廠級(jí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

余劍鋒，顧月平，尚寧

（1.浙江電力調(diào)度控制中心，杭州310007；2.華能長興電廠，浙江長興313100；3.半山發(fā)電廠，杭州310015）

廠級(jí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

余劍鋒1，顧月平2，尚寧3

（1.浙江電力調(diào)度控制中心，杭州310007；2.華能長興電廠，浙江長興313100；3.半山發(fā)電廠，杭州310015）

介紹了長興電廠廠級(jí)機(jī)組調(diào)度系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法算法，能夠根據(jù)AGC指令，以總供電煤耗量最少為目標(biāo)重新分配各機(jī)組出力，滿足電網(wǎng)需要。經(jīng)濟(jì)性測試數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能有效降低總煤耗量，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

節(jié)能調(diào)度；動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法；供電煤耗；經(jīng)濟(jì)分配；AGC

浙江電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)是建立在能量管理系統(tǒng)（EMS）和發(fā)電廠機(jī)組控制系統(tǒng)間閉環(huán)控制的先進(jìn)技術(shù)手段，將入網(wǎng)的機(jī)組主要分成3種狀態(tài)：負(fù)荷控制、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）和電話調(diào)度。根據(jù)浙江電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線區(qū)域控制偏差（ACE）來調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，這種機(jī)組級(jí)的調(diào)度方式是將負(fù)荷指令下到單臺(tái)機(jī)組，不考慮發(fā)電廠內(nèi)各機(jī)組的經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，從而不能有效保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

廠級(jí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)出力分配是在滿足系統(tǒng)的負(fù)荷要求下，在各機(jī)組出力允許范圍內(nèi)，按各臺(tái)機(jī)組煤耗率曲線特性進(jìn)行出力經(jīng)濟(jì)分配，使全廠總耗煤量最少。

1 問題描述

設(shè)待分配的機(jī)組數(shù)量為N（不計(jì)啟/停機(jī)組），建立經(jīng)濟(jì)出力分配問題的模型如下：

式中：M為總耗煤量；K為轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù)；B為發(fā)電煤耗率；Pi為第i臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)功率。

系統(tǒng)功率平衡約束：

發(fā)電機(jī)組出力上下限約束：

式中：1≤i≤N；Pi，Pimax，Pimin分別為第i號(hào)機(jī)組的實(shí)際機(jī)組出力和最大、最小機(jī)組出力；PD為系統(tǒng)負(fù)荷。

廠級(jí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)出力分配方式實(shí)質(zhì)就是：求式（1）在式（2）和式（3）約束下的極小值。

2 經(jīng)濟(jì)分配的方法

求經(jīng)濟(jì)分配的計(jì)算研究已進(jìn)行了多年，研究的主要目的是如何正確和高效地求解式（1）—（3）組成的負(fù)荷分配問題。國外在這方面的研究較早，主要有等微增量原理、線性規(guī)劃原理、混合整數(shù)規(guī)劃原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理等。借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，目前都能滿足在線總經(jīng)濟(jì)分配要求。本文采用對(duì)煤耗曲線的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的最優(yōu)原理，可以概述為：無論過去的狀態(tài)和決策如何，對(duì)前面的決策所形成的狀態(tài)而言，余下的決策必須構(gòu)成最優(yōu)策略。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)機(jī)組煤耗曲線無特殊要求，分配過程完全避開了微增率曲線。動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的實(shí)質(zhì)是改進(jìn)型枚舉法也稱為收縮型枚舉法，對(duì)于要形成閉環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)分配系統(tǒng)而言，該算法有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)規(guī)劃法可以一次性得到最優(yōu)解。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)優(yōu)化調(diào)度模塊的實(shí)質(zhì)就是：在總共N臺(tái)機(jī)組運(yùn)行決策過程中，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求式（1）在式（2）和式（3）約束下的極小值，并綜合考慮以下情況：

（1）節(jié)能優(yōu)化調(diào)度模型僅考慮運(yùn)行機(jī)組的運(yùn)行能耗，因?yàn)閱?停機(jī)組（n臺(tái)數(shù)）涉及機(jī)組的壽命管理、電網(wǎng)調(diào)度要求、運(yùn)行人員操作復(fù)雜性，其經(jīng)濟(jì)性沒有可比性。

（2）不少發(fā)電機(jī)組節(jié)能經(jīng)濟(jì)分配系統(tǒng)的分配依據(jù)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得出的煤耗曲線，存在以下缺點(diǎn)：可靠性不強(qiáng)，實(shí)時(shí)計(jì)算煤耗所需數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)來源缺乏穩(wěn)定性（主要是從SIS中獲取數(shù)據(jù)），尤其對(duì)需要閉環(huán)運(yùn)行的節(jié)能經(jīng)濟(jì)分配系統(tǒng)而言缺乏安全性；準(zhǔn)確性不強(qiáng)，對(duì)大量實(shí)時(shí)煤耗數(shù)據(jù)的計(jì)算準(zhǔn)確性缺乏科學(xué)判據(jù)，即使有少量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，也容易造成計(jì)算結(jié)果有較大誤差。本文的分配出力調(diào)度模塊采用循環(huán)效率試驗(yàn)得出的煤耗曲線，并輔以實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修正，得到符合實(shí)際運(yùn)行的曲線。

（3）系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能調(diào)度時(shí)不僅考慮經(jīng)濟(jì)性，也考慮實(shí)際運(yùn)行情況，充分考慮機(jī)組的可調(diào)節(jié)裕度，即目標(biāo)負(fù)荷與機(jī)組有功出力高低限之間的差值。當(dāng)與總出力目標(biāo)相矛盾時(shí)，以滿足出力為先。

（4）如果調(diào)度給出負(fù)控指令（288點(diǎn)日負(fù)荷曲線，5 min 1個(gè)負(fù)荷點(diǎn)），則將全廠總負(fù)控指令的增量、相應(yīng)機(jī)組有功可調(diào)速率、相應(yīng)機(jī)組出力高/低限值、相應(yīng)機(jī)組的實(shí)際出力等條件作為優(yōu)化調(diào)度模型的入口參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出機(jī)組間的最優(yōu)分配結(jié)果。如果調(diào)度側(cè)給出的是AGC指令，由于指令變化量較小、周期太頻繁且不定時(shí)，為滿足調(diào)度考核及調(diào)頻需要，本系統(tǒng)僅轉(zhuǎn)發(fā)AGC指令。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件構(gòu)成以電廠DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，主要包括：RTU和多機(jī)組出力經(jīng)濟(jì)調(diào)度服務(wù)器，RTU需要支持解析超短期負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，其他硬件都為電廠的原有配置。系統(tǒng)構(gòu)成框架如圖1所示。

從圖1可看出，系統(tǒng)共有4個(gè)通信接口：

（1）與DCS的硬接線通信，包括：多機(jī)組調(diào)度指令及其返回值、允許投入信號(hào)、投入信號(hào)、輔機(jī)故障減負(fù)荷（RB）動(dòng)作信號(hào)、汽機(jī)跳閘信號(hào)、遠(yuǎn)方控制投入信號(hào)。

（2）與AK1703的軟接口通信，包括：機(jī)組有功上/下限、機(jī)組有功可調(diào)速率、機(jī)組有功功率、多機(jī)組調(diào)度指令、多機(jī)組調(diào)度投入情況、負(fù)控指令返回值。

（3）與省調(diào)指令下發(fā)系統(tǒng)間的軟接口通信，主要是機(jī)組有功指令和機(jī)組指令狀態(tài)信息。

（4）與SIS接口機(jī)的軟接口通信（OPC通信，輔助數(shù)據(jù)），包括主汽溫度、再熱汽溫、排汽溫度、再熱器壓力、凝汽器真空、減溫水流量、主汽流量、功率因數(shù)、廠用電功率、排煙溫度等。

原有的機(jī)組DCS與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通信不作改動(dòng)，只通過按鈕軟切換，機(jī)組級(jí)調(diào)度與廠級(jí)調(diào)度即可進(jìn)行無擾切換，對(duì)系統(tǒng)影響較小，設(shè)備投資不大。

3.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

廠級(jí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)出力分配系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但邏輯清晰，又方便功能擴(kuò)充。主要分以下幾個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)預(yù)處理、節(jié)能調(diào)度、開環(huán)調(diào)度提示、機(jī)組特性曲線修正、投入/切除功能、負(fù)荷平衡、數(shù)據(jù)顯示及調(diào)用、系統(tǒng)維護(hù)等。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要對(duì)來自調(diào)度、DCS及SIS接口的數(shù)據(jù)有選擇地進(jìn)行預(yù)處理，保證節(jié)能調(diào)度計(jì)算過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

（2）優(yōu)化調(diào)度模塊是以動(dòng)態(tài)規(guī)劃法為骨干，根據(jù)各種約束條件，并考慮實(shí)際情況，對(duì)于投入多機(jī)組調(diào)度的機(jī)組，負(fù)控模式時(shí)由優(yōu)化算法進(jìn)行指令的重新分配，其他模式時(shí)則跟隨省調(diào)指令。

（3）閉環(huán)/開環(huán)調(diào)度提示模塊的功能是當(dāng)機(jī)組處于電話調(diào)度模式時(shí)進(jìn)行最優(yōu)指令提示，供運(yùn)行人員手動(dòng)執(zhí)行，主要算法參考優(yōu)化調(diào)度模塊。

（4）投入/切除功能模塊實(shí)現(xiàn)單機(jī)組調(diào)度與多機(jī)組調(diào)度的無擾切換。

（5）負(fù)荷平衡模塊用來盡快彌補(bǔ)由于機(jī)組發(fā)生RB或者跳機(jī)等突發(fā)事件引起的負(fù)荷缺口，減少對(duì)電網(wǎng)的影響。當(dāng)投入多機(jī)組調(diào)度的機(jī)組發(fā)生RB或者跳機(jī)時(shí)，其他投入多機(jī)組調(diào)度且處于負(fù)控狀態(tài)的機(jī)組可增發(fā)負(fù)荷，增發(fā)負(fù)荷量不超過1個(gè)負(fù)荷控制周期的增發(fā)量。

（6）數(shù)據(jù)顯示及調(diào)用模塊是友好的人機(jī)界面，方便操作員監(jiān)視、操作。

（7）系統(tǒng)維護(hù)模塊可對(duì)系統(tǒng)模型所需的維護(hù)參數(shù)進(jìn)行更新。

系統(tǒng)軟件及硬件平臺(tái)搭建以后，對(duì)系統(tǒng)功能、運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等各方面進(jìn)行了測試與調(diào)試。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，無論機(jī)組處于AGC還是負(fù)控模式，本系統(tǒng)均能依據(jù)既定規(guī)則進(jìn)行節(jié)能調(diào)度，廠級(jí)調(diào)度指令不超限、不超時(shí)，既能滿足電網(wǎng)調(diào)頻速率要求，也保證DCS能夠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 經(jīng)濟(jì)性測試

以長興發(fā)電廠4×300 MW機(jī)組為例，進(jìn)行機(jī)組調(diào)度與傳統(tǒng)平均負(fù)荷法的比較測試。模擬調(diào)度下發(fā)的總負(fù)荷指令從1 200 MW逐漸調(diào)整到600 MW，4臺(tái)機(jī)組分別在負(fù)荷下限150 MW與負(fù)荷上限300 MW的約束條件下，進(jìn)行負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

表1 廠級(jí)機(jī)組負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配及平均分配方式對(duì)比

從表1看出，在出力指令被重新經(jīng)濟(jì)分配過程中，3號(hào)機(jī)組優(yōu)先帶足負(fù)荷，隨著負(fù)荷指令增加，3號(hào)機(jī)組的負(fù)荷指令優(yōu)先增加。而供電煤耗性能最差的2號(hào)機(jī)組在低負(fù)荷指令運(yùn)行時(shí)，基本保持指令不變，將增負(fù)荷的優(yōu)先權(quán)讓給性能較好的機(jī)組（3號(hào)、4號(hào)及1號(hào)機(jī)組）。改變了以往傳統(tǒng)平均分配方式下4臺(tái)機(jī)組平均分配指令，機(jī)組CCS接收到相同的負(fù)荷指令卻仍頻繁變化，輔機(jī)、調(diào)門不斷變化，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和使用壽命的狀況。

經(jīng)廠級(jí)經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配后，各臺(tái)機(jī)組在不同工況下的總供電煤耗量都比傳統(tǒng)平均分配時(shí)的總供電煤耗量有所減少。以測試期間的經(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，以每年發(fā)電73億kWh，平均負(fù)荷率為74%計(jì)算，全年投入負(fù)荷優(yōu)化分配系統(tǒng)，則一年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約3 285 t。由于燃煤量的減少，每年可減少CO2排放8 760 t，減少SO2排放78.8 t，獲得節(jié)能減排的綜合效益。因此，基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法原理的廠級(jí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)出力分配系統(tǒng)在實(shí)際工程中有比較理想的節(jié)能效果。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)在長興發(fā)電廠試投運(yùn)后，各項(xiàng)功能及經(jīng)濟(jì)測試數(shù)據(jù)顯示，與機(jī)組級(jí)調(diào)度模式相比，廠級(jí)調(diào)度模式可獲得較好節(jié)能效果。相比其他類似系統(tǒng)，本系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）開發(fā)并實(shí)現(xiàn)廠級(jí)機(jī)組出力經(jīng)濟(jì)分配系統(tǒng)，能在滿足電網(wǎng)調(diào)頻要求前提下體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)性，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算、閉環(huán)控制、連續(xù)運(yùn)行。

（2）動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法中的機(jī)組煤耗特性曲線由循環(huán)效率試驗(yàn)得出，并輔以實(shí)時(shí)參數(shù)偏差修正。

（3）開發(fā)并實(shí)施了負(fù)荷平衡模塊，能彌補(bǔ)機(jī)組RB或跳閘引起的出力缺口，提高電能質(zhì)量。

[1]沈叢奇.火電廠全廠負(fù)荷優(yōu)化分配及其控制方式的研究[J].華東電力，2005，33（3）∶18-22．

[2]王培紅．多機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)校正算法模型研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，35（1）∶23-25．

[3]曹文亮，王兵樹，高建強(qiáng)，等.火電廠廠級(jí)負(fù)荷優(yōu)化分配軟件設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（5）∶80-84.

[4]馬曉茜，王毅，廖艷芬.火電廠機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，34（6）∶112-116.

[5]萬文軍，周克毅，胥建群.動(dòng)態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火電廠機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（2）∶126-129.

[6]董益華，翟瀟，張錫根，等．火力發(fā)電廠廠級(jí)調(diào)度系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2011，40（12）∶83-86.

（本文編輯：徐晗）

Design and Application of Economic Dispatching System for Plant-level Units

YU Jian-feng1，GU Yue-ping2，SHANG Ning3
（1.Z（P）EPC Power Dispatching Center，Hangzhou 310007，China；2.Zheneng Changxing Power Plant，Changxing Zhejiang 313100，China；3.Banshan Power Plant，Hangzhou 310015，China)

This paper introduces hardware structure and software design of dispatching system for plant-level units in Changxing Power Plant.According to the AGC instruction the dynamic planning algorithm redistributes the output of the units with the objective of minimum coal consumption to meet the needs of power grid.The economic test data shows that the system can effectively reduce the total coal consumption and achieve energy-saving and emission reduction.

energy-saving dispatching；dynamic programming；coal consumption for power supply；economic dispatching；AGC

TM621.7+1

：B

：1007-1881（2013）02-0066-04

2012-06-15

余劍鋒（1977-），男，浙江衢州人，工程師，主要從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行工作。