流程工业生产与能源调度集成优化研究

This project proposes the research of integrated optimization of production and energy scheduling to deal with the prolbems of high energy cost,low energy utilization rate caused by separate scheduling of production and energy implemented by production management department in process industry. The research explores efficient modelling and optimization & intelligence-based solving methods for the coordinated scheduling of production and energy, which aims at optimizing production and energy goals simultaneously. Also, the application research is carried out using the energy-intensive steelmaking production as the background. Compared with traditional method that production and energy schedules are completed separately,the integrated optimzation will carry out the research from the views of introducing energy supply capacity into production scheduling, and considering co-optimizaion of production cost and energy consumption. The research topic covers the coordinated scheduling of production with single and multiple types of energy resources,prouction scheduling with energy supply capacity constraints, ADP-based energy consumption parameters identification,dynamic energy allocation with time-varing demands. The research of integrated scheduling of production and energy will enrich current production scheduling theory and method; the application research of coordinated scheduling of production and energy in process industry reprsented by iron & steel Industry will help energy-intensive process industry to improve energy utilization rate, reduce production and energy cost, realize global optimization of production and energy system.

本课题针对我国流程工业生产管理中生产与能源调度方案分开制定导致能耗大、成本高、资源利用率低的问题，提出并进行生产与能源调度的集成优化研究，探索生产过程中同时优化生产和能源指标的新型协调调度问题的建模、最优化与智能优化方法，并以高能耗的炼钢生产为背景进行应用研究。与传统的生产调度与能源调度分开研究不同，本项目通过从能源介质作为生产调度的约束、能源介质消耗和生产调度费用同时最小化两个不同的视角研究生产与能源的集成调度。研究内容包括：生产与单一介质、多介质能源的协调调度，考虑能源供应能力约束的生产调度，基于ADP的能源消耗参数辨识，带有需求时变特征的能源介质动态调度。对所提炼出的新型生产与能源集成调度进行研究，将丰富现有的生产调度理论与方法；生产与能源协调调度方法在以钢铁为代表的流程工业生产中进行应用研究，将有助于高能耗流程工业提高能源利用率，降低生产与能源成本，实现生产与能源系统的全局优化。

本课题在执行期间，针对我国流程工业生产管理中生产与能源调度方案分开制定导致能耗大、成本高、资源利用率低的问题，紧密结合钢铁生产与能源系统的实际需求，考虑生产与能源系统之间的强耦合性，能源需求和消耗的动态特征，提炼出多个层次的关键科学问题，建立了多个原创性的数据模型和数学规划模型，开发了统计学、最优化、智能优化等算法，解决了钢铁企业能源机理分析、参数辨识、能源消耗关系解析、能源优化配置等一系列关键问题，并采用钢铁企业实际数据进行了实验验证。具体研究成果包括：1）流程工业生产与能源系统机理分析和能源消耗参数辨识研究，采用统计学建模方法和卡尔曼滤波方法，实现了流程工业产品能耗的精细化计量，针对钢铁企业生产过程复杂、机理模型未知、能源转换非线性的特点，提出了基于最小二乘支持向量机和差分进化算法的能源预测方法；2）钢铁企业多介质多工序的能源调度研究，包括生产过程中能源优化配置动态建模方法研究，采用基于VCG-Kelly机制的博弈论方法解决了以电能为代表的单一能源介质调度问题，研究了基于Benders分解算法的多种能源介质、可替换介质的多工序生产调度问题，并设计了有效不等式、不聚合Benders割、Pareto-最优割以及降维等策略对Benders算法进行改进。3）考虑多目标特征和能源需求、供应具有时变特征的生产与多能源协调调度问题研究，包括考虑多目标和约束软处理技术的能源介质调度问题研究，基于ADP算法的需求带有时变特征的能源介质动态调度研究，并从宏观角度对区域经济的单位国民生产总值的能耗影响因素进行了解析研究。从高能耗钢铁企业生产和能源系统中提炼出新型生产与能源集成调度并进行研究，研究成果将丰富现有的生产调度理论与方法，有助于高能耗流程工业提高能源利用率，降低生产与能源成本，实现生产与能源系统的全局优化，并对于用数据解析技术和优化理论提升能源密集型企业能源管理水平起到推动作用。