CN1737838B - 对发电和配电进行经济分析的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

经济分配程序以每个发电机都操作在由无功功率曲线定义的最佳操作范围内的方式优化分配负载需求，该负载需求规定了要由发电厂在多个发电机中生成的有功功率和无功功率。考虑发电机的无功功率曲线分配电能需求，使得可以优化产生由负载需求规定的有功功率和无功功率。可替代地，经济分配程序分配规定了在各发电厂中通过电网输送的有功功率和无功功率的负载需求，其中一个或多个发电厂具有由无功功率曲线显示的容量限制。

Description

对发电和配电进行经济分析的方法和装置
技术领域
本申请总地来说涉及计算机软件，特别是涉及用在发电和配电系统中的计算机软件。
背景技术
在21世纪，生活中的方方面面都要用到电能。然而，多数电能的用户都没有意识到，电在到达他们家之前穿过了发电和配电系统的复杂网络。例如2003年8月14日和15日发生在几乎整个美国东北部和加拿大的那次停电事件，已经反复说明了发电和配电的复杂性，使人们清楚地认识到发电和配电的各个过程和系统需要非常仔细的计划。
在美国，发电和配电惯例上是由例如联邦能源管理委员会(FERC)的联邦政府机构以及各个州的公共事业部门来高度调配的。这些管理部门负责给发电和配电的公共事业公司(后面称作“公用电站(utility)”)制定发电和配电的性能标准和要求。例如，这些管理部门负责对配电系统上各点的有功功率作规定。根据上述规定的要求，公用电站决定生成多少电能，在哪发电，以及如何分配这些电能。
公用电站采用不同类型的发电机发电，这些发电机根据发电采用的能源分为热能、核能、风能、水电等发电机。这些不同种类的发电机都在不同的限制下工作。例如，热能发电机的输出随锅炉中生成的热量而变化，其中每小时燃烧的燃料的总量限制了每小时生成的热量。另外，热能发电机的输出被各种环境规定所限制，这些环境规定限定了热能发电机放出的某些有毒气体的最大排放量。类似情况的限制同样也存在于其它类型的发电系统中。
当公用电站接收到对将输送的有功功率的要求时，它将决定哪一个发电单元使用什么级别。在作该决定的时候，公用电站需要考虑每个可用发电机的限制。此外，为了使发电的成本最小，公用电站通常利用用于计划发电的多个完善的数学和预测模型中的任意一个，来找到发电的最佳组合。特别是，通常被称作经济分配程序的计算机程序可以帮助公用电站基于有功功率要求决定发电机的操作。
众所周知，电功率包括有功功率和无功功率，其中有功功率用兆瓦(MW)表示，无功功率用兆伏安(MVAR)表示。由于公用电站通常仅仅接收对有功功率电能的要求，所以传统的经济分配程序也仅仅根据有功功率来决定最优的操作方案。因此，这些程序允许公用电站基于规定的有功功率决定各个发电机的最佳操作，而没有考虑无功功率要求。然而，将配电网的无功功率保持在某一等级以避免变压器以及其它配电设备的损坏是很必要的。因此，公用电站还不得不生成以及配送至少一些无功功率。在过去，由于管理部门对无功功率的等级没有要求，所以电网的无功功率等级主要由各个公用电站间的协定来保持，而很少由发电的最佳实践来决定。此外，由于公用电站对于电能所收取的费用通常受到高度的控制，并且通常受到发电的成本的限制，所以当公用电站可以容易地将生成无功功率的附加成本转给他们的用户时，公用电站通常不会对生成和配送无功功率的成本给予太多的重视。
然而，在最近的20年，美国的电力工业已经有大量的调整和重组，这使得公用电站间的竞争增强了，并且使得公用电站更加关心它们的成本结构。尤其是，由于竞争的增强，公共电站不能再因为较高的生产成本而自动地向它的用户收取更高费用了。因此，公用电站更加重视产生和分配有功功率和无功功率的成本，在没有足够的补偿的情况下，不愿意提供无功功率来适当地维持配电网。
在这种环境下，为了维持配电网中无功功率所必需的等级，作为一个公共工业贸易组织的北美电力安全委员会(NERC)已经开始为公用电站要维持的无功功率的等级提供技术标准。因此，当公用电站在决定关于用哪种发电技术发电时，不仅要考虑要生成的有功功率，同时也要考虑要生成的无功功率。
不幸的是，由于有功功率和无功功率两者间的关系，优化有功功率和无功功率二者的产生的任务是很复杂的，并且市场上没有任何能够同时优化有功功率和无功功率的产生的经济分配程序。
发明内容
有鉴于此，本发明在一个方面提供了一种优化具有多个发电装置的发电系统的操作的方法，该方法包括：
获得该发电系统的目标函数；
获得该发电系统的多个操作限制；
确定该发电系统的多个参数之间的多个关系，所述多个关系包括将多个发电装置中的一个的最优操作范围规定为多个发电装置中的该发电装置的功率因数的函数的第一关系；和
求解所述多个关系，以得到该目标函数在该发电系统的所述多个操作限制内的最优解。
本发明在第二方面提供了一种操作具有多个发电机的发电厂的方法，该方法包括：
接收负载需求，该负载需求规定了(1)发电厂产生的有功功率和(2)发电厂产生的无功功率；
确定发电厂的目标函数，该目标函数将发电厂的操作条件规定为(1)发电厂产生的有功功率和(2)发电厂产生的无功功率的函数；和
确定该目标函数的最优值。
本发明在第三方面提供了一种用于优化具有多个发电装置的发电系统的操作的经济分析系统，该系统包括：
适于存储该发电系统的目标函数的第一模块；
适于存储该发电系统的多个操作限制的第二模块；
适于存储该发电系统的多个参数之间的多个关系的第三模块，所述多个关系包括将多个发电装置中的一个的最优操作范围规定为多个发电装置中的该发电装置的功率因数的函数的第一关系；和
适于求解所述多个关系以得到该目标函数在该发电系统的所述多个操作限制内的最优解的第四模块。
本发明在第四方面提供了一种发电系统，包括多个发电装置和经济分析系统，其中经济分析系统包括：
适于得到该发电系统的目标函数的第一模块；
适于得到该发电系统的多个操作限制的第二模块；
适于确定该发电系统的多个参数之间的多个关系的第三模块，所述多个关系包括将多个发电装置中的一个的最优操作范围规定为多个发电装置中的该发电装置的功率因数的函数的第一关系；和
适于求解所述多个关系以得到该目标函数在该发电系统的所述多个操作限制内的最优解的第四模块。
附图说明
图1是配电系统的框图。
图2是发电厂的框图。
图3是图2中的发电厂所采用的经济分配程序的示例的流程图。
图4是图3中的经济分配程序中所采用的数学求解程序的示例的流程图。
图5是采用热能发电机的发电厂的框图。
图6是燃烧式涡轮发电机的无功功率曲线。
图7是蒸汽涡轮发电机的无功功率曲线。
具体实施方式
通常来讲，经济分配程序以这里所描述的那样操作，以在各个可利用的发电资源中分配电力系统的负载需求。这种经济分配程序的一个示例将发电厂的负载需求分配给各个发电机，其中负载需求规定了发电厂对有功功率需求的总量以及对无功功率需求的总量。经济分配程序可以利用与发电机相关的各种性能限制，包括一个或多个发电机的无功功率曲线(reactive capabilitycurve)，该曲线提供发电机的功率因数、发电机产生的有功功率和发电机产生的无功功率间的关系。经济分配程序的一个可替代示例将电网的负载需求分配给各个发电厂，其中负载需求规定了电网的有功功率需求以及无功功率需求，并且其中一个或多个发电厂例如用无功功率曲线来表示无功功率限制。
图1示出了配电系统10，其具有连接到负载网14的电网12。电网12可以传送有功功率和无功功率，其中有功功率由兆瓦(MW)计量，无功功率是电压和交变电流异向量的乘积，由百万伏安(MVAR)计量。图1中的负载网14的示例可以将电能供给会用到耗电装置，如空调、电机、灯、电器等等的工业用户和住宅用户。尤其是，负载网14可以将有功功率提供给灯泡等装置，并且将有功功率和无功功率同时提供给电机、变压器等装置。因此，电网12必须在负载网14上一直保持一定级别的有功功率和无功功率。
如图1所示，电网12还可以连接到一个或多个公共网16、18上。在这个示例中，公共网16连接到第二电网20上，所示出的公共网18由一个或多个发电厂22-26组成，可以包括各种类型的发电厂，例如核能发电厂、水力发电厂、热能发电厂等等。另外，每个发电厂22-26可以包括任意数量的单独的发电机。如上所述，公共网18的运行是很复杂的。因此，为了维持公共网18的稳定运行，必须对每个电厂22-26都进行高度精确的管理。此外，需要公共网18的操作员可以确保公共网18能以总成本最小的方式在公共网18的所有点维持和提供有功功率和无功功率。为了完成这样的优化操作，公共网18可以采用如这里所描述的经济分配程序，该程序同时考虑了公共网18、电网12或负载网14上所需的有功功率和无功功率，以在发电厂22-26之间分配所需的负载需求。
在电厂级别上，每个发电厂22-26面对操作一个或多个发电机的问题，从而每个发电厂22-26可以以足够的精度以及最少的合理成本满足各个发电机的功率需求。在上下文中，发电厂22-26中任何一个电厂的操作员可以采用经济分配程序在各个发电机之间分配所需的负载需求。以此方式，可以在配电系统10内以各种级别来使用经济分配程序，例如公共网级别、电厂级别、发电机级别等。无论在什么级别使用经济分配程序，该程序都以一些最佳方式在各可用源之间分配所需的负载需求。
图2是发电厂100的框图，其采用了经济分配模块102在多个发电机106-110中分配负载需求104。负载需求104可以规定将由发电厂100输送的有功功率量、将由发电厂100输送的无功功率量、输送有功功率和/或无功功率的时间和地点中的一个或多个。经济分配模块102可利用与发电机106-110相关的各种信息，例如每个发电机106-110的可用性、操作条件以及功效，从而来决定在发电机106-110之间如何最优地分配负载需求104。如果需要的话，经济分配模块102可以作为存储到计算机存储器中并且由计算机控制器来操作的软件执行，也可以作为硬件、固件或它们的任何组合来执行。
图3是经济分配程序140的一个示例的流程图，其可通过经济分配模块102来执行。一般来讲，经济分配程序140通过求解目标函数来决定在各个发电机106-110中负载需求104的分配，该目标函数由发电厂100的管理者提供给经济分配程序140，以确定该电厂的最优操作点。为了执行这一优化，经济分配程序140接收有关发电厂100的各种信息，例如限定电厂100操作所用的参数、这些参数中的某些参数的值、这些参数之间的关系以及电厂操作上的限制，其中参数之间的关系包括发电厂100中使用的各个电机的无功功率曲线。
特别是，框142接收发电厂100的目标函数，经济分配程序140将对该目标函数进行优化。该目标函数的一个示例可以是将产生给定量的有功功率和给定量的无功功率的总成本规定为生成这些能量所需的燃料总量的函数。在另一个可替代执行方案中，目标函数可以将生产给定量的有功功率和给定量的无功功率过程中的总释放量规定为生成这些能量所用燃料的单位释放量的函数。当然，可以采用任何其他所期望的目标函数。框142可以以任何期望的方式接收目标函数，例如，以存储在经济分配模块102上的电子数据表入口的形式，或者提供给管理者的菜单的基础上的图形用户界面(GUI)的一系列可选项的形式。
根据接收到的目标函数，框144确定用来限定发电厂100的操作的各个参数。通常，在目标函数中规定或使用了这些参数，并且这些参数中的一个或多个的数值是变化的，以找到目标函数的最优值。一般来讲，经济分配程序140将这些参数中的一些视为常数，这些常数的值不会被经济分配程序140改变，将这些参数中的一些视为可控制或操作的变量，这些变量的值可以由经济分配程序140控制，将这些参数中的一些视为附属变量，其值将由经济分配程序140来确定。
一般地讲，发电厂100的目标函数由一个等式表示，该等式包括发电厂100的一个或多个参数，其中这些参数中一些参数的数值是通过求解规定发电厂100的操作的一个或多个关系来得到的，上述关系包括由发电厂100中使用的各个发电机的无功功率曲线所规定的关系。经济分配程序140可以根据框142接收到的目标函数来决定将哪个参数视为常量，将哪个参数视为操作变量或是视为附属变量。经济分配程序140也可以使用发电厂100的其他信息做出上述决定，例如使用存储在经济分配模块102中的数据库文件，其中数据库文件具有不同的对象，每个对象定义发电厂100中的不同设备。例如，如果所述目标函数规定操作发电厂100的总成本，那么经济分配程序140可以将燃料的成本以及发电机106-110的冷却气体发生器温度、冷却气体发生器压力等视为常数。在这种情况下，当决定发电厂100的最优操作点时，经济分配程序140也可以将由负载需求104规定的有功功率量和无功功率量视为常量。
在一个可替代实施例中，如果目标函数规定了发电厂100的污染气体的总排放量，那么经济分配程序140可以将发电厂100使用的每单元燃料的NOX的排放量视为常量，并且将燃料的成本视为受控变量(其数值随所用燃料的品种和质量而变化)。此外，即使经济分配程序140的给定执行将一个特定参数视为常量，经济分配程序140的可替代执行也可以将该特定参数视为操作变量或视为附属变量。
发电厂100的各个操作变量的示例包括流入发电机106-110的燃料流动速率，发电机106-110的运行功率因数等等。一般来讲，操作变量是电厂100中的那些可以变化和改变的量，以规定电厂100的不同操作点。本领域普通技术人员将可以知道，在经济分配程序140的一个给定执行中被视为操作变量的一些变量在经济分配程序140的可替代执行中可以被视为附属变量，而在经济分配程序140的一个给定执行中视为附属变量的一些变量在经济分配程序140的可替代执行中也可以被视为操作变量。
当决定采用哪些参数来限定发电厂100的操作时，框146将接收各个常量的数值。经济分配程序140从负载需求104接收一些常量的数值，例如发电厂100生成的有功功率量和无功功率量。一般来讲，使用者可以提供一些常量值，例如发电机106-110所使用的燃气的成本、燃料燃烧的热值等等。在可替代实施方式中，经济分配模块102可以以通信的方式连接到发电厂控制系统，该控制系统用于给经济分配程序140提供各个常量值，例如燃料的成本、NH3的成本等等。经济分配程序140也可以响应于使用者的指令或是根据其他的预定标准，周期性地将各个常量值存储到经济分配模块102的存储器中去。
框148确定由框142所确定的各个参数之间的关系，包括发电机106-110的无功功率曲线所规定的关系。这些关系将各个附属变量的值定义为一个或多个参数的函数。这样一种数学关系的一个示例是将发电机106产生的热量值定义为发电机106中燃料流动速率的函数，以及发电机106中流过的气体的热值的函数。然而这样一种关系的另一个示例是发电机108的无功功率曲线，其提供发电机108产生的无功功率值作为发电机108的冷气温度的函数和冷气压力的函数。当然，可以用任何其他公知的或是期望的关系来代替或者附加到这里列举的这些关系。
经济分配程序140可以以电子数据表的形式或是以任何其他所期望的方式从使用者那里、从存储在经济分配模块102的数据库文件等中接收各种关系，其中数据文件具有不同的对象，每个对象定义发电厂100中的设备。可替代地，可以以通信的方式与经济分配模块102连接的电厂控制系统可以给经济分配程序140提供一个或多个上述的关系。此外，如图3中的框148所示，经济分配程序140可以依周期或是根据任何其他预定的标准更新这些关系。
下一步，框150识别和发电厂100的操作相关的各种限制。可以采用的限制中的一个示例是所有发电机106-110生成的无功功率的总量必须等于发电厂100需要生产的无功功率的总量，这一点是由负载需求104所规定的。限制的另一个示例是每个发电机106-110中流入的燃料不能少于零。经济分配程序140可以以电子数据表的形式或以任何其他方式从使用者那里、从存储在经济分配模块102中的数据库文件中接收各种限制，其中数据库文件具有不同的对象，每个对象确定发电厂100中的设备。可替代地，以通信的方式与经济分配模块102连接的电厂控制系统可以给经济分配程序140规定一个或多个上述的限制。
接下来，框152通过求解各关系得到框142接收到的目标函数的最优解，来决定发电厂100的操作的最优方案。在确定最优解中，经济分配程序140通常使用了框144所规定的各参数值、框146所确定的常量值、框148所定义的各个参数间的关系以及框150所规定的限制。尤其是，经济分配程序140可以以某一系统方式改变操作变量，以确定一组附属变量值，该值带给目标函数最优数值。
图4是程序160(通常被称为求解程序)的流程图，其可用于根据发电厂100的各种限制求解发电厂100的目标函数。求解程序160的一个示例通过采用迭代算法确定目标函数的最优解，迭代算法通常被称为改良算法，其中选出限制中的一组候选解点，得到一组对应于候选解点的局部解，并且从一组局部的解中选出一个作为目标函数的最优解。
特别是，框162确定目标函数的一组候选解点，其中每一个候选解点由定义了发电厂100的操作点的一组操作变量决定。框162可以通过分析发电厂100过去操作的数据，通过从模块或使用者那里获得这些解点等来确定该组候选解点。如果需要，这些数据可以存储到经济分配模块102的数据库中。
框164针对该组候选解点中的一个来求解目标函数，并存储目标函数的初数值。在求解的过程中，框164采用由框148规定的一个或多个关系以确定在该组候选解点中的一个点的各附属变量的变量值。框164然后用由所选择组的候选解点定义的附属变量、常量和操作变量来求解目标函数，并且检查以确定各个附属变量的变量值是否在框150所识别的限制内，如果没有，那么将这些值限制在限制条件内。
接下来，框166基于一些预定的标准改变一个或多个受控变量的值并且求解目标函数，以决定目标函数的可变值。求解程序160可以基于预定的标准决定改变受控变量的方向和数值，其中预定的标准是由发电厂100的管理者规定的，或是随机，伪随机，或者是以某些预定或是循环的方式确定的。
框168比较目标函数的最初数值和变化后的数值以确定哪个值更优选，以及确定目标函数值变化的方向和目标函数值变化的量。基于比较结果，框168确定操作变量的数值是否需要进一步改变，以及如果数值进一步改变，那么改变的方向是怎样的以及改变多少。在这种方式中，框166和168一起操作以反复改变操作变量的数值，直到框168确定目标函数的最终数值为在候选解点组的一个点附近的目标函数的最优值为止，该最优值也被认为是局部的最优解。
一旦得到该局部的最优解，框170就将局部的最优解存储为目标函数的一组局部最优解中的一个。接下来，框172确定在候选解点组中是否还有其他更多的可以得到局部最优解的候选解点。假如有的话，将控制返回到框164，以针对一组候选点中的下一个寻找另一个局部最优解。如果框172确定针对候选解点组中每一个的局部最优解已经被找到，就通过该控制进入框174，框174比较一组局部最优解中的每一个的目标函数的数值，并且决定目标函数的最优解。如上所述的求解程序160的执行，即使当发电厂100的目标函数成倍于局部最优值，也能确保得到这些局部最优值中最优的数值。
求解程序160可以以软件、硬件、固件或是它们之间的任意组合的方式来执行。例如，求解程序160可以采用现有数学求解程序中的一种，例如Frontline系统有限公司的Evolutionary 程序。
经济分配程序140的上述执行在一般发电厂100的范围中给予了描述，图5-7示出了在热能发电厂200的范围中的经济分配程序140的功能。尤其是，图5中示出的发电厂200是一个热能发电厂，被设计为联合循环发电厂(CCPP)，其可以如简单的循环发电厂一样的操作。如图5所示，典型的CCPP具有几个燃烧式涡轮发电机(CTG)202和204，每个发电机具有对应的余热回收蒸汽发生器(HRSG)206和208以及普通的蒸汽涡轮发电机(STG)210。接收诸如天然气的燃料并且将该燃料连同压缩的空气一起放入它们的燃烧室中的CTG202和204具有两个最基本的功能。首先，CTG202和204通过氢冷却发电机212和214生成电能，该氢冷却发电机与CTG202和204直接连接。然后，CTG202和204给HRSG206和208提供热气。由发电机212和214生成的电能被加载到工厂电网216上，工厂电网216最终被连接到图1中的公共网18上。工厂电网216也可以连接到辅助电网218上，辅助电网218根据工厂电网216所需的总能量给工厂电网216提供有功功率和/或无功功率。
由于HRSG206和208吸收并利用了CTG202和204排出的能量用于生成额外的能量，因此在CCPP模式下操作发电厂200具有经济效率，在该模式中HRSG206和208连同CTG202和204一起使用。然而，也可以操作不具有HRSG206和208的CTG202和204，这被看作是一种简单循环模式运行，但是这将比CCPP模式下的效率低。当然，无论发电厂200是在CCPP模式运行还是在简单循环模式下运行，只有当使用了CTG202和204时，HRSG206和208才会运行。
HRSG206和208接收来自CTG202和204的热气和来自燃料源(未示出)的燃料，如天然气，HRSG206和208在GTG202和204以及STG210之间形成一个链接。如图5所示，HRSG206和208利用热气和燃料为STG210生成蒸汽，并在三个不同气压等级上将蒸汽提供给STG210，也就是在低压(LP)等级、中压(IP)等级和高压(HP)等级上。采用受压的蒸汽，STG210通过氢冷却发电机220生成电能，其中将发电机220生成的电能加载到工厂电网216上。
当发电厂在CCPP模式下操作时，HRSG206和208位于CTG202和204的下游，喷管燃烧器222和224一般置于HRSG206和208的入口处。只有当发电厂200在仅仅运行CTG202和204不能满足总能量的需求时，才使用喷管燃烧器222和224，这种情形一般发生CTG202和204生产的最大功率受到限制的天气比较热的时候。当喷管燃烧器222和224被采用时，在喷管燃烧器222和224中燃烧的额外的气体使得HRSG206和208生成的蒸汽量增加，因此在STG210中有更多的蒸汽可以加以利用，由此增加了STG210生成的能量。因此，当为了获得最优电能而决定发电厂200的运行参数时，需要考虑是否选用喷管燃烧器222和224。
发电厂200利用发电机202、204和210以及喷管燃烧器222和224的多个不同的组合，可以输出规定的有功功率和无功功率的组合。此外，发电机202、204和210以及喷管燃烧器222和224中的每一个都具有多种操作设置，这样采用操作设置的多个不同的组合可以满足给定的负载需求。结果，决定发电厂200中采用的各个设备的操作设置的最优组合将是一个非常复杂的工作。下面描述了图3中的经济分配程序140的一个应用，其决定在发电厂200中采用的各个设备的最优操作设置，并考虑了有功功率和无功功率的产生。
图3中的框142接收发电厂200的目标函数。当经济分配程序140的目的是最小化发电厂200运行的操作成本时，发电厂200的目标函数可以表示为：
Minimize(G1_HEAT*GAS_COST+G2_HEAT*GAS_COST+                 DB1_HEAT*GAS_COST+DB2_HEAT*GAS_COST)
目标函数中的各个参数的解释在表1中予以示出。
表1
图3中的框144识别了发电厂200的各个参数，其可以用于确定发电厂200的最优操作设置。为了执行该功能，图3中的框144可以基于程序呈现为菜单和/或采用图形用户界面(GUI)，以从发电厂200的管理者那里接收输入。
接下来，图3中的框146确定表1中列出的各个常量的数值。框146可以从存储在经济分配模块102的数据库中得到一个或多个这些常量的数值。可替代地，为了得到一个或多个这些常量的数值，框146可以基于程序呈现为菜单和/或采用图形用户界面(GUI)，以从发电厂200的管理者那里接收输入。然而在另一个执行中，与发电厂200以通讯方式连接的电厂控制系统可以给表1中列出的一个或多个常量提供数值。
此后，图3中的框148确定发电厂200的各个参数之间的关系。下面表2中以等式1-20列出了发电厂200各个参数之间的一些关系的例子，其可以被存储在经济分配模块102的存储器中。
表2
1 G1_HEAT＝(G1_FF*HEAT_VAL)/1000
2 G2_HEAT＝(G2_FF*HEAT_VAL)/1000
3 DB1_HEAT＝(DB1_FF*HEAT_VAL)/1000
4 DB2_HEAT＝(DB2_FF*HEAT_VAL)/1000
5 HP1_STM＝F(G1_HEAT，G1_EXT，DB1_HEAT)
6 HR1_STM＝F(G1_HEAT，G1_EXT，DB1_HEAT)
7 LP1_STM＝F(G1_HEAT，G1_EXT，DB1_HEAT)
8 HP2_STM＝F(G2_HEAT，G2_EXT，DB2_HEAT)
9 HR2_STM＝F(G2_HEAT，G2_EXT，DB2_HEAT)
10 LP2_STM＝F(G2_HEAT，G2_EXT，DB2_HEAT)
11 STG_HP＝HP1_STM+HP2_STM
12 STG_HR＝HR1_STM+HR2_STM
13 STG_LP＝LP1_STM+LP2_STM
14 G1_MW＝F(G1_HEAT，G1_CIT，G1_CGT，G1_CGP，G1_PF)
15 G1_MVAR＝F(G1_HEAT，G1_CIT，G1_CGT，G1_CGP，G1_PF)
16 G2_MW＝F(G2_HEAT，G2_CIT，G2_CGT，G2_CGP，G2_PF)
17 G2_MVAR＝F(G2_HEAT，G2_CIT，G2_CGT，G2_CGP，G2_PF)
18 STG_MW＝F(STG_HP，STG_HR，STG_LP，STG_CGT，STG_CGP，STG_PF)
19 STG_MVAR＝F(STG_HP，STG_HR，STG_LP，STG_CGT，STG_CGP，STG_PF)
20 AUX_MW＝F(G1_MW+G2_MW+STG_MW)
上面列出的等式1-13列举了发电厂200中的各个参数之间的线性关系，等式14-20是非线性函数，其中等式14-19是CTG202和204以及STG210中的一个或多个的无功功率曲线。在一个执行中，等式14-19可以获取CTG202和204以STG210的无功功率曲线，并且表示为神经网络模型，该模型用于将CTG202和204以及STG210生成的有功功率和无功功率值定义为这些公式右侧括号中的参数的函数。
特别是，表2中的等式15-17表示的是CTG202和204的无功功率曲线，并且在图6中由估算的无功功率曲线350予以描述，曲线350规定了在不同的功率因数、发电机温度和发电机压力下作用在一个特定CTG上的有功功率和无功功率上的限制。在图6中，CTG的有功功率绘制为横坐标，CTG的无功功率绘制为纵坐标。例如，曲线350所描绘的是冷却气体温度为24摄氏度、冷却气体压力为30.00PSIG时，该特定CTG的最优操作范围被限制到起点352、弧354、对应功率因数0.85的第一行356和对应功率因数-0.95的第二行358之间所限定的区域。而在优选的操作范围中，该特定CTG生成的总能量(MVA)在任何弧上在每个点都是一样，弧的中心处是起点，例如弧354，对于上述范围之外的点，由于在该CTG中生热，所以该具体CTG生成的MVA开始下降。
表2中的公式18-19表示的是STG210的无功功率曲线，其在图7中由估算的无功功率曲线370予以描述，曲线370规定了在不同功率因数、发电机温度和发电机压力下作用在一个特定STG上的有功功率和无功功率的限制。在图7中，STG的有功功率绘制成横坐标，STG的无功功率绘制成纵坐标。例如，曲线370所描绘的是冷却气体温度为42摄氏度、冷却气体压力为45PSIG时，该特定STG的最优操作范围被限制到起点372、弧374、对应功率因数0.85的第一行376和对应功率因数-0.95的第二行378之间限定的区域。而在优选的操作范围中，该特定STG生成的MVA在任何弧上在每个点都是一样，弧的中心处是起点，例如弧374，对于上述范围之外的点，由于在该STG中生热，所以STG生成的MVA开始下降。
通常，诸如CTG202和204以及STG210的发电机的估算无功功率曲线是由这些发电机的制造者提供的。当发电机202、204和210的无功功率曲线提供了这些发电机的操作范围时，如果这些发电机中的发电机气体温度值和气压值是可以得到的，那么经济分配程序140可以使用这些发电机的无功功率曲线来确定发电厂200的一个或多个操作点。然而，在实际中，任何一个发电机的无功功率曲线都是不稳定的，并且这些曲线在发电机使用的整个过程中都在随时间变化。
在这种情况下，为了得到发电厂200的目标函数的最优值，经济分配程序140可以估计描述发电厂200的实际的无功功率曲线的函数(例如表2中的函数14-19)。经济分配程序140可以利用如神经网络、采用插值法的曲线拟合等技术近似上述这些函数。经济分配程序140所使用的神经网络近似技术的一种实现方式可以包括是在各个气体压力和气体温度点操作发电机202、204和210，以及记录这些发电机的有功功率和无功功率的各个实际观测值(也被看作是训练神经网络)。接下来，被训练过的神经网络可以取代函数14-19并且被加以利用，以得到发电厂200的目标函数的最优值。经济分配程序140可以基于发电厂200的控制系统提供的实时数据连续地或是周期性地更新神经网络，并且使用更新后的神经网络来得到发电厂200的目标函数的最优值。
一旦经济分配程序140已经确定了发电厂200的各个关系，图3中的框150识别应用到发电厂200的限制，限制的一个例子已经在下面的表3中列出。
表3
限制
G1_MW+G2_MW+STG_MW-AUX_MW＝MW_DMD
G1_MVAR+G2_MVAR+STG_MVAR＝MVAR_DMD
G1_FF>＝0
G1_FF<＝F(G1_CIT)
G2_FF>＝0
G2_FF<＝F(G2_CIT)
G1_PF>＝0
G1_PF<＝1
G2_PF>＝0
G2_PF<＝1
STG_PF>＝0
STG_PF<＝1
DB1_FF>＝0
由于已经确定了发电厂200的目标函数、发电厂200的参数间的各个关系以及发电厂200的限制，所以框152利用图4中的求解程序160确定发电厂200的一个或多个最优操作解。
为了确定电厂200的最优操作解而采用无功功率曲线的一个优点是这些曲线允许将每个发电机202、204和210生成的有功功率和无功功率上的限制合并起来，无功功率曲线例如是曲线350和370或是近似这些曲线的一些模型。以这种方式，经济分配程序140可以利用由工厂电网216中负载需求所限定的有功功率和无功功率的值，并且确定每个发电机202、204和210的最优操作点。
当然，虽然对发电厂200应用经济分配程序140使发电厂200运行的成本最小化，但是在可替代方案中，发电厂200也可以用经济分配程序140来满足另一个目的，例如可以是最小化NOx的释放量，或是这两者的优化组合。在可替代执行中，经济分配程序140可以应用到整个公共网18上，以在多个发电厂22-26中分配公共电网18的总需求，这样可以使运行电网18的总成本最小化。在又一个可替代执行中，经济分配程序140可以应用到整个电网12上，以在公共网16、18等中分配电网12的总需求，这样可以使电网12的总运行成本最小化。
虽然前面的文字对本发明的多个不同的实施例给出了详细的描述，但是应该理解本发明的范围是由申请最后给出的权利要求的文字予以限定的。详细描述应该理解仅仅是示例性的，并且没有描述发明的各种可能性的示例，因为描述每个可能示例即使不是不可能的，也是不切实际的。可以采用当前的技术或是本申请提交后发展成的技术来执行多个可选择的示例，这仍然落入本发明的权利要求限定的范围中。
可以对这里所描述和示出的技术和结构作许多修改和变化，而不脱离本发明的精神和范围。因此，这里所描述的方法和设备仅仅是示意性的并不是用来限定发明范围。

Claims (40)

1.一种优化具有多个发电装置的发电系统的操作的方法，该方法包括：
获得该发电系统的目标函数，该目标函数将该发电系统的操作条件规定为该发电系统产生的有功功率和该发电系统产生的无功功率的函数；
获得该发电系统的多个操作限制；
确定该发电系统的多个参数之间的多个关系，所述多个关系包括将多个发电装置中的一个的最优操作范围规定为多个发电装置中的该发电装置的功率因数的函数的第一关系；和
求解所述多个关系，以得到该目标函数在该发电系统的所述多个操作限制内的最优解。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个操作限制中的至少一个规定了(1)该发电系统产生的无功功率和(2)该发电系统产生的有功功率中的一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一关系是用于发电机的无功功率曲线。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一关系是用于(1)燃料式涡轮发电机和(2)蒸汽涡轮发电机中的一个的无功功率曲线。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一关系由用于发电机的无功功率曲线的神经网络近似来表示。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标函数规定了该发电系统的操作成本。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述目标函数规定了由热能电厂产生(1)所需的有功功率量和(2)所需的无功功率量的成本。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述目标函数规定了在公共网上提供(1)所需的有功功率量和(2)所需的无功功率量的成本。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标函数规定了在该发电系统的操作过程中第一污染物的排放量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一关系进一步根据(1)多个发电装置中的一个内的冷却气体发生器压力和(2)多个发电装置中的一个内的冷却气体发生器温度中的至少一个，规定多个发电装置中的一个的最优操作范围。
11.根据权利要求1所述的方法，其中该发电系统的多个参数包括(1)一组操作变量、(2)一组常量和(3)一组附属变量。
12.根据权利要求11所述的方法，其中求解所述多个关系包括：
针对该组操作变量选择第一组值，其中所述第一组值表示发电系统的操作范围的第一候选解点；
利用所述第一组值计算目标函数的第一值；
改变该组操作变量的至少一个的值；
计算目标函数的第二值；
比较目标函数的第一值和目标函数的第二值；
根据目标函数的第一值和目标函数的第二值的比较，改变该组操作变量的至少一个的值；和
计算该目标函数的对应于第一候选解点的第一最优解。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一候选解点是从多个候选解点中选出的，其中多个候选解点的每一个被用来得到目标函数的多个候选最优解中的一个。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括从多个候选最优解中选出最佳的解。
15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括用神经网络近似所述第一关系。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在多个可操作点上通过操作多个发电装置中的一个来训练所述神经网络，并存储由多个发电装置中的一个所产生的有功功率和无功功率的值，所述的可操作点是由(1)多个发电装置中的一个内的冷却气体发生器压力和(2)多个发电装置中的一个内的冷却气体发生器温度规定的。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括根据(1)周期和(2)预定的标准中的一个更新所述神经网络。
18.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用曲线拟合技术近似所述第一关系。
19.根据权利要求1所述的方法，进一步包括从发电系统的控制系统中接收多个参数中的至少一些参数的值。
20.一种优化具有多个发电机的发电厂的操作的方法，该方法包括：
接收负载需求，该负载需求规定了(1)发电厂产生的有功功率和(2)发电厂产生的无功功率；
确定发电厂的目标函数，该目标函数将发电厂的操作条件规定为(1)发电厂产生的有功功率和(2)发电厂产生的无功功率的函数；
确定发电厂的多个参数之间的多个关系；和
通过求解发电厂的多个参数之间的多个关系来确定该目标函数的最优值。
21.根据权利要求20所述的方法，其中确定目标函数的最优值包括确定发电厂在多个发电机中至少一个的无功功率曲线的最优范围内操作。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括利用(1)曲线拟合技术和(2)神经网络中的一个来近似无功功率曲线。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括根据(1)周期和(2)预定的标准中的一个更新所述无功功率曲线。
24.根据权利要求20所述的方法，进一步包括利用改进的求解方法求解发电厂的多个参数间的多个关系。
25.根据权利要求20所述的方法，其中目标函数规定了生成(1)发电厂产生的有功功率和(2)发电厂产生的无功功率的成本。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述目标函数规定了发电厂的操作过程中第一污染物的排放量。
27.根据权利要求20所述的方法，其中发电厂的操作条件是(1)成本和(2)第一污染物的排放量中的一个。
28.一种用于优化具有多个发电装置的发电系统的操作的经济分析系统，该系统包括：
适于存储该发电系统的目标函数的第一模块，其中该目标函数将该发电系统的操作条件规定为该发电系统产生的有功功率和该发电系统产生的无功功率的函数；
适于存储该发电系统的多个操作限制的第二模块；
适于存储该发电系统的多个参数之间的多个关系的第三模块，所述多个关系包括将多个发电装置中的一个的最优操作范围规定为多个发电装置中的该发电装置的功率因数的函数的第一关系；和
适于求解所述多个关系以得到该目标函数在该发电系统的所述多个操作限制内的最优解的第四模块。
29.根据权利要求28所述的经济分析系统，其中所述第一关系是发电机的无功功率曲线。
30.根据权利要求29所述的经济分析系统，其中所述第三模块进一步适于利用(1)曲线拟合模型和(2)神经网络模型中的一个近似无功功率曲线。
31.根据权利要求30所述的经济分析系统，进一步包括以通信的方式连接到第三模块并适于给第三模块提供所述多个参数的值的电厂控制系统模块。
32.根据权利要求31所述的经济分析系统，进一步包括适于得到所述多个参数中的至少一些参数的更新值并更新无功功率曲线的第五模块。
33.根据权利要求28所述的经济分析系统，其中所述第四模块进一步适于使用改进求解算法求解所述多个关系。
34.根据权利要求28所述的经济分析系统，其中所述目标函数规定了发电系统的运行成本。
35.根据权利要求28所述的经济分析系统，其中所述目标函数规定了发电系统操作过程中第一污染物的排放量。
36.一种发电系统，包括：
多个发电装置；和
经济分析系统，包括：
适于得到该发电系统的目标函数的第一模块，其中该目标函数将该发电系统的操作条件规定为该发电系统产生的有功功率和该发电系统产生的无功功率的函数，
适于得到该发电系统的多个操作限制的第二模块，
适于确定该发电系统的多个参数之间的多个关系的第三模块，所述多个关系包括将多个发电装置中的一个的最优操作范围规定为多个发电装置中的该发电装置的功率因数的函数的第一关系，和
适于求解所述多个关系以得到该目标函数在该发电系统的所述多个操作限制内的最优解的第四模块。
37.根据权利要求36所述的发电系统，其中所述多个发电装置包括(1)燃料式涡轮发电机和(2)蒸汽发电机中的至少一个。
38.根据权利要求36所述的发电系统，进一步包括适于存储多个参数的至少一些参数的值并且根据所存储的值近似所述第一关系的第五模块。
39.根据权利要求38所述的发电系统，进一步包括适于按周期更新所述经过近似的第一关系的第六模块。
40.根据权利要求38所述的发电系统，其中所述第五模块适于利用(1)曲线拟合技术和(2)神经网络中的一个近似所述第一关系。
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