（控制理论与控制工程专业论文）火电厂竞价上网决策支持系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着电力改革深入进行，发电企业与电网分开管理、竟价上网，这对企业的经 营管理提出了更高要求。如何准确实时地分析控制自身成本和经济运作方向，科学 地报价使在市场竞争中立于不败之地，成为广大发电企业迫切需要解决的课题。 综合运用现代控制理论、经济博弈论、人工智能技术和网络信息技术开发完成 的“成本分析与竟价上网决策支持系统”，在发电企业内部网络支持下能以成本分 析管理和竞价上网辅助决策为核心，结合财务、计划及各种现场的生产实时数据， 直观地反映各机组当前的生产状况，准确地计算发电实时成本，并能结合电力市场 历史交易数据及电网需求信息得出大量有效的辅助信息，协助电厂管理者作出最佳 的竟价策略和报价建议。 本文以湖南湘潭电厂生产管理与运行经验为背景，结合华中科技大学与湘潭电 厂合作开发的“成本分析与竞价上网决策支持系统”的研究与开发而完成。在对火 电厂控制与管理一体化结构体系，电厂业务流程及发电工艺进行充分分析的同时， 文章从决策支持系统的体系结构出发，详细描述了系统的数据库平台及模型库的设 计和开发。文章还从信息系统的角度将系统分为数据存取、成本分析、预测、决策 支持、辅助功能等五个功能子系统，并对各模块的设计和开发做了全面阐述。 在研究火电厂发电成本构成的基础上，文章提出了固定成本分摊的核心算法，而 后根据现阶段的实际情况提出了燃煤可变成本的反平衡计算方法，并对其计算模型 及软件实现进行了详细的论述。 最后，在对本课题所作的工作做出了评价和总结的同时，文章对后续工作提出一 些改进建议。 关键词：决策支持系统，成本分析，竞价上网，火电厂 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c e “s e p a r a t i n gp o w e rp l a n t sf t o mn e t w o r k sb yp r i c ec o m p e t i t i o n ”，a st h em a i n m e a s u r eo ft h er e f o r mf o rp o w e r s y s t e m ，h a s b e e nd e v e l o p e d g r a d u a l l yi no u rc o u n t r y ，t h e m a n a g e m e n to f t h ec o r p o r a t i o n si sr e q u i r e dm o r e h o wt oq u o t e r a t i o n a l l yt ok e 印a h e a d t h r o u g ha n a l y z i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ec o s to fi t s e l fa n dt h eo p e r a t i o n a l d i r e c t i o no f e c o n o m yc o r r e c t l y i nt i m ei sa nu r g e n tp r o b l e mn e e d e dt ob es o l v e d b ya l lp o w e r c o r p o r a t i o n s t h ed e c i s i o n s u p p o r ts y s t e mf o rp r i c eb i d d i n g o fp o w e rp l a n ti sa l l i n t e g r a t e d t e c h n i c a l s u p p o r t i n gs y s t e m ，w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e da st h er e s u l to f t h ed e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，g a m et h e o r y ，n e t w o r kc o r n m u n i c a t i o n ，a n d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t h ec o r e so f t h i ss y s t e ma r ec o s ta n a l y s i sa n da s s i s t a n td e c i s i o nf o rq u o t a t i o n i tg a l as h o w r e a l t i m eo p e r a t i n gs t a t u so fe v e r ys e t ，f o r e c a s tf u t u r ec o s t ，m a r k e td e m a n da n dt h el o a do f e l e c t r i cp o w e r m a k eo p t i m a lq u o t a t i o na d v i s e sa n ds t r a t e g i e sb yr e f e r r i n gt ot h eh i s t o r y a n dr u n - t i m ei n f o r m a t i o no f f i n a n c e b a s e do nt h eo p e r a t i n ge x p e r i e n c eo f x i a n g t a np o w e rp l a n ti nh u n a np r o v i n c e ，t h i s p a p e rd i s c u s s e st h ea n a l y s i s ，d e s i g na n de x p l o i t a t i o no f d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mf o r p r i c eb i d d i n go fp o w e rp l a n t p a p e rn o to n l yd e s c r i b e si nd e t a i lt h ed a t a b a s es y s t e m a n dm o d e l so ft h es y s t e m ，b u te x p l i c a t e st h ed e s i g na n de x p l o i t a t i o no fa l lf u n c t i o n m o d u l e sw i t l lt h ea n g e lo f i n f o r m 鲥o ns y s t e m h a v i n ga n a l y z e d t h es t r u c t u r eo ft h e g e n e r a t i n g c o s t , t h em o d e l s o ft h e a p p o r t i o n m e n t o ft h ec o n s t a n tc o s ta n dv a r i a b l ec o s ta r cp u tf o r w a r di nt h ep a p e r a tt h e s a n l et i m e ，p a p e rg o e si n t op a r t i c u l a rt h ed e s i g n ，h a n d l i n ga n di s s u eo ft h em o d e l s ，t h e p i v o t a lp r o b l e m s o f t h e p a p e r a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ea u t h o rm a k e ss o m ec o n c l u s i o n so f t h es y s t e m ，a n d g i v e ss o m e a v a i l a b l ea d v i c e sf o rt h ef u t u r et a s k s k e y w o r d s ：d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，c o s ta n a l y s i s ，b i d d i n gs y s t e m ，p o w e r p l a n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名方瀚滑 日期：哆年簪月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，郎：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密哦 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名方嘲污 日期扣。年弘月7 日 指导教师签名：叶易瞬 日期：o 睁坤月胡 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本文研究的背景、目的和意义 随着电力改革的深入进行，发电企业与电网分开管理，电力市场形成以后，在 “厂网分开，竞价上网”的新形势下，发电企业面临着激烈的全方位的竞争。如何 实时准确地分析控制自身成本和经济运作方向，科学地报价，使在市场竞争中立于 不败之地，成为广大发电企业迫切需要解决的课题。 在火电厂上层应用软件中，管理信息系统( m i s ) 在发电企业的生产管理、设备管 理、成本管理、财务管理、办公自动化等方面起到了较好的应用，发电企业逐步进 入电力市场参与竞价上网的市场竞争，对于企业规范管理，及时获取信息的要求越 来越高，管理信息系统的作用将越来越重要。同时，为了实时了解、分析和控制成 本、预测生产成本的变化趋势，在竟价上网时做到合理报价，还必须基于管理信息 系统之上建立竞价上网决策支持系到1 】【2 】。 综合运用现代控制理论、系统工程理论、人工智能技术和网络信息技术开发完 成的“成本分析竞价上网决策支持系统”，在发电企业内部网络和大型数据库系统的 支持下能以成本精确管理和竞价辅助决策为核心，结合财务、计划及各种现场的生 产实时数据，直观地反映各机组当前的生产状况，精确预测未来的成本，并能结合 历史交易数据及电网需求得出大量有效的辅助信息，做出最佳的竞价策略和报价建 议【3 】【4 】1 5 1 。 1 2 国内外研究概况 从国际上看，伴随着理论的突破、电力自动化和计量技术水平的提高以及社会要 求打破电力垄断的呼声，从2 0 世纪八十年代末开始，欧美一些国家纷纷掀起了打破垄 断、引入竞争的电力改革之风。目前美国、英国、澳大利亚、新西兰、等国家都进 行了电力改革，实践证明在发电和售电环节引入竞争机制是可行的，改革后减轻了政 府财政负担，提高了企业经营效益，降低了电价。电力市场化改革正在引起越来越多国 家的重视，己成为世界各国改革电力体制、促进国民经济可持续发展的潮流。 华中科技大学硕士学位论文 为了促进我国电力工业发展，尤其在入世以后，加强与世界的接轨，提高国民 经济整体竞争能力，提高电力企业的在世界竞争力，我国加快了深化电力体制改革的 进程。早在1 9 9 9 年，国务院就批准浙江、山东、上海和东北三省为第一批“厂网分 开、竞价上网”的试点地区。 虽然发达国家的很多经验我们借鉴，但是发达国家的发电上网定价方法并不一 定完全适用于发展中国家。发达国家的电力在容量上的扩展已近于饱和，因此在上 网电价p p p ( 联营体购入电价) 中反映发电容量固定成本的边际容量价值( 次日t 时段 电力不足概率) 很少。而我国发电的容量成本往往可以与电量成本相比较，有时还要 多，因此有关容量固定的成本和效益必须仔细地处理。仅仅考虑运行成本最小的优 化模型与软件部不能直接应用，而必须采用固定成本和可变成本综合优化的模型与 软件【6 1 7 1 【8 l i g 。 电力市场的引入对现有电力市场的软件支持系统的提出了新的需求，很多电力企 业、软件公司都看到了这个美好的前景，如南瑞、鲁能的竞价上网辅助决策系统， 这些软件都以不同的电厂企业为背景，技术上的实现也是各有特色。 这次我们与湘潭电厂合作开发的“成本分析与竞价上网决策支持系统”在发电 企业内部网络支持下能以成本精确管理和竞价辅助决策为核心，结合财务、计划及 各种现场的生产实时数据，直观地反映各机组当前的生产状况，精确预测未来的成 本，并能结合历史交易数据得出大量有效得辅助信息，做出最佳的竟价策略和报价 建议。它即兼顾了湘潭电厂本身的特殊情况，又注意到整个系统的推广普及时的广 泛适用性，不但可以给予湘潭电厂提供有力的支持，而且具有很大的市场适应性。 1 3 系统开发的关键技术 电力软件系统的开发过程中，主要应用了以下几种重要的计算机技术 面向对象编程技术 o l e 技术 预测技术 华中科技大学硕士学位论文 1 3 1 面向对象编程技术 面向对象程序设计( o o p ) 方法，是一种设计和编写程序的方式，在本质上有别 予传统程序设计，它采用了一种全新编程思考方式。它把程序看作是包含数据元 素和程序行为的结合，而不是看作是待处理的指令序列。更具体地说，一个o o p 对象是包含属性和方法的封装结构。 o o p 把数据和在数据之上的操作封装成一起形成类，通过对象和方法的机制， 并通过派生、继承重载和多态性等特征，实现了软件重用和程序的自动生成，使 得软件的构造和维护变得更加有效和容易，并使软件开发更能反映事物的本质， 从面大大提高了软件的开发效率和质量。 o o p 的另一个优点是对代码结构的影响，象继承之类的面向对象概念通过简 化变量和函数的方式而便利了软件的开发过程。o o p 可以更容易地在团队之间划 分编码任务，同时，由于采用o o p ，辨别子类代码的依附关系也变得更简单了， 此外，软件的测试也得以大大简化f 1 0 】【1 】f 1 2 】 1 扪。 1 3 2o l e 技术 对象链接与嵌套o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 是m i c r o s o f t 公司发展起来 的产品规范，目前已发展成为m i c r o s o f t 公司面向对象策略的基石。许多功能强大的 w i n d o w s 应用程序都是围绕它设计的。w i n d o w s 程序开发面临的最大难题之一是让 应用程序之间的相互通信，在过去，没有一个工业标准，o l e 所做的正是标准化这 些协议。 组件对象模型c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 是o l e 的心脏，它不但提供了一 个实现o l e 的框架，还为一整类新软件提出了一种全新的设计思想。它是一种面向 对象的结构，定义了一套对象间相互通信的标准方式，规定了如何使一些小的、定 义良好的软件模块在系统中共存，并充分相互作用。依照这种结构，可以将若干元 件组合起来，以建立更大和更复杂的系统。 分布式组件对象模型d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 是c o m 的一 个扩展，它使得在不同的计算机上运行的o l e 应用程序可以通过网络相互通信，形 华中科技大学硕士学位论文 成分布式的o l e 应用程序，支持远程自动化。 o l e 自动化是一种为w i n d o w s 设计的交互进程通信机制，它让个应用程序驱 动或自动完成另一个应用程序。o l e 自动化包括两部分应用程序：o l e 自动化服务 器和o l e 客户。o l e 自动化服务器有两种创建方法，即进程内服务器和进程外服务 器。进程内服务器是与客户应用程序在同一进程内运行，一般以d l l 文件的形式存 在；进程外服务器作为一个单独的进程，在自己的地址空间运行，一般以e x e 文件 形式存在【j 9 】【2 2 1 1 2 3 【2 7 1 。 p o w e rb u i l d e r9 0 是一个完全支持o l e 自动化的应用程序开发工具，使用p o w e r b u i l d e r9 0 既可以编制o l e 服务器的应用程序，也可以编制o l e 客户机的应用程序 f 1 0 i i 2 i 。 1 3 3 预测技术 预测是人们利用已经掌握的知识和手段，预先推知和判断事物未来或未知状况 的结果。这是以定量分析为基本内容的现代科学管理条件下，对预测概念的解释。 它由五个要素所组成：人( 预测者) 、知识( 预测依据) 、手段( 预测方法) 、事物未来或 未知状况( 预测对象) 、预先推知和判断( 预测结果) 。 由于电力工业的生产、输送、分配、消费在同一时间进行，在电力软件的开发 过程中，预测起到非常重要的作用。无论是在进行成本分析、财务分析和效益评价 时，还是在制定报价策略时都要以预测的数据作为一定的依据，并且预测模型选择 的是否正适当和精确都直接影响到决策支持的质量和力度。正是在这种背景下，预 测理论在电力软件的应用是必要的，具有十分重要的意义。 从原则上来讲，预测的对象和期限不同，所用的预测方法也就不同。目前，预 测的方法很多，大体有以下几类： 移动平均法 移动平均法是一种趋势外推法。趋势外推法的关键点有两个，一个是决定过 去事物发展的因素，在很大程度上也将决定事物的未来发展，变化是不大的。另 外一个是事物发展一般属于渐进变化，而不是跳跃式变化。移动平均法按照数据 点的顺序主逐点推移，逐段平均的一种平均方法，使不规则的线性大致加以平滑， 华中科技大学硕士学位论文 从而分析预测事务的发展趋势。 时间序列法 时间序列法是对给定的一段时间的历史记录，提取出基本分量、特别事件分量 后，剩余的残差即为各时刻随机分量，可以看成是随机时间序列。可以从短期历史 记录中找出未来量的变化规律，通过模型辨识，对模型参数进行估计来预测的。模型 辨识的基本途径是对原时间序列的相关分析，即：计算序列的均值、i s l 相关和偏相 关函数，以均方误差最小为标准，从而确定模型的类型和阶数。模型辨识后，就要利用原 序列有关的样本数据，在最佳模型基础上进行预报。 时间序列法是最经典、最有效的预测方法。它对于平稳或非平稳的随机变化有 较强的适应能力。 神经网络法 神经网络法的实质是通过人工神经元及其互联而成的网络，利用其很强的非线性 映射功能，从输入量推导出输出量。人工神经网络法不需要事先知道预测因子( 输入变 量) 与预测变量( 输出变量) 之间的函数关系，而只需要一组输入与输出变量的历史记录 数据对，通过某种学习算法进行训练和学习，便可根据选定的目标函数，得出一个最佳 的人工神经网络模型结构，然后根据预测因子( 即：对应于模型中的一个输入量) ，达到 预测的目的( 即：得到模型中某个输入量对应的输出量) 。 利用人工神经网络( a n n ) ，选取过去一段时间的实际值作为训练样本，然后构造 合适的网络结构。用某种训练算法对人工神经网络进行训练，使其满足精度要求之 后，即可用其进行预测【1 5 】【1 6 】【1 7 1 。 1 4 课题提出与本文的安排 1 4 1 课题提出 在电力企业完全实现“厂网分开、竟价上网的规划之后，发电企业之间的竞争 将大大加剧。在这种t 觏2 _ t ，发电企业要实现自身的效益，与能否有效地完善自 己的竟价系统有很大的关系，因为发电企业的竞价不仅关系到发电企业本身的效益 能否得以实现，还关系到电网企业的收益，换而言之，国内整个电力产业的发展情 华中科技大学硕士学位论文 况，在很大程度上取决于发电企业的竞价决策支持系统的完善程度了。 为了适应将来市场竞争的要求，从现在开始，发电企业就应该加强企业信息化 的工作建设，以便为将来的高效运作积累经验，而企业要走向市场，必须要先从价 格管理开始，因此，竞价决策支持系统处于一个比较重要的位置。 另一方面，从更长远的角度看，如果将来某一天，国家开放电力市场，国内的 发电企业将面临国外电力企业更大的竞争压力，而发电企业不抓住当前这个机会完 善箕内部的信息化建设以提高企业的效率，那么后果将是难以想象的。 从企业本身的发展看，即使没有这些来自外部的竞争压力，为了提高企业的利 润要求，要求企业必须要从提高自身的效率，降低成本，也有必要加强内部管理， 竟价系统的提出也符合企业着手解决这些问题的思路1 8 】。 基于上述，华中科技大学控制科学与工程系统和大唐湘潭电厂目前正在联合开 发一个竞价上网决簟支持系统项目。该软件是基于电厂内部网的管理及决策支持系 统，利用电厂内部统一的数据平台，将电厂实时监控系统、管理信息系统有机结合 起来，并提供成本分析、实时监测、负荷预测、报价等决策支持。 1 , 4 2 全文的安排 本文以湘潭电厂的生产与管理经验为基础，以“成本分析与竞价上网决策支持 系统”课题为背景，主要从事了以下的研究： 结合湘潭电厂的管理及自动化建设，对火电厂控制与管理一体化集成技术方面 进行了深入的研究和总结：对所参与的“成本分析与竞价上网决策支持系统”及其 主要模块成本分析的开发进行了详尽的论述，力求将自己在项目中学习和积 累的一些工程技术和软件开发经验总结出来与大家共同探讨。 整篇论文按照从理论到实践的应用过程分为五章： 第一章为序言，分析本文研究的背景、目的，指出当前存在的问题，并对电力系 统开发的所用的主要方法进行综述。 第二章结合火电厂的软、硬件特征，研究了相应的火电厂集成模型，并在此基础 上对相应结构进行了具体分析，为以后的研究奠定整体理论基础。 第三章对“成本分析与竞价上网决策支持系统”的分析、设计和开发做了具体的 华中科技大学硕士学位论文 研究和探讨，从决策系统和管理信息系统的角度对各功能模块的设计和开发做了全 面阐述。 第四章描述了的系统的关键模块一成本分析予系统的开发，并对固定成本的核 心算法与实时成本的理论计算方法一反平衡法进行了深入的研究。 第五章对全文的工作进行了总结，提出了有待于进一步研究的问题。 华中科技大学硕士学位论文 2 火电厂控制与管理一体化结构体系 电力市场的出现，使电力调度、运行方式、决策管理、计划和财务各部门围绕 火电厂最大利益目标而工作，这就要求火电厂必须对各种企业资源建立完善的管理 网络，形成市场、经营、开发和生产紧密地协作链，提高市场反应的敏捷性；必须 实现企业生产资源与其它资源的管理一体化，实现生产现场的在线管理，降低成本。 另一方面，新技术不断涌现，如现场总线技术、控制技术、信息技术、网络通 讯技术，使得全厂的信息和资源都能够共享。在这两方面因素推动下，加快火电厂 信息化建设，高度重视企业现有的软硬件资源的整合，在整个电厂范围内实现信息 共享，推动火电厂控制与管理一体化的发展已经成为工厂自动化和管理现代化的必 然趋势。控制与管理一体化，是指将企业内的现场控制、过程监控、经营管理、市 场管理等各层次智能设备( 包括p c 和各种现场控制器) 互联成多层次企业网络，实现 信息汇通和数据共享。 自动控制系统的对象是最佳物流状态，目的是达到最低的物耗和能耗高效输 出质量好的产品，而管理系统控制的是信息流，包括生产安排、高度平衡、库存控 制、质量能量管理、资金费用和人力资源管理等方面。控制与管理一体化系统可将 封闭的自动控制系统向管理信息系统开放，通过数据服务器、监测服务器与管理计 算机网络的主要数据服务器的链接，使公司各级人员利用管理网上的工作站直接观 察生产线的运行状况。高层技术人员甚至可以通过网上工作站远程干预控制网工程 师站的参数设定【1 9 】【2 0 】【2 l 】。 2 1c i m 、c ) m s 和c i p s 1 9 7 3 年，美国人j o s e p h h a r r i n g t o n 首先提出了计算机集成制造( c i m c o m p u t e r i n t e g r a t e d m 姐u f a 曲l r j n g ) 的概念。指出它的内涵是借助计算机，将企业中各种与制造 有关的技术系统集成起来，进而提高企业的竞争力。 近年来，科学技术飞速发展，以信息技术为主导的高技术为制造技术的发展提 供了极大的支持，人们将制造技术与飞速发展的信息技术、自动化技术、现代管理 华中科技大学硕士学位论文 技术与系统工程技术有机结合，形成了新一代的“先进制造技术”，它正推动着现 代工业进入信息化、集成化、自动化、智能化的新历史时期。 c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) j e 是这一时代的要求下产生的， 它借助于计算机，将企业中各种与制造有关的技术系统集成起来，通过提高生产率， 缩短产品开发周期，提高产品质量和降低产品成本等一系列优点，来提高企业的竞 争力。 由于c i m s 最初是针对离散型制造企业提出并进行实施的，大多数离散型制造 企业的c i m s 已取得了相当的成功。对于流程工业企业，与离散c i m s 相比，两者 在财务、采购、销售、资产和人力资源管理等方面基本相似，但在生产计划、工程 设计、高度管理、信息处理，经营决策等方面却存在有较大的差异，于是有专家提 出，对于流程工业而言，应称为计算机集成生产系统( c i p s - - - c o m p u t e ri n t e g r a t e d p r o d u c t i o ns y s t e m ) 或者全厂综合自动化系统，它是把一个生产过程或一个企业全局 看成信息获取、处理和加工过程，从而可以利用计算机进行优化管理与控制，达到 为企业赢得竞争总目标 2 6 1 1 2 7 1 1 2 8 1 1 2 9 。 要实现c i p s 首先要着眼于信息集成，使各级人员及时得到准确的信息即正确 的时刻，把正确的信息，以正确的方式，送给正确的人，及时做出正确的决策。其 实质就是根据c i m 哲理，通过信息的集成，达到企业范围内的总体最优化。 2 2 火电厂企业特征 2 2 1 火电厂的生产流程 作为流程工业企业的特殊群体，大型火电厂具有独特的行业特征。火电厂的产 品是单一的，即电能。整个电厂的生产流程实际上是一个将煤、水等原料进行物理 化学处理，通过锅炉、汽机、发电机等大型机械和电气设备将热能转化为电能的复 杂过程。其主要工艺流程可简单描述如下： 首先，简单描述整个能量的转换过程。煤、油等燃料在锅炉炉膛内燃烧，产生 热能加热水，使水生产高温高压蒸汽，即将化学能转变为热能：高温高压蒸汽被送 入轮机，带动汽轮机转子转动，即将热能变为机械能；汽轮机转子带动发电机转子 华中科技大学硕士学位论文 转动而发电，将机械能转变为电能。发电机发出来的电通过升压变压器将电压升高 最后经升压站和输电线路送入电网，由调度中心统一分配给用户。 化学能热能 机械能电能 图2 - 1火电厂能量转换过程示意图 火电厂能量转换过程示意图如图2 1 所示。 由火电厂能量转换过程看，锅炉、汽轮机、发电机是火电厂转换能量的三大主 要设备，为了配合主要设备的运行，还需要一些辅助设备和其他设备及相应的工艺 系统和仪表控制系统，如磨煤机及制粉系统、送风机及送风系统、引风机及引风系 统、凝汽器及凝结水系统、给水泵及给水系统等。除此之外，还有全厂公用系统， 如厂内输煤系统、化学水处理系统、空气系统等。 汽水系统：锅炉给水由水泵打出，通过给水管进入省煤器，在省煤器中加热后 送进汽包；汽包内的水经下降管、下联箱，到水冷壁吸热后部分蒸发，经导汽管再 进入汽包，蒸汽中分离出来的水落入汽包下部，再经下降管循环、蒸发。汽包中蒸 发出的蒸汽再经过热器进一步加热，供汽轮机高压缸使用。汽轮机高压缸排出的蒸 汽再次进入锅炉，经再热器加热后，变为再热汽进入汽轮机中压缸。 汽机系统：以汽轮机为中心的汽机系统包括汽机本体系统、汽机润滑油系统、 汽机调速油系统、抽汽系统、疏水放气系统、凝结水系统、循环系统、工业用水系 统、除氧加热系统、加压加热器系统、给水泵及有关系统等，以上各系统共同组成 复杂的汽机系统。 发电机系统：以发电机为中心的系统包括发电机本体系统、励磁系统、发电机 气冷系统、发电机油系统、发电机水冷系统等。 化学水系统：包括化学补给水处理系统、凝结水精处理系统、废水处理系统、 华中科技大学硕士学位论文 化学加药系统、汽水取样系统等。 输煤系统：入厂来煤首先进入卸煤场，再经转运站由运煤皮带输至碎煤机房， 最后送到主厂房内的原煤仓房，多余的煤将送至储煤厂储存。 制粉系统：制粉系统的作用是将原煤仓的煤研磨成粉末状，有直吹式制粉系统、 中间储仓式制粉系统两种。 灰渣系统：锅炉除灰系统和除渣系统是消除锅炉烟气中的灰尘及炉底煤渣的系 统，前者通过除尘器、灰浆泵及输送管等组成；后者通过锅炉灰斗、碎渣机、灰渣 泵及输送管等组成【2 0 1 1 2 1 】【2 卯。 2 2 2 火电厂在电力供应链中的地位 电力行业是国民经济的基础行业，它和国民经济的发展息息相关，由于电能不 可储存，使得电能的产、供销必须同时完成。因此电力行业成为国民经济中最为特 殊的行业，它是市场经济实行多年来仍实行计划经济的行业，是国内各行业中垄断 最为明显的行业。 在传统的电力管理体制下，各省电力局( 电力公司) 分管发电、输电、配电领域。 作为电力局的发电企业，火力发电厂的生产调度直接由电力局的调度中心来指挥， 本身既没有自主权，也没有市场竞争的压力，电厂只是电力行业计划经济中服从统 一调度的一个电能生产单位。 随着市场经济的进一步发展和改革的不断深入，“厂网分开、竞价上网”势在 必行，发电厂将作为向电网供应电能的独立法人单位而存在，发电厂面对的将不是 上级的命令，而是电力市场的市场需求。 厂网分开后火电厂对外关系如图2 - 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 发电领域输电、配电领域 剧 电价 交 电易 囤- 火 斗+ 力市 电 电 场 网 厂 水 ! 气 图2 - 2 “厂网分开”后的火力发电厂对外关系图 2 3 火电厂的企业模型 层次结构模型是对c i m s 工程的一种结构化描述，是整个企业c i m s 构造模块和 关系的结构化模型集合，是设计和实现c i m s 的基础。大型火电厂c i p s 是以过程控 制和监控分析管理为主的工业综合自动化系统。 根据上面几节的研究，从信息作用、来源、处理方法等方面综合考虑，将发电 厂按信息功能分为如图2 3 所示的五个层次： 经营决策层l 全厂决策信息r - 1 决策支持系统 厂级信息管理层广荔吾否葛磊i _ | - 叫1 虱氮；j i j 磊 厂级实时生产管理层i 运行分析调度信息卜叫实时管理系统 过程控制层i 控制保护信息 功能控制系统、 车间控制系统 现场控制层i 操作执行信息| 叫驱动控制系统 图2 - 3 大型火电厂层次结构模型 关系数据 库系统 实时数据 库系统 计 算 机 网 络 系 统 华中科技大学硕士学位论文 现场控制层。该层是电厂基础自动化系统，直接对电厂的生产过程进行检测和控 制，包括现场在线仪表、现场设备和控制信号采集仪器，是整个系统中底层，其 驱动控制系统一般是基于网络的物理层和数据链路层。 过程控制层。过程控制层中包括与现场设备连接的d c s 系统、p l c 系统、f c s 系统，它接收从现场控制层来的信息，并进高等控制、优化计算、集中显示。功 能群控层主要对各功能组级的工艺系统进行控制，如主厂房d c s 内的燃烧控制 系统，给水控制系统、蒸汽控制系统等；机组控制层也是车间控制层，完成各单 元机组和辅助公用系统车间的控制，如各单元机组d c s 、各辅助公用系统p l c 、 s c a d a 等。 厂级实时生产管理层。负责从过程控制层中采集生产实时数据，集中置入实时数 据库，完成全厂的实时监控、负荷分配、经济分析、运行优化等与实时过程相关 的管理功能。该层可以对应于通常的厂级监控信息系统( s i s ) ，它以实时数据 库为核心，为管理信息层与决策经营层提供生产实时数据以及加工后的分析数 据，是连接过程控制系统与管理系统的桥梁。 厂级信息管理层。企业的生产调度、计划、销售、库存、财务、人事等构成了企 业信息的管理层，它是企业信息系统体系结构的上层，一般由关系数据库收集整 理这些来自各部门的各类信息并进行综合处理。该层可以对应于通常的信息管理 系统( m 1 s ) 。 经营决策层。对各种管理信息和生产信息进行深度的挖掘和分析，融合市场信息、 国家政策等外界信息，最终生成经营管理、上网报价等决策信息，以指导整个电 厂的发展计划【3 0 l 3 1 】【3 2 】【3 3 l 【3 4 】【3 5 】。 2 4 大型火电厂c i p s 功能 大型火电厂的c i p s 功能视图如图2 4 所示，它由管理信息系统、监控信息系统、 自动化系统和网络数据系统组成。 管理信息系统：管理信息系统主要完成与经营管理和决策相关的功能，如生 产计划、销售、供应、财务、成本、设备、物质和人力资源等的管理信息功能。 华中科技大学硕士学位论文 监控信息系统：即实时优化理系统，完成在线的监控管理功能，如生产运行 优化、实时生产调度、设备诊断和寿命管理、机组性能和经济分析。 自动化系统：完成生产过程的自动控制功能，如过程检测、自动调节、安全 保护、故障报警等自动化功能。 网络与数据库系统：网络与数据库系统是c i p s 的支撑系统，主要包括计算机 网络、数据库、集成平台，框架和协同工作子系统，它是c i p s 的骨架和枢纽。 图2 4 火电厂c i p s 功能视图 火电厂企业与一般的流程型工业企业相比，具有明显的特殊性，其中很重要的 一点是：火电厂企业没有通常的质量控制系统。与通常的动态监控系统相比，也存 在较大的区别。 由层次结构模型和功能视图来看，电厂管理决策层主要对应于决策支持系统 d s s 和管理信息系统m i s ，监控分析层主要对应于监控信息系统s i s ，而电厂庞大的 过程自动化系统则由功能群控层和机组控制层共同组成【3 3 】【3 4 】【3 5 1 。 2 5 基于三层网络和统一数据平台的整体方案 控制与管理一体化的目的是将全厂的信息有机结合起来，克服控制系统之间， 以及控制系统与信息管理之间的“数字鸿沟”。根据上节所述的火电厂的信息层次 及功能模型，将全厂分为如图2 - 5 所示的三大系统：过程控制系统、过程管理系统、 仓j k 管理系统。 华中科技大学硕士学位论文 企业管理系统主要对应于决策支持系统( d s s ) 和管理信息系统o 江i s ) ，监控及过 程管理系统对应于监控信息系统( s i s ) ，而过程控制系统则对应于电厂庞大的过程自 动化系统。三大系统各种独立运行于支撑自身的网络系统，通过公用的统一数据平 台实现三个系统的无缝集成，从而达到全厂数据的共享。 图2 - 5 火电厂网络及功能层次图 f 1 1 网络系统：要实现整个火电厂的信息共享，就必须实现全厂的网络互连。按 各个系统的功能可以将全厂划分为三个网络系统：控制网络、s i s 网络和m i s 网络。 控制网络主要是各类过程控制系统内部信息共享的车间级网段；s i s 阿络是覆盖 全厂生产部门的厂级局域网，其通讯信息量大、数据通讯能力强、实时性高，对应 的网络接口和系统种类较多，用户数量要求便于扩展，对于该网络采用通讯线路全 冗余的千兆以太网组网技术；m i s 网络较之s i s 网络覆盖的范围更广，网络上的节 点更多，也采用千兆以太网组网技术。 统一数据平台：是火电厂管控一体化的数据仓库，其逻辑上是集中，物理上 华中科技大学硕士学位论文 是分布的。统一数据平台支持并兼容各种数据及应用库类型：实时数据库系统，存 储生产的实时和历史数据，如( p i 、i h i s t o f i a n 等) ；关系数据库系统，存储全厂的关系 数据，如( o r a c l e 、s q ls e r v e r ) 等；模型库，提供相应分析处理使用的处理模型和计 算方法的例程库；知识库，用于知识信息的存储。 统一数据平台提供数据应用程序标准的开发接口：a p i 、o d b c 、a d o o l e 、 o p c 、x m l 。通过这些标准接口的应用，该平台很容易与第三方产品无缝集成，体 现良好的开发性和互操作性。 由于统一数据平台的引入，实时生产管理系统和企业管理系统之间的数据通讯 就转换为统一数据平台上的两个应用，应用的数据都共享在统一的数据平台中，这 样便以最大限度的利用了共享了数据资源，从而实现火电厂全厂的控制与管理的一 体化【3 7 1 【3 8 1 【3 9 】【4 0 】1 4 1 1 1 4 2 1 。 2 6 本章小结 本章首先介绍了火电厂c i p s 的基本概念，对火力发电厂的生产流程和在电力系 统中的最新地位进行分析。在此基础上，针对火电厂控制与管理一体化集成的思想， 归纳出火电厂的功能层次模型，进一步论述了基于三层网络和统一数据平台的系统 整体方案。 控制与管理一体化系统将封闭的自动控制系统与管理信息系统结合起来，并通 过统一的数据平台使公司各级人员利用管理网上的工作站直接观察现场生产运行状 况。 实现火电厂全面控制与管理一体化的基础上，在决策支持系统的帮助下，火电 厂高层人员可以更准确地了解整个电厂的具体运作，从而正确做出各项决策，这正 是下面章节将要研究的重要课题。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 系统的分析与设计 作为火电厂控制与管理一体化结构体系的上层应用软件，决策支持系统 ( d e c i s i o n s u p p o r ts y s t e m d s s ) 是以决策模型、数据库和决策者组成的集成系统 为特征的支持企业决策的信息系统，利用计算机来协助管理者在半结构化任务中做 出决策，其主要目的是为知识工作者提供奠定明智决策的基础信息的。 决策支持系统以管理科学、运筹学、控制论、行为科学和人工智能为基础，以 计算机技术、仿真和信息技术为手段，对各种管理信息和生产信息进行深度的挖掘 和分析，融合市场信息、国家政策等外界信息，最终生成经营决策信息，以指导整 个企业的发展计划。 发电企业管理信息系统( m i s ) 在发电企业的生产管理、设备管理、成本管理、办 公自动化、财务管理等采用信息共享，在简人增效，实现现代管理上迈出了重要的 一步，但对很多企业来说都很不完善。在发电企业逐步进入电力市场参与竞价上网 的市场竞争中，对于企业规范管理及时获取信息的要求越来越高，管理信息系统的 作用越来越重要：同时，为了实时了解、分析和控制成本，预测生产成本的变化趋 势，在竟价上网时做到合理报价，还必须基于信息管理系统之上建立竞价上网决策 支持系统1 q 2 1 3 1 1 卯。 3 1 系统开发目标 为了做出最佳的竞价策略和报价建议，竟价上网决策支持系统应该能在发电企 业内部网络支持下能结合财务、计划及各种现场的生产实时数据，直观地反映各机 组当前的生产状况，准确计算当前成本及预测未来的成本，并能结合历史交易数据 得出大量有效得辅助信息。 通过上述发电企业竟价上网模型的分析，确定竟价上网决策支持系统应具有两 大核心功能：发电生产成本实时分析与上网报价辅助决策。这也是成本分析与竞价 上网决策支持系统应达到的基本目标。 华中科技大学硕士学位论文 实时发电成本分析 实时发电成本分析就是运用现代信息科学技术和计算机网络技术实时采集与发 电生产成本有关的各种数据，实时计算发电成本，分析影响成本的各种因素及其影 响程度，并预测未来成本趋势。它最显著的特点就在于其实时性、动态性和高度自 动化。因此，可以为电力企业提供动态和实时的发电生产成本信息，以便这些部门 来实时的分析和控制成本，同时也为电力市场改革、实现“厂网分开”准确地计算 发电生产成本，为发电厂“竞价上网”的报价工作提供成本依据。 上网报价决策 在电力市场中，通过竞争产生的电价应该反映电能的市场供求关系。但是，如 果发电厂采取错误的报价策略，或者盲目的报价与市场价格偏离甚远，就可能造成 停机或者使竞争电价发生背离供求关系的变化而持续下滑，使发电厂蒙受损失。 上网报价辅助决策就是运用经济学原理，根据市场变化趋势进行竞争电价预测， 根据市场规则和预测的竞争电价生成有成本依据、最低风险和能得到比较高出力的 报价建议，并提供对报价的多种分析数据，帮助发电厂最终形成报价。 3 2 企业物质与生产流程 3 2 1 电厂物质流程 湘潭电厂物质流程可描述为： 计划部根据各职能部门上报的物资申请计划汇总审核，报厂领导审批；物资管 理中心根据审批后下达的申请计划，进行平库处理，并给物资采购办下达采购任务； 物资采购办采购回来的物品送至物资管理中心，办理入库手续，并建立类别明细帐， 计入存货：各部门需要使用物资时，凭计划单到物资管理中心填领料单，领取物资； 物资管理中心将采购发票及领料单送到财务部进行帐务处理。 电厂的物质流程可用图3 1 描述。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 2 企业业务状况流程 图3 - 1 电厂物资流程图 湘潭电厂业务状况可描述为： 省电力公司下达年度、月度计划到计划部、生技部；生技部下达燃料采购计划 到燃料公司；燃料公司负责采购燃料；铁运部将煤炭由铁路运至厂内，由燃运部负 责燃料的储存管理，最后由发电部发电。同时省中调所分别给计划部和生技部下达 年度、月度计划，并下达每日负荷调度计划给发电部；采制化中心负责对进厂煤和 八炉煤煤质进行检验；检修公司承担全厂设备的大修、小修和日常维护( 以后有望 改为状态检修) 。 湘潭电厂的业务状况流程还可用图3 2 描述。 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 2 电厂业务流程图 3 2 3 火电厂发电工艺流程 火力发电厂工艺流程为：煤、油等燃料在锅炉炉膛内燃烧，产生热能加热水， 使水生产高温高压