一种钢铁企业能源综合调度问题的双层寻优方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钢铁能源生产及信息技术领域，尤其设及一种钢铁企业能源综合调度 问题的双层寻优方法。
【背景技术】
[0002] 钢铁工业是国民经济的基础性支柱产业，同时又是资源、能源密集型产业。能源消 耗是决定钢铁工业生产成本和利润的重要因素，也是影响环境负荷的主要原因。一方面，钢 铁企业生产流程长，工序、设备繁多，各工序间相互衔接，且每种工序、设备都与多种能源介 质关联；另一方面，钢铁企业需要用到的能源种类超过20种，该些能源介质不仅各自存在 产耗、储存、缓冲和输配等多种形态，而且相互之间有着复杂的转换、替代等关联关系，该都 使得整个钢铁企业能源系统网络结构紧密禪合、错综复杂。因此，对钢铁企业能源系统的研 究具有理论和现实两方面的重要意义。
[0003] 在对钢铁企业能源综合调度问题进行研究时，一般将该问题表述成W能源成本最 小化为优化目标、满足一定约束条件的数学规划模型，然后应用各种优化算法求解。由于钢 铁企业能源系统本身具有的多介质紧禪合、能源设备多样性，和能源需求时变性等复杂性， 导致建立的数学规划模型一般难于求解。当考虑能源设备启停状态时，在上面的数学规划 模型中加入了与能源设备数量和调度周期数乘积相等个数的整数变量，该个问题就变得更 复杂了。此时，数学模型不再是单纯的非线性规划模型，而是混合整数非线性规划模型。对 于将钢铁企业能源综合调度问题建模而得的混合整数非线性规划模型，由于部分变量要求 取0-1值，因而不能用一般连续问题的求解算法，当问题规模较大时，求解的困难程度就相 当可观了。
【发明内容】
[0004] 本发明实施例的目的在于提供一种钢铁企业能源综合调度问题的双层寻优方法， W解决现有技术在考虑能源公辅设备启停状态时建模而得的混合整数非线性规划模型求 解困难的问题。
[0005] 本发明实施例是该样实现的，一种钢铁企业能源综合调度问题的双层寻优方法， 所述方法包括W下步骤：
[0006] 步骤1，建立钢铁企业能源系统的优化调度模型M1，确定所述优化调度模型Ml的 优化变量和目标函数M//;/口，的，并确定所述优化调度模型Ml的约束条件；
[0007] 其中，X表示各类设备相关的连续变量，6表示各类设备相关的整型变量，优化调 度模型Ml的约束条件包括各单元设备的工艺约束、各能源介质的整体平衡约束W及标识 单元设备是否运行的0-1变量的关联约束；
[0008] 步骤2,将所述优化调度模型Ml中的所述整型变量&松弛为在闭区间[0,1]内取 值的连续变量伊，将所有的所述连续变量S替换为所述连续变量壬与其对应的所述松弛后 的整型变量各I的乘积；?护.
[0009] 步骤3,构造关于所述松弛后的整型变量/;'的罚函数，将所述罚函数加入 所述优化调度模Ml的所述目标函数中，形成等价模型M2的目标函数为 Min f{x,h') +p{b')
[0010] 步骤4,计算所述等价模型M2满足约束条件的最优解，所述等价模型M2的约束条 件包括各单元设备的工艺约束、各能源介质的整体平衡约束W及松弛后的整型变量的取值 范围约束；
[0011] 步骤5,判断所述等价模型M2的最优解中的整型变量矿取值是否均为0或1，是， W所述最优解为所述优化调度模型Ml的最优解，否，根据所述整型变量护的取值范围确定 各个能源公辅设备运行/停止状态，得到最优解。
[0012] 本发明提供的一种钢铁企业能源综合调度问题的双层寻优方法的第一优选实施 例中；所述步骤1包括：
[0013] 步骤101，对所述钢铁企业能源系统进行抽象表达，用网络拓扑结构描述钢铁企业 能源系统，完整表达所述能源系统中包含的各类能源介质管网和种类繁多、工艺特性各异 的能源公辅设备的属性及其相互关系，建立煤气介质管网和其它燃料信息集〇,、蒸汽介质 管网信息集0,、煤气公辅设备信息集?gy和热力设备信息集0th;
[0014] 步骤102,对单元设备建模，结合煤气、蒸汽和电力各个子系统中煤气柜、煤气加压 站、煤气混合站和放散塔、锅炉和汽轮机等各类设备的工艺模型和约束条件，建立对应的数 学模型；
[0015] W砖r、瑪表示煤气公辅设备的煤气消耗量和产生量，W為rr表示热力设备的 煤气消耗量，jC,表示热力设备的入口蒸汽流量，乂表示热力设备的出口产生/抽汽/凝 汽流量，z&t表示热力设备产生的电量，其中；i为煤气介质或其它燃料序号，j为煤气公辅 设备的序号，S为蒸汽介质序号，n为热力设备的序号，t为调度周期序号；Wbit、b&t分别 表示煤气公辅设备和热力设备在调度周期t内是否运行的整型变量，1表示运行，0表示停 机；
[0016] 步骤103,获取各种能源介质的供需预测数据、生产检修计划和其他设定信息；
[0017] 步骤104,建立所述钢铁企业能源系统的优化调度模型M1，确定所述优化调度模 型Ml的优化变量为(荷7,攝，墙记A,A,);确定煤气子系统的能源成本目 标函数Ji、蒸汽子系统的能源成本目标函数J2和电力子系统的能源成本目标函数J3,确定 优化调度模型Ml的目标函数为M;!.化诚=./,+j;+4 咕7,.保 优化调度模型Ml的约束条件。
[0018] 本发明提供的一种钢铁企业能源综合调度问题的双层寻优方法的第二优选实施 例中；所述步骤104中确定的优化调度模型Ml为：
[001 引 M,!八支麻=Ji++A，克=(端7,瑪％均;;:r，识"，识:>,")，易二如A。）（1)
[00对其中，minJi=-prosas，pr0sas为煤气外售收益；minj2= buyfue+fecT+buyStm， buyfue为锅炉外购燃料费用，fecrat为锅炉给水费用，buystm为外购蒸汽成本;minJ3=buyele-pr0ele，buyele为外购电力成本，proele为外售电力收益.
[0036] 公式（2)~（5)为所述各单元设备的工艺约束，3^，）、11^，）分别煤气公辅设备 j的不等式约束和等式约束，?ax为煤气子系统单元设备集合；g"( ? )、h"( ?)分别为热力 设备n的不等式约束和等式约束，0th为热力设备集合；
[0037] 公式做~做为所述各能源介质的整体平衡约束，V表示"对于任意的…"，如T 为煤气i在周期t内的富余量，馬为蒸汽S在周期t内的需求量，成f为电力在周期t内 的需求量；
[0038] 公式（9)~（16)为所述标识单元设备是否运行的0-1变量的关联约束，对于所述 煤气公辅设备或所述热力设备，所述整型变量取值为0或1，当所述整型变量取值0时，对应 的编号为j的煤气公辅设备或编号为n的热力设备停机，其连续变量取值0 ;当所述整型变 量取值1时，对应的编号为j的煤气公辅设备或编号为n的热力设备运行，其连续变量在满 足工艺约束的前提下任意取值。
[0039] 本发明提供的一种钢铁企业能源综合调度问题的双层寻优方法的第=优选实施 例中；所述步骤2中所述整型变量（bj,t，b",t)松弛为在闭区间[0, 1]内取值的连续变量 化/ ,t，v,t);所述连续变量(端:;%喘;;，端:r，说j，3C，z。,)分别替换为；
[0040]
[0041] 本发明提供的一种钢铁企业能源综合调度问题的双层寻优方法的第四优选实施 例中；所述步骤3中构造的罚函数^巧为：
[0042]
[0043] 其中，0为靠近31但是不等于JT的实数。
[0044] 本发明提供的一种钢铁企业能源综合调度问题的双层寻优方法的第五优选实施 例中；所述等价模型M2为：
[0056] 其中，公式（