一种基于改进资源任务网络模型的钢铁-电力调度协同优化方法与流程

本发明涉及工业生产调度与电力系统优化运行，尤其涉及一种基于改进资源任务网络模型的钢铁-电力调度协同优化方法。

背景技术：

1、随着风电等可再生能源在电力系统中的接入比例持续提高，其波动性和不确定性使电力平衡、备用配置和弃风控制面临更高要求。仅依靠常规发电机组提供调节能力，不仅会增加系统运行成本，而且难以充分释放需求侧可控负荷的调节价值。钢铁企业用电功率大、生产任务具有一定的时间可转移性，是可参与电力系统优化调度的重要工业负荷。

2、短流程钢铁生产通常依次包括电弧炉熔化、氩氧脱碳、钢包精炼、连续铸造和轧制等阶段。不同阶段之间存在设备占用、物料衔接、任务先后、转运时限和产品交付等耦合关系，任一设备功率或任务起始时刻的改变均可能向后续工序传递。资源任务网络（resource-task-network，rtn）模型能够用资源状态和任务执行描述上述离散生产过程，但常规rtn模型的规模通常与预设生产炉次数量一致，导致炉次数量在调度优化前已经确定，因而主要在给定生产量下优化用能成本，难以同时反映钢材销售收益、欠产代价与生产数量决策。

3、现有钢铁负荷参与电力系统调度的方法还常将电弧炉或钢厂处理为给定容量的聚合负荷，仅在功率上下限内调整其用电曲线。该类处理难以保证所得负荷曲线与钢厂内部多阶段生产任务、资源占用和最终交付要求一致，也无法在同一优化过程中确定应生产的炉次数量、各炉次关联任务以及发电侧出力。因此，亟需构建一种将可变批次钢铁生产调度与电力系统运行约束统一起来的协同优化方法，在保证生产可执行性的同时形成面向风电消纳的钢厂用电和机组出力计划。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中生产炉次数量预先确定、钢厂负荷与内部生产过程脱节以及钢铁生产调度和电力系统调度独立优化的问题，提出一种基于改进资源任务网络模型的钢铁-电力调度协同优化方法。该方法在rtn模型中嵌入炉次生产决策，联合确定生产数量、任务安排、钢厂用电轨迹、火电机组出力和风电机组出力。

2、本发明提出的一种基于改进资源任务网络模型的钢铁-电力调度协同优化方法，包括以下步骤：

3、（1）获取钢铁生产与电力系统调度数据

4、获取候选炉次集合、加工设备和产品资源集合、加工及转运任务集合、设备功率及加工时长范围、资源生成和消耗系数、最大转运时间、钢材销售价格、合同生产目标、欠产惩罚系数和分时电价；同时获取电力系统的母线、线路、常规负荷、火电机组、风电机组、机组运行成本、风电偏差惩罚、出力上下限、爬坡能力和旋转备用参数。

5、（2）建立钢铁生产与电力系统的时间尺度对应关系

6、设钢铁生产调度时间间隔为，电力系统调度时间间隔为，并令表示一个电力系统调度间隔所包含的钢铁生产调度间隔数；针对每个电力系统调度时段，确定其对应的钢铁生产调度时段集合：

7、 (1)

8、其中，为电力系统调度时段索引；为与电力系统调度时段对应的钢铁生产调度时段索引集合；为一个电力系统调度间隔所包含的钢铁生产调度间隔数。

9、对应钢铁生产调度时间索引满足：

10、 (2)

11、其中，为钢铁生产调度时段索引。

12、通过上述映射将细时间尺度的钢铁设备用电量聚合至电力系统调度时间尺度。

13、（3）建立基于改进资源任务网络的钢铁生产调度模型

14、将电弧炉、氩氧脱碳装置、钢包精炼装置、连铸机、轧机及各阶段产品表示为资源，将各炉次的加工操作和相邻工序之间的转运操作表示为任务。设置炉次生产决策变量、任务启动变量、任务执行状态变量和资源状态变量，使候选炉次是否投产、相关任务是否执行以及设备和产品状态在同一资源任务网络模型内联动。

15、（3-1）构建炼钢效益目标

16、以钢铁生产能耗成本、钢材销售收益和未完成合同生产目标所产生的欠产惩罚共同构成炼钢效益目标：

17、(3)

18、其中，为钢厂炼钢效益；为钢铁生产调度时段集合；和分别为时段的分时电价和钢厂用电量；为候选炉次集合；

h为炉次索引；为炉次生产决策变量，取1表示生产炉次

h，取0表示不生产炉次

h；为单位炉次钢材销售价格；为合同生产目标；为欠产惩罚系数。

19、上式中，第一项为各钢铁生产时段的购电成本，第二项为被选中炉次形成的钢材销售收益，第三项为实际生产炉次数量低于合同生产目标时的欠产惩罚。由此，炉次数量不再作为优化前给定的参数，而是与任务调度同时确定。

20、（3-2）构建资源平衡与用电量约束

21、任一资源在当前时段的状态由上一时段状态以及已启动任务对该资源的生成量或消耗量共同确定：

22、(4)

23、其中，为时段的资源状态值；和分别为资源索引和任务索引；和分别为资源集合和任务集合；为任务启动变量，取1表示任务在时段启动；为任务启动后的时延索引；为任务的作用时长；为任务启动后经过个时段对资源的生成或消耗系数。

24、各加工任务在钢铁生产调度时段内的电能消耗为：

25、(5)

26、其中，为任务启动后经过个时段对应的电能消耗系数。

27、（3-3）构建炉次任务激活与产品交付约束

28、炉次生产决策变量为1时，该炉次对应的全部加工任务和转运任务分别执行一次；炉次生产决策变量为0时，与该炉次关联的任务不执行：

29、(6)

30、其中，为与炉次关联的任务索引；为炉次关联的加工任务和转运任务集合。

31、前序加工任务完成后立即触发相应转运任务：

32、 (7)

33、其中，为转运任务起始位置对应的产品资源索引。

34、相邻加工阶段之间的转运与等待总时长不超过允许的最大转运时长：

35、(8)

36、其中，为钢铁生产调度时间间隔；为转运任务终止位置对应的产品资源索引；为资源的转运时间；为资源允许的最大转运与等待总时长。

37、被选中炉次的最终产品在钢铁生产调度周期结束前形成：

38、(9)

39、其中，为炉次最终生产阶段对应的产品资源索引；为钢铁生产调度周期的末时段。

40、（3-4）构建设备功率、加工时长与能量需求约束

41、对于具有功率调节能力的设备，其执行加工任务时的功率处于允许范围内：

42、(10)

43、其中，为任务在时段的有功功率；为任务执行状态变量，取1表示任务在时段处于加工状态；和分别为任务的功率下限和功率上限；为功率可调设备对应的加工任务集合。

44、任务执行状态由任务启动和后续转运任务启动之间的关系确定，从而保证任务一经开始即连续执行直至完成：

45、(11)

46、其中，为加工任务之后的转运任务索引。

47、可调设备对应加工任务的持续时间满足允许的上下界：

48、(12)

49、其中，和分别为任务的最短加工时长和最长加工时长；为求和所用的钢铁生产调度时段索引。

50、其最大加工时长与最小加工时长满足：

51、(13)

52、为保证加工质量，任务累计用能不低于额定能量需求：

53、(14)

54、其中，为完成任务所需的最低累计能量。

55、当设备功率可调时，按照任务实际功率轨迹计算其时段电能消耗：

56、(15)

57、其中，为计入可调设备实际功率轨迹后钢厂在时段的用电量；与的差集表示任务集合中除功率可调设备任务以外的任务集合。另外，本发明中电弧炉为具有功率调节能力的设备。

58、（4）建立电力系统最优调度模型

59、将钢厂在各电力系统调度时段的聚合用电作为母线负荷注入，建立由火电机组、风电机组、常规负荷、输电线路及旋转备用构成的电力系统最优调度模型。电力系统目标为在电能销售收益中扣除火电机组运行成本和风电未利用惩罚成本：

60、(16)

61、其中，为电力系统收益；为电力系统调度时段集合；为火电机组或风电机组索引；、和分别为火电机组集合、风电机组集合和常规负荷集合；和分别为时段的火电机组运行成本和风电未利用惩罚成本；为时段的售电价格；为常规负荷索引；为常规负荷在时段的用电量；为钢厂在时段的等效用电量。

62、火电机组运行成本采用与机组有功出力相关的二次函数：

63、(17)

64、其中，为火电机组在时段的有功出力；、和分别为火电机组运行成本函数的常数项、一次项和二次项系数。

65、风电未利用惩罚成本由预测可用风电功率与实际出力之差确定：

66、(18)

67、其中，为风电机组的预测可用功率；为风电机组在时段的实际有功出力；为风电未利用惩罚系数。

68、钢厂细时间尺度用电量按照时间映射聚合为电力系统调度时段的等效用电量：

69、(19)

70、其中，电力系统调度时段与对应的钢铁生产调度时段集合通过时间尺度映射关联；钢厂等效用电量为一个电力系统调度间隔内各钢铁生产调度时段用电量的聚合值。

71、电力系统约束包括功率平衡约束、线路传输容量约束、火电机组和风电机组出力约束、火电机组爬坡约束以及系统旋转备用约束：

72、(20)

73、其中，为接入负荷节点的钢厂在时段的等效有功功率；为常规负荷在时段的有功功率。

74、(21)

75、其中，和分别为输电线路索引和母线索引；为母线集合；为线路相对于母线的直流潮流转移因子；为线路的传输容量。

76、(22)

77、其中，和分别为火电机组的最小有功出力和最大有功出力。

78、(23)

79、(24)

80、其中，为电力系统调度时间间隔；和分别为火电机组的向下和向上爬坡率限值。

81、(25)

82、其中，和分别为火电机组在时段提供的向上和向下旋转备用容量。

83、(26)

84、(27)

85、其中，和分别为时段的系统向上和向下旋转备用需求。

86、（5）建立钢铁-电力系统协同优化调度模型

87、以钢厂炼钢效益与电力系统收益之和作为协同优化目标：

88、(28)

89、其中，为钢厂与电力系统的总收益。

90、协同优化约束由步骤（3）的改进rtn模型钢铁生产调度约束和步骤（4）的电力系统最优调度约束共同组成。钢厂用电量同时进入炼钢能耗成本、电力系统功率平衡及线路潮流约束，使炉次选择、生产任务、电弧炉功率、火电出力和风电出力在同一优化问题中联动。

91、（6）求解并生成协同调度计划

92、将上述模型形成混合整数优化问题并求解，输出被选中的生产炉次、各炉次加工与转运任务起止时刻、设备占用状态、钢厂时序用电、火电机组出力、风电机组出力、线路功率和旋转备用计划，并将设备级任务计划下发至钢厂生产调度系统，将机组出力计划下发至电力系统调度系统。

93、本发明具有以下有益效果：

94、本发明通过炉次生产决策变量将生产数量纳入rtn，重构任务执行和产品完成关系，使钢厂能够同步确定投产炉次和对应任务，并由给定生产量下的用能成本优化扩展为钢材销售收益、能耗成本和欠产惩罚共同作用下的炼钢效益优化。

95、本发明不将钢厂简化为脱离生产过程的聚合可调负荷，而是利用资源平衡、任务连续执行、转运时限、产品交付、设备功率和能量需求约束生成可执行的负荷轨迹，从而保证参与电力系统调度的钢厂用电计划与多阶段生产要求一致。

96、本发明将钢铁生产调度和电力系统有功调度置于同一优化框架内，可依据风电可用出力和系统运行状态调整生产时序，在满足钢铁生产质量与交付要求的同时协调火电和风电出力，为工业负荷参与风电消纳提供可实施的调度方案。