一種鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題的雙層尋優(yōu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋼鐵能源生產(chǎn)及信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度 問(wèn)題的雙層尋優(yōu)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性支柱產(chǎn)業(yè)，同時(shí)又是資源、能源密集型產(chǎn)業(yè)。能源消 耗是決定鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)成本和利潤(rùn)的重要因素，也是影響環(huán)境負(fù)荷的主要原因。一方面，鋼 鐵企業(yè)生產(chǎn)流程長(zhǎng)，工序、設(shè)備繁多，各工序間相互銜接，且每種工序、設(shè)備都與多種能源介 質(zhì)關(guān)聯(lián)；另一方面，鋼鐵企業(yè)需要用到的能源種類超過(guò)20種，該些能源介質(zhì)不僅各自存在 產(chǎn)耗、儲(chǔ)存、緩沖和輸配等多種形態(tài)，而且相互之間有著復(fù)雜的轉(zhuǎn)換、替代等關(guān)聯(lián)關(guān)系，該都 使得整個(gè)鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密禪合、錯(cuò)綜復(fù)雜。因此，對(duì)鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)的研 究具有理論和現(xiàn)實(shí)兩方面的重要意義。
[0003] 在對(duì)鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行研究時(shí)，一般將該問(wèn)題表述成W能源成本最 小化為優(yōu)化目標(biāo)、滿足一定約束條件的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，然后應(yīng)用各種優(yōu)化算法求解。由于鋼 鐵企業(yè)能源系統(tǒng)本身具有的多介質(zhì)緊禪合、能源設(shè)備多樣性，和能源需求時(shí)變性等復(fù)雜性， 導(dǎo)致建立的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型一般難于求解。當(dāng)考慮能源設(shè)備啟停狀態(tài)時(shí)，在上面的數(shù)學(xué)規(guī)劃 模型中加入了與能源設(shè)備數(shù)量和調(diào)度周期數(shù)乘積相等個(gè)數(shù)的整數(shù)變量，該個(gè)問(wèn)題就變得更 復(fù)雜了。此時(shí)，數(shù)學(xué)模型不再是單純的非線性規(guī)劃模型，而是混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型。對(duì) 于將鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題建模而得的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，由于部分變量要求 取0-1值，因而不能用一般連續(xù)問(wèn)題的求解算法，當(dāng)問(wèn)題規(guī)模較大時(shí)，求解的困難程度就相 當(dāng)可觀了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題的雙層尋優(yōu)方法， W解決現(xiàn)有技術(shù)在考慮能源公輔設(shè)備啟停狀態(tài)時(shí)建模而得的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型求 解困難的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明實(shí)施例是該樣實(shí)現(xiàn)的，一種鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題的雙層尋優(yōu)方法， 所述方法包括W下步驟：
[0006] 步驟1，建立鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型M1，確定所述優(yōu)化調(diào)度模型Ml的 優(yōu)化變量和目標(biāo)函數(shù)M//;/口，的，并確定所述優(yōu)化調(diào)度模型Ml的約束條件；
[0007] 其中，X表示各類設(shè)備相關(guān)的連續(xù)變量，6表示各類設(shè)備相關(guān)的整型變量，優(yōu)化調(diào) 度模型Ml的約束條件包括各單元設(shè)備的工藝約束、各能源介質(zhì)的整體平衡約束W及標(biāo)識(shí) 單元設(shè)備是否運(yùn)行的0-1變量的關(guān)聯(lián)約束；
[0008] 步驟2,將所述優(yōu)化調(diào)度模型Ml中的所述整型變量&松弛為在閉區(qū)間[0,1]內(nèi)取 值的連續(xù)變量伊，將所有的所述連續(xù)變量S替換為所述連續(xù)變量壬與其對(duì)應(yīng)的所述松弛后 的整型變量各I的乘積；?護(hù).
[0009] 步驟3,構(gòu)造關(guān)于所述松弛后的整型變量/;'的罰函數(shù)，將所述罰函數(shù)加入 所述優(yōu)化調(diào)度模Ml的所述目標(biāo)函數(shù)中，形成等價(jià)模型M2的目標(biāo)函數(shù)為 Min f{x,h') +p{b')
[0010] 步驟4,計(jì)算所述等價(jià)模型M2滿足約束條件的最優(yōu)解，所述等價(jià)模型M2的約束條 件包括各單元設(shè)備的工藝約束、各能源介質(zhì)的整體平衡約束W及松弛后的整型變量的取值 范圍約束；
[0011] 步驟5,判斷所述等價(jià)模型M2的最優(yōu)解中的整型變量礦取值是否均為0或1，是， W所述最優(yōu)解為所述優(yōu)化調(diào)度模型Ml的最優(yōu)解，否，根據(jù)所述整型變量護(hù)的取值范圍確定 各個(gè)能源公輔設(shè)備運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)，得到最優(yōu)解。
[0012] 本發(fā)明提供的一種鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題的雙層尋優(yōu)方法的第一優(yōu)選實(shí)施 例中；所述步驟1包括：
[0013] 步驟101，對(duì)所述鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)進(jìn)行抽象表達(dá)，用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述鋼鐵企業(yè) 能源系統(tǒng)，完整表達(dá)所述能源系統(tǒng)中包含的各類能源介質(zhì)管網(wǎng)和種類繁多、工藝特性各異 的能源公輔設(shè)備的屬性及其相互關(guān)系，建立煤氣介質(zhì)管網(wǎng)和其它燃料信息集〇,、蒸汽介質(zhì) 管網(wǎng)信息集0,、煤氣公輔設(shè)備信息集?gy和熱力設(shè)備信息集0th;
[0014] 步驟102,對(duì)單元設(shè)備建模，結(jié)合煤氣、蒸汽和電力各個(gè)子系統(tǒng)中煤氣柜、煤氣加壓 站、煤氣混合站和放散塔、鍋爐和汽輪機(jī)等各類設(shè)備的工藝模型和約束條件，建立對(duì)應(yīng)的數(shù) 學(xué)模型；
[0015] W磚r、瑪表示煤氣公輔設(shè)備的煤氣消耗量和產(chǎn)生量，W為rr表示熱力設(shè)備的 煤氣消耗量，jC,表示熱力設(shè)備的入口蒸汽流量，乂表示熱力設(shè)備的出口產(chǎn)生/抽汽/凝 汽流量，z&t表示熱力設(shè)備產(chǎn)生的電量，其中；i為煤氣介質(zhì)或其它燃料序號(hào)，j為煤氣公輔 設(shè)備的序號(hào)，S為蒸汽介質(zhì)序號(hào)，n為熱力設(shè)備的序號(hào)，t為調(diào)度周期序號(hào)；Wbit、b&t分別 表示煤氣公輔設(shè)備和熱力設(shè)備在調(diào)度周期t內(nèi)是否運(yùn)行的整型變量，1表示運(yùn)行，0表示停 機(jī)；
[0016] 步驟103,獲取各種能源介質(zhì)的供需預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)檢修計(jì)劃和其他設(shè)定信息；
[0017] 步驟104,建立所述鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型M1，確定所述優(yōu)化調(diào)度模 型Ml的優(yōu)化變量為(荷7,攝，墻記A,A,);確定煤氣子系統(tǒng)的能源成本目 標(biāo)函數(shù)Ji、蒸汽子系統(tǒng)的能源成本目標(biāo)函數(shù)J2和電力子系統(tǒng)的能源成本目標(biāo)函數(shù)J3,確定 優(yōu)化調(diào)度模型Ml的目標(biāo)函數(shù)為M;!.化誠(chéng)=./,+j;+4 咕7,.保 優(yōu)化調(diào)度模型Ml的約束條件。
[0018] 本發(fā)明提供的一種鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題的雙層尋優(yōu)方法的第二優(yōu)選實(shí)施 例中；所述步驟104中確定的優(yōu)化調(diào)度模型Ml為：
[001 引 M,!八支麻=Ji++A，克=(端7,瑪％均;;:r，識(shí)"，識(shí):>,")，易二如A。）（1)
[00對(duì)其中，minJi=-prosas，pr0sas為煤氣外售收益；minj2= buyfue+fecT+buyStm， buyfue為鍋爐外購(gòu)燃料費(fèi)用，fecrat為鍋爐給水費(fèi)用，buystm為外購(gòu)蒸汽成本;minJ3=buyele-pr0ele，buyele為外購(gòu)電力成本，proele為外售電力收益.
[0036] 公式（2)~（5)為所述各單元設(shè)備的工藝約束，3^，）、11^，）分別煤氣公輔設(shè)備 j的不等式約束和等式約束，?ax為煤氣子系統(tǒng)單元設(shè)備集合；g"( ? )、h"( ?)分別為熱力 設(shè)備n的不等式約束和等式約束，0th為熱力設(shè)備集合；
[0037] 公式做~做為所述各能源介質(zhì)的整體平衡約束，V表示"對(duì)于任意的…"，如T 為煤氣i在周期t內(nèi)的富余量，馬為蒸汽S在周期t內(nèi)的需求量，成f為電力在周期t內(nèi) 的需求量；
[0038] 公式（9)~（16)為所述標(biāo)識(shí)單元設(shè)備是否運(yùn)行的0-1變量的關(guān)聯(lián)約束，對(duì)于所述 煤氣公輔設(shè)備或所述熱力設(shè)備，所述整型變量取值為0或1，當(dāng)所述整型變量取值0時(shí)，對(duì)應(yīng) 的編號(hào)為j的煤氣公輔設(shè)備或編號(hào)為n的熱力設(shè)備停機(jī)，其連續(xù)變量取值0 ;當(dāng)所述整型變 量取值1時(shí)，對(duì)應(yīng)的編號(hào)為j的煤氣公輔設(shè)備或編號(hào)為n的熱力設(shè)備運(yùn)行，其連續(xù)變量在滿 足工藝約束的前提下任意取值。
[0039] 本發(fā)明提供的一種鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題的雙層尋優(yōu)方法的第=優(yōu)選實(shí)施 例中；所述步驟2中所述整型變量（bj,t，b",t)松弛為在閉區(qū)間[0, 1]內(nèi)取值的連續(xù)變量 化/ ,t，v,t);所述連續(xù)變量(端:;%喘;;，端:r，說(shuō)j，3C，z。,)分別替換為；
[0040]
[0041] 本發(fā)明提供的一種鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題的雙層尋優(yōu)方法的第四優(yōu)選實(shí)施 例中；所述步驟3中構(gòu)造的罰函數(shù)^巧為：
[0042]
[0043] 其中，0為靠近31但是不等于JT的實(shí)數(shù)。
[0044] 本發(fā)明提供的一種鋼鐵企業(yè)能源綜合調(diào)度問(wèn)題的雙層尋優(yōu)方法的第五優(yōu)選實(shí)施 例中；所述等價(jià)模型M2為：
[0056] 其中，公式（