CN103617552B - 一种钢铁企业发电成本优化的方法 - Google Patents

Abstract

一种钢铁企业发电成本优化的方法，属于钢铁企业综合节电技术领域。步骤包括：确定需要进行发电成本优化的调度周期T，获取机组发电成本优化参数；获取用于日前发电计划编制的网络断面；确定周期内考虑煤气掺烧情况下的发电机组燃料成本；根据企业机组能耗，外购电成本及外送电收益实际情况建立以全系统发电成本最小为目标的优化调度模型；依据优化求解获得企业自发电机组出力，外购电量，外送电量的结果等。优点在于，可满足生产负荷需要、发电机组出力、线路传输容量等任务，同时保证企业电网的安全稳定运行，结合负荷预测曲线，生产和检修计划，进一步优化调整自发电出力，以及自发电和外购电的比例关系，使企业发电成本最小。

Description

一种钢铁企业发电成本优化的方法

技术领域

本发明属于钢铁企业综合节电技术领域，特别是提供了一种钢铁企业发电成本优化的方法。

背景技术

电力是钢铁企业的比较重要的能源，它在钢铁能源消耗结构中占20%。在一些电机设备如（电动机、鼓风机、压缩机等）、过程加热及其他工艺工程中，都需要电力资源。钢铁企业电力的来源来自两方面：自发电和外购电。自发电主要是企业内部的自备电站和余热余能回收利用发电，尽管企业自发电量占总用电量比重越来越大，但仍然需要从外电网购买大量的电能。

由于钢铁企业电力系统的特殊性，钢铁企业在降低供电成本方面具有一定潜力，一方面，由于外购电是采用波峰谷平进行分段计价，合理制定波峰谷平自发电率，能大大降低外购电成本；另一方面，在钢铁企业内部一般都有多组并列运行的发电机，这些机组的容量不同，其经济负荷范围就有可能不同，即使同一型号的机组，各自的经济效益也会有所差别。因此在满足电网安全、高质运行条件下，对发电机组的有功负荷进行科学分配，能使企业发电的成本最低，企业获得的的经济效益最大。

目前，对于发电成本优化调度的研究都是集中于火力发电厂根据机组的能耗模型优化计算来实现降低煤耗目的，或者通过发电机组间的负荷优化配置来实现节能降耗。而针对企业自身电网的发电成本优化的研究较少，部分仅仅是通过经验或者峰平谷电价来人工设置发电机组出力曲线，但由于钢铁企业电力系统多用户（包括大量的冲击负荷）、多燃料来源（副产煤气、外购煤）、多电压等级、多工况变化(生产计划、检修计划)，且电力系统同工艺过程联系紧密，部分电力来源于工序生产过程中余热余能的回收与转换（如TRT、CDQ），部分电力燃料来源工序副产煤气等特点，根据经验设定的发电计划在实际执行时会遇到困难，另外，经验调度无法有效考虑系统的安全，得到的运行方案实际往往不可行，需要反复调整，从而难以保证运行的安全性和经济性，并且给调度人员带来巨大的工作量。

因此，为了满足企业生产负荷需要、发电机组出力、线路传输容量、工业抽气等任务，同时保证企业电网的安全稳定运行前提下，分析煤气掺烧的发电机组能耗的特 点，考虑外购电成本和外送电的收益，结合企业负荷预测曲线，生产计划，检修计划等，优化计算得到发电成本最小的机组出力计划，给出更为经济可行的自发电运行的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢铁企业发电成本优化的方法，可满足生产负荷需要、发电机组出力、线路传输容量等任务，同时保证企业电网的安全稳定运行，结合负荷预测曲线，生产和检修计划，进一步优化调整自发电出力，以及自发电和外购电的比例关系，使企业发电成本最小。

本发明包括以下步骤：

步骤一，确定需要进行发电成本优化的调度周期T，获取机组发电成本优化参数，这些参数包括：调度周期内企业负荷预测曲线、生产和检修计划、外购送电计划、机组的启停状态、可用状态、固定的发电机组出力计划，可调整机组出力计划；

步骤二，获取用于日前发电计划编制的网络断面，网络断面是指在电网安全或电量交易上相互关联的一组输电线路(也可以是变压器或发电机等)，同时结合企业生产检修计划，利用电网模型自动生成各时段的网络拓扑，并计算各时段的潮流分布及监视元件影响系数；

步骤三，确定周期内考虑煤气掺烧情况下的发电机组燃料成本:

$C_{\mathrm{zf}}=\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[F{\left(P\right)}_{i,t}\×C_{i,t}^f]$

F(P)_i,t＝aP_i,t ²+bP_i,t+c

其中，C_zf为发电机组燃料成本，F(P)_i,t为第i台机组t时段的标煤耗，P_i,t为第i台机组t时段的有功出力，为第i台机组t时段煤与煤气混合燃烧的燃料单价，C^coal、C^bfg、C^cog分别为外购煤、高炉煤气，焦炉煤气的价格；Q^coal、Q^bfg、Q^cog分别为煤、高炉煤气，焦炉煤气的热值；其中Q^B为标煤热值，其值恒定为29308KJ/Kg； 分别为第i台机组t时段煤、高炉煤气，焦炉煤气占总燃料热量的比例。

考虑煤气掺烧的情况，从企业现有的系统中读取煤，高炉煤气，焦炉煤气的量以 及其对应的机组的有功出力，将煤，高炉煤气，焦炉煤气折合成标煤量，然后拟合得到一个周期T内的机组能耗模型F(P)_i,t＝aP_i,t ²+bP_i,t+c其中a,b,c为拟合系数；

步骤四，根据企业机组能耗，外购电成本及外送电收益实际情况建立以全系统发电成本最小为目标的优化调度模型；以15分钟作为一个优化的逻辑时段，以调度周期内负荷预测曲线作为研究对象，结合生产和检修计划，优化企业内部可调度发电机组的出力，优化目标是企业自发电成本最小。

钢铁企业发电成本优化模型为，目标函数：

$\min C_{\cos t}=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{zf}(i,t)}+C_{\mathrm{wg}}-C_{\mathrm{ws}})$

约束条件：

$C_{\mathrm{wg}}=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{P}_{w,t}\×C_t\×{\mathrm{\δ}}_t$

$C_{\mathrm{ws}}=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{ws},t}\×C_s\×{\mathrm{\σ}}_t$

$\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,t}+P_{w,t}=P_{\mathrm{load},t}$

P_i,min≤P_i,t≤P_i,max

-UR_i≤P_i,t-P_i,t-1≤UR_i,i＝1,2...K

$P_{\mathrm{ij},t}=\underset{i\∈M}{\mathrm{\Σ}}[P(i,t)-S_{i,t}]{\mathrm{\ω}}_{i,j,t}$

P_ij,min≤P_ij,t≤P_ij,max

$P_{w,\min }\≤\underset{t=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{w,t}\≤P_{w,\max }$

其中，K为企业内可调度的自备电厂发电机组数，N为系统调度周期T内所包含的时段数，C_zf(i,t)为第i台机组t时段的自发电成本，C_wg外购电成本，P_w,t外购电量，C_t为t时段的外购电价，δ_t为0,1量表征有无外供电，C_ws外送电收益，P_ws,t外送电量，C_s为外送电价，σ_t为0,1量表征无外送电，P_i,t为i台机组t时段的有功出力，P_load,t为 t时段企业负荷预测值，P_i,min，P_i,max分别为机组i出力及其上下限，-UR_i，UR_i为机组i每时段可加减负荷的最大值（机组的爬坡能力），P_ij,t为支路ij在t时间段上的潮流，P(i,t)为节点i在t时间段的注入功率，M为节点i下包括的监视元件数，S_i,t为节点负荷功率，ω_i,j,t为节点注入功率对支路ij在t时间段上的影响系数，P_ij,min，P_ij,max表示支路ij潮流的上下限，P_w,min，P_w,max别表示发电机i在时间T内由合同确定的供购电量上下限；

步骤五，依据优化求解获得企业自发电机组出力，外购电量，外送电量的结果，考虑全部网络监视元件，对各时段进行安全校核，若没有新增监视元件电压或电流越限，则进入步骤六，否则计算新增越限监视元件的影响系数信息，然后进入步骤二；

步骤六，迭代结束，得出钢铁企业自发电计划，优化结束，给出成本最小的自发电方案。

本发明的有益效果是：

采用本发明提出的钢铁企业发电成本优化调度方法，可以合理地安排未来企业自备电站的发电计划，本发明综合考虑了企业自发电、外购电、外送电对于发电成本的影响，同时考虑了日前系统运行时的平衡约束、发电机组自身运行约束、外购电量约束和电网安全运行约束等各种约束条件，保证了发电计划的可执行性；本发明考虑系统负荷预测曲线、生产检修计划、外购电峰平谷电价差异，外送电收益等情况，优化企业自发电机组的出力计划，保证了企业自备电站在满足系统安全稳定前提下经济运行。

附图说明

图1为本发明的钢铁企业发电成本优化方法的流程框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明

请参阅图1，本发明的钢铁企业发电成本优化的方法，可满足生产负荷需要、发电机组出力、线路传输容量等任务，同时保证企业电网的安全稳定运行，结合负荷预测曲线，生产和检修计划，进一步优化调整自发电出力，以及自发电和外购电的比例关系，使企业发电成本最小。所述钢铁企业发电成本优化的方法包括以下步骤：

本发明包括以下步骤：

步骤一，确定需要进行发电成本优化的调度周期T，获取机组发电成本优化参数， 这些参数包括：调度周期内企业负荷预测曲线、生产和检修计划、外购送电计划、机组的启停状态、可用状态、固定的发电机组出力计划，可调整机组出力计划；

步骤二，获取用于日前发电计划编制的网络断面，网络断面是指在电网安全或电量交易上相互关联的一组输电线路(也可以是变压器或发电机等)，同时结合企业生产检修计划，利用电网模型自动生成各时段的网络拓扑，并计算各时段的潮流分布及监视元件影响系数；

步骤三，确定周期内考虑煤气掺烧情况下的发电机组燃料成本:

$C_{\mathrm{zf}}=\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[F{\left(P\right)}_{i,T}\×C_{i,t}^f]$

F(P)_i,t＝aP_i,t ²+bP_i,t+c

其中，C_zf为发电机组燃料成本，F(P)_i,t为第i台机组t时段的标煤耗，P_i,t为第i台机组t时段的有功出力，为第i台机组t时段煤与煤气混合燃烧的燃料单价，C^coal、C^bfg、C^cog分别为外购煤、高炉煤气，焦炉煤气的价格；Q^coal、Q^bfg、Q^cog分别为煤、高炉煤气，焦炉煤气的热值；其中Q^B为标煤热值，其值恒定为29308KJ/Kg； 分别为第i台机组t时段煤、高炉煤气，焦炉煤气占总燃料热量的比例。

考虑煤气掺烧的情况，从企业现有的系统中读取煤，高炉煤气，焦炉煤气的量以及其对应的机组的有功出力，将煤，高炉煤气，焦炉煤气折合成标煤量，然后拟合得到一个周期T内的机组能耗模型F(P)_i,t＝aP_i,t ²+bP_i,t+c其中a,b,c为拟合系数；

步骤四，根据企业机组能耗，外购电成本及外送电收益实际情况建立以全系统发电成本最小为目标的优化调度模型；以15分钟作为一个优化的逻辑时段，以调度周期内负荷预测曲线作为研究对象，结合生产和检修计划，优化企业内部可调度发电机组的出力，优化目标是企业自发电成本最小。

钢铁企业发电成本优化模型为，目标函数：

$\min C_{\cos t}=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{zf}(i,t)}+C_{\mathrm{wg}}-C_{\mathrm{ws}})$

约束条件：

$C_{\mathrm{wg}}=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{P}_{w,t}\×C_t\×{\mathrm{\δ}}_t$

$C_{\mathrm{ws}}=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{ws},t}\×C_s\×{\mathrm{\σ}}_t$

$\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,t}+P_{w,t}=P_{\mathrm{load},t}$

P_i,min≤P_i,t≤P_i,max

-UR_i≤P_i,t-P_i,t-1≤UR_i,i＝1,2...K

$P_{\mathrm{ij},t}=\underset{i\∈M}{\mathrm{\Σ}}[P(i,t)-S_{i,t}]{\mathrm{\ω}}_{i,j,t}$

P_ij,min≤P_ij,t≤P_ij,max

$P_{w,\min }\≤\underset{t=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{w,t}\≤P_{w,\max }$

其中，K为企业内可调度的自备电厂发电机组数，N为系统调度周期T内所包含的时段数，C_zf(i,t)为第i台机组t时段的自发电成本，C_wg外购电成本，P_w,t外购电量，C_t为t时段的外购电价，δ_t为0,1量表征有无外供电，C_ws外送电收益，P_ws,t外送电量，C_s为外送电价，σ_t为0,1量表征无外送电，P_i,t为i台机组t时段的有功出力，P_load,t为t时段企业负荷预测值，P_i,min，P_i,max分别为机组i出力及其上下限，-UR_i，UR_i为机组i每时段可加减负荷的最大值（机组的爬坡能力），P_ij,t为支路ij在t时间段上的潮流，P(i,t)为节点i在t时间段的注入功率，M为节点i下包括的监视元件数，S_i,t为节点负荷功率，ω_i,j,t为节点注入功率对支路ij在t时间段上的影响系数，P_ij,min，P_ij,max表示支路ij潮流的上下限，P_w,min，P_w,max别表示发电机i在时间T内由合同确定的供购电量上下限；

步骤五，依据优化求解获得企业自发电机组出力，外购电量，外送电量的结果，考虑全部网络监视元件，对各时段进行安全校核，若没有新增监视元件电压或电流越限，则进入步骤六，否则计算新增越限监视元件的影响系数信息，然后进入步骤二；

步骤六，迭代结束，得出钢铁企业自发电计划，优化结束，给出成本最小的自发电方案。

本发明的有益效果是：

采用本发明提出的钢铁企业发电成本优化调度方法，可以合理地安排未来企业自备电站的发电计划，本发明综合考虑了企业自发电、外购电、外送电对于发电成本的影响，同时考虑了日前系统运行时的平衡约束、发电机组自身运行约束、外购电量约束和电网安全运行约束等各种约束条件，保证了发电计划的可执行性；本发明考虑系统负荷预测曲线、生产检修计划、外购电峰平谷电价差异，外送电收益等情况，优化企业自发电机组的出力计划，保证了企业自备电站在满足系统安全稳定前提下经济运行。

本发明提出的钢铁企业发电成本优化调度方法，可以合理地安排未来企业自备电站的发电计划，本发明综合考虑了企业自发电、外购电、外送电对于发电成本的影响，同时考虑了日前系统运行时的平衡约束、发电机组自身运行约束、外购电量约束和电网安全运行约束等各种约束条件，保证了发电计划的可执行性；本发明考虑系统负荷预测曲线、生产检修计划、外购电峰平谷电价差异，外送电收益等情况，优化企业自发电机组的出力计划，保证了企业自备电站在满足系统安全稳定前提下经济运行。

以上实施例仅供说明本发明之用，并非是对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种变换或变型，因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由个权利要求所限定。

Claims (1)

1.一种钢铁企业发电成本优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，确定需要进行发电成本优化的调度周期T，获取机组发电成本优化参数，这些参数包括：调度周期内企业负荷预测曲线、生产和检修计划、外购送电计划、机组的启停状态、可用状态、固定的发电机组出力计划，调整机组出力计划；

步骤二，获取用于日前发电计划编制的网络断面，网络断面是指在电网安全或电量交易上相互关联的一组输电线路，同时结合企业生产检修计划，利用电网模型自动生成各时段的网络拓扑，并计算各时段的潮流分布及监视元件影响系数；

步骤三，确定周期内考虑煤气掺烧情况下的发电机组燃料成本:

$C_{\mathrm{zf}}=\underset{t=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[F{\left(P\right)}_{i,t}\×C_{i,t}^f]$

F(P)_i,t＝aP_i,t ²+bP_i,t+c

$C_{i,t}^f=C^{\mathrm{coal}}\×\frac{Q^B}{Q^{\mathrm{coal}}}\×Y_{i,t}^{\mathrm{coal}}+C^{\mathrm{bfg}}\×\frac{Q^B}{Q^{\mathrm{bfg}}}\×Y_{i,t}^{\mathrm{bfg}}+C^{\mathrm{cog}}\×\frac{Q^B}{Q^{\mathrm{cog}}}\×Y_{i,t}^{\mathrm{cog}}$

其中，C_zf为发电机组燃料成本，F(P)_i,t为第i台机组t时段的标煤耗，P_i,t为第i台机组t时段的有功出力，为第i台机组t时段煤与煤气混合燃烧的燃料单价，C^coal、C^bfg、C^cog分别为外购煤、高炉煤气，焦炉煤气的价格；Q^coal、Q^bfg、Q^cog分别为煤、高炉煤气，焦炉煤气的热值；其中Q^B为标煤热值，其值恒定为29308KJ/Kg； 分别为第i台机组t时段煤、高炉煤气，焦炉煤气占总燃料热量的比例；

考虑煤气掺烧的情况，从企业现有的系统中读取煤，高炉煤气，焦炉煤气的量以及其对应的机组的有功出力，将煤，高炉煤气，焦炉煤气折合成标煤量，然后拟合得到一个周期T内的机组能耗模型F(P)_i,t＝aP_i,t ²+bP_i,t+c其中a,b,c为拟合系数；

步骤四，根据企业机组能耗，外购电成本及外送电收益实际情况建立以全系统发电成本最小为目标的优化调度模型；以15分钟作为一个优化的逻辑时段，以调度周期内负荷预测曲线作为研究对象，结合生产和检修计划，优化企业内部调度发电机组的出力，优化目标是企业自发电成本最小；

钢铁企业发电成本优化模型为，目标函数：

$\min C_{\cos t}=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}(\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{zf}(i,t)}+C_{\mathrm{wg}}-C_{\mathrm{ws}})$

约束条件：

$C_{\mathrm{wg}}=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{P}_{w,t}\×C_t\×{\mathrm{\δ}}_t$

$C_{\mathrm{ws}}=\underset{t}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{ws},t}\×C_s\×{\mathrm{\σ}}_t$

$\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,t}+P_{w,t}=P_{\mathrm{load},t}$

P_i,min≤P_i,t≤P_i,max

-UR_i≤P_i,t-P_i,t-1≤UR_i,i＝1,2...K

$P_{\mathrm{ij},t}=\underset{i\∈M}{\mathrm{\Σ}}[P(i,t)-S_{i,t}]{\mathrm{\ω}}_{i,j,t}$

P_ij,min≤P_ij,t≤P_ij,max

$P_{w,\min }\≤\underset{t=1}{\overset{24}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{w,t}\≤P_{w,\max }$

其中，K为企业内可调度的自备电厂发电机组数，N为系统调度周期T内所包含的时段数，C_zf(i,t)为第i台机组t时段的自发电成本，C_wg外购电成本，P_w,t外购电量，C_t为t时段的外购电价，δ_t为0,1量表征有无外供电，C_ws外送电收益，P_ws,t外送电量，C_s为外送电价，σ_t为0,1量表征无外送电，P_i,t为i台机组t时段的有功出力，P_load,t为t时段企业负荷预测值，P_i,min，P_i,max分别为机组i出力及其上下限，-UR_i，UR_i为机组i每时段可加减负荷的最大值，P_ij,t为支路ij在t时间段上的潮流，P(i,t)为节点i在t时间段的注入功率，M为节点i下包括的监视元件数，S_i,t为节点负荷功率，ω_i,j,t为节点注入功率对支路ij在t时间段上的影响系数，P_ij,min，P_ij,max表示支路ij潮流的上下限，P_w,min，P_w,max别表示发电机i在时间T内由合同确定的供购电量上下限；

步骤五，依据优化求解获得企业自发电机组出力，外购电量，外送电量的结果，考虑全部网络监视元件，对各时段进行安全校核，若没有新增监视元件电压或电流越限，则进入步骤六，否则计算新增越限监视元件的影响系数信息，然后进入步骤二；

步骤六，迭代结束，得出钢铁企业自发电计划，优化结束，给出成本最小的自发电方案。