（电气工程专业论文）电力市场环境下发电公司的最优检修策略.pdf

0 1 1 1 1 1 0 1 1 帆 y 18 15 2 6 1 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名： 猫 日期：加行年，2 ，月，砭日 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，同意学校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。本人授权华南理工大学可以将 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。 保密曰，在l 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 日期：川年，p 月8 日 日期：炒奸，明i 日 摘要 摘要 电力工业的市场化改革给电力系统管理和运行的很多方面带来了新的挑战， 同时也为市场主体如发电公司提供了通过降低成本、提高效率来增加收益的机会。 随着发电环节与输电环节的分离，发电公司成为独立的经济实体，其通过竞价上 网发电所获得的经济收益取决于其提供的电能和市场电价，制定合理的发电机组 检修计划成为发电公司最大化其市场收益的重要策略之一。在此背景下，传统的、 由系统调度机构基于系统可靠性要求或使系统总的运行成本最小来统一安排发电 机组检修计划的管理方式因无法保证公平性而难以为发电公司所接受，也与市场 机制不相吻合，必须寻求新的解决办法。然而到目前为止，国内外对这一问题的 研究非常初步和零散，尚没有形成系统的理论和方法。 有鉴于此，本论文对电力市场环境下的发电机组检修计划问题进行了系统的、 初步的研究，主要内容包括： 第一， 提出了在电力市场环境下发电公司作为独立的经济实体，其所拥有 的发电机组检修计划不应再由系统调度机构统一确定，而是先由发 电公司根据自身利益的最大化，亦即检修期间的收益损失最小化来 制定、再由系统调度机构来调整的检修理念： 第二，提出了计及电价风险的发电公司最优检修策略，将机会约束规划这 一风险管理方法引入发电公司的检修决策之中； 第三， 鉴于目前电力合约交易在各区域电力市场中占有很大的比例，介绍 了电力合约的作用、种类、特点及其在市场中订立、执行、结算的 过程； 第四， 根据不同电力合约的作用和特点，分别研究了三种交易模式下的发 电公司最优检修策略。 最后对本论文所做的研究进行了简要总结，并指出了这一领域中有待研究和 需要进一步深入研究的问题。 关键词：检修计划：机会约束规划；合约 华南理工大学t 程硕十学位论文 a b s t r c t w o r l d w i d er e s t r u c t u r i n go ft h ep o w e ri n d u s t r yh a sb r o u g h tn e wo p p o r t u n i t i e s a n d ，a tt h es a m et i m e ，i m p o s e dn e wc h a l l e n g e su p o np o w e rs y s t e mo p e r a t i o na n d m a n a g e m e n t g e n e r a t i o ns e c t o r sa r es e p a r a t e df r o mt h et r a n s m i s s i o ns e c t o ra n da sa r e s u l tg e n e r a t i o nc o m p a n i e sa r ef o r m e da si n d e p e n d e n te n t i t i e s t h er e v e n u eo fa g e n e r a t i o nc o m p a n yd e p e n d s o ni t s e n e r g ys u p p l ya s w e l la st h em a r k e tp r i c e b u i l d i n gar e a s o n a b l em a i n t e n a n c es c h e d u l i n gh a sb e c o m e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s t r a t e g i e sf o rg e n e r a t i o nc o m p a n i e st om a x i m i z ep r o f i t s t h et r a d i t i o n a la p p r o a c ho f g e n e r a t i o n m a i n t e n a n c e s c h e d u l i n ge m p l o y e db y t h es y s t e mo p e r a t o rt h r o u g ha c e n t r a l i z e do p t i m i z a t i o nm e t h o di sn ol o n g e ra c c e p t a b l eb yg e n e r a t i o nc o m p a n i e sa n d d o e sn o tm a t c hw i t ht h ee l e c t r i c i t ym a r k e to p e r a t i o nm e c h a n i s m n e wm e t h o d sm u s t b ed e v e l o p e df o rt h i sp u r p o s e h o w e v e r ，t ot h eb e s to fo u rk n o w l e d g e ，n os y s t e m a t i c r e s e a r c hw o r kh a sb e e nr e p o r t e du pt on o wa r o u n dt h eg l o b e g i v e nt h i sb a c k g r o u n d ，t h ep r o b l e mo fm a i n t e n a n c es c h e d u l i n gf o rg e n e r a t i n g u n i t si nt h ee l e c t r i c i t ym a r k e te n v i r o n m e n th a sb e e ni n v e s t i g a t e ds y s t e m i c a l l yi nt h i s t h e s i s t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ed e t a i l e da sf o l l o w s f i r s t ，as t a n d p o i n ti sd e s c r i b e dt h a tg e n e r a t i o nc o m p a n i e sa si n d e p e n d e n te n t i t i e s i np o w e rm a r k e t ，w h o s em a i no b j e c ti sm a k i n gp r o f i t s s o ，m a i n t e n a n c es c h e d u l i n g s h o u l dn o tb ec o n t r o l l e db yp o w e rg r i db u tb yg e n e r a t i o nc o m p a n i e st h e m s e l v e s s e c o n d ，c c p ( c h a n c e - c o n s t r a i n e dp r o g r a m m i n g ) a sa ne x p l i c i tm a n n e rf o rr i s k m a n a g e m e n t i si n t r o d u c e dt om a i n t e n a n c e s c h e d u l i n g a m o d e lo fo p t i m a l m a i n t e n a n c es t r a t e g i e si sd e v e l o p e db a s e do nc c pa n dam o n t ec a r l ob a s e dm e t h o d p r e s e n t e d t h i r d ，c o n t r a c t sp l a ya ni m p o r t a n tp a r ti np o w e rm a r k e t s t h ee f f e c t s ，c a t e g o r i e s a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r a c t sa r eo u t l i n e d f o u r t h ，t h eo p t i m a lm a i n t e n a n c es t r a t e g i e so fg e n e r a t i o nc o m p a n i e si nt h r e e t r a d i n gm o d e sa r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y l a s t l y ，c o n c l u s i o n sa r em a d eb a s e do nt h er e s e a r c ho u t c o m e s ，a n dd i r e c t i o n sf o r f u t u r er e s e a r c hp o i n t e do u t k e y w o r d s ：m a i n t e n a n c es c h e d u l i n g ：c c p ：c o n t r a c t s i i 目录 目录 摘 要i a b s t r c t 。 第一章绪论。 1 1 课题的背景与意义1 1 2 电力市场中发电公司地位的改变及面临的问题。3 1 3 检修理论的发展6 1 4 传统的发电机组检修计划模型。7 1 4 1 可靠拦目缸厨筑7 1 4 2 经劳丝g 粝厨擞8 1 5 发电机组最优检修计划的求解方法9 1 6 市场环境下的发电机组检修方法1 0 1 7 本文的主要工作二1 1 第二章机会约束规划 2 1 机会约束规划简介1 3 2 2 机会约束规划模型1 3 2 3 机会约束规划的求解。1 5 2 4d 、结1 5 第三章基于机会约束规划的发电机组最优检修策略1 6 3 1 弓i 言1 6 3 2 基本假设1 6 3 3 发电公司为价格接受者时的最优检修策略1 7 3 3 j 或学荔艇型j7 3 3 2 蒜锣方蘑。1 9 3 4 发电公司为非价格接受者时的最优检修策略2 0 3 4 j 嘉静卡多方。) 跨反应用2 0 3 4 2 , f f 静舌罗笏真泣翟甜 3 4 3 裣移舻剃膨囊静卡罗劳兑2 2 3 5 算例分析2 2 3 5 j 发舌公司萨力笏移嫠殳孝膨铲第纺架2 5 3 5 2 发詹公影萨力骓缈移接受孝缈膨舻第缮累笱 i 华南理工大学硕士学位论文 3 6d 、l g ；：! t ； 第四章电力市场中的远期交易模式2 7 4 1 弓i 言：1 7 4 2 电力合约的管理方式2 8 4 3 电力合约的形成方式2 9 4 3 1 詹力兮约膨，彭宕方才2 9 4 3 2 詹力兮约的淡判方苛3 0 4 3 3 詹力兮约膨考封捞卖方荒3 d 4 4 电力合约的形式3 1 4 4 1 尹长期笏碧兮约彪 4 4 2 羞 笏看约3 3 4 5d 、l 目；：；q l 第五章不同市场交易模式下的机组检修策略 3 5 5 1j ；i 言：i ! ； 5 2 。现货交易”模式下的检修模型3 5 5 2 j 发舌公司为缈移接受孝3 6 5 2 2 发詹公司为稚缈移嫠殳考3 7 5 3 。现货+ 中长期合约交易”模式下的检修模型3 8 5 3 j 发詹公司为笏移嫠殳孝。钉 5 3 2 发舌公司为菲缈移嫠殳考。钉 5 4 “现货+ 差价合约交易”模式下的检修模型。4 2 5 3 j 发舌公司为笏移费殳孝钌 5 3 2 发舌公司为嚣缈移嫠殳孝4 彳 5 5 算例分析。4 5 5 5 1 。厕费：窆易”礴型膨第缄4 5 5 5 2 。现货+ 中长期合约交易“模式的算例4 6 5 5 3 “现货+ 差价合约交易。模式的算倒4 7 5 6d 、结4 9 第六章结论与展望 参考文献： 攻读硕士学位期间发表的论文 致谢 i i 5 0 5 l 5 7 5 8 目录 附录1 标准正态分布表5 9 附录2m a t l a b 中随机数发生器 i i i 第一章绪论 1 1 课题的背景与意义 第一章绪论 发电机组的检修计划问题无论对电力系统规划设计还是在运行调度中都具有 重要意义，特别是发电机组的长期计划检修( 计划周期1 2 年) ，对系统的可靠性、 机组利用率以及生产成本都有重要的影响。此外，许多短期或长期运行问题，如 发电机组优化组合、水电优化调度、燃料计划、可靠性评价、以及发电费用预算 等都要以检修计划为原始数据。 对发电机组检修计划的传统指导思想是【1 】：周期性地安排机组计划检修( 预 防性检修) 和有效地组织随机故障后的修复工作。这些活动总的目标是：使设备 经常保持或恢复到良好技术状态，减少设备的故障，延长设备的寿命，从而提高 电力系统的可靠性和经济性。所以制定周密的发电机组检修计划有着重要的意义。 就可靠性方面而言，电力系统的任务是向用户提供连续不断的符合质量要求 的电能一一因为不论是工业用电或生活用电都要求有很高的可靠性1 2 1 。因此，电 力系统的设计、运行和检修都把可靠性列为重要标尺之一。机组停机检修直接影 响电网的总发电功率，并且会影响到机组组合、水电调度、功率交换和燃料计划 等，所以它对电力系统可靠性有着重大影响。可靠性作为技术指标包括充分性和 安全性两方面内容以及确定性和概率性两种指标【3 1 。充分性指系统在考虑元件故 障率、设备荷载能力和电压限制范围条件下满足负荷需求的能力；安全性是系统 抵抗突发性干扰的能力。在发电机组检修计划中，主要考虑的是充分性方面的问 题。 在经济性方面，电力部门每年在发电机组检修上所花的直接费用相当巨大。 此外，发电机组检修还需花费许多“潜在的 费用【4 1 。例如，发电机组检修停运 期间少发电能的费用；当带基荷的高效率发电机组检修时，由效率较低的机组所 取代而增加的发电费用；以及为保证系统供电可靠性而必须增加的检修备用容量 的投资等。可靠性与经济性是制定发电机组检修计划时应当兼顾的两个方面。 在传统的垂直一体化的电力工业中，检修计划是由系统调度从整个电网的安 全性和经济性出发集中决策的，其所制定的检修计划尽可能保证系统全局最优而 无需考虑个体发电公司的利益。世界范围内的电力工业重组给电力系统管理和运 行的很多方面带来了新的挑战，由于“厂网分离 ，原来发、输、配一体化的电 力公司被分割为相互独立的发电公司和电网公司，电网公司与发电企业的关系以 及彼此的经营模式发生了根本性的变化。具体到发电机组检修计划问题，这一变 华南理工大学硕士学位论文 化主要体现在以下三个方面： 1 发电公司追求自身经济效益与系统安全性之间的冲突。作为独立的经济实 体，理论上发电公司有权自行安排其所拥有的机组的检修时间，但如果完 全由发电公司从自己的经济利益出发制定发电机组检修计划，则可能会引 起系统的安全性和可靠性问题。因为市场环境下发电公司的收入主要取决 于售出的电量以及电价水平，为了寻求利益最大化，发电公司必然倾向于 在电价较低的月份停机检修，但如果系统的大多数机组都在电价较低的月 份停机检修的话，系统的安全运行就可能得不到保证； 2 发电公司之间在安排检修计划上的冲突。每个发电公司在安排自己所拥有 的机组检修时都希望从能量拍卖市场获得的预期收益最大，即由检修造成 的收益损失最小，因此检修策略和能量拍卖市场密切相关。一方面发电公 司的检修策略会影响能量市场的电价，继而影响每个发电公司的收益；另 一方面，能量市场的电价又会反过来影响各发电公司的检修决策。因此， 每个发电公司的收益都不仅仅由其自身的决策决定，在制定机组检修计划 时还必须考虑到其他公司的检修策略，而这些策略事先是无法预知的。这 样，发电公司间存在着相互博弈； 3 发电机组检修与输电设施检修的冲突。理论上，发电检修和输电检修可以 被单独优化，分别求得各自最优的检修时间。但由于系统约束的存在，如 网络潮流限制、能量需求、可靠性要求等，使得发电机组检修计划和输电 设施检修计划的制定密切相关，需要相互协调进行。在传统的、管制的电 力系统中，发电机组检修和输电设施检修由电力公司统一决定，机组检修 计划问题被表示为一个复杂的非线性离散随机优化问题，而输电设施检修 计划通常作为机组检修计划问题的一个约束条件。电力市场环境下，由于 发电公司和电网公司分别为不同的经济实体，发电检修和输电检修很难再 进行统一的优化，因此可能存在着发电公司检修计划与电网公司检修计划 不一致的问题。 上述矛盾的存在，使得在电力市场环境下，像以前垄断环境下由电网调度根 据系统的安全性统一安排机组检修时间计划的方法已经不适用了。所以，如何建 立发电公司的最优检修策略已经成为电力工业市场化之后发电公司面临的主要问 题之一。 由于市场化改革给发电机组的检修带来了许多新的挑战，在电力市场环境下， 机组检修计划的安排不当已经成为近几年来引起大停电的隐患之一，例如：1 9 9 9 年，纽约、新英格兰、芝加哥和亚特兰大等地相继发生了由于电力系统的基础设 备利用率过高、电力设备检修延期以及降低检修费而诱发设备故障引起的相继停 电事故【5 l ：2 0 0 0 年冬季，由于美国加州电力市场规定由发电公司自行决定检修时 2 第一章绪论 间，使大多数公司为了获取高额利润而故意在冬季缺电时安排机组停运检修，从 而引起电力极度短缺，造成2 0 0 1 年1 月加州分区轮流大规模停电，宣告了加州电 力市场的失败【6 l ；检修计划的不合理性也是美国“8 1 4 大停电的诱因之一。 1 2 电力市场中发电公司地位的改变及面临的问题 世界电力工业正在由传统的垄断管制型向竞争监管型转变，解除管制、引入 竞争己成为各国电力行业发展的总趋势【7 1 。早在1 9 7 8 年，智利就开始了其解除电 力管制的改革，并于1 9 8 2 年颁布了新的电力法。以新自由主义经济理论为导向的 英国于1 9 9 0 年进行的电力工业改革，在世界范围内产生了重大影响，其先进经验 为许多国家所借鉴1 8 1 2 1 。继而改革的浪潮播及欧洲【1 3 1 5 1 、北美【1 3 1 们、南美【1 3 1 7 - 1 蜘、 澳大利亚【1 3 ，1 9 1 、新西兰【2 0 】和亚洲【2 1 。2 2 l 的一些国家和地区，形成一场世界性的电 力工业改革潮流。 我国早在2 0 世纪8 0 年代，一些网、省电力局开始对统一核算成本进行改革， 对其下属的发电公司和供电局实行内部承包，一些省电力局在承包中将对发电量 的考核变为峰谷考核，有的电力局还采取了以峰谷电价来考核发电公司和供电局 的方式，这就形成了模拟电力市场的雏形。 从1 9 9 4 年至今，我国己有近三分之一的网、省电力公司启动了内部模拟市场， 其基本形式是：把电力公司分为发电、供电和调度三个环节，调度充当经纪人的 角色。省电力公司对所属每个发电公司核定一个上网电价，电网按上网电价向发 电公司购电，增收部分费用之后，以统一的价格向供电企业售电。 。 1 9 9 7 年1 月，国家电力公司成立。同年1 1 月，国家电力公司召开会议，正 式启动内部模拟电力市场，模拟电力市场的内容主要包括：实行网、省电力公司 与各发电公司签订并网调度协议、电力购销合约和经营责任制协议，对各下属企 业实行内部价格、内部利润、内部核算、内部分配与指标考核相结合的经营责任 制办法，发电公司竞价上网，对供电局按内部电价结算，以内部利润的高低来评 价发、供电企业的业绩。 从1 9 9 8 年撤销了电力部，电力行业成为独立经营的企业，确定在电力工业实 行“厂网分开，竟价上网 的政策，并确定浙江、上海、山东和东北的辽宁、吉 林、黑龙江六个电网作为试点单位。2 0 0 0 年山东、上海、浙江发电侧电力市场都 相继投入商业化运行。几年来的实践表明，六个试点单位的电力市场技术支持系 统的建设和运行都取得了较大进展，模拟电力市场的运营也取得了一定的成绩， 主要表现在以下几个方面： 一是经济效益显著上升，一系列的运行指标如发供电企业的等效可用系数、 非计划停运次数，供电企业的线损率、供电可靠性等达到了新水平；企业的成本 3 华南理工大学硕十学位论文 和费用增长得到控制。 二是电网调度能力增强，调度自动化水平和各项专业管理水平得到提高。 三是企业内部管理得到加强，使发供电企业开始将思路转为向管理要效益， 通过加强管理、降低成本，获取最大的效益。更重要的是：人的观念发生了变化， 竞争意识、市场意识得到了加强。 2 0 0 2 年国务院颁发了关于印发电力体制改革方案的通知，即5 号文件， 提出了“打破垄断，引入竞争 的电力体制改革总体目标，计划在“十五 期间 初步建立竞争、开放的区域电力市场。电力市场可以在不同规模上建立，处于可 靠性和商业风险上的考虑，在中国首先考虑设立华北、东北、华东、华中、西北、 南方六大区域电力市场。 东北区域电力市场已于2 0 0 4 年元月进行了模拟运行，华东区域电力市场也于 2 0 0 4 年5 月正式进入模拟运行。2 0 0 5 年儿月1 日，南方电力市场模拟运行开始， 5 家电网公司及时1 4 家发电企业作为南方电力市场初级阶段市场主体参与市场模 拟交易，参加此次竞价交易的发电机组总计3 9 台，总容量1 3 5 4 万千瓦。其余三 个区域电力市场正在积极筹建之中。 电力市场的本质是在电力工业中引进竞争机制，促进电力企业生存与发展的 良性循环。传统电力管理体制下的电力行业，由于发、输、配电垂直一体化管理 以及资金密集性、技术密集性等行业特性使其具有垄断特性。与其它垄断性行业 一样，存在着各种诸如效益低下、经营者获取不合理的垄断利益等弊端，这些弊 端使得电力企业失去活力，不利于电力行业的发展，又在一定程度上阻碍了整个 国民经济的发展。因此，引进竞争，增加活力，己经成为世界各国电力工业发展 的趋势。传统的、自上而下的、垂直型管理的观念受到挑战，最大限度地在电力 系统中引进竞争，己被大多数国家所接受。建立电力市场，本着公平、平等的原 则进行电力自由贸易的方式越来越受到人们的重视。 电力市场的实施，可以在以下几个方面发挥重要的作用： 引入竞争机制，通过公平竞争达到提高系统运行效率，降低生产成本的目 的： 为电力用户提供合理的电价与高质量的服务； 区域经济协调与利益的公平分配； 促进电力系统设计与规划的良性循环。 在集中垄断体制的电力系统中，发电公司是电力公司的一部分，其发电计划 由系统调度统一确定，电价由政府核定，根据电力生产成本、还本付息等需要确 定每台机组的价格，其主要目的是保证机组运行的可靠性。这种经营管理方式使 得发电公司间没有竞争，经营没有风险，更不需要研究报价方式等市场策略。电 力市场环境下，发电公司成为了独立经营、自负盈亏的经济实体，发电公司的经 4 第一章绪论 营目标不再是满足系统最优，而是自身利益最大化。由于其发电量和上网电价都 由市场竞争决定，因此其收益一方面与其成本有关，另一方面与其在市场运营中 所采用的策略有很大关系。在竞争的市场环境下，发电公司面临着许多以前没有 遇到过的问题： 竞价策略。在市场环境下，发电公司的发电量和上网电价由市场决定。由 于电力市场更接近于寡头垄断市场，信息不完全、行使市场力等因素使得 发电公司的竞价策略在很大程度上影响其收益。因此研究最优的竞价策略 是市场环境下发电公司面临的最主要的问题之一。， 风险管理。电力市场环境下，由于市场电价具有高度的波动性，发电公司 的经营面临很大的风险。因此，现行的电力市场中，大多数发电公司都通 过签订长期合约、进行期货交易等方式来降低、规避风险。如何确定合约 交易电量和市场交易电量的比例，是发电公司需要研究的重要问题之一。 机组检修计划问题。确定机组的最优检修时间，对发电公司维持系统良好 的工作状态、减小故障、延长寿命、减小检修期间的收益损失都有重要的 意义。这是一个非常复杂的优化问题，与发电公司的自身利益和系统的安 全运行密切相关。 机组组合问题。机组组合是在满足系统负荷和备用要求以及机组运行的技 术条件约束的情况下，确定未来一定期间内各机组的开、停机时间并在机 组间分配负荷，以使系统总的运行费用达到最小。合理的开停机方案能节 省一次能源的消费，延长机组使用寿命，带来很大的经济效益。在电力市 场环境下，根据不同的交易模式，机组组合由不同的市场主体完成。在联 营体市场中，如果采用单部分投标的方式，即简单报价( 电量一一电价) 交易模式，发电公司需要自己进行机组组合。在基于双边合约的市场模式 中，机组组合也需要有由发电公司自己完成。机组组合实际上是一个优化 问题，对于某发电公司来说，其机组组合就是根据一定时期内的总发电计 划，制定出每台机组的开停机时间及在每个时段负荷在各机组之间的分配 情况，这也是发电公司需要研究的一个非常复杂的优化问题。 在电力市场中，发电侧电力市场的逐渐开放、引入竞争对发电公司传统计划 经济体制下的运营模式是一个新的挑战，它要求发电公司要转变经营生产观念， 重构经营策略，满足电力市场对发电公司的要求： 1 。发电公司的经营思想要从被动计划发电转变为主动竞价上网发电，因而发 电公司要充分了解构成电力市场和影响其运营的主要因素； 2 发电公司实行竞价上网发电，其关键要掌握电价的成因，实时电价波动的 规律，发电公司固定成本和变动成本的不确定因素，从而把发电公司的投 资策略，长期经营目标( 如还本付息) 和短期运营计划( 如支付变动成本) 有 5 华南理工大学硕士学位论文 机地结合起来，实现发电公司的最佳效益； 3 发电公司的经营活动还涉及到燃料、水、环保等诸多与社会经济活动相关 的因素，发电公司必须从把握社会经济发展的趋势入手，正确评估发电公 司与社会的关系，正确预测未来负荷一一价格一一服务质量的需求关系， 正把握电力市场的运行法规和规则，这样才能在激烈竞争的发电市场中立 于不败之地。 1 3 检修理论的发展 检修观念的演变经历了2 个阶段【2 3 】：事后检修故障检修( 1 8 世纪第一次产业 革命) 和预防性检修( 1 9 世纪第二次产业革命) 【2 4 1 。 事后检修( b r e a km a i n t e n a n c e b m ) 也称故障检修( c o r r e c t i v e m a i n t e n a n c e c m ) ，是最早的检修方式。这种检修方式以设备出现功能性故障为 判据，在设备发生故障且无法继续运转时才进行检修。显然这种应急检修不仅要 付出巨大的检修费用，而且严重地威胁着设备和人身安全。到第二次产业革命时 期，开始推行预防性检修( p r e v e n t i o nm a i n t e n a n c e p m ) 。预防性检修经过多年的 发展，根据检修的技术条件、目标的不同而主要有以下3 种检修方式： ( 1 ) 定期检修( t i m eb a s e dm a i n t e n a n c e t b m ) 或计划检修( s c h e d u l e m a i n t e n a n c e s m ) 。这种检修方式以时间为依据，预先设定检修工作内容与周期。 中国电力工业的定期检修制度是2 0 世纪5 0 年代从苏联引入的，直到8 0 年代， t b m 仍是主流的检修制度。据统计，1 9 9 6 年我国的1 0 0 m w ，1 2 5 m w ，2 0 0 m w 火 电机组非计划停运与出力降低的责任原因，分别有3 6 ，3 1 和4 1 是由于这种检 修不当造成的； ( 2 ) 以可靠性为中心的检修( r e l i a b i l i t yc e n t e r e dm a i n t e n a n c e r c m ) 。r c m 是 一种以用最低的费用来实现机械设备固有可靠性水平的检修方式。该检修方式能 比较合理地安排大修间隔，有效预防严重故障的发生； ( 3 ) 状态检修( c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e c b m ) 或预知性检修( p r e d i c t i v e d i a g n o s t i cm a i n t e n a n c e p d m ) 2 5 1 。利用状态监视和诊断技术提供的设备状态信 息，判断设备的异常情况，预知设备的故障，在故障发生前进行检修。状态检修 是当前耗费最低、技术最先进的检修制度，它为设备安全、稳定、长周期、全性 能、优质运行提供了可靠的技术和管理保障。但由于状态检修需要监测的内容多， 投资大，并存在一定的风险，要能熟练地运用于设备检修还需要长时间的经验积 累。 对电力设备具体采用何种检修方式进行检修【2 们，需要综合考虑设备的故障模 式、检修技术水平的约束、检修方案的安全性与经济性等。可以采用图1 所示的 6 第一章绪论 分类原则对电力设备的检修进行分类。 图1 - 1 电力设备检修的分类原则 f i g u r e1 - 1p r i n c i p l eo ft h ee q u i p m e n t s c l a s s i f y i n g 由于发电机组在电力系统中的重要作用，应当对其采用预防性检修。但是由 于目前状态监控技术投资多、实施难度较大、相关技术还很不成熟等，所以状态 检修在我国刚刚处于起步阶段。本文所提出的发电机组检修策略是基于目前普遍 采用的计划检修体制构建的。 1 4 传统的发电机组检修计划模型 发电机组计划检修的目的是周期性地安排机组的预防性检修，使设备能经常 保持良好的技术状态，减少故障、延长寿命，从而提高电力系统的可靠性与经济j 性。用数学语言描述，发电机组检修计划实际上是一个多目标、多约束的优化问 题。 对这样一个复杂的实际问题，如何建立实际有效的数学模型是问题求解的关 键。分别从可靠性和经济性两个角度建立机组检修计划的函数模型是目前通用的 方法。 1 4 1 可靠性目标函数 以可靠性作为目标函数充分考虑了在发电机组检修情况下系统的安全性问 题，其中衡量发电系统安全性的指标有多种，包括电力不足期望值l o l e 、电力 不足小时期望值h l o l e 、期望的电量不足e e n s 和电力不足概率l o l p 等。 等备用法1 2 7 。2 8 1 为应用最广泛的方法之一。因为系统供电可靠性与系统的备用 容量密切相关，而系统的备用容量在工程中具有概念简明、分析方便的优点，所 以目前我国大部分机组检修计划仍然采用此方法。等备用法在计及发电机组的检 修停运后，使系统的净备用在全年各时段尽可能相等。但是它不能确切的考虑发 电机组强迫停运、负荷变化等随机因素，因此从可靠性指标上来说，其解并不是 7 华南理工大学硕士学位论文 最优的。 等风险度法【2 9 。3 们。从机组的可靠性出发，使系统在研究周期内各时段的风险 度指标尽可能相等。等风险度法有两个主要特点【1 】：一是考虑了机组随机停运对 系统可靠性的影响，利用有效载荷容量来代替它的额定容量；二是考虑了负荷的 逐日变化，将一个时段内各天变化的负荷用一个等效负荷来等价，避免了等备用 法中只用时段内的最大负荷作为代表负荷的缺点，提高了计算的准确性。 最小风险度法【3 1 1 。它基于机组强迫停运所造成的损失与全年停电时间的累加 成比例这一常识，以全年l o l p 最小为优化目标，但是系统的运行费用显著增大。 d c h a t t o p a d h y a y 的文章【3 2 。3 3 】中分别用等备用法、等风险度法、最小风险度 法安排印度m s e s 中机组检修计划，并对其结果进行比较，得到了很多有意义的 结论。 1 4 2 经济性目标函数 早期的经济性研究主要考虑停电检修安排在生产成本【3 4 1 、检修成本【3 5 j 或二者 之和【3 6 】最小的时段进行。但人们在实践中逐渐认识到一年之中各时段的生产成本 相差不大，而且检修费用与检修次数有关但与检修时间无关，即在一年的任何时 间段检修，电厂付出的检修费用是相同的。所以采用最小成本的方法实际上是求 不出最优的机组检修时间的。 文献【3 7 】将停电损失费用最小作为目标函数。安排机组检修从整体上看可以 减小机组的随机故障率，但是在机组检修期间，系统备用容量降低，如果安排不 当会使用户停电损失明显增加。用户停电损失等于缺电量与用户停电损失率的乘 积。 文献 3 8 1 研究了电力市场下火电厂的机组检修计划问题，以检修费用、电价 收益损失与风险损失之和作为最小目标函数。但主要考虑的是发电公司在每个月 都有以合约形式表现出来的发电任务，要在机组停机检修后满足系统的发电任务， 并分析其可靠性。 国外的某些研究【3 9 。4 1 】还将所属发电公司的线路检修考虑到目标函数中。提高 了模型的通用性。 从本质上说，发电检修计划是一个多目标优化问题，因为在制定检修计划时 很多要求都要兼顾，如在最低生产成本时保持足够的可靠性：最大化可用机组的 效率与最小化各时段备用裕度的差异等，这些需求是相互矛盾的。因此，一些学 者运用多目标规划1 4 2 。4 3 1 的思想来解决机组检修问题。 以上各种类型的目标函数在实际中都有一定的应用，即在满足一定约束条件 下，都能求得其最优解。注意到约束条件是决定可行性空间的因素，对寻优有着 重要的意义，下面列出主要的约束条件。 8 第一章绪论 1 ) 发电机组检修约束。包括：检修期间约束，指机组的检修必须安排在一定 的期间内进行；检修活动的持续性，指一台机组开始检修后必须在一段连续的期 间内完成；两次检修时间间隔约束，指一台机组不能太频繁的检修；检修力量约 束，指同一电厂是否可以同时检修多台机组；资源约束，指检修所需的资源是否 充分； 2 ) 网络约束。包括负荷平衡约束、发电容量约束与输电容量约束； 3 ) 备用约束。总发电容量要大于检修机组的容量、负荷容量与旋转备用容量 的和； 4 ) 燃料的供应与库存约束。一段时间内燃料的用量不能超过燃料的产量，并 且要考虑到燃料运输的约束； 5 ) 允许的二氧化硫排放量约束。 有时，还将输电线路检修计划作为发电机组检修计划问题的一个约束条件。 发电机组最优检修计划实际上就是求解满足上述约束条目标下的最优函数解。 1 5 发电机组最优检修计划的求解方法 解决发电机组检修计划的方法分为启发式优化方法和数学方法2 大类。 启发式算法包括前面介绍的等备用法和等风险度法。启发式算法应用反复试 探的原理使检修计划逼近目标函数的要求，在可接受的计算费用内一般能寻找到 较好的解，并且可以方便地引入各种约束条件，而与它们是线性、非线性或离散 等情况无关。由于其灵活性和简便性，这种方法在检修计划问题研究初期曾得到 广泛的应用。但启发式算法从原理上不能保证求得的解是最优解，甚至找不到可 行解，而巨难以处理多目标优化问题。 继启发式算法之后，很多数学方法被应用于检修计划的研究中，包括：整数 规划【4 4 - 4 5 l 、混合整数线性规划【4 6 - 4 7 l 、b e n d e r s 分解【4 8 4 9 1 、动态规划【5 0 1 以及各种数 学规划方法的组合。 基于检修计划的离散性，整数规划法和动态规划法成为检修问题中常用的求 解方法。由于整数规划法难以计及检修问题所具有的不确定性以及规模较大的问 题可能超出计算机的处理能力( 存储容量过大和计算时间长) ，有些研究中将整数 规划中的分支定界法用于整数、混合整数以及非线性整数规划，从而可以解决带 有大量变量和约束的问题。 理论上动态规划法更适用于求解属于多阶段决策过程的检修计划问题，但由 于动态规划的计算量随状态变量数( 在检修问题中即设备台数) 按指数增长，因此 严重地限制了这种方法求解问题的规模。利用逐次逼近法可以有效地减少计算工 作量，缩短运行时间。 9 华南理工大学硕士学位论文 b e n d e r s 分解法是近年来检修问题中广为应用的一种方法，尤其是在发电检 修中计入了输电检修和其他的网络约束之后，发电机组检修问题变得更为复杂。 b e n d e r s 分解法将这一大规模混合整数规划问题分解为一个确定性的混合整数决 策问题( 主问题) 和一系列的线性优化问题( 子问题) 。通过分解，不但将原来一个非 常复杂的问题转化为两层比较简单的、低维的问题，而且可以利用一些有效的、 特定的方法来求解。 近年来很多检修计划问题的研究中都引入了人工智能方法，包括专家系统 ( e x p e r ts y s t e m ) t 51 1 、模拟退火( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) t 5 2 5 3 1 、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) t 5 4 - 5 9 1 、禁忌搜索( t a b us e a r c h ) l 删、模糊理论( f u z z yt h e o r y ) t 6 1 l 以及多种 智能方法的组合1 6 2 - 6 5 1 。 模拟退火法是随机算法，以概率1 渐进收敛到全局最优解。它是模拟物理系统 徐徐退火过程的一种随机搜索技术，把组合优化问题的目标函数当成退火系统的 能量函数，如果以控制参数作为退火温度，模拟退火法寻找基态的过程就是令目 标函数极小化的过程。其优点在于可较为有效地防止陷入局部最优，但耗时较长， 而且