DE10011607A1 - Verfahren und Vorrichtung sowie Computerprogrammprodukt zum Betrieb einer technischen Anlage - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung sowie Computerprogrammprodukt zum Betrieb einer technischen Anlage

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Siegfried Soellner
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt zum optimierten Betrieb einer Anlagenteile mit mehreren einstellbaren Anlagenparametern enthaltenden technischen Anlage, wobei der Betrieb der Anlage von mehreren durch Anlagenparameter beeinflussbaren Betriebsgrößen abhängig ist. Mittels einer Beschreibung (22) der Abhängigkeit der zu optimierenden Betriebsgröße (13) von den einstellbaren Anlagenparametern (4b) werden optimale Werte für die einstellbaren Anlagenparameter (4b) ermittelt, wobei Nebenbedingungen (8) eingehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimierten Betrieb einer Anlagenteile mit mehreren einstellbaren Anlagenparame­ tern enthaltenden technischen Anlage, wobei der Betrieb der Anlage von mehreren durch Anlagenparameter beeinflussbaren Betriebsgrößen abhängig ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.
An den Betrieb einer technischen Anlage können vielfältige Anforderungen gestellt werden. So soll z. B. eine Produktions­ anlage möglichst kostengünstig produzieren oder eine Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie soll eine festgelegte elektrische Gesamtleitung zur Verfügung stellen, wobei die vorhandenen Ressourcen bestmöglich genutzt werden sollen. In modernen technischen Anlagen werden Automatisierungs­ systeme eingesetzt, welche die Arbeit des Bedienpersonals vereinfachen und effizienter gestalten sollen. Die Automa­ tisierungssysteme überwachen dabei die Prozessdaten der Anlagenteile und sorgen für automatische Eingriffe in deren Betrieb. Sie leiten z. B. eine Abschaltung der technischen Anlage oder von Anlagenteilen ein, wenn schwerwiegende Sicherheitsprobleme oder Überlastungssituationen vorliegen.
Die Schnittstelle zwischen Bedienpersonal und technischer Anlage stellt das sogenannte Bedien- und Beobachtungssystem dar. Dabei werden dem Bedienpersonal beispielsweise auf Bild­ schirmen die Zustände der technischen Anlage und ihrer An­ lagenteile angezeigt. Das Bedienpersonal kann über Eingabe­ geräte von Computern wie z. B. Maus und Tastatur die Zustände der technischen Anlage und ihrer Anlagenteile durch Eingabe von Sollwerten und Befehlen verändern. Diese Befehle und Sollwertvorgaben werden dann bei den entsprechenden Anlagenteilen durch die dort vorhandenen Automatisierungssysteme in direkte Eingriffe in die technische Anlage umgesetzt.
Viele Anlagenteile der technischen Anlage sind gewöhnlich zur Erfüllung ihrer Aufgaben mittels Anlagenparameter einstell­ bar. Der aktuelle Betriebspunkt jedes Anlagenteils ergibt sich aus den aktuellen Werten der jeweils zugehörigen Anla­ genparameter. Der Betriebszustand der technischen Anlage ergibt sich aus den Betriebspunkten der Anlagenteile; so tragen im Allgemeinen mehrere oder sogar alle Anlagenteile der technischen Anlage zum Betriebszustand der technischen Anlage bei.
Beispielsweise befinden sich in einer technischen Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie mehrere Turbine-Generator- Einheiten, von denen jede an einem bestimmten Betriebspunkt arbeitet. An ihrem jeweiligen Betriebspunkt weist jede Tur­ bine-Generator-Einheit im Allgemeinen eine Vielzahl von Betriebsgrößen, wie z. B. den Wirkungsgrad auf, der vom jeweiligen Betriebspunkt abhängt.
Betrachtet man nun den Gesamtwirkungsgrad der technischen Anlage, so ist dieser abhängig von den Wirkungsgraden jeder Teilanlage bei den jeweiligen Betriebspunkten. Eine Änderung eines Betriebspunktes eines Anlagenteils mittels der jeweils zugehörigen Anlagenparameter führt somit zu einer Veränderung der Betriebsgröße der technischen Anlage.
Oft werden an das Bedienpersonal einer technischen Anlage Aufgaben herangetragen, eine Betriebsgröße der technischen Anlage auf einen bestimmten Wert einzustellen. Da sich die Betriebsgröße der technischen Anlage nicht unmittelbar ein­ stellen lässt, geschieht die Lösung der Aufgabe durch Ein­ stellung der Anlagenteile mittels der zugehörigen Anlagen­ parameter. Im Allgemeinen gibt es mehrere Kombinationen von Anlagenparametern, die die gestellte Aufgabe erfüllen, diese sind jedoch im Hinblick auf weitere Kriterien im Allgemeinen nicht gleichwertig. Derartige Kriterien können z. B. minimale Erzeugungskosten oder ein maximaler Wirkungsgrad der tech­ nischen Anlage sein. Das Bedienpersonal der technischen Anlage hat nun die Aufgabe, eine geforderte Betriebsgröße der technischen Anlage mittels der Anlagenparameter einzustellen, wobei zusätzliche Kriterien beispielsweise der oben angege­ benen Art zu beachten sind. Das Bedienpersonal löst diese Aufgaben häufig dadurch, dass es die Anlagenteile mittels Erfahrungswerten einstellt, die es aufgrund seiner Berufs­ praxis in vergleichbaren Betriebssituationen der technischen Anlage erlangt hat. Ob die so realisierte Lösung der Aufgabe durch das Bedienpersonal eine gute oder sogar die bestmög­ liche Lösung der Aufgabe im Hinblick auf die beispielhaft oben angegebenen weiteren Kriterien darstellt, bleibt offen.
In DE 197 48 315 A1 wird ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs von fossil befeuerten Kraftwerksanlagen angegeben. Dabei wird der wirtschaftliche Nutzen von Maßnahmen zur Ver­ besserung des Anlagenwirkungsgrades und darüber hinaus der dafür erforderliche wirtschaftliche Aufwand festegestellt. In Abhängigkeit des Vergleichs des wirtschaftlichen Nutzens und des wirtschaftlichen Aufwandes von bzw. für Verbesserungsmaß­ nahmen wird entschieden, ob, wann und/oder welche Verbesse­ rungsmaßnahmen vorgenommen werden.
Durch die beschriebene Verfahrensweise ist es möglich, dass Kraftwerksanlagen wirtschaftlich optimal betrieben werden können, indem aus dem Vergleich der wesentlichen wirtschaft­ lichen Auswirkungen der Verbesserungsmaßnahmen und dem dabei zu erwartenden wirtschaftlichen Nutzen einerseits und dem für die Durchführung der Maßnahmen erforderlichen Aufwand ander­ erseits Schlussfolgerungen für den Betrieb der Kraftwerksan­ lage gezogen werden.
In der oben genannten Schrift ist zwar die Notwendigkeit genannt, Betriebsgrößen der technischen Anlage wie z. B. den Wirkungsgrad durch geeignete Maßnahmen zu optimieren, jedoch finden sich keine Hinweise, mit welchen konkreten Maßnahmen dies geschehen könnte. Es wird lediglich davon ausgegangen, dass derartige Methoden zur Optimierung einer Betriebsgröße der technischen Anlage bekannt sind. Der Vergleich zwischen dem für die Durchführung der Optimierung benötigten Aufwand und dem letztendlich daraus resultierenden wirtschaftlichen Nutzen stellt den Kerngedanken der oben genannten Schrift dar. Um aus dem in der Schrift offenbarten Verfahren größt­ möglichen Nutzen zu ziehen ist es notwendig, möglichst effek­ tive Verfahren für die Optimierung einer Betriebsgröße wie z. B. des Wirkungsgrades einer technischen Anlage anzugeben, die dann für den vorher genannten Vergleich herangezogen werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine oder mehrere Betriebsgrößen einer technischen Anlage mit mehreren Anlagenteilen intelligent einstellbar zu machen und mittels der Anlagenparameter der Anlagenteile optimal einzustellen, wobei Nebenbedingungen nicht verletzt werden dürfen.
Erfindungsgemäß besteht das Verfahren der eingangs genannten Art aus folgenden Schritten:
  • 1. Mindestens eine der Betriebsgrößen der technischen Anlage wird für die Optimierung ausgewählt.
  • 2. Eine mathematische und/oder messtechnisch gestützte Beschreibung der Abhängigkeit der zu optimierenden Betriebsgröße der technischen Anlage von den einstell­ baren Anlagenparametern und sich zwangsläufig aus dem Betrieb ergebenden Randparametern wird erstellt.
  • 3. Die aktuellen Anlagenparameter und die aktuellen Rand­ parameter werden erfasst.
  • 4. Nebenbedingungen für die einstellbaren Anlagenparameter werden festgelegt.
  • 5. Für den aktuellen, durch die aktuellen Anlagenparameter und Randparameter erfassten Betriebszustand werden unter Einhaltung der Nebenbedingungen die Anlagenparameter optimiert.
  • 6. Die Anlagenteile werden mittels der optimierten Anlagen­ parameter eingestellt.
Unter "mathematisch und/oder messtechnisch gestützter Beschreibung" werden in diesem Zusammenhang insbesondere analytische mathematische Formeln bzw. aus diskreten, an Stützstellen gewonnenen Datenpunkten bestehende Kennlinienfelder verstanden.
Das Verfahren der erfindungsgemäßen Art erfordert keine Veränderung der Hardware der Komponenten der Anlagenteile; derartige Veränderungen können unter Umständen darüber hinaus zu einer verbesserten Betriebsweise beitragen, werden aber vorteilhaft bereits bei der Auslegung der Anlage und nicht mehr bei laufendem Betrieb vorgenommen, was sehr kostspielig wäre. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Anlagen­ teile der technischen Anlage intelligent so eingestellt, dass sich ein optimierter Betrieb ergibt und Nebenbedingungen nicht verletzt werden.
Derartige Nebenbedingungen können z. B. sein: von einer Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie wird gefordert, dass sie eine festgelegte Gesamtleistung - die sich zusammensetzt aus der Summe der Einzelleistungen der Anlagenteile - zur Verfügung zu stellen hat und jeder Anlagenteil nur in einem jeweils zulässigen Betriebsbereich betrieben werden darf. Es sind dann beispielsweise die Produktionskasten der techni­ schen Anlage oder der Wirkungsgrad zu optimieren, wobei die vorher genannten Nebenbedingungen eingehalten werden müssen. Die genannten Betriebsgrößen Produktionskosten und Wirkungs­ grad der technischen Anlage sind lediglich beispielhaft zu verstehen - das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich darüber hinaus zur Optimierung einer Vielzahl von weiteren Betriebsgrößen einer technischen Anlage.
Die Möglichkeit, eine oder mehrere Betriebsgrößen einer tech­ nischen Anlage mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens opti­ mal einstellbar zu machen, befreit das Bedienpersonal der technischen Anlage von der Aufgabe, Überlegungen - meist unter Zeitdruck - anstellen zu müssen, wie die Anlagenpa­ rameter der Anlagenteile einzustellen sind, so dass sich ein geforderter Betriebszustand der technischen Anlagen einstellt und dieser Betriebszustand im Sinne der für die Optimierung ausgewählten Betriebsgröße optimal ist. Im Allgemeinen kann menschliches Bedienpersonal durch manuelles Einstellen der Anlagenparameter zwar einen geforderten Betriebszustand meist erreichen, aber da es zur Erreichung dieses geforderten Betriebszustand meist eine Vielzahl möglicher Kombinationen der Anlagenparameter gibt, wird selten oder nur in bereits bekannten Betriebssituationen oder Spezialfällen ein opti­ maler Betriebszustand der technischen Anlage erreicht. Das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt diesen Mangel, in dem es optimierte Anlagenparameter bereitstellt, die zum einen einen geforderten Betriebszustand - ausgedrückt durch die Nebenbe­ dingungen - der technischen Anlage erreichen und zum anderen gleichzeitig dafür sorgen, das eine oder mehrere ausgewählte Betriebsgrößen der technischen Anlage optimiert werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Ab­ hängigkeit der zu optimierenden Betriebsgröße der technischen Anlage von den einstellbaren Anlagenparametern und Randpara­ metern durch tabellenartig dargestellte diskrete Werte be­ schrieben. Meist stehen bei einer technischen Anlage für die Anlagenteile sogenannte Kennlinienfelder zur Verfügung, die jeweils das Verhalten einer Betriebsgröße eines Anlagenteils in Abhängigkeit von einem Anlagenparameter beschreiben. Um eine derartige Beschreibung zu erhalten, werden meist Mes­ sungen am realen Anlagenteil oder an dessen Labormodell durchgeführt, wobei dem aktuell eingestellten Wert eines Anlagenparameters der dadurch verursachte aktuelle Wert der Betriebsgröße des Anlagenteils zugeordnet wird; mehrere derartige Messpunkte beschreiben als diskrete Kurve das Betriebsverhalten eines Anlagenteils bei einem festen Wert eines Randparameters. Für weitere feste Werte des Randpara­ meters werden in entsprechender Weise Messpunkte aufgenommen. Die so ermittelten Kurven werden als Kennlinienfeld des An­ lagenteils bezeichnet. In entsprechender Weise werden die Kennlinienfelder der weiteren Anlagenteile ermittelt. Der Vorteil der Beschreibung des Betriebsverhaltens eines An­ lagenteils durch diskrete beispielsweise messtechnisch gewonnene Messpunkte besteht darin, dass keine analytische mathematische Beschreibung z. B. in Form einer Formel ermit­ telt werden muss, sondern dass das Betriebsverhalten des Anlagenteils bei verschiedenen Betriebspunkten gemessen wird. So ist auch das Betriebsverhalten von solchen Anlagenteilen erfassbar, für die keine analytische mathematische Beschrei­ bung angegeben werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden durch Interpolation ein aktueller Wert der mindestens einen Betriebsgröße aus den einen aktuellen Betriebszustand be­ schreibenden diskreten Werten berechnet, dieser aktuelle Wert der mindestens einen Betriebsgröße optimiert und daraus die optimierten Anlagenparameter ermittelt.
Die Erfindung führt daher zu einer Vorrichtung zum optimier­ ten Betrieb einer Anlageteile mit mehreren einstellbaren An­ lagenparametern enthaltenden technischen Anlage. In dieser Vorrichtung ist das erfindungsgemäße Verfahren in einer Recheneinheit implementiert, die mit der technischen Anlage Daten austauscht. Die technische Anlage übergibt an die Recheneinheit die Werte der Randparameter, die Werte der aktuellen Anlagenparameter und die Nebenbedingungen, die bei der Optimierung beachtet werden müssen. Die Optimierungser­ gebnisse werden von der Recheneinheit an die technische Anlage als optimierte Anlagenparameter übergeben, mittels derer die Anlagenteile einzustellen sind. Das erfindungs­ gemäße Verfahren muss nicht zwangsläufig in einer separaten Recheneinheit implementiert sein, es kann auch in z. B. einem bereits bestehenden Automatisierungssystem der technischen Anlage implementiert werden, wenn zwischen diesem und den weiteren Automatisierungssystemen der technischen Anlage eine Datenverbindung besteht und so Zugriff auf die Anlagenpara­ meter und Betriebsgrößen der weiteren Anlagenteile besteht.
Desweiteren führt die Erfindung zu einem Computerprogramm­ produkt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Com­ puter läuft.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine technische Anlage verbunden mit einer Rechen­ einheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine Recheneinheit zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens mit einem Interpolator zur Inter­ polation aktueller Werte des Betriebszustands, und
Fig. 3 eine technische Anlage mit mehreren Anlagenteilen verbunden mit einer Recheneinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren Verarbei­ tungseinheiten zur Interpolation sowie zur Durchführung verschiedener mathematischer Operationen.
Fig. 1 zeigt eine technische Anlage 1 mit mehreren Anlagentei­ len 3, 5, 7, . . . n, die insofern autark sind, als jeder Anlagenteil nur die Eingabe von Anlagenparametern benötigt, die dann (z. B. über einen eigenen Rechner) das Anlagenteil steuern.
Die Anlage ist mit einer Recheneinheit 20 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbunden ist. Die Rechen­ einheit 20 enthält eine Optimierungsstufe 24, die eine mathematische und/oder messtechnisch gestützte Beschreibung 22 der Abhängigkeit der zu optimierenden Betriebsgröße 13 der technischen Anlage 1 von den einstellbaren Anlagenparametern 4b und sich zwangsläufig aus dem Betrieb ergebenden Rand­ parametern 15 z. B. aus einem Speicher oder aus einer Sensorik abruft, verarbeitet und die optimierten Anlagenparameter 4b an die technische Anlage übergibt, mittels derer die Anlagen­ teile einzustellen sind. Die Nebenbedingungen 8 (z. B. Gleich­ ungen und/oder Ungleichungen), die bei der Optimierung be­ achtet werden müssen, sowie die aktuellen Werte 4a der Anla­ genparameter werden von der technischen Anlage 1 an die Re­ cheneinheit 20 übergeben. Die aktuellen Werte 4a der Anlagen­ parameter erlauben die Bestimmung des aktuellen Wertes der zu optimierenden Betriebsgröße 13 unter Zuhilfenahme der mathe­ matisch und/oder messtechnisch gestützten Beschreibung 22.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Recheneinheit 20 besitzt einen Interpolator INT, eine Verarbeitungsstufe VS und einen Optimierer OPT. Diskrete Werte 23, die die Ab­ hängigkeit der zu optimierenden Betriebsgröße der technischen Anlage von den einstellbaren Anlagenparametern und Randpa­ rametern als Kennlinienfeld beschreiben, werden vom Inter­ polator INT unter Verwendung von Randparametern 15 verar­ beitet; es stehen dann interpolierte Werte der Betriebsgröße der technischen Anlage für die aktuell vorliegenden Rand­ parameter 15 zur Verfügung. Bei dieser genannten Interpola­ tion wird aus dem vorzugsweise messtechnisch gewonnenen Kennlinienfeld der technischen Anlage diejenige Kennlinie interpoliert, die mit dem aktuellen Randparameter 15 korres­ pondiert. In der nachfolgenden Verarbeitungsstufe VS wird aus der interpolierten Kennlinie unter Verwendung der aktuellen Anlagenparameter 4a der aktuelle Wert eines zu optimie­ renden Betriebsparameters der technischen Anlage ermittelt. Durch den Optimierer OPT wird dieser aktuelle Wert opti­ miert, wobei Nebenbedingungen 8 beachtet werden. Zur Errei­ chung des optimalen Wertes der zu optimierenden Betriebsgröße der technischen Anlage ermittelt der Optimierer OPT optimierte Anlagenparameter 4b; mittels dieser optimierten An­ lagenparameter 4b sind dann die Anlagenteile einzustellen.
In Fig. 3 ist eine technische Anlage 1 mit mehreren Anlagen­ teilen 3, 5, 7, . . . n und einer anderen Ausführungsform 20' der Recheneinheit aus Fig. 1 dargestellt. Die Recheneinheit 20' enthält eine Eingabeeinheit EE, beispielsweise eine Tastatur, mit deren Hilfe die vorzugsweise messtechnisch an festen Stützstellen ermittelten diskreten Werte 23 zur technischen Beschreibung des Verhaltens der zu optimierenden Betriebsgröße der technischen Anlage als sogenanntes Kenn­ linienfeld erfasst werden. Ein erster Interpolator INT1 ermittelt aus den diskreten Werten 23 des Kennlinienfeldes eine vorzugsweise abschnittsweise analytische mathematische Darstellung jeder durch diskrete Werte beschriebenen Kenn­ linie des Kennlinienfeldes. Ein Abschnitt ist durch eine erste Stützstelle und eine unmittelbar darauf folgende zweite Stützstelle begrenzt.
Gebräuchliche bekannte Methoden zur Interpolation sind die lineare Interpolation, die Interpolation durch Polynome oder rationale Funktionen und die Interpolation mittels Soge­ nannter Splines. Für den Interpolator INT1 wird vorzugsweise die Interpolation mittels Splines verwendet. Dabei wird die Interpolation zwischen den an Stützstellen gewonnenen dis­ kreten Werten 23 abschnittsweise durch Polynome niedrigen Grades vorgenommen. Jedem Abschnitt wird dabei ein Polynom zugeordnet. Eine sogenannte Spline-Funktion besteht aus den den Abschnitten zugeordneten Polynomen; die Polynome haben alle den selben Grad. Besonders vorteilhaft verwendet man Polynome dritten Grades und erhält damit eine sogenannte kubische Spline-Funktion. Kubische Spline-Funktionen besitzen eine im mathematischen Sinn glatte erste Ableitung und daraus bedingt eine kontinuierliche zweite Ableitung. Beide Ablei­ tungen liegen analytisch vor, da die Ableitung von Polynomen und insbesondere von Polynomen dritten Grades bekannt ist. Bei der Verwendung von Spline-Funktionen dritten Grades sind folglich zu jedem Abschnitt vier Spline-Koeffizienten zu ermitteln, die die Koeffizienten des zugehörigen Polynoms darstellen. Zur Ermittlung der Spline-Koeffizienten werden folgende Bedingungen gefordert:
  • 1. Die Spline-Funktion muss an den Stützstellen die durch die technische Beschreibung vorgegebenen diskreten Werte annehmen und stetig sein.
  • 2. Die erste Ableitung der Spline-Funktion muss in den Stützstellen stetig sein.
  • 3. Die zweite Ableitung der Spline-Funktion muss ebenfalls in den Stützstellen stetig sein.
Vorzugsweise nimmt zusätzlich die zweite Ableitung an den äußeren Stützstellen, also an denjenigen Stützstellen, die nur zu einem Abschnitt gehören - den sogenannten äußeren Stützstellen - den Wert Null an. Algorithmen zur abschnitts­ weisen Bestimmung der Spline-Koeffizienten unter den vorher genannten Bedingungen sind bekannt. Zu jeder Kennlinie des Kennlinienfeldes - welches durch die diskreten Werte 23 beschrieben ist -, die zu jeweils einem festen Wert eines Randparameters gehört, ermittelt der erste Interpolator INT1 bei Verwendung von kubischen Spline-Funktionen zur Inter­ polation für jeden Abschnitt des durch die diskreten Werte 23 beschriebenen Kennlinienfeldes die Spline-Koeffizienten; für jeden dieser Abschnitte ermittelt der Interpolator INT1 bei der Verwendung von kubischen Spline-Funktionen folglich vier Koeffizienten. Der erste Interpolator INT1 interpoliert also über eine erste Größe - und zwar über die Anlagenparameter 4a -, indem er zu jeweils einer diskret beschriebenen Kenn­ linie des Kennlinienfeldes, welche zu einem festen Wert eines Randparameters gehört, für jeden Abschnitt analytisch Spline- Koeffizienten 32 ermittelt. Diese Koeffizienten 32 werden vorteilhaft den entsprechenden Abschnitten zugeordnet und in einem Speicher SP abgelegt. Die bisher genannten Schritte der Erfassung des Kennlinienfeldes und Interpolation über eine erste Größe müssen nur einmal offline durchgeführt werden; die Verarbeitung von vom aktuellen Betriebszustand der technischen Anlage 1 abhängigen Größen erfolgt in den nachfolgenden Verarbeitungseinheiten.
Ein zweiter Interpolator INT2 interpoliert über eine zweite Größe, und zwar über die Randparameter 15. Diese Interpola­ tion ist notwendig, da sowohl die das Kennlinienfeld be­ schreibenden diskreten Werte 23 als auch die über die erste Interpolationsgröße abschnittsweise ermittelten Spline- Koeffizienten 32 jeweils einem festen Wert eines Rand­ parameters zugeordnet sind. Liegt nun ein aktueller Be­ triebszustand, beschrieben durch Randparameter 15, der technischen Anlage vor, so sind im Allgemeinen für diesen speziellen Wert eines Randparameters 15 keine gemessenen diskreten Werte 23 bzw. interpolierten Werte 32 eines Kennlinienfeldes der technischen Anlage 1 verfügbar. Der zweite Interpolator INT2 ermittelt zu den aktuellen Rand­ parametern 15 eine zugehörige interpolierte Kennlinie eines Kennlinienfeldes der technischen Anlage 1. Vorteilhaft ver­ wendet der Interpolator INT2 dabei diejenigen beiden durch den Interpolator INT1 für feste Werte eines Randparameters interpolierte Kennlinien, die im Vergleich zum aktuellen Wert 15 eines Randparameters der technischen Anlage zu einem ersten festen nächstgrößeren bzw. zu einem zweiten festen nächstkleineren Wert des jeweiligen Randparameters gehören. Es wird also zwischen zwei, zu jeweils einem festen Wert eines Randparameters gehörigen, durch die Interpolator INT1 interpolierten Kennlinien eine weitere Kennlinie durch den Interpolator INT2 interpoliert, die zum aktuellen Wert eines Randparameters 15 gehört. Einen geeigneten analytischen Ansatz zur Gewinnung einer derartigen interpolierten Kenn­ linie für einen aktuellen Wert 15 eines Randparameters liefert beispielsweise folgender mathematischer Ansatz: Die zu interpolierende Kennlinie heiße c(p), die zu dem ersten festen Wert eines Randparameters gehörige Kennlinie heiße c1(p) und die zu dem zweiten festen Wert eines Rand­ parameters gehörige Kennlinie heiße c2(p); der erste feste Wert eines Randparameters sei dabei kleiner als der aktuelle Wert eines Randparameters, zu dem die Kennlinie ermittelt werden soll, und der zweite feste Wert eines Randparameters soll größer sein als der aktuelle Wert eines Randparameters, zu dem die interpolierte Kennlinie ermittelt werden soll. Die Bildungsvorschrift lautet dann:
c(p) = a1 . c1(b1 . p) + a2 . c2(b2 . p)
Es werden also die beiden der zu interpolierenden Kennlinie benachbarten Kennlinien, die zu festen Werten eines Rand­ parameters gehören, überlagert. Die Kurvenform der zu inter­ polierenden Kennlinie c(p) soll der Kurvenform von c1(p) um so ähnlicher sein, je näher der zur zu interpolierenden Kenn­ linie gehörige aktuelle Wert eines Randparameters an dem ersten festen Wert des entsprechenden Randparameters liegt; Entsprechendes gilt für c2(p). Die Koeffizienten a1 und a2 sind entsprechend zu wählen:
Der Koeffizient a2 bestimmt sich zum Quotienten aus der Differenz zwischen dem aktuellen Wert eines Randparameters und dem ersten festen Wert eines Randparameters und der Differenz zwischen dem zweiten festen Wert eines Randpara­ meters und dem ersten festen Wert eines Randparameters; der Koeffizient a1 wird dann folgendermaßen gewählt:
a1 = 1 - a2
Die Koeffizienten b1 und b2 werden vorteilhaft folgendermaßen berechnet: Der Koeffizient b1 bestimmt sich zum Quotienten aus dem ersten festen Wert eines Randparameters und dem aktuellen Wert eines Randparameters und der zweite Koeffi­ zient b2 bestimmt sich zum Quotienten aus dem zweiten festen Wert eines Randparameters und dem aktuellen Wert eines Randparameters.
Ein Test des Interpolators INT2, der beispielhaft wie vorher beschrieben arbeiten soll, zeigt, dass dieser Kennlinien, die zu einem festen Wert eines Randparameters gehören, korrekt auf diese selbst abbildet, wenn der aktuelle Wert eines Randparameters mit einem festen Wert eines Randparameters übereinstimmt.
Der Ausgang des Interpolators INT2, der eine interpolierte Kennlinie für einen aktuellen Wert 15 eines Randparameters bereitstellt, wird parallel zu zwei Verarbeitungsstufen VS1 bzw. VS2 geführt. Die Verarbeitungsstufe VS1 berechnet daraus den aktuellen Wert 40 der für die Optimierung ausgewählten Betriebsgröße. Die Verarbeitungsstufe VS2 berechnet den aktuellen Wert 42 des Gradienten der für die Optimierung ausgewählten Betriebsgröße; dazu werden beide Verarbeitungs­ stufen VS1 und VS2 mit den aktuellen Werten 4a der Anlagen­ parameter versorgt. Der aktuelle Wert 40 der für die Opti­ mierung ausgewählten Betriebsgröße wird an eine Anzeigeein­ heit BI, beispielsweise ein Ausgabefeld eines Computerbild­ schirms übergeben, wo dann das Verhalten der zu optimierenden Betriebsgröße während des Betriebs der technischen Anlage 1 überwacht werden kann. Der aktuelle Wert 40 der für die Optimierung ausgewählten Betriebsgröße bzw. der aktuelle Wert 42 des Gradienten der für die Optimierung ausgewählten Be­ triebsgröße werden einer Optimierungsstufe OPT zur Ver­ fügung gestellt.
Die Optimierungsstufe OPT arbeitet einen Optimierungsalgo­ rithmus ab, der vorteilhaft ein Verfahren der sogenannten Sequentiellen Quadratischen Programmierung - abgekürzt SQP - ist. SQP-Verfahren gelten gegenwärtig als die effektivsten für die Lösung allgemeiner Aufgabenstellungen der nicht linearen Optimierung. Einzelheiten zu einem derartigen Verfahren der Sequentiellen Quadratischen Programmierung können z. B. Markos Papageorgiou: "Optimierung: Statische, dynamische, stochastische Verfahren für die Anwendung", Oldenbourg, München, Wien, 1996 entnommen werden.
Die Optimierungsstufe OPT erhält außerdem die bei der Optimierung zu beachtenden Nebenbedingungen 8, sowie Startwerte 45 für die Anlagenparameter, mit denen das Optimierungsverfahren initialisiert wird.
Die Güte des durch die Optimierungsstufe OPT ermittelten Optimums für die optimierten Anlagenparameter 4b hängt unter Umständen von der Wahl der Startwerte 45 ab. Vorteilhaft wird das Optimierungsverfahren, das in der Optimierungsstufe OPT implementiert ist, mehrmals gestartet, wobei bei jedem dieser Durchläufe des Optimierungsverfahrens andere Startwerte 45 verwendet werden. Die zum besten Optimierungsergebnis ge­ hörigen optimierten Anlagenparameter 4b werden dann an die technische Anlage 1 übergeben; die Anlagenteile 3, 5, 7, . . . n sind mittels dieser optimierten Anlagenparameter 4b einzu­ stellen.
Die in Fig. 3 dargestellte technische Anlage 1 und die Rechen­ einheit 20' können in besonders vorteilhafter Weise als Vor­ richtung zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrades eines Wasserkraftwerks verwendet werden, das mehrere Maschinensätze enthält. Von diesem Kraftwerk kann beispielsweise gefordert werden, dass es eine bestimmte elektrische Gesamtleistung für ein Verbundnetz zur Verfügung stellt, dass jeder Maschinen­ satz dabei nur in einem bestimmten zulässigen Betriebsbereich arbeitet und dass der Gesamtwirkungsgrad des Wasserkraftwerks dabei optimal ist. In diesem Fall ist die zu optimierende Betriebsgröße des Wasserkraftwerks der Gesamtwirkungsgrad. Die Nebenbedingungen bestehen aus der Bedingung für die abzugebende elektrische Gesamtleistung und den Bedingungen für die Betriebsbereiche, in denen die einzelnen Maschinen­ sätze arbeiten sollen. Besteht der zulässige Betriebsbereich mindestens eines Maschinensatzes aus mehreren sich nicht überlappenden Teilbereichen und/oder Betriebspunkten, so kann dieser bei Verwendung z. B. eines SQP-Verfahrens nicht als Nebenbedingung in die Form genau einer Gleichung und/oder Ungleichung gebracht werden.
In diesem Fall kann die Lösung des Problems darin bestehen, das Optimierungsverfahren mehrmals zu durchlaufen, wobei bei diesen Durchläufe nacheinander je einer der zulässigen Teil­ bereiche bzw. Betriebspunkte als genau eine Nebenbedingung formuliert wird; das im Vergleich beste Optimierungsergebnis liefert die optimierten Anlagenparameter (hier: einzustellen­ de Leistungssollwerte für die Maschinensätze). Dieses kombi­ natorische Verfahren bringt u. U. einen erhöhten Rechenzeit­ bedarf mit sich; ein Ansatzpunkt zur Verbesserung der Behand­ lung des Problems von Nebenbedingungen, die aus mehreren zulässigen Teilbereichen und/oder Punkten zusammengesetzt sind und somit in vielen bekannten Optimierungsverfahren nicht direkt verarbeitet werden können, besteht in der Verwendung von Strategien sogenannter genetischer Algorith­ men, die in der Literatur bekannt sind.
Ein wesentlicher Randparameter eines Wasserkraftwerks ist die aktuell zur Verfügung stehende nutzbare Fallhöhe des Wassers. In der Regel steht für jeden Maschinensatz ein Kennlinienfeld zur Verfügung, wobei in diesem Kennlinienfeld jeder Kennlinie ein fester Wert der Fallhöhe des Wassers zugeordnet ist. Jede dieser Kennlinie beschreibt den Verlauf des Wirkungsgrades des jeweiligen Maschinensatzes über der von diesem Maschinen­ satz abgegebenen elektrischen Leistung. Der erste Interpola­ tor interpoliert über diese Leistungen, der zweite Interpola­ tor ermittelt zum aktuellen Wert der Fallhöhe des Wassers die interpolierten Kennlinien der Maschinensätze. Die erste Verarbeitungsstufe bildet den aktuellen Wert des Gesamtwir­ kungsgrades des Wasserkraftwerks und bringt diesen Wert zur Anzeige; die zweite Verarbeitungsstufe berechnet den aktuel­ len Wert des Gradienten des Gesamtwirkungsgrades. Beide Ver­ arbeitungsstufen verwenden dazu die aktuellen Werte der an den Maschinensätzen eingestellten Leistungen. Die Optimie­ rungsstufe optimiert den aktuellen Wert des Gesamtwirkungsgrades und berechnet optimierte Leistungswerte für die Maschinensätze, mit denen diese dann zur Erreichung eines optimalen Gesamtwirkungsgrades einzustellen sind. Auf diese Weise wird in der Anlage selbsttätig eine Betriebsgröße (hier: der Gesamtwirkungsgrad) optimal an die nicht beein­ flussbaren Randparameter und Nebenbedingungen angepasst.

Claims (5)

1. Verfahren zum optimierten Betrieb einer Anlagenteile (3, 5, 7, . . ., n) mit mehreren einstellbaren Anlagen­ parametern (4b) enthaltenden technischen Anlage (1), wobei der Betrieb der Anlage von mehreren durch Anlagen­ parameter (4b) beeinflussbaren Betriebsgrößen (13) abhängig ist, mit folgenden Schritten:
  • a) Mindestens eine der Betriebsgrößen (13) der tech­ nischen Anlage (1) wird für die Optimierung ausge­ wählt;
  • b) eine mathematische und/oder messtechnisch gestützte Beschreibung (22) der Abhängigkeit der zu optimie­ renden Betriebsgröße (13) der technischen Anlage (1) von den einstellbaren Anlagenparametern (4b) und sich zwangsläufig aus dem Betrieb ergebenden Randparametern (15) wird erstellt;
  • c) die aktuellen Anlagenparameter (4a) und die aktuellen Randparameter (15) werden erfasst;
  • d) Nebenbedingungen (8) für die einstellbaren Anlagen­ parameter (4b) werden festgelegt;
  • e) für den aktuellen, durch die aktuellen Anlagenpara­ meter (4a) und Randparameter (15) erfassten Betriebs­ zustand werden unter Einhaltung der Nebenbedingungen (8) die Anlagenparameter (4a) optimiert; und
  • f) die Anlagenteile (3, 5, 7, . . ., n) werden mittels der optimierten Anlagenparameter (4b) eingestellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit der zu optimierenden Betriebsgröße (13) der technischen Anlage (1) von den einstellbaren Anlagenpa­ rametern (4b) und Randparametern (15) durch tabellenartig dargestellte diskrete Werte (23) beschrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Interpolation ein aktueller Wert der mindestens einen Betriebsgröße (13) aus den einen aktuellen Be­ triebszustand beschreibenden diskreten Werten berechnet, dieser aktuelle Wert der mindestens einen Betriebs­ größe (13) optimiert und daraus die optimierten Anlagen­ parameter (4b) ermittelt werden.
4. Vorrichtung zum optimierten Betrieb einer Anlagenteile (3, 5, 7, . . ., n) mit mehreren einstellbaren Anlagen­ parametern (4b) enthaltenden technischen Anlage (1), deren Betrieb von mehreren durch Anlagenparameter (4b) beeinflussbaren Betriebsgrößen (13) abhängig ist, wobei
  • a) in der Recheneinheit (20) mindestens eine der Betriebsgrößen (13) der technischen Anlage (1) für die Optimierung festgelegt ist
  • b) in der Recheneinheit (20) eine mathematische und/oder messtechnisch gestützte Beschreibung (22) der Abhäng­ igkeit der zu optimierenden Betriebsgröße (13) der technischen Anlage (1) von den einstellbaren Anlagen­ parametern (4b) und sich zwangsläufig aus dem Betrieb ergebenden Randparametern (15) enthalten ist;
  • c) in der Recheneinheit (20) die aktuellen Anlagenpara­ meter (4a) und die aktuellen Randparameter (15) er­ fasst sind;
  • d) in der Recheneinheit (20) die Nebenbedingungen (8) für die einstellbaren Anlagenparameter erfasst sind;
  • e) die in einer in der Recheneinheit (20) enthaltene Optimierungsstufe (24) ertüchtigt ist, die Randpara­ meter (4a) für den aktuellen, durch die aktuellen Anlagenparameter (4a) und Randparameter (15) erfassten Betriebszustand unter Einhaltung der Nebenbedingungen (8) zu optimieren; und
  • f) die Anlagenteile (3, 5, 7, . . ., n) mittels der optimierten Anlagenparameter (4b) einstellbar sind.
5. Computerprogrammprodukt, das direkt in den internen Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen die Schritte gemäß Anspruch 1 ausgeführt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft.
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