专利名称：用于调度电厂的负载的方法和控制系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及电厂中的调度领域。更具体地说，本公开涉及调度电厂的负载。
背景技术：
优化是控制过程的技术，以便在没有违反过程的约束的情况下优化规定的参数集合。常规上，执行电厂中的优化过程，以对于发电提高效率、降低可能排放、减小成本并最大化系统可用性。在电厂中存在可独立优化的多个系统，以得到更好性能，例如升级电厂中设备的特定组件可导致燃料消耗更少。还有，可通过优化对电厂的总体效率起作用的一个或多个因子，优化电厂的总体操作。通常，期望优化电厂中的负载调度以最小化操作成本。对于优化负载调度存在各种常规技术。例如，可基于负载需求优化负载调度，即，以满足负载需求的方式调度电厂。作 为另一个示例，还可优化负载调度以满足预定维护调度。人们可容易看到，负载调度的操作都具有成本含义，并且与负载调度相关联的成本称为“负载调度成本”。可根据设备的资金成本、燃料成本、化学成本、备用设备和部件的成本和维护成本确定负载调度成本。除了资金成本和燃料成本外,维护成本也被视为电厂的重大花费，并且维护调度的偏移可使负载调度成本发生重大改变。设备的维护调度可基于规则间隔、过去的时间或运行时间仪表读数。因此，经常期望适合于维护调度的任何未预见偏移或预先计划的偏移以使成本最小化。此外，电厂的总体操作成本还由于维护调度的偏移而改变。维护调度基于由电厂组件的调度维护引起的停机时间和由于突然故障和修复活动的未计划的关机或强制关机。期望具有计划且调度的维护并避免未计划的维护。因此，如制造商所推荐的，或者基于操作者过去的经验，维护活动被周期性地调度，并且尽可能频繁。延迟计划的维护调度可增加未计划的维护和相关联的成本。提前维护调度可影响不必要的维护活动和维护成本。要注意，存在用于调度生产以及维护的多个调度工具，但这经常不是基于考虑下的操作或组件的实际操作条件和状态。一般而言，以电子表示的形式，对应维护触发通知电厂组件所需的维护动作，其作为此类调度工具的输入。按照维护触发，这些工具将发现用于维护动作的调度连同在该时间周期的的生产调度。在这种调度方法中，所用的优化技术仅基于成本考虑，并不包含组件的实际操作条件和状态。随着高级控制系统的出现，并且随着这种控制系统可用的计算能力的增加，更多特征被包含用于优化。在控制系统中，可用已经与控制系统集成的优化模块或组件执行优化，或可单独地基于可从工厂得到的信息执行优化。然而，常见的是，发现前一手段，即已经将优化模块嵌入在控制系统中。在大多数情况下，优化模块利用基于统计或物理的模型方法(第一原理模型)评估最优设置。也可实施其它方法，诸如基于神经网络或句法的方法。在负载调度操作的情况下，优化的输出值是到控制电厂的控制器的各种设置点。所提供的设置点使得电厂在总体意义上运行以满足要求(示例负载需求、操作成本、效率、安全性和管理要求、维护要求等)。 如早先提到的，在大多数情况下，优化根据基于统计或第一原理模型的方法。在这种方法中，实质上，存在至少一个数学表达式，其将电厂的属性描述为电厂的测量或估计参数的函数。电厂属性的一些示例是发电机功率输出、锅炉蒸汽发生、燃料利用、维护调度、电厂中具体单元的年龄或寿命期望等。通常所用的数学模型涉及电厂中各个单元的性能或用于电厂的总体协调运作。在大多数情况下，性能包含成本函数，或者这些可由优化问题的适当公式导出。在维护活动的影响和负载调度的特定方面，将认识到，通常找到为维护指定的预先定义调度，不过实际上维护活动可以是作为电厂中一个或多个组件故障的结果执行的未预见的活动。因为电厂不能够服务的成本非常高，因此使电厂的设计得具有充分的冗余度和裕度以承受任何不常见的负载或情形。此外，存在关于电厂呈现的、有关电厂维护或服务活动的足够的一般知识或历史，本领域技术人员将认识到，什么种类的负载或情形有可能引起什么组件的故障以及相关联的成本和作为维护活动结果的停机。这个知识可有效地用于调度电厂的负载，并且包含考虑电厂状态的维护活动的调度。鉴于前文讨论，存在对于用于调度电厂负载并开发控制系统中存在的优化模块以便也照顾维护调度的有效技术的需要。
发明内容
从而，本发明提供了用于优化具有一个或多个发电单元的电厂的负载调度的方法。所述方法包括如下步骤i)分析具有与发电单元的一个或多个组件相关联的一个或多个风险指数的发电单元的一个或多个组件的操作状态；ii)更新反映发电单元的一个或多个组件的状态的目标函数；iii)求解目标函数以优化一个或多个发电单元的调度和发电单元的一个或多个组件的操作状态；以及iv)以优化的调度和操作状态操作所述一个或多个发电单元。根据该方法的一个方面，分析步骤包含能力评估和预测时域(predictionhorizon)上的操作成本评估。本文提到的优化负载调度包含一个或多个发电单元的生产调度、维护调度或加负载或其组合。该方法还包含优化一个或多个发电单元的一个或多个组件的风险指数。通过适当地改变操控的变量完成优化风险指数。根据另外方面，该方法包含推迟或提前一个或多个发电单元的一个或多个组件的维护的维护触发，这基于组件的状态或负载需求。本发明中提到的目标函数包含所述一个或多个发电单元的所述一个或多个组件的过程控制的至少一项以及与所述一个或多个发电单元的所述一个或多个组件的维护相关联的至少一项。更新步骤包含用与推迟或提前一个或多个发电单元的一个或多个组件的维护相关联的成本更新所述目标函数。从而，本发明还提供了用于调度具有一个或多个发电单元的电厂的负载的控制系统。控制系统包括优化器，优化器具有用于优化包含维护调度的负载调度并用于最优地控制一个或多个发电单元的过程的单个目标函数。优化器利用厂模型组件和故障模型组件进行负载调度优化。根据系统的另外方面，优化器包括调度器分析器，用于分析具有与发电单元的一个或多个组件相关联的一个或多个风险指数的发电单元的一个或多个组件的操作状态。优化器能够基于以下各项调度通过维护触发实现的维护与一个或多个发电单元的一个或多个组件相关联的风险指数或需求预报或者通过新操控变量影响的操作状态的改进或预先调度的维护或其组合。
图I是根据其可实现各种示范实施例的用于调度电厂负载的系统的框 图2是根据一个实施例用于调度电厂负载的优化器的框 图3是根据一个实施例的简化通用化石点火电厂(FFPP)的框 图4示出了示范需求预报曲线。图5例证了根据一个实施例用于调度电厂负载的方法。
具体实施方式
将观察到，在图中已经通过常规符号表示了方法步骤和系统组件，仅示出了对于理解本公开有重大意义的特定细节。另外，可能未公开对本领域技术人员可容易理解的细节。本公开的示范实施例提供了用于调度电厂负载的方法和系统。正常情况下，在从数天改变到数周的时间周期/预测时域调度电厂以产生电力，称为短期负载调度。基于电力/蒸汽需求、电厂组件的可用性和来自生产的净收入进行电厂的生产调度。如所说的，优化器使用不同成本因子，包含不满足需求的惩罚、电力销售的收入、燃料消耗、减排、组件折旧、组件的起动和关闭以最优地给电厂加负载。除了这些成本因子，优化器还使用鉴于风险指数考虑每个组件的状态的情况下评估的与每个组件的维护调度相关联的成本，来找到最优生产、维护调度和操作条件，并实现最大化收入和效率，风险指数也称为相对于其标称运作和寿命预期提到的风险指数和Ε0Η(等效操作小时)补偿。根据第一方面，用于通过优化器调度电厂负载的方法包含接收一个或多个输入，所述一个或多个输入与电厂的多个构成部分相关联。该方法包含响应于一个或多个输入计算电厂的至少一个构成部分的风险指数。该方法包含基于风险指数确定负载，该负载与电厂的输出功率相关联。该方法包含基于负载操作电厂。图I是根据其可实现各种示范实施例的用于调度电厂负载的系统的框图。系统包含优化器105、预报模块125、用户输入模块130、电厂数据库135、电厂控制器140和电厂145。优化器105包含模型组件110、故障模型组件120和EOH补偿模型组件115。优化器105从预报模块125、用户输入模块130、电厂控制器140并从电厂数据库135接收一个或多个输入。系统包含预报模块125以为电厂145提供在某时间周期上的负载预报。对于负载的需求保持浮动，并因此存在对于预报负载需求的需要。预报模块125可使用用户输入数据提供预报信息，或具有基于统计模型或其它技术的专用预报模型。可基于预报的负载需求选择一个或多个发电机用于操作。而且，通过基于负载需求关掉发电机，可最小化电厂145的操作成本。预报的负载需求还作为输入发送到优化器105以便调度电厂145的负载。除了上述的之外，预报模块125还用于为电厂145的一个或多个构成部分提供预定维护调度。电厂145的一个或多个构成部分的预定维护调度、维护类型和维护调度的周期/周期性基于操作者的经验或组件制造商推荐。某时间周期上的预定维护调度还作为输入发送到优化器105以便调度电厂145的一个或多个构成部分的维护。系统包含用户输入模块130，用于将多个用户输入接收到优化器105。多个用户输入包含但不限于燃料成本、排放惩罚、设备寿命成本和备用单元操作成本。用户输入还作为输入发送到优化器105。电厂145包含多个单元。与电厂145的多个单元以及它们的操作条件相关的信息被存储在电厂数据库135中。电厂145的多个单元的操作历史、当前状态、制造细节和维护调度也存储在电厂数据库135中。与电厂145的多个单元相关的信息还作为输入通过电厂控制器140发送到优化器105，以便调度电厂145的负载。
系统包含电厂145。电厂145接收负载和通过电厂控制器140确定的维护调度，并基于由优化器105确定的负载操作电厂145。图2是根据一个实施例用于调度电厂145的负载的优化器105的框图。优化器105包含电厂模型组件110、调度分析器113和优化求解器模块118。本文提到的调度分析器113包括EOH补偿模型115和故障模型组件120。调度分析器113通过各种电厂参数(例如测量的变量、电厂数据库)分析求解目标函数所需的因子，所述目标函数提供一个或多个发电单元的一个或多个组件的负载调度(生产/维护调度)和负载值(设置点)。总起来说，调度分析器被说成分析操作状态(具体发电单元的能力评估以相对于过程和成本有效性有效地执行其功能)。这里，能力评估包含风险评估、需求评估，并基于风险评估和需求评估，还评估对于维护的需要，包含对于维护的调度建议。另外，本文上面提到的成本方面涉及包含维护成本的操作成本。由一个或多个单元处理的负载调度问题的多个操控值可作为输入馈送到电厂模型组件110和故障模型组件120。电厂模型组件110和故障模型组件120还通过电厂控制器140从电厂145、从电厂数据库135、预报模块125和用户输入模型130接收一个或多个输入。优化器组件105具有优化求解器模块118，并且求解器模块118用于通过响应于接收到一个或多个输入最小化电厂145的目标/估计函数来找到电厂145的最优负载调度。要由优化器105的优化模块118最小化的目标/估计函数包含不满足需求的惩罚成本、由于燃料消耗引起的操作成本、起动成本、关机成本、老化成本、排放成本和维护成本。优化求解器模块118使用众所周知的最大-最小优化技术找到电厂145的最优负载和维护调度。在最小化目标/估计函数的迭代过程期间，优化器组件105的优化模块118使用电厂145的一个或多个构成部分的模型组件110和故障模型组件120。这个优化过程继续，直到优化模块找到最优负载调度为止，对于最优负载调度，目标函数值是最小化的。故障模型组件120接收来自电厂数据库135的输入和操控值(数据库具有与故障模型组件计算所需的电厂参数相关的目前值和历史信息)。故障模型组件120然后基于从电厂数据库135接收的一个或多个输入和操控值计算电厂145的至少一个构成部分的风险指数。电厂的一个多个构成部分的风险指数值然后从故障模型组件120传到EOH补偿模型115。EOH补偿模型115具有与电厂145的一个或多个构成部分的每个风险指数值相关联的成本因子。优化器105基于与计算的风险指数值相关联的成本因子确定负载和维护调度，并操作电厂145(给电厂加负载)以便以最佳可能方式满足需求。图3是由包含优化器105的控制系统控制的简化通用化石点火电厂(FFPP) 145的框图表示，优化器105计算用于操作电厂的最优解。FFPP包括并行运行的三个FFPP单元150、155、160。每个FFPP单元具有三个主要设备，S卩，锅炉(B) 165、与发电机(G) 175以机械方式耦合的蒸汽涡轮机(ST) 170。在操作下，一般称为操控变量+、七和U3的蒸汽负载被应用于相应锅炉以生成蒸汽形式的输出，表示为Y11、Y21、Y31，其被提供给与用于发电的发电机组合的蒸汽涡轮机。来自发电机的电力输出表示为y12、y22、y32。控制系统140用于监视和控制电厂145的不同操作参数以确保在最优条件操作电厂。对于电厂的最优运行，如早先说明的，其中一个关键方面是不同FFPP单元之间的最优负载调度，并在优化器105完成对优化解的计算。在示范实施例中，负载调度优化问题的目标是在不同的约束下通过在三个FFPP单元之间调度负载来满足电力需求，不同的约束诸如是燃料成本、起动成本、运行成本、排·放成本和寿命成本的最小化。优化器105从电厂接收输入，并将优化技术用于最优负载调度。基于最优解，控制系统140向电厂145中的不同致动器发送命令以控制过程参数。用于优化的目标函数如下
Λ ηι-e《·/) — Clffm + Cjrf + C前+ Cr啤輪 (*_<· <!~ 匕率* 。Crfef是在称为预测时域的时间周期上不满足电力需求的惩罚函数。(O珊 1 她 (O。 e-r -ι其中，ElccXf)是适当的权重系数，并且Aten EteeCO是预测时域
滅内的负载需求的预报,Ja是由所有“η”个单元生成的电力。参考图3, η=3οCjsirf是在FFPP的模型中由输出yn、y21、y31表示的燃料消耗的成本，并且由此燃料消耗的总成本由下式给出
^fuel ~ Σ丨 W。
i-Γ I* !Canbmm是在减小由电厂产生的污染物排放(N0X，SOx, COx)中涉及的成本，并且由下式给出
T di η
^emission = Σ Στeminimf ( C^)) ° t=r -ι其中表示正权重系数，并且/(鳥(0>表示负载与排放产生之间的非线性函数关系。是用于起动/关掉电厂的一个或多个构成部分的成本函数，并且由下式给出
cSiefKskm = Σ Σ!%+ _ %(40}。
I=I其中表示正权重系数，U1I是这些单元的整数型状态(开/关)。
Cftf^述由于加负载效应引起的资产折旧，并且定义为
权利要求
1.一种用于优化具有一个或多个发电单元的电厂的负载调度的方法，所述方法包括 分析发电单元的一个或多个组件的操作状态，所述操作状态具有与发电单元的所述一个或多个组件相关联的一个或多个风险指数； 更新反映发电单元的一个或多个组件的状态的至少一个目标函数； 求解一个或多个目标函数以优化所述一个或多个发电单元的调度和发电单元的一个或多个组件的操作状态；以及 以优化的调度和操作状态操作所述一个或多个发电单元。
2.如权利要求I所述的方法，其中所述分析步骤包含能力评估、操作成本评估和预测时域中维护调度的偏移。
3.如权利要求I所述的方法，其中所述优化负载调度包含一个或多个发电单元的生产调度、维护调度或加负载或其组合。
4.如权利要求I所述的方法，所述优化负载调度包含通过适当地改变操控变量优化所述一个或多个发电单元的一个或多个组件的风险指数。
5.如权利要求I所述的方法，所述优化负载调度包含基于所述一个或多个发电单元的所述一个或多个组件的状态或负载需求推迟或提前用于所述组件的维护的维护触发。
6.如权利要求I所述的方法，其中所述目标函数包含用于所述一个或多个发电单元的所述一个或多个组件的过程控制的至少一项或与所述一个或多个发电单元的所述一个或多个组件的维护相关联的至少一项或其组合。
7.如权利要求I所述的方法，所述更新包含用a)与推迟或提前一个或多个发电单元的所述一个或多个组件的维护相关联的成本或b)与所述一个或多个发电单元的所述一个或多个组件的生命周期相关联的成本或其a)和b)的组合更新所述目标函数。
8.一种用于调度具有一个或多个发电单元的电厂的负载的控制系统，所述控制系统包括 优化器，具有用于优化包含维护调度的负载调度并用于最优地控制所述一个或多个发电单元的过程的至少一个目标函数，所述优化器将电厂模型组件和故障模型组件用于负载调度优化。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述优化器包括 调度器分析器，用于分析具有与发电单元的一个或多个组件相关联的一个或多个风险指数的发电单元的所述一个或多个组件的操作状态。
10.如权利要求8所述的系统，其中所述优化器能够基于以下各项调度通过维护触发实现的维护与一个或多个发电单元的所述一个或多个组件相关联的风险指数或需求预报或通过新操控变量影响的操作状态的改进或预先调度的维护调度或其组合，或者调度由用户通过用户接口实现的维护。
全文摘要
本发明涉及用于优化具有一个或多个发电单元的电厂的负载调度的方法。该方法包括如下步骤鉴于与发电单元的一个或多个组件相关联的一个或多个风险指数分析发电单元的一个或多个组件的操作状态；更新反映发电单元的一个或多个组件状态的目标函数；求解目标函数以优化一个或多个发电单元的调度和发电单元的一个或多个组件的操作状态；以及以优化的调度和操作状态操作一个或多个发电单元。本发明还涉及用于调度具有一个或多个发电单元的电厂的负载的控制系统。控制系统包括具有用于优化包含维护调度的负载调度并用于最优地控制一个或多个发电单元的过程的单个目标函数的优化器。优化器将厂模型组件和故障模型组件用于负载调度优化。
文档编号G06Q50/00GK102893227SQ201080065000
公开日2013年1月23日 申请日期2010年5月13日 优先权日2009年12月31日
发明者G.塞瓦拉, S.K.森达拉, M.K.香穆甘, S.布哈特 申请人:Abb研究有限公司