JP2006048474A - Plant optimal operation planning device - Google Patents

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慎治 北川
Takuya Watanabe
拓也 渡辺
Yoshikazu Fukuyama
良和 福山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plant optimal operation planning device which efficiently makes an operation plan comprehensively considering minimization of plant operation cost, minimization of the amount of gas discharge, and minimization of maintenance cost. <P>SOLUTION: The plant optimal operation planning device includes a load estimating means 10, an optimizing means 20, and a regular plant simulator means 30 and plans the start/stop state and the amount of fuel injection of each plant component apparatus by the optimizing means 20 in consideration of minimization of plant operation cost, minimization of the amount of gas discharge, and minimization of maintenance cost and verifies inputs/outputs of respective plant component apparatus by the regular plant simulation means 30 and repeats these planning and verification to finally make the most suitable plant operation plan. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電力、熱、蒸気、空気などのエネルギーを供給するプラントにおけるプラント運用費用最小化、ガス排出量最小化、および、プラント構成機器のメンテナンス費用の最小化をともに行うプラント最適運用計画装置に関する。   The present invention relates to a plant optimum operation planning apparatus for minimizing plant operation costs, gas emissions, and maintenance costs for plant components in a plant that supplies energy such as electric power, heat, steam, and air. About.

従来、各種プラント構成機器の起動・停止まで考慮したうえで最適化手法を用いてプラントの最適運用を求める方法は種々提案されているが、プラント構成機器の入出力特性や運転パターンを一般的な線形方程式として扱い、混合整数計画問題として定式化したうえで問題を解くか、あるいは、プラント構成機器の入出力特性の非線形性(非連続、微分不可能等も含む)や運転パターンを考慮したうえで、エキスパートシステムやファジイ推論等の非線形も扱えるヒューリスティックな手法によりプラントの最適運用を求める方法が一般的であった。   Various methods have been proposed in the past to determine the optimal operation of a plant using an optimization method after taking into account the start / stop of various plant components, but the input / output characteristics and operation patterns of plant components are generally Treat as a linear equation and formulate it as a mixed integer programming problem, or solve the problem, or consider the nonlinearity (including non-continuous, non-differentiable, etc.) and operation patterns of plant component equipment In general, a method for obtaining an optimum operation of a plant by a heuristic method capable of handling non-linearities such as expert systems and fuzzy reasoning has been generally used.

しかしながら、各種プラント構成機器の入出力特性は非線形性を有するほか、時間帯によって異なった運転パターンをとることから、最適化手法で直接扱えるように一般的な方程式として定式化することは通常、困難である。従って、プラントの最適運用は最適化問題の中でも最も求解が困難な非線形混合整数計画問題として定式化する必要がある。
しかし、プラント構成機器の起動・停止などの離散値とプラント構成機器の燃料注入量などの連続値とを総合的に考慮したうえで、各プラント構成機器の特性上の制約や負荷種別毎の需給バランス等の制約条件、および、プラント運用費用や排出ガス最小化、メンテナンス費用最小化等の目的関数と共に、非線形性を有する問題に対して数学的に最適化することは困難である。
However, since the input / output characteristics of various plant components have nonlinearity and take different operation patterns depending on the time of day, it is usually difficult to formulate them as general equations so that they can be handled directly by optimization methods. It is. Therefore, the optimal operation of the plant needs to be formulated as a nonlinear mixed integer programming problem that is the most difficult to solve among the optimization problems.
However, after comprehensively considering discrete values such as start / stop of plant component equipment and continuous values such as fuel injection amount of plant component equipment, restrictions on characteristics of each plant component equipment and supply and demand for each load type Together with constraints such as balance and objective functions such as minimizing plant operating costs, exhaust gas minimization and maintenance costs, it is difficult to mathematically optimize for problems with non-linearities.

特許文献1(特開2003−84805号公報、発明の名称「プラント負荷の予測方法、定常プラントシミュレータ、プラントの最適運用方法およびプラントの最適設計方法」)に記載された従来技術では、このような問題に対し、Particle Swarm Optimization(以下、PSOという)、遺伝的アルゴリズム(以下、GAという)、タブーサーチ(以下、TSという)などのメタヒューリスティック手法を用いて、プラント運用費用最小化と排出ガス最小化を目的関数とした最適運用計画問題を解いている。
プラント構成機器の起動・停止などの離散値、および、構成機器の燃料注入量などの連続値を総合的に考慮しており、各プラント構成機器の特性上の制約、負荷種別毎の需給バランス等の制約条件、および、プラント運用費用と排出ガスの最小化の目的関数という非線形性問題を解き、数学的に最適化することができる。
In the prior art described in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-84805, title of invention “Plant Load Prediction Method, Steady Plant Simulator, Optimal Plant Operation Method, and Optimal Plant Design Method”), In response to problems, plant operational costs and emissions are minimized by using metaheuristic methods such as Particle Swarm Optimization (hereinafter referred to as PSO), Genetic Algorithm (hereinafter referred to as GA), and Tabu Search (hereinafter referred to as TS). It solves an optimal operation planning problem with optimization as an objective function.
Considers discrete values such as start / stop of plant component equipment and continuous values such as fuel injection amount of component equipment, constraints on characteristics of each plant component equipment, supply and demand balance for each load type, etc. , And nonlinear optimization problems such as plant operating costs and objective functions for minimizing exhaust emissions can be solved and mathematically optimized.

特開2003−84805号公報JP 2003-84805 A

しかしながら、特許文献1記載の従来技術では、各プラント構成機器のメンテナンス費用を直接考慮していないため、例えば、機器の寿命が短くなるような運転を繰り返して、燃料代などの運用費用は削減できたとしてもメンテナンス費用が増大してかえって費用が増加することが考えられる。
また、特許文献1記載の従来技術で用いているPSO、GA、および、TSによる解の探索では、プラント構成機器の数が増大し、解くべき問題次数が大きくなるにつれて探索効率が低下するといった問題がある。
However, since the conventional technology described in Patent Document 1 does not directly consider the maintenance cost of each plant component device, for example, the operation cost such as fuel cost can be reduced by repeating the operation that shortens the life of the device. Even so, it is conceivable that the maintenance cost will increase and the cost will increase.
Further, in the solution search using the PSO, GA, and TS used in the prior art described in Patent Document 1, the number of plant components increases, and the search efficiency decreases as the problem order to be solved increases. There is.

そこで本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、プラント運用費用最小化、ガス排出量最小化、および、メンテナンス費用最小化を総合的に考慮しつつ、運用計画を効率的に作成するようなプラント最適運用計画装置を提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to comprehensively consider plant operation costs, gas emissions, and maintenance costs while comprehensively considering an operation plan. An object of the present invention is to provide a plant optimum operation planning apparatus that can be efficiently created.

プラント運用費用最小化、排出ガス最小化に加えてプラント構成機器のメンテナンス費用最小化も含む目的関数の最適運用計画問題を解くようなプラント最適運用計画装置とする。更に好ましくは、従来のメタヒューリスティック手法と比較して探索効率のよいEvolutionary Particle Swarm Optimization(以下、EPSO)を用いて解くようなプラント最適運用計画装置とする。   A plant optimum operation planning device that solves the objective function optimum operation planning problem including minimizing plant operation costs and exhaust gas, and minimizing maintenance costs of plant components. More preferably, it is a plant optimum operation planning apparatus that uses Evolutionary Particle Swarm Optimization (hereinafter referred to as EPSO), which has better search efficiency than conventional metaheuristic techniques.

本発明の請求項1に係るプラント最適運用計画装置は、
運転計画期間におけるプラントの電力負荷、熱負荷、空気負荷等の各種負荷を予測して負荷予測値を生成する負荷予測手段と、
負荷予測手段から出力された負荷予測値に対する負荷種別毎の需給バランスを満足し、かつ、各プラント構成機器の特性上の制約を考慮しながら、所定期間のプラント運用費用最小化、ガス排出量最小化、各プラント構成機器のメンテナンス費用最小化を目的関数とし、離散値である各制御時間毎の各プラント構成機器の起動・停止状態および連続値である各制御時間毎の各プラント構成機器の燃料注入量を状態変数として、プラントの最適化問題を非線形混合整数計画問題として定式化し、各制御時間毎の各種負荷予測値、各プラント構成機器の起動・停止状態、および、燃料注入量を出力する最適化手段と、
各プラント構成機器の起動・停止状態、および、燃料注入量を用いて各プラント構成機器の定常的な入出力状態量等を逐次計算して出力する定常プラントシミュレータ手段と、
を備え、
前記最適化手段は、各プラント構成機器の入出力状態の初期値を用いて各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を生成して前記定常プラントシミュレータ手段に出力し、
前記定常プラントシミュレータ手段は、探索過程における各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を入力して各プラント構成機器の入出力状態を前記目的関数の計算用に前記最適化手段に出力し、
前記最適化手段は、前記定常プラントシミュレータ手段からの各プラント構成機器の入出力状態を用いて各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を生成して前記定常プラントシミュレータ手段に出力し、
以下前記定常プラントシミュレータ手段と前記最適化手段とで交互にやりとりして、各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を前記最適化手段が逐次修正しながら最終的に大域最適解に近い各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を決定することを特徴とする。
The plant optimum operation planning apparatus according to claim 1 of the present invention is:
A load predicting means for predicting various loads such as a power load, a thermal load, and an air load of the plant in an operation plan period, and generating a predicted load value;
While satisfying the supply and demand balance for each load type with respect to the predicted load value output from the load prediction means, and taking into account the restrictions on the characteristics of each plant component equipment, minimizing plant operating costs and minimizing gas emissions The objective function is to minimize the maintenance cost of each plant component device, and the start / stop state of each plant component device for each control time that is a discrete value and the fuel of each plant component device for each control time that is a continuous value Formulate the plant optimization problem as a nonlinear mixed integer programming problem with the injection amount as a state variable, and output various load prediction values for each control time, the start / stop state of each plant component device, and the fuel injection amount Optimization means;
Steady plant simulator means for sequentially calculating and outputting the start / stop state of each plant component device and the steady input / output state amount of each plant component device using the fuel injection amount;
With
The optimization means generates the start / stop state and fuel injection amount of each plant component device using the initial value of the input / output state of each plant component device, and outputs it to the steady plant simulator means,
The steady plant simulator means inputs the start / stop state of each plant component device and the fuel injection amount in the search process, and outputs the input / output state of each plant component device to the optimization means for calculation of the objective function. ,
The optimization unit generates the start / stop state of each plant component device and the fuel injection amount using the input / output state of each plant component device from the steady plant simulator unit, and outputs to the steady plant simulator unit,
Thereafter, the stationary plant simulator means and the optimization means are alternately exchanged so that the optimization means sequentially corrects the start / stop state and fuel injection amount of each plant component device, and finally close to the global optimum solution. The start / stop state and fuel injection amount of each plant component device are determined.

また、本発明の請求項2に係るプラント最適運用計画装置は、
請求項1に記載のプラント最適運用計画装置において、
前記最適化手段は、Evolutionary Particle Swarm Optimization(EPSO)を利用して各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を逐次修正して最適化することを特徴とする。
Moreover, the plant optimum operation planning apparatus according to claim 2 of the present invention is:
In the plant optimum operation planning device according to claim 1,
The optimization means is characterized by performing optimization by sequentially correcting the start / stop state and fuel injection amount of each plant component device using Evolutionary Particle Swarm Optimization (EPSO).

以上のような本発明によれば、プラント運用費用最小化、ガス排出量最小化、および、メンテナンス費用最小化を総合的に考慮しつつ、運用計画を効率的に作成するようなプラント最適運用計画装置を提供することができる。   According to the present invention as described above, a plant optimum operation plan that efficiently creates an operation plan while comprehensively considering plant operation cost minimization, gas emission minimization, and maintenance cost minimization. An apparatus can be provided.

以下、本発明を実施するための最良の形態のプラント最適運用計画装置について図を参照しつつ説明する。図1は、本形態のプラント最適運用計画装置の構成図である。
プラント最適運用計画装置100は、負荷予測手段10、最適化手段20、定常プラントシミュレータ手段30を備えている。なお、図1における負荷予測手段10、最適化手段20、定常プラントシミュレータ手段30は、何れも計算機のハードウェアおよびソフトウェアにより実現されるものである。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a plant optimum operation planning apparatus according to the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a plant optimum operation planning apparatus according to this embodiment.
The plant optimum operation planning apparatus 100 includes a load prediction unit 10, an optimization unit 20, and a steady plant simulator unit 30. Note that all of the load prediction means 10, the optimization means 20, and the steady plant simulator means 30 in FIG. 1 are realized by computer hardware and software.

このプラント最適運用計画装置100は、負荷予測手段10がプラントの電力負荷、熱負荷、空気負荷等の各種負荷を予測して負荷予測値を生成し、最適化手段20が、計画案として各制御時間毎の各プラント構成機器の起動・停止状態、燃料注入量を定常プラントシミュレータ手段30に渡し、定常プラントシミュレータ手段30側では、これらの入力情報を用いて各機器の入出力状態をシミュレーションにより生成して最適化手段20に返すと共に、最適化手段20では、各プラント構成機器の入出力状態を用いて所定の目的関数(プラント運転費用の最小化、ガス排出量の最小化、メンテナンス費用の最小化)を満足するような各機器の起動・停止状態および燃料注入量を各種の最適化手法により探索していくものである。   In the plant optimum operation planning apparatus 100, the load predicting unit 10 predicts various loads such as a power load, a thermal load, and an air load of the plant and generates predicted load values. The optimization unit 20 controls each control as a plan. The start / stop state of each plant component device and the amount of fuel injection for each time are passed to the steady plant simulator means 30, and the steady plant simulator means 30 side uses these input information to generate the input / output state of each device by simulation. Then, the optimization means 20 uses the input / output state of each plant component device to determine a predetermined objective function (minimization of plant operation cost, minimization of gas emission, and minimum maintenance cost). The device is searched for various start-up / stop states and fuel injection amounts that satisfy each of the optimization methods.

各構成について説明する。
負荷予測手段10は、負荷を予測する手段であり、本形態では、対象となるプラントの電力負荷、熱負荷、空気負荷等の各種負荷を予測する。
負荷予測手段10は、例えば、従来から用いられている重回帰式を用いた線形モデルや一般的なニューラルネットワークによる非線形の予測モデルに入力因子を入力して予測するものである。例えば、プラント負荷は非線形な入出力関係を有することから一般的なニューラルネットワークを使用したり、また、好ましくは先に説明した特許文献1に開示されたような改良されたニューラルネットワークの使用が推奨される。
Each configuration will be described.
The load prediction unit 10 is a unit that predicts a load. In this embodiment, the load prediction unit 10 predicts various loads such as a power load, a thermal load, and an air load of a target plant.
For example, the load predicting means 10 performs prediction by inputting an input factor into a linear model using a conventional multiple regression equation or a nonlinear prediction model using a general neural network. For example, it is recommended to use a general neural network because the plant load has a non-linear input / output relationship, or preferably to use an improved neural network as disclosed in Patent Document 1 described above. Is done.

この負荷予測手段10について、プラントの熱負荷を予測する場合を例にとって説明する。
(1)予測モデル構築
まず、非線形性を有する熱負荷を予測するニューラルネットワークの予測モデルを構築する。このニューラルネットワークによる予測モデルでは学習が必要となるが、学習時に予測モデルに入力される入力因子としては、出力である熱負荷と関連がある因子、例えば、予測対象日の毎時気温、最高気温、最低気温、最小湿度、天候、日射量などの気象条件に関する因子、および、曜日や平日・休日(土曜日は平日・休日の何れかに含まれる)の区別、イベントなどの有無および種別、プラントの操業状態、プラント構成機器(空調機器等)の運転パターンのごとく熱負荷パターンを大まかに決定付ける因子の全部または一部を用いる。これらの入力データには実績値が用いられる。また、出力には熱負荷の実績値を用いることとし、上記入力因子および出力をニューラルネットワークに与えて前述した学習方法により学習させ、予測モデルを構築する。
The load predicting means 10 will be described taking as an example the case of predicting the thermal load of the plant.
(1) Prediction model construction First, a neural network prediction model for predicting a thermal load having nonlinearity is constructed. The neural network prediction model requires learning, but as input factors that are input to the prediction model during learning, factors related to the heat load that is the output, such as hourly temperature, maximum temperature, Factors related to meteorological conditions such as minimum temperature, minimum humidity, weather, solar radiation, etc., distinction of day of the week, weekday / holiday (Saturday is included in either weekday / holiday), presence / absence and type of event, plant operation Use all or part of factors that roughly determine the heat load pattern, such as the operation pattern of the state and plant component equipment (air conditioning equipment, etc.). Actual values are used for these input data. Further, the actual value of the thermal load is used for the output, and the input factor and the output are given to the neural network to be learned by the learning method described above, and a prediction model is constructed.

(2)予測実行
上記(1)で構築された予測モデルを用いて、翌日の熱負荷の予測計算を実行する。このとき、入力因子としての最高気温、最小湿度等の気象条件に関する入力データには、翌日の予報値を用いる。また、プラントの操業状態、プラント構成機器の運転パターン等を入力する場合には、それらの計画値を用いれば良い。この予測により熱負荷予測値が生成される。
(2) Prediction execution The prediction calculation of the heat load of the next day is performed using the prediction model constructed | assembled by said (1). At this time, forecast values for the next day are used as input data relating to weather conditions such as maximum temperature and minimum humidity as input factors. Moreover, what is necessary is just to use those plan values, when inputting the operation state of a plant, the operation pattern of a plant component apparatus, etc. A thermal load prediction value is generated by this prediction.

また、負荷予測手段10では、運転計画期間における対象となるプラントの電力負荷、空気負荷等の各種負荷を予測する非線形性を有する熱負荷を予測するニューラルネットワークの予測モデルを個別に構築・学習しており、所定入力を与えて電力負荷予測値、空気負荷予測値を生成する。これら電力負荷予測値、熱負荷予測値、空気負荷予測値まとめて負荷予測値として最適化手段20へ出力する。   The load predicting means 10 individually constructs and learns a neural network prediction model for predicting a thermal load having non-linearity for predicting various loads such as a power load and an air load of a target plant during an operation plan period. A predetermined input is given to generate a predicted power load value and a predicted air load value. The predicted power load value, predicted heat load value, and predicted air load value are output to the optimization unit 20 as a predicted load value.

最適化手段20は、負荷予測手段10によって得られた各種プラント負荷の負荷予測値に対する負荷種別毎のエネルギー供給(需給バランス)を満足し、かつ、各プラント構成機器の特性上の制約を考慮しながら(これらを制約条件とする)、所定期間、例えば1日のプラントの運用費用(燃料費、受電電力料金などのエネルギー費)最小化、ガス排出量(例えばCO排出量)最小化、および、メンテナンス費用(潤滑油、保守交換部品、保守メンテナンス要員人件費やこれらの基準となる運転時間、および起動停止回数等)最小化を目的関数として(ペナルティとして需給バランス不均衡量および機器特性制約逸脱量を設定する)、離散値である各制御時間毎の各プラント構成機器の起動・停止状態(起動か停止かという離散値)および連続値である各制御時間毎の各プラント構成機器の燃料注入量(連続値)を状態変数として、プラントの最適化問題を非線形混合整数計画問題として定式化、各制御時間毎の各プラント構成機器の起動・停止状態、および、燃料注入量を計画値として出力する手段である。 The optimization unit 20 satisfies the energy supply (supply / demand balance) for each load type with respect to the load prediction values of the various plant loads obtained by the load prediction unit 10, and considers restrictions on the characteristics of each plant component device. While (with these as constraints), minimizing plant operating costs (energy costs such as fuel costs, received power charges, etc.) for a given period of time, for example, minimizing gas emissions (eg CO 2 emissions), and , Maintenance cost (lubricating oil, maintenance replacement parts, maintenance personnel personnel cost and their standard operation time, start / stop frequency, etc.) as an objective function (penalty supply-demand balance imbalance and equipment characteristic constraint deviation) Set the quantity), the start / stop state of each plant component device for each control time which is a discrete value (discrete value of start or stop) and A plant optimization problem is formulated as a nonlinear mixed integer programming problem with the fuel injection amount (continuous value) of each plant component at each control time, which is a continuous value, as a state variable, and each plant component at each control time Is a means for outputting the start / stop state of the fuel and the fuel injection amount as a planned value.

この最適化手段20が最適化を行うためには、定常プラントシミュレータ手段30からの各制御時間毎の各プラント機器の入出力状態が必要であるが、最初は入出力状態が出力されていないため、各制御時間毎の各プラント機器入出力状態の初期値が予め設定されており、最初はこの初期値を求解アルゴリズムに入力して、各制御時間毎の各プラント機器の起動・停止状態と各制御時間毎の燃料注入量を生成し、定常プラントシミュレータ手段30へ出力する。この段階では最適化は行われない。   In order for the optimization means 20 to perform optimization, the input / output state of each plant device for each control time from the steady plant simulator means 30 is necessary, but initially the input / output state is not output. The initial value of each plant equipment input / output state for each control time is set in advance.At first, this initial value is input to the solution algorithm, and the start / stop state of each plant equipment for each control time and each A fuel injection amount for each control time is generated and output to the steady plant simulator means 30. There is no optimization at this stage.

定常プラントシミュレータ手段30は、プラント構成機器相互の接続状態、線形または非線形な入出力特性、時間帯に応じて変化する運転パターン(運転パターンの変化により入出力特性が変化する)等のプラントの状態の計算に必要な特性を保存したデータベースを用いて、最適化手段20からプラント構成機器の起動・停止状態および各制御時間毎のプラント構成機器に対する燃料注入量を得た時に、各制御時間毎の各プラント構成機器毎の定常的な入出力状態(ここでは、過渡的な入出力状態については考えず、機器の出力が安定した定常時のみを考慮する)を計算する。そして、あるプラント構成機器の出力を次段のプラント構成機器の入力として逐次計算していくことにより、最終的にプラント全体の定常的な入出力状態を模擬するものである。このようにして模擬されたプラント構成機器の入出力状態は、プラントの最適運用を決定するための目的関数の計算用に最適化手段20に送られることになる。   The stationary plant simulator means 30 is a state of the plant such as a connection state between plant component devices, linear or non-linear input / output characteristics, and an operation pattern that changes according to a time zone (an input / output characteristic changes according to a change in operation pattern). Using the database that stores the characteristics necessary for the calculation of the above, when the start / stop state of the plant component equipment and the fuel injection amount for the plant component equipment for each control time are obtained from the optimization means 20, each control time The steady input / output state for each plant component device (here, the transient input / output state is not considered, and only the steady state when the device output is stable) is calculated. Then, by sequentially calculating the output of a certain plant component device as the input of the next plant component device, the steady input / output state of the entire plant is finally simulated. The input / output state of the plant component device simulated in this way is sent to the optimization means 20 for calculation of the objective function for determining the optimum operation of the plant.

例えば、後に実施例として説明するが、図2に示すように、GTG(ガスタービン発電機)101、ガスタービン102、排ガスボイラ103、ボイラ104、高圧ヘッダ105、蓄熱層106、油焚冷温水機107、ガス冷温水機108、蒸気吸収式冷凍機109、から構成され、空気負荷、電気負荷、蒸気負荷、熱(空調)負荷を得るためのエネルギープラントを想定したとする。定常プラントシミュレータ手段30では、上記各機器101〜109の図示するような構成状態、入出力特性、運転パターンが与えられ、更に、制御時間毎のガスタービン102、ボイラ104、油焚冷温水機107、ガス焚冷凍機108に対する燃料注入量および各機器101〜109の起動・停止状態が与えられた時に、例えばガスタービン102から出力される排ガスの量やボイラ104から出力されるスチームの量を計算する。そして、これらを次段の排ガスボイラ103や高圧ヘッダ105等の入力として、各機器の出力を逐次計算していくことにより、このエネルギープラント全体の定常的な入出力状態を模擬する。   For example, as will be described later as an embodiment, as shown in FIG. 2, GTG (gas turbine generator) 101, gas turbine 102, exhaust gas boiler 103, boiler 104, high-pressure header 105, heat storage layer 106, oil-cooled hot / cold water heater Suppose that an energy plant is assumed, which includes an air load, an electric load, a steam load, and a heat (air conditioning) load. The stationary plant simulator means 30 is provided with the configuration states, input / output characteristics, and operation patterns of the respective devices 101 to 109 as shown in the figure. When the fuel injection amount to the gas fired refrigerator 108 and the start / stop states of the devices 101 to 109 are given, for example, the amount of exhaust gas output from the gas turbine 102 and the amount of steam output from the boiler 104 are calculated. To do. Then, using these as inputs to the exhaust gas boiler 103, the high-pressure header 105, and the like in the next stage, the output of each device is sequentially calculated to simulate the steady input / output state of the entire energy plant.

このような定常プラントシミュレータ手段30では、図2に示したような各プラント構成機器の線形または非線形な入出力特性を、例えばニューラルネットワークなどで表現し、これらの入出力特性と、時間帯に応じた各機器の運転パターン(始動後に定常状態に達するまでの時間等の特性も含む)等をデータベースとして予め備えている。そして、最適化手段20から出力された各制御時間毎の燃料注入量や各機器の起動・停止状態を入力情報として、燃料の注入側からプラントの末端方向に向かって各プラント構成機器の入出力状態(入出力される排ガスやスチーム、水等の量やこれらの入出力時間)を逐次計算することにより、プラント全体の定常的な入出力状態を模擬する。この入出力状態は最適化手段20へ出力される。   In such a steady plant simulator means 30, linear or non-linear input / output characteristics of each plant constituent device as shown in FIG. 2 are expressed by, for example, a neural network, and the like according to the input / output characteristics and the time zone. In addition, an operation pattern of each device (including characteristics such as time until a steady state is reached after startup) and the like are provided in advance as a database. The input / output of each plant component device from the fuel injection side toward the end of the plant is input using the fuel injection amount for each control time output from the optimization means 20 and the start / stop state of each device as input information. The steady input / output state of the entire plant is simulated by sequentially calculating the state (the amount of input / output exhaust gas, steam, water, etc. and their input / output times). This input / output state is output to the optimization means 20.

最適化手段20は、定常プラントシミュレータ手段30から各プラント構成機器の入出力状態を出力として得る。ここから最適化手段20は、起動・停止状態および燃料注入量の計画値を最適化手法により修正して、定常プラントシミュレータ手段30に出力する。   The optimization unit 20 obtains the input / output state of each plant component device as an output from the steady plant simulator unit 30. From here, the optimization means 20 corrects the planned values of the start / stop state and the fuel injection amount by the optimization method, and outputs them to the steady plant simulator means 30.

以下に、最適化手段20における最適化の定式化を示す。
1.状態変数
状態変数は、以下のプラント量とする。
(1)各制御時間毎の各プラント構成機器(例えばガスタービン、ボイラ、冷凍機、コジェネ等)の起動・停止状態
(2)各制御時間毎の燃料注入量(上記各機器への燃料注入量)
In the following, formulation of optimization in the optimization means 20 is shown.
1. State variables State variables are the following plant quantities.
(1) Start / stop state of each plant component device (for example, gas turbine, boiler, refrigerator, cogeneration, etc.) for each control time (2) Fuel injection amount for each control time (fuel injection amount to each device above) )

2.目的関数
目的関数は、以下のような項からなるとする。
(1)プラント運用費用の最小化(fとする)
プラント運用費用とは、プラント構成機器の燃料料金、および受電電力料金などのエネルギー費用として算出する。
(2)CO排出量の最小化(fとする)
(3)プラント構成機器のメンテナンス費用の最小化(fとする)
プラント構成機器のメンテナンス費用は、各プラント構成機器毎に運転時間あるいは起動停止回数などに対する単位量あたりの潤滑油費用、保守交換部品費用、保守メンテナンス要員人件費などにより算出する。ただし、機器によってはこれらの費用単価を設定することが難しい場合があるため、その場合は運転時間あるいは起動停止回数などの基準そのものを等価なメンテナンス費用として算出する。このときは、それぞれの量に対して重み係数をかけることによってその次元を調整する。
(4)ペナルティ(需給バランス不均衡量、機器特性制約逸脱量)(fとする)
実際には、上記各項からなる以下の目的関数を用いる。
2. Objective function The objective function is assumed to consist of the following terms.
(1) Minimization of plant operating costs (assuming f 1 )
The plant operation cost is calculated as an energy cost such as a fuel charge for the plant component equipment and a received power charge.
(2) Minimizing CO 2 emissions (assuming f 2 )
(3) minimizing the maintenance costs of the plant constituent (a f 3)
The maintenance cost of the plant component equipment is calculated for each plant component equipment based on the lubricating oil cost per unit amount with respect to the operation time or the number of start / stops, the maintenance replacement parts cost, the maintenance personnel cost, etc. However, since it may be difficult to set these cost unit prices depending on the equipment, in such a case, the criteria itself such as the operation time or the number of start / stops are calculated as equivalent maintenance costs. At this time, the dimension is adjusted by applying a weighting coefficient to each quantity.
(4) penalty (supply balance imbalance, device characteristics constraint violations amount) (a f 4)
In practice, the following objective function consisting of the above terms is used.

〔数1〕
f=w+w+w+w
[Equation 1]
f = w 1 f 1 + w 2 f 2 + w 3 f 3 + w 4 f 4

ここで、w:各項に対する重みであり、任意に設定される。 Here, w i is a weight for each term, and is arbitrarily set.

3.制約条件
(1)各負荷種別毎の需給バランス
電力系、熱系、空気系など、それぞれの負荷種別に対する需要と供給のバランスに関する制約であり、この需給バランスを決定するに当たって負荷予測手段10から出力された負荷予測値が考慮される。
(2)各機器の特性上の制約
各プラント構成機器の入出力限界、起動・停止時間などの特性上の制約である。
3. Constraint (1) Supply / demand balance for each load type This is a constraint on the balance between demand and supply for each load type such as power system, thermal system, air system, etc., and output from the load prediction means 10 when determining this supply / demand balance The estimated load value is taken into account.
(2) Restrictions on characteristics of each equipment These are restrictions on characteristics such as input / output limits and start / stop times of each plant component equipment.

4.求解アルゴリズム
定常プラントシミュレータ手段30による計算結果(各制御時間毎の各プラント構成機器の入出力状態)を利用しながら、起動・停止状態および燃料注入量の最適解を探索していく最適化手法としては、メタヒューリスティック最適化手法を用いる。例えば、PSO(Particle Swarm Optimization)やEPSO(Evolutionary Particle Swarm Optimization)などを用いることができる。なお、この求解アルゴリズムについては、後に詳述する。
4). Solving algorithm As an optimization method to search for the optimum solution of the start / stop state and the fuel injection amount while using the calculation result (input / output state of each plant component device for each control time) by the steady plant simulator means 30 Uses a metaheuristic optimization technique. For example, PSO (Particle Swarm Optimization) or EPSO (Evolutionary Particle Swarm Optimization) can be used. This algorithm for finding solutions will be described in detail later.

前記最適化手段20は、前記定常プラントシミュレータ手段30からの各プラント構成機器の入出力状態を用いて求解アルゴリズムにより最適化されたプラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を生成して定常プラントシミュレータ手段30に出力する。
以下定常プラントシミュレータ手段30と最適化手段20とで交互にやりとりして、各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を最適化手段20が逐次修正しながら最終的に大域最適解に近い各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を決定することにより、プラントの最適運用方法を決定する。
プラント最適運用計画装置100はこのようになる。
The optimization means 20 generates the steady state by generating the start / stop state of the plant component equipment and the fuel injection amount optimized by the solving algorithm using the input / output state of each plant constituent equipment from the steady plant simulator means 30. Output to the plant simulator means 30.
Thereafter, the stationary plant simulator means 30 and the optimization means 20 are alternately exchanged so that the optimization means 20 sequentially corrects the start / stop state and fuel injection amount of each plant component device, and finally close to the global optimum solution. The optimum operation method of the plant is determined by determining the start / stop state of each plant component and the fuel injection amount.
The plant optimum operation planning apparatus 100 is as described above.

このようなプラント最適運用計画装置100では、特に目的関数としてメンテナンス費用最小化を加えているため、メンテナンス費用の増大が抑制され、全体的なコスト低減に寄与するものとなる。   In such a plant optimum operation planning apparatus 100, maintenance cost minimization is particularly added as an objective function. Therefore, an increase in maintenance cost is suppressed, which contributes to overall cost reduction.

続いて、求解アルゴリズムに用いられるPSO,EPSOについて説明する。
まずPSOについて説明する。
PSOは、簡単化した社会モデルのシミュレーションを通して開発されたメタヒューリスティック手法の1つであり、鳥の群れの動きを連続変数の2次元空間で表現することを通して開発された。PSOでは、各エージェント(上述した鳥)の位置(状態量)をx,y座標で表現し、前記位置(状態量)の変化分に相当する速度(ベクトル)をv(x方向の速度)、v(y方向の速度)で表現する。これらの位置と速度情報から、次時点の各エージェントの位置を更新することができる。この概念に基づき、鳥の群れ全体が何らかの目的関数を最適化するような行動をとると考えると、以下のような最適化が考えられる。
Subsequently, PSO and EPSO used for the solution finding algorithm will be described.
First, PSO will be described.
PSO is one of the metaheuristic methods developed through the simulation of a simplified social model, and was developed through expressing the movement of a flock of birds in a two-dimensional space of continuous variables. In PSO, the position (state quantity) of each agent (the above-mentioned bird) is expressed by x and y coordinates, and the velocity (vector) corresponding to the change in the position (state quantity) is represented by v x (velocity in the x direction). , V y (velocity in the y direction). From these position and velocity information, the position of each agent at the next time point can be updated. Based on this concept, the following optimization can be considered if the whole flock of birds takes action that optimizes some objective function.

つまり、各エージェントは各々の探索における目的関数のそれまでの個々の最良値(pbest)と、その位置(状態量)を示すx,y座標とを覚えている。また、各エージェントは、pbestのうち集団の中で最も最良のもの、すなわち集団のそれまでの目的関数の最良値(gbest)情報を共有している。そして、各エージェントは、現在の自己のx,y座標と速度v,v、およびpbestとgbestとの距離に応じて、pbest、gbestの存在する位置に方向を変更しようとする。この変更しようとする行動は、速度を修正することで表現される。現在の速度とpbestおよびgbestを用いて、各エージェントの速度は次式により修正される。 That is, each agent remembers the individual best value (pbest) of the objective function in each search and the x and y coordinates indicating the position (state quantity). In addition, each agent shares the best value (gbest) information of the objective function so far in the group, that is, the best one in the group among pbest. Each agent attempts to change the direction to the position where pbest and gbest exist according to the current x and y coordinates and the speeds v x and v y and the distance between pbest and gbest. The action to be changed is expressed by correcting the speed. Using the current speed and pbest and gbest, the speed of each agent is modified by

〔数2〕
k+1=wv+crand()(pbestt−s )+crand()(gbest−s
[Equation 2]
v i k + 1 = wv i + c 1 rand () (pbestt i -s i k) + c 2 rand () (gbest-s i k)

:エージェントiの速度、rand():0〜1までの一様乱数、s :エージェントiの探索k回目の位置(探索点)、pbest:エージェントiのpbest、w:エージェントの速度に対する重み関数、c:各項に対する重み係数 v i : speed of agent i, rand (): uniform random number from 0 to 1, s i k : position of k-th search of agent i (search point), pbest i : pbest of agent i, w: agent's Weight function for speed, c i : Weight coefficient for each term

上記数式2を用いることにより、各エージェントのこれまでの最良解および集団の最良解に確率的に近づくような速度が求められ、これにより各エージェントの現在の位置(探索点)を次式により修正する。   By using Equation 2 above, a speed that probabilistically approaches each agent's best solution and group's best solution is obtained, and the current position (search point) of each agent is corrected by the following equation. To do.

〔数3〕
k+1=s k+1+v k+1
[Equation 3]
s i k + 1 = s i k + 1 + v i k + 1

ここで、本発明に即して言えば、各エージェントがプラント構成機器に相当し、数式2、数式3における各エージェントの位置Sが各プラント構成機器の起動・停止状態(離散値)や燃料注入量(連続値)に相当し、また、各エージェントの速度vがそれらの変化分に相当する。 Here, in accordance with the present invention, each agent corresponds to a plant component device, and the position S i of each agent in Equations 2 and 3 indicates the start / stop state (discrete value) and fuel of each plant component device. It corresponds to the injection amount (continuous value), and the velocity v i of each agent corresponds to the amount of change.

PSOは遺伝的アルゴリズム(GA)等と同様に複数の探索点を持った多点探索で、各探索点のpbestおよび集団のgbestを用いて各探索点を確率的に変更していくことにより、大域最適解(最良解)を得る方法である。また、これまでの速度を維持使用とする大域探索((数式2)の右辺第1項)と、pbest、gbestを用いてそれらに近づこうとする局所探索(それぞれ(数式2)の右辺第2,3項)とをバランスよく行う機構をもった探索手法である。更に、PSOでは探索の各ステップで目的関数値を評価する必要があるが、評価の回数は問題の規模によらずエージェント数のみでよいというメリットがある。   PSO is a multi-point search with a plurality of search points like genetic algorithm (GA), etc., and by changing each search point stochastically using pbest of each search point and gbest of a group, This is a method for obtaining a global optimum solution (best solution). In addition, a global search that maintains and uses the current speed (the first term on the right side of (Formula 2)) and a local search that tries to approach them using pbest and gbest (the second side on the right side of (Formula 2), respectively) This is a search method having a mechanism for performing (3)) in a well-balanced manner. Furthermore, in the PSO, it is necessary to evaluate the objective function value at each step of the search, but there is an advantage that the number of evaluations need only be the number of agents regardless of the scale of the problem.

続いてEPSOについて説明する。詳しくは、EPSOとその改良手法を用いる。ここで、EPSOとその改良手法とは、V. Miranda N. Fonseca, "ESPO-BEST-OF-TWO-WORLDS META-HEURISTIC APPLIED TO POWER SYSTEM PROBLEMS", Proc. of the Congress on Evolutionary Computation (CEC2002), 2002で述べられているEPSO手法とその改良手法を意味する。   Next, EPSO will be described. Specifically, EPSO and its improved technique are used. Here, EPSO and its improved method are as follows: V. Miranda N. Fonseca, "ESPO-BEST-OF-TWO-WORLDS META-HEURISTIC APPLIED TO POWER SYSTEM PROBLEMS", Proc. Of the Congress on Evolutionary Computation (CEC2002), It means the EPSO method described in 2002 and its improved method.

(1)状態表現
EPSOでは、各制御時間毎の各プラント構成機器への燃料注入量、および起動・停止状態を変更できる各構成機器の起動・停止状態を表すデータ列によって状態を表現する。
(2)求解アルゴリズム
EPSOは、その名のとおり進化戦略(Evolution Strategies,以下ESという。)とPSOを組み合わせた手法である。
EPSOを非線形混合整数計画問題に適用できるようにする手法は、福山他による「電圧信頼度を考慮したParticle Swarm Optimizationによる電圧無効電力制御方式の検討」電気学会論文誌B 119巻12号(1999年12月)等で提案されている、PSOに対する方法を用いる。
(1) State expression In EPSO, a state is expressed by a fuel injection amount to each plant component device for each control time, and a data string representing a start / stop state of each component device whose start / stop state can be changed.
(2) Algorithm for solving problems As its name suggests, EPSO is a technique that combines evolution strategies (hereinafter referred to as ES) and PSO.
The technique that enables EPSO to be applied to nonlinear mixed integer programming problems is described by Fukuyama et al. “Study of Voltage Reactive Power Control Method by Particle Swarm Optimization Considering Voltage Reliability”, IEEJ Transactions B, Vol. 119, No. 12 (1999). (December) etc., and the method for PSO is used.

次に、EPSOは前にも述べたように進化戦略ESとPSOを組み合わせた手法であり、このアイデアは、PSOに対して、明白な選択手順とパラメータの自己適応化を与えることに基づいている。本手法を提案したV. Mirandaは、EPSOを自己適応(μ,λ)-ESの特殊なタイプであると分類している。
進化戦略とは、遺伝的アルゴリズムと同様に生物の進化を模倣した最適化手法である。ドイツのRechenbergによって1960年代に提案され、Schwefelによって基礎的な改善がなされた。主に、n次元連続関数の最適化を対象としている。最も単純なESである(1+1)−ESでは、個体(探索点)は一つであり、突然変異によって発生した子個体と、元の個体(親個体)との計2個体から優れている方を選択する。突然変異が主な探索オペレータとなり、アルゴリズムの流れは以下のようになる。
Next, EPSO is a technique that combines evolution strategy ES and PSO as mentioned before, and this idea is based on giving clear selection procedure and parameter self-adaptation to PSO. . V. Miranda, who proposed this method, classifies EPSO as a special type of self-adaptive (μ, λ) -ES.
An evolution strategy is an optimization method that mimics the evolution of a living organism, similar to a genetic algorithm. Proposed by Rechenberg, Germany in the 1960s, fundamental improvements were made by Schwefel. Mainly for optimization of n-dimensional continuous functions. In (1 + 1) -ES, which is the simplest ES, there is one individual (search point), and one that is superior from a total of two individuals, a child individual generated by mutation and an original individual (parent individual) Select. Mutation becomes the main search operator, and the algorithm flow is as follows.

(1)初期化
(2)評価(evaluation)
終了条件を満たすまで以下を繰り返す
(3)突然変異(mutation)
(4)評価(evaluation)
(5)選択(または淘汰、selection)
(1) Initialization (2) Evaluation
Repeat until the termination condition is satisfied (3) Mutation
(4) Evaluation
(5) Selection (or selection)

複数の個体(探索点)を用いる、つまりμ個の親個体からλ個の子個体を生成して次の個体(探索点)を決定する方法は主に(μ+λ)−ESと(μ,λ)−ESの2つに分類される。(μ+λ)−ESは、親と子の両方から優れた個体を次の探索点として選択する方法であり、(μ,λ)−ESは子個体のみから次の探索点を選択する方法である。(μ+λ)−ESでは、パラメータによっては探索が停滞することがあるが、(μ,λ)−ESでは個体の存命期間が短いため、不適切なパラメータを忘れることができる。したがって、局所解から脱出する効果が期待でき、(μ+λ)−ESよりも優れた性能を有している。   The method of using a plurality of individuals (search points), that is, generating λ child individuals from μ parent individuals and determining the next individual (search point) is mainly (μ + λ) −ES and (μ, λ ) -ES. (Μ + λ) -ES is a method for selecting an excellent individual from both parent and child as the next search point, and (μ, λ) -ES is a method for selecting the next search point from only the child individual. . In (μ + λ) -ES, the search may stagnate depending on the parameters, but in (μ, λ) -ES, the life span of the individual is short, so that inappropriate parameters can be forgotten. Therefore, an effect of escaping from the local solution can be expected, and the performance is superior to (μ + λ) −ES.

ESの探索点である個体には、解を表す設計変数のベクトルと正規分布の標準偏差σのベクトルが付随している。この標準偏差は突然変異の大きさを規定する。突然変異は正規分布に従い、設計変数、標準偏差毎に適用される。この標準偏差などのパラメータを戦略パラメータ(strategic parameters)と呼び、設計変数をオブジェクトパラメータ(object parameters)と呼ぶ。
自己適応ESとは、探索の過程で戦略パラメータを自律的に調整する手法を言う。
An individual that is an ES search point is accompanied by a vector of design variables representing a solution and a vector of standard deviation σ of a normal distribution. This standard deviation defines the size of the mutation. Mutations follow a normal distribution and are applied for each design variable and standard deviation. Parameters such as standard deviation are called strategic parameters, and design variables are called object parameters.
Self-adaptive ES refers to a method of autonomously adjusting strategy parameters during the search process.

EPSOにおける概略手順を以下に示す。
(1)複製(REPLICATION):各エージェントはR個複製される。
(2)突然変異(MUTATION):各エージェントは突然変異された重み係数を持つ。
(3)繁殖(REPRODUCTION):突然変異を受けたエージェントはPSOの探索式によって子孫を作成する(解空間を移動する)
(4)評価(EVALUATION):各子孫はその目的関数値を評価する。
(5)選択(SELECTION):確率的トーナメントによって評価のよいエージェントが次の反復へ残される。
EPSOの探索式を以下に示す。
The outline procedure in EPSO is shown below.
(1) Replication: Each agent is replicated R times.
(2) Mutation: Each agent has a mutated weighting factor.
(3) Breeding (REPRODUCTION): A mutated agent creates offspring using a PSO search formula (moves through the solution space)
(4) Evaluation (EVALUATION): Each descendant evaluates its objective function value.
(5) SELECTION: A probable tournament leaves the best-rated agent for the next iteration.
The search formula for EPSO is shown below.

〔数4〕
k+1=s +v k+1
[Equation 4]
s i k + 1 = s i k + v i k + 1

〔数5〕
k+1=wi0 +wi1 (pbest−s )+wi2 (gbest−s
[Equation 5]
v i k + 1 = w i0 * v i k + w i1 * (pbest i -s i k) + w i2 * (gbest * -s i k)

これらはオリジナルのPSOとほぼ同じに見える。しかし、重み係数は以下のような突然変異を受ける。   These look almost the same as the original PSO. However, the weighting factors are subject to the following mutations:

〔数6〕
ik =wik+τN(0,1)
[Equation 6]
w ik * = w ik + τN (0,1)

ここで、N(0,1)は平均0、分散1のガウス分布に従う乱数である。
また、gbestも以下のようにランダムな動揺を受ける。
Here, N (0,1) is a random number according to a Gaussian distribution with an average of 0 and a variance of 1.
Gbest is also subject to random sway as follows.

〔数7〕
gbest=gbest+τ’N(0,1)
[Equation 7]
gbest * = gbest + τ'N (0, 1)

ここで、τおよびτ’は学習パラメータであり、固定かもしくは戦略パラメータとして扱われる。   Here, τ and τ ′ are learning parameters, which are fixed or treated as strategy parameters.

以下に、EPSOのアルゴリズムを示す。
Step.1 各エージェントの初期値を(ランダム)に決定する。
Step.2 各エージェントに対してR個の複製を作成し、それらの重み係数を数式6によって突然変異させる。
Step.3 作成した複製エージェントに対して、探索式(数式4、数式5)により探索点を更新する。
Step.4 各エージェント、および複製されたエージェントの目的関数値を評価する。
Step.5 各エージェントと複製されたエージェントによって確率トーナメントにより次の探索へ残すエージェントを選択する。
Step.6 pbest、およびgbestを更新する。つまり、全てのエージェントのpbestの中で最良の目的関数値f(pbestmin)とそれまでのf(gbest)を比較し、もしf(pbestmin)>f(gbest)であればgbestを更新する。
Step.7 各エージェントの探索点を探索式(数式4、数式5)によって更新する。
Step.8 反復回数が設定された最大反復回数に達していれば終了し、達していなければStep.2〜7を繰り返す。
The EPSO algorithm is shown below.
Step.1 Determine the initial value of each agent (randomly).
Step.2 Create R copies for each agent, and mutate their weighting factors using Equation 6.
Step.3 Search points are updated with the search formula (Formula 4 and Formula 5) for the created replication agent.
Step.4 Evaluate the objective function value of each agent and duplicated agent.
Step.5 Select agents to be left for the next search by probabilistic tournament with each agent and duplicated agents.
Step.6 Update pbest and gbest. That is, the best objective function value f (pbestmin) among all pbests of agents is compared with f (gbest) so far, and if best (fbestmin)> f (gbest), gbest is updated.
Step.7 Update the search point of each agent by the search formula (Formula 4 and Formula 5).
Step.8 If the number of iterations has reached the set maximum number of iterations, it will end. If not, repeat Steps 2-7.

以下に、EPSOを用いた場合のプラントの最適運用方法の全体的なアルゴリズムを示す。
Step.11 データの入力
(1)負荷予測値の入力
・各負荷種別毎の各制御時間毎の負荷予測値を入力する。この負荷予測値は、プラントの電力負荷、熱負荷、空気負荷等の予測値である。
(2)プラント情報の入力(これらはデータベースとして予め格納されている)
・各プラント構成機器毎の入出力特性(線形、非線型)と各制御時間毎の運転パターン
・各構成機器相互の接続関係とそれに対する特性式
・核燃料種別毎の燃料費
これらの情報をプラント情報として入力する。
(3)EPSOに関する情報の入力
・エージェント数、各最適化パラメータ値、最大探索回数を入力する。
The overall algorithm of the optimum operation method of the plant when EPSO is used is shown below.
Step.11 Input of data (1) Input of predicted load value ・ Input predicted load value for each control time for each load type. This predicted load value is a predicted value of power load, heat load, air load, etc. of the plant.
(2) Input of plant information (these are stored in advance as a database)
・ Input / output characteristics (linear, non-linear) for each plant component and operation pattern for each control time ・ Connection relationship between each component and its characteristic equation ・ Fuel cost for each nuclear fuel type Enter as.
(3) Input of information on EPSO / Input the number of agents, each optimization parameter value, and the maximum number of searches.

Step.12 初期値の生成
(1)各エージェント毎に、各制御時間毎の以下の値をランダムに計算する。
・各プラント構成機器毎の起動・停止状態(離散値)
・上記プラント構成機器のうち、燃料注入機器の燃料注入量(連続量)
(2)各エージェント毎のプラント状態の計算および評価値の計算
・(1)で計算した各プラント構成機器毎の起動・停止状態および燃料注入量を用いて、定常プラントシミュレータ手段30により、各制御時間毎の各プラント構成機器の入出力状態を求める。
・更に、図1に示した目的関数および制約条件を用いて、各エージェント毎に評価値を計算する。ここで、評価値とは、プラント運用費用、CO排出量、および、メンテナンス費用、の総和である。
(3)pbestおよびgbestの初期設定
・先の(2)で計算した各エージェント毎の評価値を、現在の各エージェント毎のpbest値とする。
・上記のpbestのうちの最良値(最小値)をgbestとする。これにより、pbestおよびgbestの初期値が設定されることになる。
Step.12 Initial value generation (1) The following values for each control time are randomly calculated for each agent.
・ Start / stop status (discrete values) for each plant component
-Of the above plant components, the fuel injection amount of fuel injection devices (continuous amount)
(2) Calculation of plant state for each agent and calculation of evaluation value. Using the start / stop state and fuel injection amount for each plant component calculated in (1), each control is performed by the steady plant simulator means 30. Obtain the input / output status of each plant component for each hour.
Further, an evaluation value is calculated for each agent using the objective function and the constraint conditions shown in FIG. Here, the evaluation value is the sum of plant operation costs, CO 2 emissions, and maintenance costs.
(3) Initial setting of pbest and gbest • The evaluation value for each agent calculated in (2) above is used as the current pbest value for each agent.
The best value (minimum value) of the above pbest is set as gbest. As a result, initial values of pbest and gbest are set.

Step.13 各エージェントの位置(探索点)の修正
(1)各エージェントからR個の複製を作成し、それらの重み係数を数式6によって突然変異させる。
(2)各エージェントと作成した複製エージェントに対して、探索式(数式4、数式5)により探索点を更新する。
Step.13 Correction of the position (search point) of each agent (1) R copies are created from each agent, and their weight coefficients are mutated by Equation 6.
(2) For each agent and the created replication agent, the search point is updated by a search formula (Formula 4 and Formula 5).

Step.14 各エージェントの評価
(1)各エージェント毎のプラント状態の計算および評価値の計算
・Step.13で計算した各プラント構成機器毎の起動・停止状態および燃料注入量を用いて、定常プラントシミュレータ手段30により、各制御時間毎の各プラント構成機器の入出力状態を求める。
・図1の目的関数および制約条件を用いて、各エージェント毎に評価値を計算する。
(2)次の探索へ残すエージェントの選択
・各エージェントとstep.13で作成したエージェントによって確率トーナメントにより次の探索へ残すエージェントを選択する。
(3)pbestおよびgbestの修正
・(1)で計算した各エージェント毎の評価値が現在の各エージェント毎のpbest値より良かったら、前記評価値を各エージェント毎のpbestとする。
・上記のpbestのうちの最良値が現在のgbest値より良かったら、その最良値をgbestとする。これらの処理を通じて、各プラント構成機器の起動・停止状態や燃料注入量の最適解を求めていく。
Step.14 Evaluation of each agent (1) Calculation of plant state and evaluation value for each agent ・ Stationary plant using start / stop state and fuel injection amount for each plant component calculated in Step 13 The simulator means 30 obtains the input / output state of each plant component device for each control time.
-An evaluation value is calculated for each agent using the objective function and the constraint conditions shown in FIG.
(2) Selection of agents to be left for the next search-Each agent and the agent created in step 13 are used to select an agent to be left for the next search by a probability tournament.
(3) Correction of pbest and gbest. If the evaluation value for each agent calculated in (1) is better than the current pbest value for each agent, the evaluation value is set as pbest for each agent.
If the best value of the above pbest is better than the current gbest value, the best value is set as gbest. Through these processes, the optimum solution of the start / stop state of each plant component and the fuel injection amount is obtained.

Step.15 終了条件のチェック
(1)探索回数が入力した最大探索回数に達したら終了する。そうでない場合は、Step.13へ戻る。
Step.15 End condition check (1) End when the number of searches reaches the maximum number of searches. If not, return to Step 13.

図2に示すプラントに本発明を適用した場合の例を以下に示す。
対象プラントには、電力負荷、蒸気負荷、熱負荷の3種類の負荷がある。プラントは、GTG(ガスタービン発電機)101、ガスタービン102、排ガスボイラ103、ボイラ104、高圧ヘッダ105、蓄熱層106、油焚冷温水機107、ガス冷温水機108、蒸気吸収式冷凍機109、から構成されるエネルギープラントである。
An example in which the present invention is applied to the plant shown in FIG. 2 is shown below.
The target plant has three types of loads: an electric power load, a steam load, and a heat load. The plant includes a GTG (gas turbine generator) 101, a gas turbine 102, an exhaust gas boiler 103, a boiler 104, a high-pressure header 105, a heat storage layer 106, an oil fired hot and cold water machine 107, a gas cold and hot water machine 108, and a steam absorption refrigerator 109. , An energy plant composed of

状態変数は、油焚冷温水器106、ガス冷温水器107、蒸気吸収式冷凍機108の起動・停止状態とし、ガスタービン102と排ガスボイラ103、およびボイラ104の運転状態は自動制御によって決定される制約条件として扱う。目的関数は、プラント運用費用最小化、CO排出量最小化、メンテナンス費用最小化である。今回の例では、メンテナンス費用として、計画対象機器の起動停止回数を設定した。
目的関数においてメンテナンス費用(起動停止回数)最小化を考慮しない場合と考慮する場合の比較を表1に示す。
The state variables are the start / stop states of the oil-cooled water heater / heater 106, the gas water cooler / heater 107, and the vapor absorption refrigerator 108, and the operation states of the gas turbine 102, the exhaust gas boiler 103, and the boiler 104 are determined by automatic control. It is treated as a constraint condition. The objective functions are plant operation cost minimization, CO 2 emission minimization, and maintenance cost minimization. In this example, the number of start / stop times of the target device is set as the maintenance cost.
Table 1 shows a comparison between the case where the minimization of the maintenance cost (number of times of starting and stopping) is not considered and the case where the objective function is considered.

Figure 2006048474
Figure 2006048474

これにより、本発明のプラント最適運用計画装置100では、メンテナンス費用最小化の考慮によって、そのコスト削減を実現できていることが分かる。   Thereby, it turns out that the cost reduction can be realized in the optimum plant operation planning apparatus 100 of the present invention by considering the maintenance cost minimization.

続いて、求解アルゴリズムとしてPSOを使用した場合と、本発明の場合(EPSOを使用)とのコスト比較を表2に示す。   Subsequently, Table 2 shows a cost comparison between the case where PSO is used as a solution algorithm and the case of the present invention (using EPSO).

Figure 2006048474
Figure 2006048474

これにより、本発明のプラント最適運用計画装置100では、最適化手段20の求解アルゴリズムで特にEPSOを採用すると3.3%のコスト低減効果があることが分かる。   Thereby, in the plant optimal operation planning apparatus 100 of this invention, when EPSO is employ | adopted especially in the solution algorithm of the optimization means 20, it turns out that there is a 3.3% cost reduction effect.

本発明によれば、プラント運用費用、ガス排出量、プラントメンテナンス費用を総合的に考慮したプラント最適運用計画の作成が可能であり、プラントに関わる総合コスト、および環境負荷の低減に寄与することができる。
また、本発明により、特にEPSOを用いるとさらにコストを低減するような運用計画を作成することが可能である。
According to the present invention, it is possible to create a plant optimum operation plan that comprehensively considers plant operation costs, gas emissions, and plant maintenance costs, which contributes to the reduction of the overall costs and environmental burden associated with the plant. it can.
Further, according to the present invention, it is possible to create an operation plan that further reduces the cost, particularly when EPSO is used.

本発明を実施するための最良の形態のプラント最適運用計画装置の構成図である。It is a block diagram of the plant optimal operation planning apparatus of the best form for implementing this invention. エネルギープラント例の説明図である。It is explanatory drawing of the example of an energy plant.

符号の説明Explanation of symbols

100:プラント最適運用計画装置
10:負荷予測手段
20:最適化手段
30:定常プラントシミュレータ手段

101:GTG(ガスタービン発電機)
102:ガスタービン
103:排ガスボイラ
104:ボイラ
105:高圧ヘッダ
106:蓄熱層
107:油焚冷温水機
108:ガス冷温水機
109:蒸気吸収式冷凍機
100: Plant optimum operation planning device 10: Load prediction means 20: Optimization means 30: Steady plant simulator means

101: GTG (gas turbine generator)
102: Gas turbine 103: Exhaust gas boiler 104: Boiler 105: High-pressure header 106: Heat storage layer 107: Oil tank cooling / heating machine 108: Gas cooling / heating machine 109: Steam absorption refrigerator

Claims (2)

運転計画期間におけるプラントの電力負荷、熱負荷、空気負荷等の各種負荷を予測して負荷予測値を生成する負荷予測手段と、
負荷予測手段から出力された負荷予測値に対する負荷種別毎の需給バランスを満足し、かつ、各プラント構成機器の特性上の制約を考慮しながら、所定期間のプラント運用費用最小化、ガス排出量最小化、各プラント構成機器のメンテナンス費用最小化を目的関数とし、離散値である各制御時間毎の各プラント構成機器の起動・停止状態および連続値である各制御時間毎の各プラント構成機器の燃料注入量を状態変数として、プラントの最適化問題を非線形混合整数計画問題として定式化し、各制御時間毎の各種負荷予測値、各プラント構成機器の起動・停止状態、および、燃料注入量を出力する最適化手段と、
各プラント構成機器の起動・停止状態、および、燃料注入量を用いて各プラント構成機器の定常的な入出力状態量等を逐次計算して出力する定常プラントシミュレータ手段と、
を備え、
前記最適化手段は、各プラント構成機器の入出力状態の初期値を用いて各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を生成して前記定常プラントシミュレータ手段に出力し、
前記定常プラントシミュレータ手段は、探索過程における各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を入力して各プラント構成機器の入出力状態を前記目的関数の計算用に前記最適化手段に出力し、
前記最適化手段は、前記定常プラントシミュレータ手段からの各プラント構成機器の入出力状態を用いて各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を生成して前記定常プラントシミュレータ手段に出力し、
以下前記定常プラントシミュレータ手段と前記最適化手段とで交互にやりとりして、各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を前記最適化手段が逐次修正しながら最終的に大域最適解に近い各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を決定することを特徴とするプラント最適運用計画装置。
A load predicting means for predicting various loads such as a power load, a thermal load, and an air load of the plant in an operation plan period, and generating a predicted load value;
While satisfying the supply and demand balance for each load type with respect to the predicted load value output from the load prediction means, and taking into account the restrictions on the characteristics of each plant component equipment, minimizing plant operating costs and minimizing gas emissions The objective function is to minimize the maintenance cost of each plant component device, and the start / stop state of each plant component device for each control time that is a discrete value and the fuel of each plant component device for each control time that is a continuous value Formulate the plant optimization problem as a nonlinear mixed integer programming problem with the injection amount as a state variable, and output various load prediction values for each control time, the start / stop state of each plant component device, and the fuel injection amount Optimization means;
Steady plant simulator means for sequentially calculating and outputting the start / stop state of each plant component device and the steady input / output state amount of each plant component device using the fuel injection amount;
With
The optimization means generates the start / stop state and fuel injection amount of each plant component device using the initial value of the input / output state of each plant component device, and outputs it to the steady plant simulator means,
The steady plant simulator means inputs the start / stop state of each plant component device and the fuel injection amount in the search process, and outputs the input / output state of each plant component device to the optimization means for calculation of the objective function. ,
The optimization unit generates the start / stop state of each plant component device and the fuel injection amount using the input / output state of each plant component device from the steady plant simulator unit, and outputs to the steady plant simulator unit,
Thereafter, the stationary plant simulator means and the optimization means are alternately exchanged so that the optimization means sequentially corrects the start / stop state and fuel injection amount of each plant component device, and finally close to the global optimum solution. A plant optimum operation planning apparatus for determining a start / stop state of each plant component and a fuel injection amount.
請求項1に記載のプラント最適運用計画装置において、
前記最適化手段は、Evolutionary Particle Swarm Optimization(EPSO)を利用して各プラント構成機器の起動・停止状態および燃料注入量を逐次修正して最適化することを特徴とするプラント最適運用計画装置。
In the plant optimum operation planning device according to claim 1,
The plant optimization operation planning apparatus characterized in that the optimization means optimizes by sequentially correcting the start / stop state and fuel injection amount of each plant component device using Evolutionary Particle Swarm Optimization (EPSO).
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