一种热电联产机组的能效动态优化方法及系统与流程

本发明涉及热电联产机组智能运行优化，尤其涉及一种考虑扰动分层辨识与两级储热协同的热电联产机组能效动态优化方法及系统。

背景技术：

1、抽汽凝汽式热电联产机组同时承担发电调峰与集中供热任务，热-电强耦合，变工况下能效损失严重。现有公开技术已采用机理-数据融合建模+滚动时域优化实现能效动态寻优，但仍存在诸多不足：

2、现有模型自适应校正大多直接利用输出残差整体更新模型参数，不区分扰动来源：热网短时负荷波动属于短时扰动，设备磨损、换热面结垢属于慢时变老化扰动；将短时扰动用于更新模型本体参数，造成模型过校正，长期运行精度衰减。

3、多数优化仅考虑机组侧储热罐约束，忽略热网管道本身具备的蓄热能力，机组跟随热网瞬时负荷频繁调节抽汽、燃料，产生大量调节损耗，未能实现机组储热与热网蓄热协同调度。

4、滚动优化求解得到的最优解为理论数学解，未考虑调门、抽汽调节阀的死区、回差、执行机构最大动作速率，部分优化解数学上满足约束，但现场dcs无法执行，优化效果打折扣。

5、优化目标普遍仅最小化标准煤耗，未计入电网agc调峰考核罚款、供热不达标违约成本，单纯煤耗最优不等于机组综合运行成本最优。热电可行域多为离线标定，设备长期老化后，锅炉、汽轮机实际出力边界发生漂移，离线可行域与真实设备边界存在偏差，优化解存在安全隐患。

6、因此，亟需一种新的技术方案，克服上述现有技术缺陷，兼顾模型鲁棒性、解的工程可实现性、综合经济成本，实现真正落地的动态能效优化。

技术实现思路

1、一解决的技术问题

2、克服现有技术模型校正易过拟合、机组-热网储热协同缺失、优化理论解无法现场执行、目标函数单一、热电可行域离线失准的缺陷，提供一种热电联产机组的能效动态优化方法及系统；区分不同扰动来源分层校正模型，实现机组储热与热网蓄热两级协同，对优化解做执行机构预校验，融合多类经济成本构建目标函数，动态修正热电可行域；在满足安全、供热、调峰前提下，降低综合运行成本，提升模型长期运行稳定性。

3、二技术方案

4、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

5、一种热电联产机组的能效动态优化方法，包括如下步骤：

6、步骤s1、采集热电联产机组sis/dcs实时运行参数、电网参数、热网热负荷预测数据及气象数据，对原始数据做坏点剔除、滤波、稳态标记、量纲归一化预处理；

7、步骤s2、构建机理-数据融合的动态能效模型、扰动分层辨识和带老化修正因子的动态热电可行域计算，输出机理-数据融合能效模型、扰动辨识结果、设备老化修正因子、动态热电可行域边界；

8、步骤s3、建立滚动时域优化目标函数，以s1输出的标准化多源数据、s2输出的动态热电可行域边界、两级储热参数为输入，构建兼顾综合成本与设备-热网约束的滚动时域优化目标函数，目标函数不再仅最小化煤耗，综合煤耗成本、agc考核成本、供热违约惩罚，同时增加控制量波动惩罚，并输出完整约束集；

9、步骤s4、以s3构建的目标函数与全部约束集为基础，设置优化时域n，控制时域m，单步周期3-5min，求解约束优化问题，得到未来n步控制指令序列即候选控制指令；

10、步骤s5、将s4输出的预校验通过的控制指令下发dcs执行，采集机组实际运行反馈数据，对比模型预测值与实测值，在线校正动态能效模型参数；

11、步骤s6、按照3-5min周期，将现场反馈数据回流至s1，循环迭代执行s1-s5完整流程，人机交互模块展示：扰动辨识结果、两级储热充放热状态、动态热电可行域、综合成本、煤耗、agc考核预估，存储优化日志。

12、对上述技术方案的进一步限定：步骤s1中，机组sis/dcs实时运行参数：主蒸汽、再热蒸汽参数、锅炉燃料量、给水流量、发电功率、各段抽汽压力流量、机组侧储热罐状态；电网参数：电网agc调度指令、agc考核规则参数；热网热负荷预测数据：热网供回水温度压力、热网预测热负荷、热网管道蓄热容量参数。

13、对上述技术方案的进一步限定：步骤s2中，构建机理-数据融合动态能效模型具体如下：基础层为汽轮机热平衡、锅炉热效率机理方程，上层以机组历史变工况样本训练数据驱动修正网络，模型输入取自s1标准化数据集的发电功率、供热抽汽负荷，输出：热耗率、标准煤耗率、锅炉效率、汽轮机相对内效率度。

14、机理-数据融合动态能效模型采用机理主模型叠加残差补偿分支架构，分为离线标定阶段与在线运行校正阶段。

15、离线标定阶段：采集热电联产机组历史稳态sis运行数据，对数据进行坏点剔除、稳态筛选、滤波与归一化预处理；基于抽汽凝汽式机组质量守恒、热平衡及弗留格尔公式构建机理主模型，机理主模型包含汽轮机通流效率系数、锅炉损失系数等一组可修正机理参数；利用历史稳态样本对机理参数进行离线辨识得到初始参数；对历史工况残差序列进行变分模态分解，标定短时扰动与慢时变扰动的时间阈值，本实施例扰动持续时间阈值设置为20min；完成模型离线验证。

16、在线运行阶段按3-5min周期循环执行：

17、（1）采集机组实时发电功率、供热抽汽负荷、主再热蒸汽参数，输入机理主模型，得到机理基准能效输出；

18、（2）采集机组实际能效测量值，计算实测值与机理基准输出之间的总残差，维护残差滑动时间窗口；

19、（3）对窗口内残差序列进行时序模态分解，分离高频短时扰动残差分量与低频慢时变残差分量；依据扰动持续时间阈值进行扰动分层辨识；

20、若判定为短时扰动，该扰动来源于热网瞬时负荷冲击或者气象波动，仅将短时扰动残差分量作为输出补偿项叠加至机理基准输出得到模型最终预测能效，不更新机理-数据融合模型本体参数，也不更新热电可行域老化修正因子；

21、若判定为慢时变扰动，该扰动来源于设备结垢、通流部件磨损老化；基于慢时变残差分量，采用带约束最小二乘更新机理模型本体可修正参数；同步计算设备老化修正因子，利用老化修正因子在线修正锅炉出力上限、汽轮机抽汽出力上限；叠加机组爬坡速率、机组储热罐约束、热网蓄热约束，得到更新后的动态热电可行域；

22、（4）输出模型预测的热耗率、标准煤耗率、锅炉效率、汽轮机相对内效率以及动态热电可行域边界，送入滚动时域优化求解模块；

23、（5）当总残差超出预设绝对阈值，判定测量异常，暂停模型在线更新并输出告警信号。

24、对上述技术方案的进一步限定：步骤s2中，扰动分层辨识：结合s1输出的稳态标记、负荷变化速率信息，将模型预测值与实测值的残差扰动分为两类：

25、慢时变扰动：持续时间大于设定阈值，来源于设备结垢、部件磨损等设备老化；

26、短时扰动：持续时间小于阈值，来源于气象波动、热网瞬时负荷冲击；短时扰动仅用于输出补偿，不更新模型本体参数；慢时变扰动才用于更新模型本体内部系数，避免过校正。

27、对上述技术方案的进一步限定：步骤s2中，计算动态热电可行域并引入老化修正因子：

28、基于锅炉、汽轮机设备原始极限参数，叠加由慢时变扰动辨识得到的设备老化修正因子，对锅炉最大最小出力、抽汽极限、通流能力边界做在线修正，同时纳入机组爬坡速率、机组储热罐充放热极限、热网蓄热容量约束，输出在线更新的动态热电可行域。

29、对上述技术方案的进一步限定：步骤s3中，目标函数具体为：

30、

31、式中：为标煤单价；为k时刻标准煤耗；

32、为agc功率跟踪不达标带来的考核成本；

33、为供热出力不满足最低供热品质带来的违约惩罚；

34、为发电功率跟踪偏差；为供热负荷跟踪偏差；为控制指令变化量；、、为权重系数。

35、对上述技术方案的进一步限定：步骤s3中，约束条件包括：

36、1）电功率平衡约束：机组发电功率跟踪电网agc指令；

37、2）热负荷供需约束：机组供热抽汽+机组储热罐输出+热网蓄热释放共同满足热网总热负荷需求；

38、3）动态热电可行域约束：运行点落在s2输出的经老化修正后的动态热电可行域之内；

39、4）设备本体安全约束：蒸汽参数上下限、机组升降负荷速率；

40、5）两级储热协同约束：

41、机组侧储热罐：充放热功率上下限、储热容量；

42、热网蓄热：热网管道蓄热充放热速率、蓄热容量上下限；

43、6）执行机构硬件约束：各调节阀开度上下限、最大动作速率、避开阀门死区区间；

44、7）供热品质约束：热网供汽/供水温度压力下限。

45、对上述技术方案的进一步限定：步骤s4中，得到未来n步控制指令序列即候选控制指令包括锅炉燃料指令、汽轮机进汽调门开度、供热抽汽调节阀开度、机组储热罐充放热指令、热网蓄热协同调度指令。

46、对上述技术方案的进一步限定：步骤s5中，采集机组实际运行反馈数据，对比模型预测值与实测值，在线校正动态能效模型参数的具体步骤如下：

47、dcs执行后采集机组实际反馈运行数据，回送至s1形成闭环数据源；计算模型预测值与实测值残差，再次执行s2中的扰动分层辨识逻辑：

48、短时扰动：仅增加输出补偿项，不修改机理-数据融合模型本体参数；

49、慢时变老化扰动：更新模型本体参数，同时更新热电可行域的设备老化修正因子，更新后的模型与修正因子回写至s2，完成模型闭环自适应更新；

50、且实时监测机组本体参数，当参数越限、dcs反馈执行机构故障时，立即退出优化模式，切回原有pid控制并输出告警信号，中断优化指令下发。

51、一种热电联产机组的能效动态优化系统，包括，

52、数据采集预处理模块：采集机组、电网agc、热网、气象、阀门执行机构档案数据，完成坏值剔除、滤波、稳态标记、归一化，输出标准化数据集，供给下游各模块输入；

53、扰动辨识与动态建模仿真模块：接收标准化数据集，实现扰动分层辨识；构建机理-数据融合能效模型；计算带设备老化修正因子的动态热电可行域，输出可行域边界、扰动类型标识，输出至优化求解模块；

54、多成本滚动时域优化求解模块：接收能效模型、动态热电可行域边界、多源运行数据，加载融合煤耗、agc考核、供热违约惩罚的目标函数，加载两级储热协同等全部约束，求解得到候选控制指令序列，并输出至预校验过滤模块；

55、指令下发与安全联锁模块：对接dcs下发校验后控制指令；实时监控设备状态，异常联锁切回pid，输出告警；采集dcs现场执行反馈数据回传给数据采集预处理模块，形成闭环；

56、分层自适应校正模块：接收实际反馈残差，调用扰动辨识逻辑，区分短时扰动/慢时变老化扰动，分别执行输出补偿或模型本体+可行域修正，将更新后模型、老化修正因子回传给扰动辨识与动态建模仿真模块；

57、人机交互可视化模块：展示扰动辨识、两级储热状态、动态可行域、综合成本指标，存储运行日志，支持参数配置。

58、三有益效果

59、与现有技术相比，本发明提供了一种热电联产机组的能效动态优化方法及系统，具备以下有益效果：

60、1、扰动分层辨识校正：区别于现有整体残差校正，区分短时热网扰动与设备慢时变老化扰动；短时扰动仅输出补偿，不更新模型本体，避免模型过校正；仅老化扰动更新模型与可行域，大幅提升模型长期运行鲁棒性，解决现有技术长期运行精度漂移问题，具有突出实质性特点。

61、2、机组储热-热网蓄热两级协同调度：不再只考虑机组侧储热罐，把热网本身蓄热能力纳入优化约束，利用热网热惯性平抑瞬时热负荷冲击，减少机组燃料、抽汽调节阀频繁大幅度调节，降低调节损耗。

62、3、增加优化解预校验环节：在数学求解之后、下发dcs之前，结合阀门死区、回差、执行机构动作速率做校验裁剪，过滤理论最优但硬件无法实现的解，保证优化指令现场可落地，克服现有技术数学解与工程现场脱节缺陷。

63、4、多经济成本耦合目标函数：不再单纯最小化煤耗，将agc调峰考核成本、供热违约惩罚纳入目标函数，追求机组综合运行成本最优，更贴合电厂实际经营场景。

64、5、动态热电可行域引入设备老化修正因子：根据慢时变扰动辨识结果在线修正锅炉、汽轮机出力边界，可行域跟随设备老化漂移，避免离线可行域带来的安全风险。