论文总字数：34315字

摘 要

随着环境污染问题越来越受到重视，聚焦在单一的经济目标上的负荷分配已经不能满足电厂和电网的需求。经济-环境双目标负荷优化分配在以往单一经济目标的基础上进行了优化，使得火电企业能够在兼顾效益的同时减少排放。

针对经济-环境双目标负荷优化分配中的关键模型和算法问题，本文提出了：1）机组工况和多维有序数据网格下标映射关系，从海量机组运行实时数据形成机组工况全景多维有序数据网格，双三次样条插值在线计算机组运行特性；2）基于NSGA-II算法，将交叉、变异算子和遗传子代的修复和惩罚策略相集合，新子代都能满足优化约束条件，实现了Pareto优化解集均匀性好、计算速度更快的多目标优化算法。集成模糊聚类，给出更有指导意义的最佳折衷解。

大规模电网仿真结果表明：火电机组特性在线获取方法，速度快、实时性高，较好地解决了机组运行特性更新不及时和不完备的问题；解集均匀的高速优化算法优化结果好，能够更好地满足大量火电机组负荷在线优化的要求。

在优化软件实现方面，采用Redis数据库，集成轻量级Tornado Web框架，以及前端的Bootstrap开发框架和D3.js数据可视化技术，实现了具有海量实时数据分析、高并发客户服务能力，跨平台的敏捷优化分配软件系统。

使用优化分配软件能：1）配置优化对象：电厂或电网；2）进行复杂电力负荷调度场景的优化分析；3）在线分析当前机组经济、排放指标和优化结果的偏差，发现节能减排潜力，帮助运行人员改善电力调度。厂网通用的优化分配软件适用范围广，软件的使用能发挥经济-环境双重效益，有很高的应用和推广价值。

关键词：多目标优化、电力负荷、实时数据、样条插值、火电机组特性

ABSTRACT

As environmental pollution issues become more and more important, the dispatch of loads focused on a single economic goal can no longer meet the needs of power plants and power grids. The economic-environment bi-objective load optimization dispatch has been optimized on the basis of previous single economic goals, enabling thermal power companies to reduce emissions while balancing benefits.

In view of the key models and algorithm problems in the economic-environment bi-objective load optimization dispatch, this paper proposes: 1) subscript mapping relationship between unit operating conditions and multidimensional ordered data grid, forming panoramic multidimensional ordered data grid of unit operating conditions from massive real-time data of unit operation, and calculating unit operating characteristics online by using bicubic spline interpolation; 2) based on NSGA-II algorithm, the crossover, mutation operator and genetic progeny repair and punishment strategies are combined, the new progeny can meet the optimization constraints The condition realizes the multi-objective optimization algorithm with good Pareto optimal solution set and faster calculation speed. Integrated fuzzy clustering gives a more instructive and optimal compromise solution.

The results of large-scale power grid simulation show that the online acquisition method of thermal power unit characteristics has high speed and high real-time, which can well solve the problem of delayed and incomplete update of unit operating characteristics. The high speed optimization algorithm with uniform solution set has good optimization results and can better meet the requirements of online optimization of a large number of thermal power units.

In terms of optimization software implementation, Redis database, lightweight Tornado Web framework, front-end Bootstrap development framework and d3.js data visualization technology are adopted to realize a a cross-platform agile optimized dispatch software system with massive real-time data analysis, high concurrency customer service ability.

Using optimized dispatch software can: 1) configure optimization object: power plant or power grid; 2) carry out optimization analysis of complex power load scheduling scenarios; 3) online analyze the deviation of current unit economy, emission index and optimization result, find the potential of energy saving and emission reduction, and help operators to improve power dispatch. The optimized dispatch software used in the power plants and power grids has a wide range of applications, and the use of software can exert economic and environmental benefits, and has high application and promotion value.

KEY WORDS: Multi-objective Optimization, Power Load, Real-time Data, Spline Interpolation, Thermal Power Unit Characteristics

目 录

摘 要 III

ABSTRACT IV

第一章 绪论 3

1.1 研究背景 3

1.2 研究内容 3

1.2.1 经济-环境双目标负荷优化分配算法 3

1.2.2 基于开源软件的负荷优化分配软件 4

1.3 关键问题及难点 4

1.4 本章小结 4

第二章 经济-环境双目标负荷优化分配算法 6

2.1 引言 6

2.2 优化问题描述 6

2.2.1 优化目标 6

（1）经济目标 – 最小化运行成本 6

（2）环境目标 – 最小化污染物排放 6

2.2.2 约束条件 7

（1）等式约束 7

（2）不等式约束 7

2.2.3 优化模型 7

2.3 多目标优化 7

2.4 NSGA-II多目标优化算法 8

2.4.1 快速非支配解排序 8

2.4.2 拥挤比较法 9

（1）拥挤距离 10

（2）拥挤比较算子 11

2.4.3 NSGA-II算法主体部分 11

2.4.4 NSGA-II算法特点 15

2.5 经济-环境双目标负荷优化分配算法 15

2.5.1 交叉和变异算子 15

（1）交叉算子 16

（2）变异算子 16

2.5.2 约束处理 17

2.5.3 最佳折衷解选择 17

2.5.4 优化算法 18

2.5.5 算例分析 19

2.6 本章小结 20

第三章 基于双三次样条插值的实时运行特性计算方法 21

3.1 引言 21

3.2 机组工况判别和数据采集方法 21

3.3 双三次样条插值法在线计算运行特性 22

3.4 计算分析 23

3.5 本章小结 24

第四章 优化分配软件技术分析及其实现 25

4.1 引言 25

4.2 优化分配软件架构 25

4.3 优化算法库的技术分析 27

4.3.1 优化算法及其实现技术 27

4.3.2 分配模型及其实现技术 27

4.4 优化软件的技术分析 28

4.4.1 优化分配软件系统初始化和机组数据仿真 28

4.4.2 在线优化服务 31

4.4.3 优化分配软件Web前端 32

4.5 优化分配软件的运行步骤及结果 33

4.5.1 优化分配软件的运行步骤 33

4.5.2 优化分配软件的运行结果 33

4.6 本章小结 36

第五章 结语 37

致 谢 38

参考文献 39

绪论

研究背景

在环境问题越来越得到重视的今天，各个行业都在寻找有效途径来减少温室气体的排放。我国发电行业以火电企业为主，每年火电机组排放的二氧化碳占全国总量的三分之一左右，火电企业的节能减排势在必行。负荷分配是电厂和电网都关心的一个重要问题，是电力自动化系统中的一个重要部分，最初的负荷分配问题聚焦在单一的经济目标上，即优化目标只有燃料成本。经济-环境双目标负荷优化分配在以往单一优化目标的基础上，引入了环境指标，使电力生产在提高发电经济性和降低污染排放方面达到最佳的综合效益。

经济-环境双目标负荷优化分配具体指的是将一个总电力负荷需求，在满足约束条件的情况下，以经济-环境双目标最优为目标，分配给每台机组，使得总的运行成本最低，且排放量最小，这是典型的多目标优化问题。

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