷实时经济分配结果 确定全厂各台机组的供电煤耗特性曲线之后 模拟调度下发的全厂负荷指令从 600MW 逐渐调整到 1200MW 电厂四台机组分别在负荷下限 150MW 与负荷上限 300MW 的约束条件下 进行全厂的负荷经济 分配 得到的数据如表 2 所示 表 2 厂级负荷经济分配与平均分配方式对比 厂级 总负荷 全厂经济分配 传统平均分 配 MW 1 机组 MW 2 机组 MW 3 机组 MW 4 机组 MW 供电煤耗 吨 小时 供电煤耗 吨 小时 600150150150150217 98217 98 640150190150150228 48229 19 680150215150165239 35240 48 720158233150179250 44251 87 760169248150193261 71263 35 800180264150206273 14274 92 840191280150219284 75286 58 880201296150233296 52298 33 900209300150241302 48304 24 920217300150253308 50310 17 960229300150281320 77322 10 1000234300193273333 20334 12 1040220300264256345 46346 24 1080222300300258357 57358 44 1120240300300280369 90370 74 1160260300300300382 50383 12 1180280300300300388 97389 35 1200300300300300395 60395 60 根据表 2 所得的分配结果 可以看到在进行全厂负荷经济分配过程中 2 机组会自动优先带负荷 当 全厂负荷指令增加时 2 机组的负荷指令优先增加 而供电煤耗性能较差的 3 机组在全厂低负荷运行时 可以保持机组指令不变 将增负荷的优先权让给性能较好的机组 这样避免了在传统平均分配