基于分步约束修复技术的热电联产经济调度方法与流程

本发明涉及一种热电联产经济调度方法，具体为一种基于分步约束修复技术的热电联产经济调度方法。

背景技术：

热电联产(combinedheatandpower,chp)机组是用于同时产生热能和电能的最有效设备，它将化石燃料转换过程中产生的热能转换为电能的效率可达到90％。与传统火电机组和纯供热机组相比，它可以节省10％～40％的生产成本，即产生同等数量的有用能量需要更少的燃料。另外，通过引入chp机组，温室气体的排放量可得到显著降低，因此chp机组被公认为一种具有广阔应用前景的环保系统。

热电联产经济调度(combinedheatandpowereconomicdispatch,chped)提供一种最优的发电、产热规划。chped必须要满足一系列基于实际需求的不等式和等式约束条件，包括火电机组功率容限约束、chp机组容限约束、纯供热机组热量容限约束、发电机组禁止运行区约束、功率平衡约束和热量平衡约束，并在此基础上最小化热电联产总成本。

chped的目标函数(热电联产总成本)c表示如下：

这里，i(i＝1,2,…,np)为火电机组索引，j(j＝1,2,…,nc)为热电联产机组索引，k(k＝1,2,…,nh)为纯供热机组索引，np、nc和nh分别为火电机组、热电联产机组和纯供热机组的数量，pi为第i个火电机组的输出功率，和分别为第j个热电联产机组单元产生的功率和热量，hk为第k个纯供热机组产生的热量。ci(pi)为第i个火电机组的燃油成本，为第j个热电联产机组的生产成本，ck(hk)为第k个纯供热机组的生产成本，三种成本计算如下：

αi、βi、γi、θi和ρi为第i个火电机组的成本系数，为输出功率pi的下限，后面的正弦项是由阀点效应产生的，它构成了燃油成本函数的不可微特征，增加了问题求解难度。

aj、bj、cj、dj、ej和fj为第j个chp机组的成本系数。

ck(hk)＝ak·(hk)²+bk·hk+ck(4)

ak、bk和ck为第k个纯供热机组的成本系数。

chped的六种约束条件描述如下：

第一种为火电机组功率容限约束，它要求每台火电机组出力必须位于合理的运行区间里：

和分别为火电机组i的最小和最大功率输出。

第二种为chp机组容限约束，它要求每台chp机组所产生的功率和热量必须位于合理的运行区间里：

和分别为chp机组j的最小和最大功率输出，且与chp机组j产生的热量有关；和分别为chp机组j的最小和最大热量输出，且与chp机组j产生的功率有关。根据chp机组的物理特性，其产生的功率和热量都包含在一多边形区域内，非矩形区域，因此，二者相互关联，相互制约。

第三种为纯供热机组热量容限约束，它要求每台纯供热机组产生的热量必须位于合理的运行区间里：

和分别为纯供热机组k的最小和最大热量输出。

第四种为发电机组禁止运行区约束，它基于发电机组自身物理运行的限制，对机组的不连续可行运行区域进行描述：

其中，和分别表示第i(i＝1,2,…,np)个火电机组单元的第j个禁止运行区的下限和上限，pzi表示第i个火电机组的禁止运行区总数。禁止运行区既缩小了可行域范围，又使目标函数在一些点上不可微，从而进一步增加了问题难度。

第五种为功率平衡约束，它要求火电机组和chp机组提供的总功率应等于负荷需求与网络传输损耗之和：

pd和pl分别为负荷需求和网络传输损耗，其中，pl由矩阵损耗公式得到：

包含了所有火电机组和chp机组的输出功率，bij、bi0和b00为网络传输损耗系数。

第六种为热量平衡约束，它要求chp机组和纯供热机组提供的总热量应等于热量需求：

hd为热量需求。

chped的目标是在满足各种基于实际需求的约束条件的基础上最小化火电机组、chp机组及纯供热机组的总生产成本。对于目标函数，chped需要考虑发电机组的阀点效应；对于约束条件，chped需要考虑包含电力传输损耗的发电供需平衡、产热供需平衡、三种机组的生产容限、发电机组的禁止运行区。chped的问题变量和约束条件繁多，且目标函数和部分约束条件具有不可微，非线性的特点。难点在于如何设计所有的问题变量，以驱动不可行解进入可行域；所使用的约束处理技术要快速消除所有约束违背量，为进一步降低热电联产总成本提供保障。

目前，罚函数法(penaltymethod,pm)是热电联产经济调度问题中最常用的一种约束处理技术，它通过引入惩罚因子对问题的约束违背量进行惩罚，违背量越大，惩罚力度越大。对于等式约束条件，pm通常会引入误差容忍度，并将其近似转化为不等式约束。然而，容忍度的大小直接决定了等式约束的处理效率，若过大，虽然pm能很快找到具有低目标函数值的可行解，但解的精度并不高，难以满足实际设计需求；若过小，虽然pm可能会找到精度更高的可行解，但它的目标函数值降低有限，难以达到预期结果。因此，误差容忍度的引入只会在一定程度上缓解来自等式约束的压力，但无法保证所获得解的质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于分步约束修复技术的热电联产经济调度方法，其能够对两种约束进行分步修复，并结合群体智能优化算法逐渐减小或消除其他四种约束违背量，使解向量能快速进入可行域，进而提高解质量，降低热电联产总成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于分步约束修复技术的热电联产经济调度方法，包括以下步骤：

步骤a：使用群体智能优化算法产生m个解向量：设任意解向量表示为该解向量包含np+2nc+nh个变量，其中，为np个火电机组的输出功率，为nc个chp机组的输出功率，为nc个chp机组的输出热量，为nh个纯供热机组的输出热量；

步骤b：使用分步约束修复技术对每个解向量进行分步修复，并计算四种约束条件的违背量，其包括如下步骤：

步骤b-1：在[1,np+nc]内随机产生一个整数r，在功率平衡约束方程中根据其他np+nc-1个功率变量确定第r个功率变量xr；计算功率容限约束的违背量vp＝max(xr-xr,max,0)+max(xr,min-xr,0)；xr,max和xr,min分别为xr的上限和下限；

步骤b-2：在[np+nc+1,np+2nc+nh]内随机产生一个整数s，在热量平衡约束方程中根据其他nh+nc-1个热量变量确定第s个热量变量xs；计算热量容限约束的违背量vh＝max(xs-xs,max,0)+max(xs,min-xs,0)；xs,max和xs,min分别为xs的上限和下限；

步骤b-3：计算chp机组容限约束的违背量vchp：对于第j个chp单元，由确定的上、下限，并计算的违背量；

由确定的上、下限，并计算的违背量；两个违背量的计算公式与功率容限约束的违背量和热量容限约束的违背量相似，将二者相加即为第j个chp机组容限约束的违背量，将所有chp机组容限约束的违背量求和即为vchp；

步骤b-4：计算禁止运行区约束的违背量vpoz：对于第i个含有禁止运行区的火电机组功率输出，若它落于某个禁止运行区内，则选择与它相邻两个可行区，并取它相对于这两个可行域违背量最小的值作为它的违背量，若它没有落入任何禁止运行区内，则它的违背量为0；将所有含有禁止运行区的火电机组功率输出的违背量求和即为vpoz；

步骤c：计算每个解向量的目标函数值即为热电联产总成本；根据目标函数值c和约束违背量vp、vh、vchp、vpoz计算罚函数值选择所有解向量中具有最小罚函数值的那个为最优解；若当前最优解好于历史最优解，则确定它为全局最优解；否则，保持历史最优解为全局最优解；

步骤d：若当前迭代次数达到最大迭代次数，则确定该解为最优的热电联产经济调度方案，否则，重复步骤a～c。

在步骤a中，将热电联产经济调度问题中涉及的所有变量汇集起来，构成一种解向量，用于建模和计算。

在步骤b中，分步约束修复技术属于约束处理方法，能完全满足功率平衡、热量平衡约束条件，并减小或消除功率容限、热量容限、chp机组容限、禁止运行区约束的违背量。

在步骤c中，所述罚函数值不包括功率平衡、热量平衡约束的违背量，因为分步约束修复技术可始终保证这两种约束条件得到满足；且其罚函数系数被设置为10⁵⁰以惩罚功率容限、热量容限、chp机组容限和禁止运行区约束的违背量；

若总约束违背量为0，则罚函数值与目标函数值相同。

在步骤d中，将每个解向量的迭代次数设置为200以兼顾求解精度和计算负荷。

与罚函数法相比，本发明的基于分步约束修复技术的热电联产经济调度方法无需对等式约束做任何近似处理，所获得解属于严格意义上的可行解；

本修复技术根据功率平衡、热量平衡两种等式约束的显函数特征调整问题变量，使等式约束条件得到完全满足，加快了约束修复进程；

同时，本修复技术不仅采用了目前常见的功率容限、热量容限和chp机组容限约束违背量模型，还引入了一种新颖的计算禁止运行区约束违背量的步骤，为修复过程提供更准确、更有前途的搜索方向；分步约束修复技术解决了约束处理过程慢、精度低的问题，在快速满足所有约束条件的有利情况下显著降低热电联产总成本，从而满足chped的实际应用要求。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2中两条曲线分别为基于本发明分步约束修复技术(repairtechnique,rt)和基于fm法的热电联产经济调度的总约束违背量更新曲线；

图3中两条曲线分别为基于本发明rt法和基于fm法的热电联产经济调度的总成本更新曲线；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，一种基于分步约束修复技术的热电联产经济调度方法，包括以下步骤：

步骤a：使用群体智能优化算法产生m个解向量：设任意解向量表示为该解向量包含np+2nc+nh个变量，其中，为np个火电机组的输出功率，为nc个chp机组的输出功率，为nc个chp机组的输出热量，为nh个纯供热机组的输出热量，在步骤a中，将热电联产经济调度问题中涉及的所有变量汇集起来，构成一种解向量，用于建模和计算；

步骤b：使用分步约束修复技术对每个解向量进行分步修复，并计算四种约束条件的违背量，其包括如下步骤：

步骤b-1：在[1,np+nc]内随机产生一个整数r，在功率平衡约束方程中根据其他np+nc-1个功率变量确定第r个功率变量xr；计算功率容限约束的违背量vp＝max(xr-xr,max,0)+max(xr,min-xr,0)；xr,max和xr,min分别为xr的上限和下限；

步骤b-2：在[np+nc+1,np+2nc+nh]内随机产生一个整数s，在热量平衡约束方程中根据其他nh+nc-1个热量变量确定第s个热量变量xs；计算热量容限约束的违背量vh＝max(xs-xs,max,0)+max(xs,min-xs,0)；xs,max和xs,min分别为xs的上限和下限；

步骤b-3：计算chp机组容限约束的违背量vchp：对于第j个chp单元，由确定的上、下限，并计算的违背量；

由确定的上、下限，并计算的违背量；两个违背量的计算公式与功率容限约束的违背量和热量容限约束的违背量相似，将二者相加即为第j个chp机组容限约束的违背量，将所有chp机组容限约束的违背量求和即为vchp；

步骤b-4：计算禁止运行区约束的违背量vpoz：对于第i个含有禁止运行区的火电机组功率输出，若它落于某个禁止运行区内，则选择与它相邻两个可行区，并取它相对于这两个可行域违背量最小的值作为它的违背量，若它没有落入任何禁止运行区内，则它的违背量为0；将所有含有禁止运行区的火电机组功率输出的违背量求和即为vpoz；

步骤c：计算每个解向量的目标函数值即为热电联产总成本；根据目标函数值c和约束违背量vp、vh、vchp、vpoz计算罚函数值选择所有解向量中具有最小罚函数值的那个为最优解；若当前最优解好于历史最优解，则确定它为全局最优解；否则，保持历史最优解为全局最优解；其中，所述罚函数值不包括功率平衡、热量平衡约束的违背量，因为分步约束修复技术可始终保证这两种约束条件得到满足，且其罚函数系数被设置为10⁵⁰以惩罚功率容限、热量容限、chp机组容限和禁止运行区约束的违背量；若总约束违背量为0，则罚函数值与目标函数值相同；

步骤d：若当前迭代次数达到最大迭代次数，则确定该解为最优的热电联产经济调度方案，否则，重复步骤a～c，这里将每个解向量的迭代次数设置为200以兼顾求解精度和计算负荷。

其中，在步骤b中，分步约束修复技术属于约束处理方法，能完全满足功率平衡、热量平衡约束条件，并减小或消除功率容限、热量容限、chp机组容限、禁止运行区约束的违背量。

如图2所示，两条曲线分别为基于本发明rt法和基于fm法的热电联产经济调度的总约束违背量更新曲线。rt曲线在更新初期就已经快速降为0，相反，fm曲线需要经过较多的迭代次数才降到0，说明本发明在处理多种约束条件方面比fm法更灵活。

如图3所示，两条曲线分别为基于本发明rt法和基于fm法的热电联产经济调度的总成本更新曲线：rt曲线在迭代中期就已经降到了一个较低的水平，相反，fm曲线直到达到最大迭代次数还处于一个较高的水平，体现出本发明在降低总热电联产成本方面比fm法更有效。

根据图2和图3，在迭代次数给定的情况下，本发明仅使用很少的迭代次数就将所有约束条件的违背量降为0，为在剩下的大部分迭代次数中充分降低总热电联产成本打下好的基础。

本发明基于分步约束修复技术的热电联产经济调度方法应用于热电联产经济调度总成本最小化，对功率平衡、热量平衡两种约束进行分步修复，并逐渐消除功率容限、热量容限和chp机组容限、禁止运行区的约束违背量。本发明能在严格意义上满足所有约束条件，并在此基础上获得较低的总热电联产成本，缓解了“消除约束违背量”和“减小生产成本”之间的矛盾。

热电联产经济调度具有同时发热发电的特点，它通过恢复并充分利用热能来提高转换过程的效率。其中，chp机组的能源利用率高，且排放的温室气体较少，有利于国民经济的绿色可持续发展。因此，本发明建立了一种针对热电联产经济调度的优化安排，是热电联产系统稳定运行，维护能源供需平衡，提高能源利用率的有力保障，具有很重要的现实意义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。