DE19510343C2 - Verfahren zur sequentiellen Vorsteuerung eines Prozesses - Google Patents
Verfahren zur sequentiellen Vorsteuerung eines ProzessesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sequentiellen
Vorsteuern eines Prozesses gemäß Oberbegriff des
Anspruchs 1. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zum
Optimieren des aktuellen Kraftwerkseinsatzes durch ein
Kraftwerksführungssystem. Mit Kraftwerken sind hierbei
alle Leistungserzeugungseinheiten gemeint, die sich in
ihrer Leistung durch die Vorgabe eines Wirkleistungs
sollwertes beeinflussen lassen.
Ein vorzusteuernder Prozeß P vorgenannter Art besteht
aus n parallelen Teilprozessen P₁, P₂, . . . Pn mit Ein
gangsgrößen u₁, u₂, . . . un und Ausgangsgrößen y₁, y₂,
. . . yn. Für die Eingangsgrößen gibt es individuelle
Beschränkungen der Form ui,min ui ui,max und vi,min
vi: = dui/dt vi,max. Daraus ergeben sich Abstände
der Summen Σ ui und Σ vi zu den summarischen Grenzen Σ
ui,min, Σ ui,max und Σ vi,min, Σ vi,max, das sind die
summarischen Reserven für die Summen Σ ui und Σ vi. Aus
den individuellen Beschränkungen entsteht die Ausgangs
größe y des Prozesses P in der Form y = y₁ + y₂ + . . . yn
und der Prozeßbetrieb wird durch eine Kostenfunktion f,
die sich aus der Summe von Teilkostenfunktionen fi(ui)
ergibt, bewertet. Zum Erreichen eines gewünschten Aus
gangsgrößenverlaufs yA(t) werden die Teilprozesse Pi mit
Eingangsgrößenverläufen ui (t) beaufschlagt. Diese Ver
läufe ui (t) werden aus der Summe der Anteile ui,A(t) und
ui,B(t), die von zwei getrennten Einrichtungen
- nämlich einer Vorsteuerung A und einem Regler B -
erzeugt werden, gebildet. Der Regler B reagiert auf eine
vorgegebene Regelgröße eB, die durch Abweichungen der
Ausgangsgröße y von dem gewünschten Ausgangsgrößenver
lauf yA(t) und durch Störungen entsteht. Zur Vorsteue
rung A dient ein zukünftiger Sollwertverlauf eA(t), der
den Ausgangsgrößenverlauf yA(t) erzeugt.
Die Ziele von Kraftwerksführungssystemen, die aus
schließlich thermische Kraftwerke führen, lassen sich
folgendermaßen beschreiben: In den Netzleitsystemen von
Energieversorgungsunternehmen sind zur Automatisierung
des Einsatzes der Kraftwerke im eigenen Versorgungsge
biet Kraftwerksführungssysteme installiert. Für alle zu
führenden Kraftwerke werden Leistungssollwerte erzeugt,
die dann an die Kraftwerke übertragen werden.
In der deutschen Offenlegungsschrift 41 35 803 wird ein
verteiltes Rechnersystem zum Aufprägen besonderer Opera
tionen, insbesondere von Start-Stop-Befehlen, auf die
Kraftwerksprozesse beschrieben. Die bekannte Steuer
einrichtung stellt ein System für den gemeinschaftlichen
Betrieb und die gemeinschaftliche Steuerung einer Kraft
werksanlage dar, die aus einer Vielzahl von einzelnen
Kraftwerken besteht. Hiernach soll die Kraftwerksanlage
durch einfache Start-, Stop- und Lastbetriebsbefehle,
gegliedert von einer zentralen Überwachungs-Steuerein
richtung betrieben werden können. Die hierbei gemäß Aus
führungsbeispiel (Fig. 4) zu berücksichtigenden Operati
onsbedingungen betreffen allerdings nur Betriebsbefehle
an die einzelnen Kraftwerke, nicht aber die erfindungs
gemäße Optimierung.
Die Kraftwerksführungssysteme sollen unter anderem fol
gende Aufgaben erfüllen:
- - Sicherstellung einer ausgeglichenen Wirkleistungs bilanz (Leistungsgleichgewicht) zwischen erzeugter und verbrauchter Leistung im eigenen Versorgungsgebiet, damit keine ungewollten Lei stungsflüsse zwischen den Verbundpartnern auftre ten;
- - Koordinierung und Optimierung des Kraftwerksein satzes, so daß die Kraftwerke wirtschaftlich und schonend betrieben werden;
- - Herstellung einer mittelfristig ausgeglichenen Leistungsbilanz, um den Mittelwert der ungewollten Leistungsflüsse zwischen den Verbundpartnern klein zu halten.
Um den Aufgaben gerecht zu werden, enthalten Kraft
werksführungssysteme die folgenden zentralen Komponen
ten:
- - Ein Modul zum Schätzen der aktuellen Last und zum Prognostizieren der Lastentwicklung;
- - Ein Modul zum Regeln (Regelungsmodul) der Wirk leistungsbilanz im eigenen Versorgungsgebiet;
- - Ein Modul zum Koordinieren und Optimieren (Optimierungsmodul) des aktuellen Kraftwerksein satzes.
Für den Kraftwerkseinsatz wird durch Festlegung der Be
triebsart bestimmt, welche Kraftwerke unter Vorgabe ei
nes Leistungssollwertes gesteuert werden. Optimie
rungsmodul und Regelungsmodul liefern für jedes dieser
Kraftwerke je einen Leistungssollwert. Die Sollwerte
werden entweder einzeln oder als Summensollwerte an die
Kraftwerke übertragen.
Kraftwerksführungssysteme unterliegen in ihrer Funkti
onsweise den folgenden Restriktionen und Nebenbedin
gungen:
- - Für alle Kraftwerke sind die Leistungssollwerte nach oben und unten begrenzt. Die Leistungsgren zen dürfen von den Sollwerten nicht verletzt wer den. Ebenso gibt es für die Gradienten der Lei stungssollwerte eine maximale positive und eine maximale negative Grenze (maximale Leistungsände rungen; Fig. 1) . Diese Restriktionen sind in der Regel für jedes Kraftwerk individuell verschieden.
- - Das Optimierungsmodul enthält als Vorgabe einen Summensollwert. Dieser Summensollwert soll, sofern dem keine Restriktionen entgegenstehen und es unter Berücksichtigung der prognostizierten zeit lichen Veränderungen sinnvoll ist, von dem Opti mierungsmodul vollständig auf die Kraftwerke auf geteilt werden, so daß die Summe der einzelnen Sollwerte den Summensollwert ergibt.
- - Das Optimierungsmodul soll zusätzlich sicherstel len, daß eine schnelle Wiederherstellung der aus geglichenen Wirkleistungsbilanz durch das Rege lungsmodul jederzeit möglich ist. Die Stellgrö ßenreserven sollen symmetrisch um Null liegen, damit unabhängig vom Vorzeichen eine Störung der Wirkleistungsbilanz immer ausgeregelt werden kann (Fig. 4) . Die Größe der gewünschten und automa tisch bereitstellbaren Reserve (ohne Berücksich tigung von Reserveverträgen) orientiert sich an der Größe der erwarteten Störungen (Regelerwar tung).
In der deutschen Offenlegungsschrift 43 15 317 wird ein
Führungsgerät zur automatischen Steuerung von Kraft
werksblöcken in einem elektrischen Energieversorgungssy
stem beschrieben, insbesondere durch Maßnahmen zur Lei
stungserhöhung und Frequenzstützung. Durch die Steuerung
sollen ein vorgegebenes Zuverlässigkeitsniveau der Ener
gie- und Stromversorgung eingehalten und eine unnötig
hohe Reserveleistung vermieden werden.
Im Bekannten nach der deutschen Offenlegungsschrift 43 15 317
wird also ein Führungsgerät vorgeschlagen, das
eine über ein Datenübertragungselement mit jedem zu
steuernden Kraftwerksblock verbundene erste Steuerein
heit umfaßt, die blockspezifische Meßgrößen empfängt und
blockspezifische Führungsgrößen abgibt. Zu den blockspe
zifischen Meßgrößen Mn gehören Ist-Werte der Blocklei
stung und des Frischdampfdrucks sowie Ventilstellungen
und in oder an einem Turbinengehäuse gemessene Tempera
turen. In den blockspezifischen Meßgrößen Mn werden kon
stante blockspezifische Größen und Vorgaben berücksich
tigt.
Konventionelle Verfahren zum Optimieren des Kraftwerks
einsatzes arbeiten auf der Basis von - im allgemeinen
quadratischen - Kostenfunktionen für jedes Kraftwerk.
Diese Kostenfunktionen nähern in Abhängigkeit vom Lei
stungssollwert des Kraftwerks die Brennstoffkosten an,
die im Kraftwerk für die Erzeugung der Leistung entste
hen.
Die Leistungsgrenzen der Kraftwerke begrenzen den Such
raum, in dem alle zulässigen Leistungssollwerte liegen;
die maximal zulässigen Sollwertgradienten der
Kraftwerke und die damit ausgehend vom aktuellen Lei
stungssollwert möglichen Sollwertänderungen beschrän
ken, wie Fig. 6 für den Fall zweier Kraftwerke exempla
risch zeigt, den Suchraum S₁ auf den erreichbaren
Suchraum S₂ ein.
Um jederzeit Stellgrößenreserven zur Regelung zu ge
währleisten, sind für ausgewählte Kraftwerke feste Re
gelbänder definiert (Fig. 2) . Diese Regelbänder ver
schärfen die Restriktionen für das Optimierungsmodul,
indem von den Leistungsgrenzen der Kraftwerke die zuge
hörigen festen Regelbänder abgezogen werden (Absenkung
der oberen und Anhebung der unteren Leistungsgrenzen),
so daß sich (vgl. Fig. 7) der Suchraum S₂ verkleinert.
Dadurch ist in der Summe ein Leistungsband für die al
leinige Nutzung durch das Regelungsmodul reserviert.
Zusätzlich werden, je nach Verfahrensvariante, die Re
striktionen für das Optimierungsmodul noch weiter ver
schärft, indem die maximal zulässigen Sollwertgradien
ten der Kraftwerke, denen ein festes Regelband zugeord
net ist, für die Optimierung auf einen festen Anteil
vom zulässigen Sollwertgradienten begrenzt werden. Da
durch ist sichergestellt, daß das Regelungsmodul, ohne
die maximal zulässigen Sollwertgradienten zu verletzen,
mindestens den verbleibenden Anteil des Sollwertgra
dienten nutzen kann. In der Summe ist damit ein summa
rischer Sollwertgradient für die alleinige Nutzung
durch das Regelungsmodul reserviert. Damit ist auch ein
schneller Ausgleich der Wirkleistungsbilanz durch das
Regelungsmodul im Rahmen der festgelegten Reserven je
derzeit möglich.
Ausgangspunkt für die Optimierung ist die aktuelle Lei
stungsaufteilung. Die Optimierung bestimmt im erreich
baren Teil des Suchraums auf derjenigen Ebene, auf der
alle den vorgegebenen Summensollwert erfüllenden Punkte
liegen, denjenigen Punkt, der zu den geringsten Ge
samtkosten führt. Dieser Punkt ist Ausgangspunkt für
die nächste optimale Leistungsaufteilung.
Zur Lösung dieser Optimierungsaufgabe werden unter
schiedliche Optimierungsalgorithmen eingesetzt, vorran
gig der Step-by-Step-Algorithmus (ein vereinfachtes
schrittweises Gradientenverfahren) oder das sogenannte
Euler-Lagrange-Verfahren (globales Optimierungsverfah
ren); vgl. hierzu "Elektrizitätswirtschaft", 1970, 327
bis 332; "etz-a", 1978, 416 bis 421.
Nach einer der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis
besitzen die konventionellen Optimierungsverfahren
strukturbedingt den Nachteil, daß die Optimierungser
gebnisse momentan und im zeitlichen Mittel aus den
nachfolgenden Gründen nicht optimal sind:
- - Die durch die oben beschriebene Gradientenbe schränkung hervorgerufene Verschärfung der Re striktionen erzwingt, daß die gewünschten Gra dientenreserven für das Regelungsmodul immer re serviert werden, und zwar auch dann, wenn statt dessen eigentlich das Optimierungsmodul diese Reserven zur Erfüllung der Summenforderung bräuchte.
- - Die Freiheitsgrade der Optimierung werden durch diese Verschärfung der Restriktionen auch dann eingeschränkt, wenn die für die Regelung freige haltene Gesamtreserve von der Regelung momentan nicht benötigt wird.
- - Die tatsächlich vorhandene und damit im Prinzip nutzbare Stellgrößenreserve hängt stark von der Leistungsaufteilung durch das Optimierungsmodul ab und kann infolge der Verschärfung der Restrik tionen größer sein als gefordert. Wenn das Rege lungsmodul auf die Nutzung der geforderten Reser ven beschränkt ist, dann ist eine solche Überer füllung der Reserveforderungen ohne Vorteil.
- - Das Bereithalten von Leistungsreserven in den Kraftwerken erfolgt durch Auswählen derjenigen Kraftwerke, denen ein festes Regelband zugeordnet ist, und wird nicht automatisch an die jeweils aktuelle Leistungsaufteilung angepaßt. Insbeson dere ist nicht gewährleistet, daß die Stellgrö ßenreserve momentan nach Kostengesichtspunkten im Sinne der Optimierung bereitgehalten wird.
- - Die Bereitstellung von Stellgrößenreserven verur sacht in der Regel zusätzliche Kosten, so daß die kostenoptimale Leistungsaufteilung ohne ver schärfte Restriktionen billiger ist. Bei den kon ventionellen Verfahren ist es nicht direkt mög lich, die Reserven dynamisch so an die aktuelle Versorgungssituation anzupassen, daß die zusätz lichen Kosten durch das Bereitstellen von Reser ven nur im Bedarfsfall tatsächlich entstehen (wenn die Reserve also tatsächlich benötigt wird)
- - Die momentane Optimierung des aktuellen Kraft werkseinsatzes für den nächsten Zeitschritt (Momentanoptimierung) führt nicht zwingend zu ei nem auf längere Sicht optimalen Kraftwerksein satz, weil die prognostizierte Lastentwicklung keinen Einfluß auf die Momentanoptimierung hat. Dies kann wegen der begrenzten Sollwertgradienten dazu führen, daß die später erforderlichen Sum mensollwerte nicht erreicht werden, oder daß die späteren Leistungsaufteilungen nicht kostenopti mal sind.
- -Zusätzliche Informationen über im voraus bekannte Änderungen von Fahrplänen, Sollwerten, Istwerten, Leistungsgrenzen oder Betriebsarten einzelner Kraftwerke werden nicht genutzt.
Diese Mängel lassen sich mit den konventionellen Opti
mierungsverfahren nicht beheben, weil die Stellgrößen
reserven nach einer vorherigen Auswahl einzelnen Kraft
werken fest zugeordnet werden und eine Komponente zur
Berücksichtigung prognostizierter zukünftiger Änderungen
fehlt.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Op
timierungsverfahren zum optimalen Aufteilen eines Lei
stungssollwertes zu schaffen, insbesondere für einen
Kraftwerkspark Sollwerte für die einzelnen Kraftwerke,
unter Beachtung von Restriktionen bezüglich der einzel
nen Sollwerte und von Nebenbedingungen sowie Zielvor
stellungen (z. B. bezüglich der Kraftwerksführung insge
samt) zu ermitteln; das Ziel der Optimierung ist es, die
Leistungsaufteilung zu finden, bei der sowohl alle
Nebenbedingungen und Restriktionen erfüllt sind und der
Summenwert aller Kostenfunktionen minimal wird als auch
die Optimierungsergebnisse momentan sowie im zeitlichen
Mittel optimal sind.
Die erfindungsgemäße Lösung wird für die obige Gattung
im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschrieben. Verbesserun
gen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in
den übrigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem eingangs genannten Verfahren zum sequentiellen
Vorsteuern eines Prozesses werden erfindungsgemäß zwei
Fälle unterschieden:
- (a) Für den Fall, daß sich der nächste Sollwert eA für die Vorsteuerung A innerhalb einer Zyklus zeit nicht vollständig auf die Eingangsgrößen ui,A aufteilen läßt, ohne daß in Summe mit den aktuellen Eingangsgrößen ui,B ausgehend von vorgegebenen Eingangsgrößen u′i die nächsten Eingangsgrößen ui die individuellen Beschrän kungen verletzen, werden die maximal möglichen Eingangsgrößen ui,A gewählt.
- (b) Für den anderen Fall, für den sich der Sollwert eA der Vorsteuerung A auf eine oder mehrere Arten vollständig auf die Eingangsgrößen ui,A aufteilen läßt, wird eine Aufteilung gewählt, für die eine summarische Reserve für die Rege lung des Reglers B vorhanden ist. Diese Auftei lung wird so bestimmt, daß innerhalb eines vor gegebenen Wertebereichs [uB,min; uB,max] für die Summe der Eingangsgrößen ui,B, ausgehend von der aktuellen Summe Σ ui,B, bei gleichblei benden Eingangsgrößen ui,A unter Einhaltung der individuellen Beschränkungen der Eingangsgrößen ui die Summe der Eingangsgrößen ui,B mit der minimalen Änderungsgeschwindigkeit vB,min den Wert uB,min und mit der maximalen Änderungsge schwindigkeit vB,max den Wert uB,max erreicht, und zusätzlich die Kostenfunktion f für die Eingangsgrößenaufteilung ui,A minimal ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zur Lösung des
folgenden verallgemeinerten Problems einsetzen:
Gegeben ist ein Prozeß P, der aus n parallelen Teilpro
zessen Pi mit Eingangsgrößen u₁, u₂, . . . un und Aus
gangsgrößen y₁, y₂, . . . yn besteht. Für die Eingangsgrößen
ui sind individuelle Beschränkungen der Form
vorgegeben. Die Eingangsgrößen setzen sich aus zwei An
teilen ui,A und ui,B zusammen, die in Summe die Ein
gangsgrößen ui ergeben. Die Ausgangsgröße y des Prozes
ses P entsteht aus der Summe der Ausgangsgrößen yi aller
Teilprozesse Pi; vgl. Fig. 15.
Ein gegebener Regler B, der im wesentlichen auf Abwei
chungen der Ausgangsgröße y von einem gewünschten Aus
gangsgrößenverlauf yA(t) und auf Störungen reagiert,
erzeugt die Eingangsgrößen ui,B.
Eine Vorsteuerung A soll die Eingangsgrößen ui,A für
die Teilprozesse Pi so erzeugen, daß erstens die Aus
gangsgröße des Prozesses dem Ausgangsgrößenverlauf
yA(t) folgt und zweitens eine Kostenfunktion f, die den
Betrieb des Prozesses bewertet, minimal wird, und drit
tens für die Eingangsgrößen ui,B aus der Regelung eine
Reserve vorgehalten wird, damit die Regelung im Fall
einer Abweichung oder Störung schnell eingreifen kann,
ohne die individuellen Beschränkungen zu verletzen.
Eine Hauptanwendung des erfindungsgemäßen Optimierungs
verfahrens besteht darin, in einem Kraftwerksführungs
system den aktuellen Kraftwerkseinsatz zu optimieren.
Dabei läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zy
klisch, azyklisch oder zyklisch mit azyklischen Bear
beitungsanforderungen anwenden. Bestimmt wird die unter
den beschriebenen Restriktionen und Nebenbedingungen
optimale Leistungsaufteilung, die nach dem Zyklus oder
dem Ablauf des Optimierungsverfahrens hergestellt werden
soll.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist speziell bei Verwendung
zur Kraftwerkseinsatzoptimierung die Besonderheit
auf, daß Leistungsreserveanforderungen wirtschaftlich
optimal erfüllt und prognostizierbare zeitliche
Veränderungen von Eingangsgrößen bei der Optimierung
vorausschauend berücksichtigt werden können.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf
die beiliegende Zeichnung für den Fall einer Optimie
rung des aktuellen Kraftwerkseinsatzes des näheren er
läutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 die Sollwertgrenzen ui,min und ui,max eines
Kraftwerks und mögliche Sollwertänderungen;
Fig. 2 die Sollwertgrenzen der Optimierung nach
Fig. 1 bei reserviertem Regelband RBi;
Fig. 3 die Sollwertgrenzen der Optimierung nach
Fig. 1 bei zulässigen Regelbandbereichen;
Fig. 4 das summarische Regelband eines Kraftwerks
parks;
Fig. 5 erweiterte Reservebedingungen zu Fig. 4;
Fig. 6 einen auf den erreichbaren Suchraum S₂ einge
schränkten Suchraum S₁ bei zwei Kraftwerken;
Fig. 7 Suchräume S₁, S₂ bei festen Regelbändern für
beide Kraftwerke;
Fig. 8 eine vorausschauende Einschränkung des er
reichbaren Suchraums S₂ auf S₃;
Fig. 9 die Summe einer aktuellen Leistungsaufteilung
P₀ und prognostizierte Summensollwerte E₁, E₂,
E₃;
Fig. 10 eine Bahn P₀ - P₁ - P₂ - P₃ im Suchraum S₁ bei
optimierten Leistungsaufteilungen P₁, P₂ und
P₃;
Fig. 11 die Bahn P₀ - P₁ - P₂ - P₃ im Suchraum S₁ bei
ausgelassenem Summensollwert E₂;
Fig. 12 die Bahn P₀ - P₁ - P₂ - P₃ im Suchraum S₁ bei
ausgelassenem Summensollwert E₁;
Fig. 13 die Bahn P₀ - P₁ - P₂ - P₃ im Suchraum S₁ bei
ausgelassenen Summensollwerten E₁ und E₂;
Fig. 14 eine Wegoptimierung von A nach C₁ oder C₂ über
B bei tAB < tBC und
Fig. 15 einen Prozeß P mit Vorsteuerung A und Regelung
B.
Anhand der Fig. 1 bis 3 werden die Sollwertgrenzen
(Leistungssollwert) eines einzelnen Kraftwerks in Ab
hängigkeit von der Zeit t definiert. Dargestellt sind
die obere und die untere Leistungsgrenze ui,max und
ui,min sowie die maximale positive Leistungsänderung
(maximaler positiver Gradient) und die maximale nega
tive Leistungsänderung (maximaler negativer Gradient)
jeweils ausgehend von einem aktuellen Leistungssollwert
ui (O).
Bei einem einzelnen Kraftwerk ist nach Fig. 2 an der
oberen und der unteren Leistungsgrenze zusätzlich ein
Regelband RBi reserviert, um jederzeit Stellgrößenre
serven zum Regeln zu gewährleisten. Diese Regelbänder
verschärfen die Restriktionen für die Optimierung,
indem die untere und obere Leistungsgrenze für die
Optimierung ui,A,min und ui,A,max eingeschränkt werden.
In Fig. 3 ist die Grenze des reservierten Regelbandes
gestrichelt gezeichnet, weil ein Merkmal der Erfindung
darin besteht, daß die eingeschränkten Leistungsgrenzen
für die Optimierung innerhalb eines für die geregelten
Kraftwerke eines Kraftwerksparks insgesamt geltenden
Regelbandes für das einzelne Kraftwerk durchlässig
sind.
Die Fig. 4 und 5 beziehen sich auf die Darstellung
eines summarischen Regelbandes, wobei in der Ordinate
die Summenleistung und in der Abzisse wiederum die
Zeit t abgetragen sind. Die Regelbänder der Gesamtheit
des Kraftwerksparks stehen für die Regelung, ausgehend
von einer aktuellen Summenregelleistung, voll zur Ver
fügung. Innerhalb des Regelbandes wird, wie in Fig. 5
dargestellt, erfindungsgemäß jeweils eine Mindest-Re
gelleistungsänderung aufwärts und eine Mindest-Regel
leistungsänderung abwärts gefordert. Die Leistungsän
derung soll ihre minimale Größe bis zum Erreichen der
oberen bzw. der unteren Regelbandgrenze haben.
Fig. 6 zeigt den Suchraum S₁ für den Fall zweier Kraft
werke. Auf der Abzisse ist die Leistung 1 des einen
Kraftwerks, auf der Ordinate ist die Leistung 2 des an
deren Kraftwerks abgetragen. Eingezeichnet ist der
Suchraum S₁, in dem gültige Sollwerte für beide Kraft
werke liegen, die die Leistungsgrenzen nicht verletzen.
Ausgehend von der aktuellen Leistungsaufteilung P₀ der
Summenleistung E₀ auf die beiden Kraftwerke ist der
innerhalb von S₁ erreichbare Suchraum S₂ eingezeichnet,
in dem gültige Sollwerte nach der Optimierung für beide
Kraftwerke liegen, die zusätzlich die maximalen Lei
stungsänderungen nicht verletzen. Ausgehend von der
aktuellen Leistungsaufteilung P₀ sind Ebenen konstanter
Summenleistung E₀, E₁ und E₂ schematisch dargestellt.
Fig. 7 zeigt den Suchraum S₁ und den erreichbaren Such
raum S₂ bei festen Regelbändern RB₁, RB₂ für beide
Kraftwerke, wobei ebenso wie in Fig. 6 auf der Abzisse
die Leistung des Kraftwerks 1 und auf der Ordinate die
Leistung des Kraftwerks 2 dargestellt ist. In ähnlicher
Weise ist in Fig. 8 die vorausschauende Einschränkung
des erreichbaren Suchraums S₂ auf S₃ für den Fall
schematisiert dargestellt, daß die Sollwertveränderung
der beteiligten Kraftwerke, die entgegen der Tendenz
des Summensollwertes gerichtet ist, in Abhängigkeit von
der Größe der Summensollwertänderung verboten wird.
Fig. 9 zeigt exemplarisch Summensollwerte auf der Ordi
nate in Abhängigkeit von der Zeit (Abzisse).
Fig. 9 basiert darauf, daß ausgehend von der Summe der
aktuellen Leistungsaufteilung P₀ Summensollwerte E₁, E₂
und E₃, z. B. für die nächsten Minuten, prognostiziert
werden. Wenn in der Leistungsdarstellung von Fig. 8 von
einer Leistungsaufteilung zum nächsten Prognosewert
nach einem Zeitintervall die nächste jeweils optimale
Leistungsaufteilung bestimmt wird, ergibt sich nach
Fig. 10 im Suchraum die dargestellte Bahn P₀, P₁, P₂,
P₃, bei optimierten Leistungsaufteilungen auf den
Ebenen konstanter Summenleistung E₀ bis E₃.
Nach Fig. 11 bis 13 läßt sich eine endliche Anzahl von
Bahnen als Kombination erzeugen, wenn für zwischenzeit
liche Prognosewerte die Leistungsaufteilungen nicht wie
bisher optimiert werden. In Fig. 11 sind der Summen
sollwert E₂, in Fig. 12 der Summensollwert E₁ und in
Fig. 13 die Summensollwerte E₁ und E₂ ausgelassen. Die
Ebenen konstanter Summenleistung sind gestrichelt ge
zeichnet. Hierzu wird weiter unten im einzelnen Stel
lung genommen.
Ersatz-Leistungsaufteilungen, die nicht wie bisher
optimiert wurden, können mit dem Summensollwert so
gewählt werden, daß die Bahnlänge von der vorherigen
zur nächsten über diese Ersatz-Leistungsaufteilung
minimal ist.
Für den Fall, daß zwischen der vorherigen, der aktuel
len und der nächsten Leistungsaufteilung unterschied
lich große Zeiten liegen, wird die Länge der Bahnen
durch die Summe der Produkte der einzelnen Längen der
Wegstücke mit dem Kehrwert der zugehörigen Zeitdiffe
renzen nach Fig. 14 bestimmt. Aus der Zeichnung ergibt
sich die Wegoptimierung von A nach C₁ oder C₂ über B
für den Fall, daß tAB < tBC ist.
Fig. 15 betrifft den Prozeß P mit einer Vorsteuerung A
und einer Regelung bzw. einem Regler B. Der Prozeß P
besteht aus Teilprozessen P₁, P₂, . . . Pn. Die Vorsteue
rung A mit dem Sollwert eA liefert Eingangsgrößen ui,A
als Teil der Eingangsgrößen ui für die Teilprozesse Pi
(i = 1, 2 . . . n) . Der Regler B, dem der Sollwert eB zuge
ordnet ist, liefert Eingangsgrößen ui,B als Teil der
genannten Eingangsgrößen ui. Die Ausgangsgrößen yi der
Teilprozesse Pi werden zu dem Ausgangsgrößenverlauf
y(t) zusammengefaßt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen folgende
Strategieelemente benutzt werden:
Als Ausgangspunkt für die Bestimmung der optimalen Lei
stungsaufteilung für den jeweils nächsten Zeitschritt
dient erfindungsgemäß wahlweise die aktuelle
Sollwertaufteilung, die aktuelle Aufteilung der vorhan
denen Ist-Leistungen oder eine Kombination aus beiden
Aufteilungen.
Zusätzlich zu einem summarischen Regelband
(Leistungsreserve) zum Ausgleichen der Wirkleistungs
bilanz durch die Regelung dient erfindungsgemäß eine
weitere summarische Reservebedingung:
Innerhalb des summarischen Regelbandes soll für die Re
gelung eine minimale Regelgeschwindigkeit für diejenige
Zeit garantiert sein, die zum Erreichen der Regel
bandgrenzen mit dieser minimalen Regelgeschwindigkeit,
ausgehend von der aktuellen Position im Regelband, be
nötigt wird (geforderte mögliche Regelleistungsänderung
innerhalb der Regelzeit). Vor Erreichen der Regel
bandgrenzen soll diese minimale Regelgeschwindigkeit im
Mittel nicht unterschritten werden (Fig. 5) . Die zu
sätzliche summarische Reservebedingung ist gleicherma
ßen für die Regelung aufwärts und abwärts gültig. Die
Regelzeiten sind damit abhängig von der aktuellen Re
servenutzung durch das Regelungsmodul. Dieses Strate
gieelement bedeutet einen Verzicht auf individuelle
Gradientenreserven für die Regelung durch die einzelnen
Kraftwerke. Dies führt dazu, daß der Regelung
erfindungsgemäß eine dynamische Stellgrößenreserve zur
Verfügung steht.
Gegebenenfalls kann erfindungsgemäß jedem Kraftwerk an
stelle eines festen Regelbandes ein maximal zulässiger
Leistungsanteil für die Regelung zugeordnet sein. Damit
ist keine feste Zuordnung von Regelbändern vorgegeben;
für jedes Kraftwerk gibt es statt dessen einen zulässi
gen Regelbandbereich (Fig. 3). Kraftwerken, die nicht
an der Regelung beteiligt werden sollen, wird kein zu
lässiger Leistungsanteil für die Regelung zugeordnet.
Diese zusätzliche Flexibilität kann erfindungsgemäß
durch die Optimierung genutzt werden: In Abhängigkeit
von dem aktuellen Summensollwert und der zugehörigen
kostenoptimalen Leistungsaufteilung auf die Kraftwerke
stehen die geforderten Reserven optimal aufgeteilt zur
Verfügung.
Um zu bestimmen, welche summarische Reserve bei einer
gegebenen Leistungsaufteilung tatsächlich vorhanden
ist, werden erfindungsgemäß zunächst die in den erwei
terten Kraftwerksregelbändern pro Kraftwerk in beide
Richtungen möglichen Sollwertänderungen abgeschätzt.
Das sind die Sollwertänderungen, die innerhalb der Re
gelzeiten, ausgehend vom aktuellen Leistungssollwert,
möglich sind. Mit Schätzmodellen lassen sich zusätzlich
die bei diesen Sollwertänderungen innerhalb der Regel
zeiten erwarteten Leistungsänderungen der Kraftwerke
abschätzen.
Die summarische Reserve ergibt sich nach Vorstehendem
aus der Summe der möglichen Sollwertänderungen
(Stellgrößenreserve) oder der erwarteten Leistungsände
rungen (Leistungsreserve) aller Kraftwerke. Damit läßt
sich abgeschätzen, wie groß bei einer bestimmten Lei
stungsaufteilung die zugehörige Stellgrößen- oder Lei
stungsreserve im zeitlichen Mittel ist.
Oszillierende oder stark schwankende Sollwertverläufe
für einzelne Kraftwerke sind unerwünscht, weil sie eine
starke Materialbeanspruchung verursachen. Um dies zu
berücksichtigen, werden erfindungsgemäß die Kostenfunk
tionen um Terme zur Bestrafung von Sollwertänderungen
und (insbesondere unstetigen) Gradientenänderungen er
weitert. Außerdem wird zusätzlich zu den einzelnen
Kostenfunktionen der Kraftwerke eine Kostenfunktion für
den ungewollten Leistungsaustausch zwischen den Ver
bundpartnern, ausgelöst durch eine fehlende Summenlei
stung im eigenen Versorgungsgebiet, ergänzt.
Abweichungen vom gewünschten Summensollwert und Abwei
chungen von der Reserveforderung bei einer Leistungs
aufteilung werden erfindungsgemäß mit einer Bestra
fungsfunktion bewertet, die nur Null (bei Erfüllung)
oder positive Funktionswerte (bei Nichterfüllung) an
nehmen kann. Zusammen mit einer Kostenfunktion, die
einer Leistungsaufteilung in Abhängigkeit von der ge
wünschten Summenleistung Kosten zuordnet, ergibt sich
daraus eine neue Kostenfunktion f für den ganzen zuläs
sigen Stellgrößenbereich. Damit läßt sich der Suchraum
für die Optimierung auf den ganzen zulässigen Stell
größenbereich erweitern; er ist nicht auf diejenige
Ebene konstanter Leistung beschränkt, auf welcher der
vorgegebene Summensollwert erfüllt ist.
Zusätzlich zum aktuellen Summensollwert werden erfin
dungsgemäß in Form von Zeitverläufen oder von einzelnen
Werten für bestimmte Zeitpunkte prognostizierte Summen
sollwerte für die nächsten Minuten verwendet, um vor
ausschauend auf Änderungen zu reagieren. Für die Än
derung des Leistungsverbrauchs liegt eine eigene Pro
gnose vor (Lastprognose) . Unbeeinflußbare Leistungs
einspeisungen, die nicht von den zu führenden Kraftwer
ken kommen, lassen sich ebenfalls prognostizieren.
Durch die Zusammenfassung ergeben sich daraus progno
stizierte Summensollwerte für die Kraftwerkseinsatzop
timierung (Fig. 9).
Kraftwerkssollwerte, die bereits vor der Optimierung
feststehen, können erfindungsgemäß erzwungen werden,
indem die zulässigen Leistungsgrenzen dieser Kraftwerke
auf diese Sollwerte gesetzt werden. Unbeeinflußbare
Leistungserzeugungen von Kraftwerken, die sich z. B. in
der Anfahrt oder Abfahrt befinden, werden für die näch
sten Minuten abgeschätzt und als Leistungssollwerte
interpretiert. Die Leistungssollwerte und damit auch
die Leistungsgrenzen der Kraftwerke, die an der Kraft
werkseinsatzoptimierung nicht beteiligt werden, sind
damit im voraus bekannt. Die zukünftigen Leistungsgren
zen der anderen Kraftwerke lassen sich erfindungsgemäß
abschätzen, oder sie sind durch Informationen von den
Kraftwerken bekannt, oder sie ändern sich nicht. Damit
gibt es Prognosen für die zukünftigen Leistungsgrenzen
aller Kraftwerke, die dann zusammen mit den prognosti
zierten Summensollwerten bei der Vorschau verwendet
werden können.
Es wird vorausgesetzt, daß prognostizierte Summensoll
werte für die nächsten Minuten (Fig. 9) gegeben sind.
Um zu verhindern, daß durch die Optimierung des jeweils
aktuellen Summensollwertes die für später prognosti
zierten Summensollwerte nicht mehr oder nicht optimal
erreicht werden, wird der Suchraum der Optimierung für
den aktuellen Summensollwert erfindungsgemäß ausgehend
vom bisher zulässigen und erreichbaren Suchraum voraus
schauend eingeschränkt.
Eine harte Suchraumeinschränkung ist gegebenenfalls das
Verbot von kleineren Sollwerten der Kraftwerke, wenn
der prognostizierte Summensollwert in einer bestimmten
Zeit größer als der aktuelle ist, bzw. das Verbot von
größeren Sollwerten der Kraftwerke, wenn der prognosti
zierte Summensollwert in einer bestimmten Zeit kleiner
als der aktuelle ist. Eine weiche Suchraumeinschränkung
liegt vor, wenn die Sollwertänderungen der Kraftwerke,
die entgegen der Tendenz des Summensollwerts gerichtet
sind, in Abhängigkeit von der Größe der Summensollwert
veränderung verboten werden. Fig. 8 zeigt exemplarisch
die dadurch entstehende Einschränkung des Suchraums S₂
auf den Suchraum S₃.
Gegeben sind prognostizierte Summensollwerte für die
nächsten Minuten (Fig. 9) . Wenn ausgehend von P₀ je
weils von einem zum nächsten Prognosewert P₁, P₂, P₃
innerhalb eines Zeitintervalls die nächste jeweils
optimale Leistungsaufteilung bestimmt wird, ergibt sich
im Suchraum eine Bahn (Fig. 10). Werden auf dieser Bahn
ein oder mehrere der Prognosewerte P₁, P₂, P₃ zwischen
durch ausgelassen und wird für ausgelassene Prognose
werte die Ersatz-Leistungsaufteilung bestimmt, für die
die Weglänge im Suchraum von der vorherigen zur näch
sten Leistungsaufteilung minimal (kürzester Weg),
gleichzeitig aber auf diesem Weg der aktuelle Prognose
wert erfüllt ist (kürzester Umweg), dann entstehen un
terschiedliche Bahnen im Suchraum. Für den Fall, daß
zwischen der vorherigen, der aktuellen und der nächsten
Leistungsaufteilung unterschiedlich große Zeiten lie
gen, wird die Länge der Bahnen durch die Summe der Pro
dukte der einzelnen Längen der Wegstücke ebenfalls er
findungsgemäß mit dem Kehrwert der zugehörigen Zeit
differenz bestimmt (Fig. 14).
Um eine endliche Anzahl von Bahnen zu erzeugen, wird
erfindungsgemäß nacheinander jede mögliche Kombination
von zwischenzeitlichen Prognosewerten ausgelassen. Da
mit entsteht im Suchraum eine Schar von Bahnen, in der
sowohl die schrittweise optimierte Bahn als auch die
kürzeste Bahn unter Beachtung der zwischenzeitlichen
Summensollwerte E₀, E₁, E₂, E₃ enthalten ist (Fig. 10
bis 13) . Falls ein zwischenzeitlicher Summensollwert Ei
auf einer schrittweise optimierten Bahn nicht er
reichbar ist, gibt es erfindungsgemäß alternative Bah
nen, die diesem Summensollwert so nahe wie möglich kom
men.
Als Alternativen zu den so konstruierten Bahnen dienen
erfindungsgemäß solche Bahnen, bei denen für die ausge
lassenen Zwischenpunkte ein Kompromiß zwischen optima
ler Leistungsaufteilung, Leistungsaufteilung auf dem
kürzesten Umweg und vollständiger ersatzloser Auslas
sung des Prognosewertes (Ei) gewählt wird. Damit kann
die Optimierung diesen Umstand bei der Bestimmung der
nächsten Leistungsaufteilung erfindungsgemäß bereits im
voraus berücksichtigen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren des
Kraftwerkseinsatzes arbeitet nach Vorstehendem gewis
sermaßen auf der Basis einer Bewertungsfunktion, die
für alle zulässigen Leistungsaufteilungen in Abhängig
keit von den vorherigen Leistungsaufteilungen einen
Funktionswert liefert. Diese Bewertungsfunktion setzt
sich aus der Summe der erweiterten Kostenfunktionen al
ler Kraftwerke zusammen. Zusätzlich wird erfindungsge
mäß eine Bestrafungsfunktion für die Nichterfüllung der
Summen und Reserveforderung verwendet. Eine geplante
vorübergehende Nichterfüllung dieser Forderungen kann
z. B. dann von Vorteil sein, wenn dadurch zukünftig
diese Forderungen besser erfüllt sind.
Die zulässigen Leistungsgrenzen und Sollwertgradienten
der Kraftwerke begrenzen erfindungsgemäß den Suchraum,
in dem alle zulässigen Leistungssollwerte ausgehend von
einer gegebenen Leistungsaufteilung liegen.
Das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren bestimmt un
ter Berücksichtigung der prognostizierten Summensoll
werte ausgehend von einer gegebenen Leistungsaufteilung
eine zukünftige optimale Bahn der Summensollwerte in
nerhalb des Suchraums für ein bestimmtes Zeitintervall
durch eine Bahnoptimierung. Wenn nur ein Summensollwert
ohne weitere prognostizierte Summensollwerte in der
Optimierung benutzt wird, bestimmt die erfindungsgemäße
Optimierung nur die nächste optimale Leistungs
aufteilung.
Wird eine Bahnoptimierung durchgeführt, dann arbeitet
das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren wie folgt:
Ausgehend von der gegebenen Leistungsaufteilung wird (wie oben beschrieben) für das bestimmte Zeitintervall eine Schar von möglichen Bahnen in dem Suchraum er zeugt. Zur Bestimmung der Stützpunkte dieser Bahnen werden die optimalen Leistungsaufteilungen, ausgehend von einer vorherigen Leistungsaufteilung, und Ersatz- Leistungsaufteilungen bestimmt.
Ausgehend von der gegebenen Leistungsaufteilung wird (wie oben beschrieben) für das bestimmte Zeitintervall eine Schar von möglichen Bahnen in dem Suchraum er zeugt. Zur Bestimmung der Stützpunkte dieser Bahnen werden die optimalen Leistungsaufteilungen, ausgehend von einer vorherigen Leistungsaufteilung, und Ersatz- Leistungsaufteilungen bestimmt.
Für die Optimierung einer Leistungsaufteilung, ausge
hend von einer vorherigen Leistungsaufteilung, gibt es
erfindungsgemäß zwei Varianten:
- a) Zunächst bestimmt die Optimierung auf der Ebene konstanter Leistung innerhalb des Suchraums, auf der der vorgegebene Summensollwert erfüllt ist, die Leistungsaufteilung mit dem kleinsten Wert der Be wertungsfunktion. Ausgehend von dem so gefundenen Punkt P₀ bestimmt die Optimierung dann auf der Ebene konstanter Leistung innerhalb des Suchraums den Punkt P₁, der bei einer möglichst geringen Ver schlechterung der Bewertungsfunktion gegenüber dem Ausgangspunkt den kleinsten Bestrafungsfunktions wert besitzt (schrittweise Vergrößerung der Stell größenreserve unter Beachtung der Summenforderung).
- b) Die Optimierung bestimmt innerhalb des Suchraums den Punkt P, für den die Summe als Bewertungsfunk tion und Bestrafungsfunktion minimal ist, ohne daß als erstes versucht wird, nur den vorgegebenen Sum mensollwert zu erfüllen.
Zur Berechnung der Ersatz-Leistungsaufteilungen für
ausgelassene Summensollwerte auf den kürzesten Umweg
dient erfindungsgemäß ein iteratives Nährungsverfahren.
Bei einem Kompromiß zwischen einer optimalen Leistungs
aufteilung, einer Leistungsaufteilung auf dem kürzesten
Umweg und einer vollständigen Auslassung des Prognose
wertes ohne Ersatz werden die optimale und die Ersatz-
Leistungsaufteilung für den kürzesten Umweg berechnet.
Von diesen Bahnen wird diejenige als optimale Bahn
ausgewählt, die im zeitlich gewichteten Mittel die
kleinsten Bewertungs- und Bestrafungsfunktionswerte
besitzt. Der erste Punkt dieser Bahn ist die gesuchte
nächste optimale Leistungsaufteilung. Zur Optimierung
einer Leistungsaufteilung eignen sich erfindungsgemäß
lokale, globale und heuristische Optimierungsverfahren,
insbesondere auch ein modifizierter Step-by-Step-Algo
rithmus (ein spezielles schrittweises Gradientenverfah
ren).
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich bei der
Anwendung zum Optimieren des aktuellen Kraftwerksein
satzes gegenüber konventionellen Verfahren unter ande
rem durch folgende Vorteile aus:
- - Die Stellgrößenreserve wird erfindungsgemäß im Gegensatz zu konventionellen Verfahren kostenop timal bereitgehalten. Insbesondere läßt sich eine größere Stellgrößenreserve als bei einer Zu ordnung von festen Regelbändern auf ausgewählte Kraftwerke nutzen; dadurch werden Kosten gespart. Die Kraftwerksführung wird damit zugleich wirt schaftlicher. Die Einschränkungen des Suchraums für die Optimierung sind weniger restriktiv, so daß die Optimierung für die Aufteilung der Sum menleistung zusätzliche und günstigere Lei stungsaufteilungen ermitteln kann.
- - Die Regelgüte der Leistungs-Frequenz-Regelung verbessert sich erfindungsgemäß durch eine zeitunabhängige und gleichmäßige Stellgrößenre serve. Zusätzlich zeichnet sich das erfindungs gemäße Verfahren durch eine höhere Flexibilität bei sich ändernden Regelerwartungen aus, weil sich die Reserveforderungen kontinuierlich an die erwarteten Leistungsschwankungen im Versorgungs gebiet angepassen lassen.
- - Die vorausschauende, erfindungsgemäße Einschrän kung des Suchraums der Optimierung oder die er findungsgemäße Planung einer optimalen Bahn der Sollwerte im Suchraum der Optimierung vermeidet unerwünschte Umklappeffekte (gegenläufige Soll werttendenzen einzelner Kraftwerke). Zusätzlich wird erfindungsgemäß im voraus dafür gesorgt, daß die Reserveforderungen und die prognostizierten Summensollwerte in den nächsten Minuten ganz oder im zeitlichen Mittel am besten erfüllt sind. Falls prognostizierte Summensollwerte nicht er reichbar sind, werden im voraus Summensollwerte bewußt über- oder untererfüllt.
- - Die Sollwertverläufe der einzelnen Kraftwerke werden erfindungsgemäß durch die Bestrafung von Gradienten und Gradientenänderungen beruhigt, so daß sich ein schonenderer Kraftwerksbetrieb er gibt.
Das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren eignet sich
insbesondere zusammen mit einem Verfahren zur zentralen
Regelung eines Kraftwerksparks, das in der gleichzeitig
hinterlegten deutschen Patentanmeldung "Verfahren zum
Regeln der Leistung eines Kraftwerksparks" derselben
Anmelderin (Akten-Nr. 40 713 K) beschrieben ist. Die
Freiheitsgrade, Parameter und Vorgaben des Verfahrens
können von externen Modulen zur Überwachung, Qualitäts
bewertung oder Vorschau genutzt werden, z. B. für eine
Änderung der Reserveforderungen in Abhängigkeit von der
erwarteten Größe der Leistungsschwankungen und der er
zielten Regelgüte für eine Anpassung der erweiterten
Kostenfunktionen zur Bestrafung von Änderungen bei zu
unruhigen Sollwertverläufen einzelner Kraftwerke oder
für eine automatische Änderung von erlaubten Leistungs
grenzen und Gradienten einzelner Kraftwerke.
Für zusätzliche übergeordnete Einrichtungen zur Überwa
chung, Qualitätsbewertung oder Vorausschau bieten sich
Verfahren zur Mustererkennung, Ereigniserkennung,
Clusteranalyse, Neutronale Netze, Fuzzy-Systeme, Simu
lationssysteme oder Expertensysteme an, insbesondere
ein an den Prozeß angekoppeltes Fuzzy-Gütemaß, das den
Prozeß on-line bewertet und vom Prozeßbediener oder ei
ner direkten Rückkopplung zum Eingriff in den Prozeß
genutzt wird.
Besondere Vorteile ergeben sich für die Erfindung bei
der Verwendung von positiven und negativen Fuzzy-Regeln
und bei der Verwendung eines parametrisierten Fuzzy-In
terfrequenzfilters, bei dem der Parameter angibt, ob
die Regeln härter oder weicher interpretiert werden
sollen, auf der übergeordneten Ebene zur Überwachung
und Bewertung (vgl. hierzu die deutschen Patent
schriften 43 08 083 und 44 16 465).
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders
zur Kraftwerkseinsatzoptimierung, vorzugsweise mit ei
nem digitalen Rechnersystem, einem Automatisierungssy
stem oder einem Simulationssystem, wobei Teile des
Verfahrens auch mit unterschiedlichen Systemen reali
sierbar sind.
Claims (22)
1. Verfahren zum sequentiellen Vorsteuern eines Prozes
ses P, der aus n parallelen Teilprozessen P₁, P₂,
Pn mit Eingangsgrößen u₁, u₂, . . . un und
Ausgangsgrößen y₁, y₂, . . . yn besteht,
- (a) wobei für die Eingangsgrößen individuelle Beschränkungen der Form bestehen,
- (aa) woraus sich Abstände der Summen Σ ui und Σ vi zu den summarischen Grenzen Σ ui,min, Σ ui,max und Σ vi,min, Σ vi,max, das sind die summarischen Reserven für die Summen Σ ui und Σ vi, ergeben,
- (ab) die Ausgangsgröße y des Prozesses P in der Form y = y₁ + y₂ + . . . yn entsteht und
- (ac) der Prozeßbetrieb durch eine Kostenfunk tion f bewertet wird, die sich aus der Summe von Teilkostenfunktionen fi(ui) ergibt,
- (b) wobei zum Erreichen eines gewünschten Aus gangsgrößenverlaufs yA(t) die Teilprozesse Pi mit Eingangsgrößenverläufen ui(t) beaufschlagt werden und diese Verläufe ui(t) aus der Summe der von einer Vorsteuereinrichtung A und einem Regler B erzeugten Anteile ui,A(t) und ui,B(t) gebildet werden,
- (c) wobei der Regler B auf eine vorgegebene Regelgröße eB reagiert, die durch Störun gen und Abweichungen der Ausgangsgröße y von dem gewünschten Ausgangsgrößenverlauf yA(t) entsteht, und
- (d) die Vorsteuereinrichtung A einen vorzuge benden Sollwertverlauf eA(t) verwendet, der dem aktuellen Zeitpunkt und zukünfti gen Zeitpunkten einen Sollwert eA zuord net, dadurch gekennzeichnet,
- (e) daß für den Fall, daß sich der nächste Sollwert eA für die Vorsteuerung A inner halb einer Zykluszeit nicht vollständig auf die Eingangsgrößen ui,A aufteilen läßt, ohne daß in Summe mit den aktuellen Eingangsgrößen ui,B, ausgehend von vorge gebenen Eingangsgrößen u′i, die nächsten Eingangsgrößen ui die individuellen Beschränkungen verletzen, die maximal mög lichen Eingangsgrößen ui,A gewählt werden, und
- (f) daß für den anderen Fall, für den sich der Sollwert eA der Vorsteuerung A auf eine oder mehrere Arten vollständig auf die Eingangsgrößen ui,A aufteilen läßt, eine Aufteilung gewählt wird, für die eine sum marische Reserve für die Regelung des Reg lers B vorhanden ist,
- (g) daß die letztere Aufteilung so bestimmt wird, daß innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs [uB,min; uB,max] für die Summe der Eingangsgrößen ui,B, ausgehend von der aktuellen Summe Σ ui,B, bei gleichbleibenden Eingangsgrößen ui,A unter Einhaltung der individuellen Beschränkun gen der Eingangsgrößen ui
- (ga) die Summe der Eingangsgrößen ui,B mit der minimalen Änderungsgeschwindigkeit vB,min den Wert uB,min und mit der maximalen Änderungsgeschwindigkeit vB,max den Wert uB,max erreicht, und
- (gb) zusätzlich die Kostenfunktion f für die Aufteilung ui,A minimal ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß nur ausgewählte Eingangsgrößen ui,B für einen
Beitrag zu der summarischen Reserve für die Rege
lung B herangezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Beiträge der Eingangsgrößen ui,B,
die zu der summarischen Reserve für die Regelung B
einen Beitrag liefern, auf individuelle maximale
Werte ui,B,min, ui,B,max, vi,B,min und vi,B,max be
grenzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß Teilkostenfunktionen fi(ui) die
Betriebskosten der Prozesse Pi umfassen oder annä
hern.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß in die Teilkostenfunktionen fi
auch aktuelle oder vorherige Eingangsgrößen ui, ak
tuelle oder vorherige Ausgangsgrößen yi und/oder
verfügbare aktuelle oder vorherige Zustände der
Prozesse Pi integriert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß sowohl der Wert einer Bestra
fungsfunktion k, die der Differenz zwischen der
Summe aller Eingangsgrößen ui,A und dem Sollwert eA
einen eindeutigen Funktionswert zuordnet, als auch
die Summe der Teilkostenfunktionen fi minimiert
werden, indem diejenige Aufteilung des Sollwertes
eA auf die Eingangsgrößen ui,A gewählt wird, für
die eine neue Funktion f, die eine Linearkombina
tion der Funktionen fi und k ist, minimal wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß zusätzlich der Wert einer Be
strafungsfunktion h, die der Differenz zwischen ei
nem Maß für die vorhandene summarische Reserve und
einem Maß für die geforderte summarische Reserve
einen eindeutigen Funktionswert zuordnet, minimiert
wird, indem diejenige Aufteilung des Sollwertes eA
auf die Eingangsgrößen ui,A gewählt wird, für die
eine neue Funktion f, die eine Linearkombination
der Funktionen fi und h bzw. fi, k und h ist, mini
mal wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem ge
wünschten zukünftigen Sollwert eA(t + T) für die
Vorsteuerung A nach einer festgelegten Zeit T aus
den möglichen nächsten Aufteilungen ui,A, bei denen
eine Änderung des Sollwertes eA innerhalb der Zeit
T keine dieser Änderung entgegengesetzte Änderung
der Eingangsgrößen ui,A, ausgehend von u′i,A auf
treten, diejenige mit minimalem Funktionswert ge
wählt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sollwert eA der Vorsteue
rung A bei einer festen Anzahl von gewünschten zu
künftigen Sollwerten für einen festgelegten Zeitbe
reich T unter Beachtung von zukünftigen individu
ellen Beschränkungen für die Eingangsgrößen ui
derart auf die Eingangsgrößen ui,A aufgeteilt wird,
daß im zeitlichen Mittel über den Zeitbereich T die
Funktion f minimal wird, indem eine Schar von Fol
gen von Eingangsgrößen u A = (u1,A, u2,A . . . un,A)
konstruiert wird, die durch alle möglichen Kombina
tionen entweder durch schrittweises Vorgehen zum
Bestimmen der nächsten Aufteilung u A oder aus der
Bestimmung der nächsten Aufteilung u A durch Mini
mierung der Weglänge zwischen der vorherigen Auf
teilung u A und der nachfolgenden Aufteilung u A un
ter zwischenzeitlicher vollständiger Aufteilung des
Sollwertes eA und Beachtung der individuellen
Beschränkungen oder bei vollständiger Ignorierung
des Sollwertes eA aus der Bestimmung der Aufteilung
u A auf der direkten Verbindung zwischen der vorhe
rigen Aufteilung u A und der nachfolgenden Auftei
lung u A oder aus einem Kompromiß dieser drei Mög
lichkeiten entstehen, woraus die erste Aufteilung
u A der Folge von Aufteilungen u A ausgewählt wird,
die im zeitlich gewichteten Mittel den kleinsten
Funktionswert aller konstruierten Aufteilungen be
sitzt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aufteilung u A zyklisch,
azyklisch oder zyklisch mit azyklischen Bearbei
tungsanforderungen bestimmt wird, wenn die Auftei
lung u′ A das Ergebnis des vorherigen Zyklus oder
Verfahrenslaufs ist.
11. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche
1 bis 10 zur Optimierung des Kraftwerkseinsatzes
durch ein Kraftwerksführungssystem, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei einer momentanen Kraftwerksein
satzoptimierung die Funktion eA(t) der Lastprognose
entspricht, die Teilprozesse Pi Kraftwerke sind und
die Einrichtung B die Regelleistungsaufteilung des
Sollwertes aus der Leistungs-Frequenz-Regelung ist.
12. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zusätzlich übergeordnete Ein
richtungen zur Überwachung, Qualitätsbewertung oder
Vorausschau die Freiheitsgrade, Parameter, Vorgaben
oder Strategien des Optimierungsverfahrens genutzt
oder verändert werden.
13. Kraftwerksführungssystem, das nach dem Verfahren
nach einem der Ansprüche 1 bis 12 optimiert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Digital
rechnersystem, einem Automatisierungssystem
und/oder einem Simulationssystem ausgestattet ist.
14. Kraftwerksführungssystem nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß Teile des Verfahrens mit unter
schiedlichen oder parallelen Systemen ausgestattet
sind.
15. Kraftwerksführungssystem nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche überge
ordnete Einrichtungen Verfahren der Mustererken
nung, Ereigniserkennung, Clusteranalyse, Neuronale
Netze, Fuzzy-Systeme, Simulationssysteme oder Ex
pertensysteme dienen.
16. Kraftwerksführungssystem nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die zusätzlichen übergeordneten
Einrichtungen Fuzzy-Regler mit positiven und nega
tiven Regeln oder parametrisierte Inferenzfilter
enthalten.
17. Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1
bis 10, zur Optimierung des aktuellen Kraftwerks
einsatzes durch ein Kraftwerksführungssystem mit
einem für die geführten Kraftwerke insgesamt gel
tenden summarischen Regelband, das die Regellei
stungssumme nach oben und unten begrenzt, und mit
für jedes geführte Kraftwerk individuellen Gra
dientenreserven für die positiven und die negativen
Gradienten der Leistungssollwerte, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Ausgangspunkt für die Bestimmung
der optimalen Leistungsaufteilung für den jeweils
nächsten Zeitschritt die aktuelle Aufteilung der
Sollwerte und/oder der Istleistungen dient, daß in
nerhalb des summarischen Regelbandes unabhängig von
den individuellen Gradientenreserven des einzelnen
Kraftwerks eine minimale Regelgeschwindigkeit für
die Zeit jeweils bis zum Erreichen der Regelband
grenze eingestellt wird, daß jedem an der Regelung
beteiligten Kraftwerk ein maximal zulässiger Lei
stungsanteil für die Regelung zugeordnet wird, und
daß die Summensollwertverläufe der Leistungen sowie
die zugehörigen Summensollwertgradienten für die
einzelnen Kraftwerke beschränkt werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß vorausschauend auf Änderungen der Summen der
Sollwertänderungen (Summensollwert) in Form von
Zeitverläufen oder von einzelnen Werten für be
stimmte Zeitpunkte prognostizierte Summensollwerte
- etwa für die nächsten Minuten - reagiert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn
zeichnet, daß bereits vor der Optimierung festste
hende Kraftwerkssollwerte dadurch erzwungen werden,
daß die zulässigen Leistungsgrenzen auf diese
Sollwerte gesetzt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, da
durch gekennzeichnet, daß der Bereich (Suchraum)
der Optimierung für den jeweils aktuellen Summen
sollwert, ausgehend vom bisher zulässigen und er
reichbaren Suchraum, vorausschauend eingeschränkt
wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß größere Sollwerte der Kraftwerke verboten wer
den, wenn der prognostizierte Summensollwert in ei
ner bestimmten Zeit kleiner als der aktuelle ist.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sollwertänderungen der Kraftwerke, die ent
gegen der Tendenz des Summensollwerts gerichtet
sind, in Abhängigkeit von der Größe der Summensoll
wertveränderung verboten werden.
Priority Applications (2)
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DE1995110343 DE19510343C2 (de) | 1995-03-22 | 1995-03-22 | Verfahren zur sequentiellen Vorsteuerung eines Prozesses |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1995110343 DE19510343C2 (de) | 1995-03-22 | 1995-03-22 | Verfahren zur sequentiellen Vorsteuerung eines Prozesses |
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Family Applications (1)
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DE1995110343 Expired - Lifetime DE19510343C2 (de) | 1995-03-22 | 1995-03-22 | Verfahren zur sequentiellen Vorsteuerung eines Prozesses |
Country Status (2)
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: VEW ENERGIE AG, 44139 DORTMUND, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: RWE NET AKTIENGESELLSCHAFT, 44139 DORTMUND, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: RWE TRANSPORTNETZ STROM GMBH, 44139 DORTMUND, DE |
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R071 | Expiry of right | ||
R071 | Expiry of right |