本发明涉及电厂节能环保，尤其涉及一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统。
背景技术：
1、火电是维持我国电力安全稳定供应的顶梁柱和压舱石，火力发电在未来很长一段时间内是我国电力生产的主要来源。我国火电行业的清洁高效运行，对确保国家能源安全可靠稳定供应具有重要意义。火力发电总的成本构成中，燃煤费所占比重达75％左右，是火电企业的主要成本，近年来，为了降低燃料成本，配煤掺烧与燃料采购得到了火电企业的高度重视。
2、燃煤采购是火电企业为了电力生产需要，按照计划从长协与现货煤炭供应商以最优价格购入一定品种、一定数量的燃煤。国外关于燃煤采购的研究已经开展了近几十年，分别从供应商选择、库存管理、采购行为、配货方式、供应链形成等方向入手，得到不同程度的研究成果。国内燃煤电厂注重加强燃煤采购的控制，主要从燃煤定价、制定采购计划、供应商选择、合同管理等方面入手。目前国内火电企业的燃煤采购基本是依靠人工经验决策，依据未来发电量、环保、库存以及可采煤种等指标并结合excel进行人工计算，拟采购的各煤种在满足平均热值与硫的要求下，即认为是合格采购。这种采购有如下弊端：1)在面对较多的待采购煤种时，拟采购的煤种个数很难保证是最优组合；2)即使在煤种个数确定情况下，人工计算也不能保证各单煤种之间的采购数量(吨)是最优组合；3)进一步考虑库存煤、到港煤以及整船运力情况下，人工计算更难于胜任，导致粗放模式计算与采购；4)人工计算增加了企业人员负担，员工需要具有配煤掺烧、燃煤燃烧、供需关系等多方面的专业知识，才能够胜任燃煤采购工作；5)人工采购只能给出单一采购方案，不能同时给出组合型采购方案，采购方案的可选择性以及快速性都不能得到保证。
3、燃煤采购与配煤掺烧是相辅相成的，科学的燃煤采购是确保未来配煤掺烧有效性的源泉，若采购的多煤种煤质分布不合理，势必造成带不动高负荷、环保超标、高热值煤带低负荷等问题。另外，先进的配煤掺烧也为合理的燃煤采购奠定了技术保障，确保燃煤采购能按照机组未来发电需求，采购既能带动负荷又经济环保的多煤源煤种。因此，有必要结合配煤掺烧技术开展燃煤采购的研究，使得燃煤采购更精准、更合理，满足未来的发电需求。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，在虚拟配烧的基础上，通过外环采购优化模型与内环采购优化模型实现基于计算机优化模型的精准采购，进而使得电厂从人工经验采购燃煤向智能化方向发展，在满足带负荷与环保前提下达到节省燃煤采购成本目的。
2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，包括服务器、与生产系统交互的以太网模块、以及通过软件编程形成应用程序设置在服务器上的基于虚拟配烧的外环燃煤采购优化模型构建模块、基于外环燃煤采购优化模型输出的内环燃煤采购优化模型构建模块、模型求解模块、关系数据库接口模块和外部文件读取接口模块；
3、所述关系数据库接口模块，从待采购的长协与市场燃煤供应商提供的煤质参数信息sql server关系数据库中读取相应的煤质参数以及船运能力，为串级燃煤采购优化模型构建模块提供待采煤种、吨数量以及运力基础数据；
4、所述外部文件读取接口模块，从燃煤企业提供的excel文件读取采购计划的计划发电要求，为串级燃煤采购优化模型构建模块提供计划发电需求基础数据；
5、所述基于虚拟配烧的外环燃煤采购优化模型构建模块，基于虚拟配烧技术以待采购的各煤种及数量为优化变量建立初始燃煤采购优化数学模型；同时，将模型求解模块求解的最优采购煤种及吨数量信息传递给基于内环整数规划优化模型的内环燃煤采购模型构建模块；
6、所述基于外环燃煤采购优化模型输出的内环燃煤采购优化模型构建模块，在模型求解模块求解得到的最优采购煤种及吨数量信息基础上，进一步以各船的运力组合和最优整船运力为优化变量建立内环燃煤采购优化数学模型；同时，将燃煤采购方案按标煤单价从低到高进行排列，得到最优的多个方案，供采购人员灵活选择；
7、所述模型求解模块，在建立的外环燃煤采购优化数学模型和内环燃煤采购优化数学模型基础上，实现外环优化数学模型和内环优化数学模型的串级求解，求解出燃煤采购的初始最优理论方案、考虑船运力条件下的最终实际方案，进而实现燃煤精细采购。
8、优选地，所述基于虚拟配烧的外环燃煤采购优化模型构建模块构建外环燃煤采购优化模型的具体方法为：
9、电厂在采购煤种时首先需要考虑煤场、港口存煤是否可以满足当前用煤需求，若满足则不需要采购；若不满足则首先采购长协煤，若采购的长协煤还不满足用煤需求，则需进一步采购市场煤，外环燃煤采购优化模型建立的目的是在满足供电量、供热量、供汽量、安全性、环保性的前提下使市场煤的采购成本最低，建立的外环燃煤采购优化模型如下：
10、
11、式中，n为待采购的市场煤种的个数，pri为第i种待采购市场煤种的优先级系数，pri＝1满意度较好的市场煤、pri＝2满意度较差的市场煤，pi为第i种待采购市场煤单价，xi为第i种待采购市场煤种采购煤量比例，f(x)为单位市场煤成本；
12、计算剩余发电量需要的标煤量，如下公式所示：
13、
14、式中，bd为剩余所需发电量需要的标煤量，wd为计划发电量，wd0为累计发电量，mh为发电煤耗量；
15、计算剩余供热量需要的标煤量，如下公式所示：
16、
17、式中，br为剩余所需供热量需要的标煤量，q为计划供热量，q0为累计供热量，为1吉焦热量耗标煤量；
18、计算剩余供汽量需要的标煤量，如下公式所示：
19、
20、式中，bq为剩余所需供汽量需要的标煤量，wq为计划供汽量，wq0为累计供汽量，为每吨供气量所含吉焦热量；
21、则所需标煤量如下公式所示：
22、
23、式中，b为所需标煤量，xmin为安全库存量，h为入炉热值。
24、所需原煤量如下公式所示：
25、
26、式中，y为所需原煤量，h为入炉热值；
27、计算港口及煤场库存的原煤量，如下公式所示：
28、
29、式中，yc为港口及煤场库存的原煤量，xgk为港口第k种煤库存量，xcj为煤场第j种煤库存量，ng为港口库存的煤种个数，nc为煤场库存煤种个数；
30、计算港口及煤场库存原煤的总发热量，如下公式所示：
31、
32、式中，hc为港口及煤场库存的总发热量，hgk为港口第k种煤的热值，hcj为煤场第j种煤的热值；
33、计算港口及煤场库存原煤的总硫分，如下公式所示：
34、
35、式中，sc为港口及煤场库存的总硫分，sgk为港口第k种煤的硫分，scj为煤场第j种煤的硫分；
36、计算港口及煤场库存原煤的总灰分，如下公式所示：
37、
38、式中，ac为港口及煤场库存的总灰分，agk为港口第k种煤的灰分，acj为煤场第j种煤的灰分；
39、计算港口及煤场库存原煤的总挥发分，如下公式所示：
40、
41、式中，vc为港口及煤场库存的总挥发分，vgk为港口第k种煤的挥发分，vcj为煤场第j种煤的挥发分；
42、计算采购长协煤的原煤量，如下公式所示：
43、
44、式中，ybc为采购长协煤的原煤量，xm为第m种长协煤的原煤量，nbc为长协煤煤种个数；
45、计算采购长协煤的总发热量，如下公式所示：
46、
47、式中，hbc为采购长协煤的总发热量，hm为第m种长协煤的热值；
48、计算采购长协煤的总硫分，如下公式所示：
49、
50、式中，sbc为采购长协煤的总硫分，sm为第m种长协煤的硫分；
51、计算采购长协煤的总灰分，如下公式所示：
52、
53、式中，abc为采购长协煤的总灰分，am为第m种长协煤的灰分；
54、计算采购长协煤的总挥发分，如下公式所示：
55、
56、式中，vbc为采购长协煤的总挥发分，vm为第m种长协煤的挥发分；
57、则所需市场煤原煤量如下公式所示：
58、ysc＝y-yc-ybc (17)
59、式中，ysc为所需市场煤原煤量；
60、对每个煤种的最小采购量进行限制；同时，由于每个供应商的供货能力不同，要对每个煤种的最大采购煤量进行限制，如下公式所示：
61、
62、式中，为第i个煤种的最小采购量，为供应商针对第i个煤种的最大供货量；
63、为了保证电厂的日常正常运行与环保要求，必须对采购的市场煤煤质进行限制：
64、市场煤热值下限如下公式所示：
65、
66、式中，h1为市场煤热值下限，h为入炉热值；
67、
68、式中，hi为第i种市场煤的热值；
69、市场煤硫分上限如下公式所示：
70、
71、式中，s1为市场煤硫分上限，s为入炉硫分；
72、
73、式中，si为第i种市场煤的硫分；
74、市场煤灰分上限如下公式所示：
75、
76、式中，a1为市场煤灰分上限，a为入炉灰分；
77、
78、式中，ai为第i种市场煤的灰分；
79、市场煤挥发分上限如下公式所示：
80、
81、式中，v1为市场煤挥发分上限，v为入炉挥发分；
82、
83、式中，vi为第i种市场煤的挥发分；
84、综上，建立外环燃煤采购优化模型，如下公式所示：
85、目标函数：
86、
87、约束条件
88、
89、若得到的市场煤热值h2>h1,则对所需市场煤量进行修正，如下公式所示：
90、
91、式中，y2为市场煤平均热值为h2时所需要的市场煤量，y为所需原煤量，h为入炉热值，hc为港口及煤场库存的总发热量，hbc为采购长协煤的总发热量。
92、优选地，所述内环燃煤采购优化模型构建模块构建内环燃煤采购优化模型的具体方法为：
93、以理论采购方案煤种信息和市场上不同运力船数目为基础，建立以实际采购方案总采购量最低的目标函数，如下公式所示：
94、
95、式中，xi为理论采购方案中第i种煤的采购量，nij为第i种煤采用第j种运力船的船数，cij为第i种煤第j种运力船的运力，m为理论采购方案中所有煤种的个数，mbc为理论采购方案中长协煤的个数，ni为每个煤种的运力船规格数目；
96、实际采购方案的总煤量不得小于理论采购方案的总煤量，即：
97、
98、实际采购方案中每个煤种的煤量不得小于理论采购方案中每个煤种的煤量，即：
99、
100、对每次采购计划的总船只数目进行限制，即：
101、
102、式中，z为港口航道能同时容纳的最大船只数目；
103、对每个煤种的每种运力船规格的船数进行限制，即：
104、nij≤dij (33)
105、式中，dij为第i种煤能够采用第j种运力船的最大船数；
106、由于每个市场煤种能提供的燃煤最大供应量是有限的，所以每个煤种的单次采购量不得超过该煤种的最大采购量，即：
107、
108、式中，xmaxi为理论采购方案中第i种市场煤的最大采购量；
109、建立基于整数规划的内环燃煤采购优化模型lp0，如下公式所示：
110、
111、优选地，所述模型求解模块采用两阶段单纯形方法与分支定界法分别求解外环燃煤采购优化模型和内环燃煤采购优化模型，具体方法为：
112、两阶段单纯形方法求解外环燃煤采购优化模型包括以下步骤：
113、步骤s1：分别对外环采购数学优化模型中的约束添加松弛变量，添加剩余变量，使外环采购优化模型变为标准线性规划模型；
114、步骤s2：基于标准线性规划模型单位基个数n，n<m，m为模型约束个数，为了构建初始可行解，向外环采购优化模型中增加m-n阶人工向量u＝[u1,u2,...,um-n]t构造一个标准容许基；
115、步骤s3：针对m-n阶人工向量，标准线性规划模型的目标函数变为辅助目标函数min u1+u2+...+um-n，然后采用一阶段单纯形算法进行计算，直至目标函数u1+u2+...+um-n＝0，此时得到一个原标准型规划问题的基本容许解；
116、步骤s4：在步骤s3的基础上，将外环燃煤采购优化模型的目标函数替换为f＝pr1x1p1+pr2x2p2+...+prnxnpn，并从已得到的基本容许解出发，继续用一阶段单纯形法计算，得到最优值f以及最优解x＝[x1,x2,...,xn]t；
117、分支定界法求解内环燃煤采购优化模型包括步骤：
118、步骤c1：将内环采购数学优化模型lp0经过两阶段单纯形法进行求解得到最优解x以及理论最优值z0；
119、步骤c2：将非整数变量xj中[xj]+0.5-xj，值最大的xi选出并进行分支，j＝1,2,…,n，i＝1,2,…,n，以提高分支的效率，此时把xi≤[xj]和xi≥[xj]+1分别添加到原内环采购优化模型中形成两个子问题lp1和lp2，然后继续这个分支过程，直到获得整数最优解；
120、步骤c3：对每次分支得到的子问题lpm，应用两阶段单纯形法求解得到最优解zm，整数规划最优值的下界更新为所有子问题目标函数的最小值如果在各分支最优解xm中xt＝[xt]则整数规划最优值的上界更新为所有分支中满足整数条件的最小值若无解则界不变；步骤c4比较各分支的解，如果zm>z*或者问题无解，则舍弃该分支，如果zm≤z*，则重复步骤c2、c3、c4，当无法进行下一分支时，得到的上界即为内环采购优化模型的最优整数解。
121、优选地，所述服务器与其他部门之间的系统之间通过以太网自动读取生产部的发电计划信息、燃料部的煤场与到港库存信息、采购部的供应商及船运能力信息、燃料部的煤场与到港库存信息。
122、优选地，所述外部文件读取接口模块通过ado.net接口读取燃料部的煤场与到港库存信息与燃料部的煤场与到港库存信息，通过excel接口读取生产部的发电计划信息与采购部的供应商及船运能力信息；通过ado.net接口读取未来的燃煤采购计划，并结合目前煤场与到港库存信息制定更合理的实际配煤掺烧方案。
123、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，(1)针对火电企业的燃煤采购过程普遍依靠专家人工经验并结合excel表简单计算模式、很少采用计算机优化技术，而人工经验燃煤采购的最大弊端是很难保证燃煤采购结果的快速化与最优化，建立了基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化模型与模型求解模块，极大提高了燃煤采购效率且显著降低了燃煤采购成本。
124、(2)针对当前人工经验燃煤采购不能保证未来发电计划与非最优采购问题，提出了基于虚拟配烧技术的外环燃煤采购优化模型，确保在满足未来发电计划、环保与经济要求下，采购的各单煤种及比例是最优组合。
125、(3)为节省运力成本，在外环燃煤采购优化模型输出基础上，进一步设计了内环燃煤采购优化模型，确保整船应满尽满的运力要求，由外环与内环构成的串级燃煤采购优化模型既考虑了未来配煤掺烧的实际需要又考虑了节省船运力的要求。
126、(4)在基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化模型建立与求解过程中，考虑了煤种优先级与多输出方案的需求，建立了多约束多方案的线性规划与整数规划采购模型及其求解方法，能在满足未来发电需求下，增加了采购人员的灵活性选择。
127、(5)针对当前人工燃煤采购没有充分考虑配煤掺烧环节，导致未来实际配煤带不动带高负荷、硫超标与经济差等不合理问题，首次提出了基于虚拟配烧的外环燃煤采购优化模型，为火电企业未来实现燃烧精准配煤与降低燃料成本提供了新解决方案。
128、(6)在外环燃煤采购优化模型的基础上，本发明首次提出了基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化模型，在外环燃煤采购优化模型输出基础上，通过内环整数规划优化模型实现运力的优化，克服人工经验试凑法的不合理性，进一步降低燃料采购成本。
129、本发明提出的基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统的实现策略结合虚拟配烧技术、外环燃煤采购优化模型、内环燃煤采购优化模型与集成模型求解等技术优化了电厂燃煤采购。针对目前电厂燃煤采购未充分考虑未来实际配煤掺烧环节，所采购的各单煤种及比例不是最优组合、导致实际配煤带不动带高负荷、硫超标以及经济性非最优等不合理问题，本发明提出了基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化模型，优化了企业人工经验采购燃煤存在的弊端，能进一步降低燃料采购成本。另外，考虑到燃煤采购的不确定性，建立了多约束多方案的线性规划与整数规划采购模型及其求解方法，能在满足未来发电需求下，增加了采购人员的灵活性选择。
130、综上，本发明具有可预期较大的经济价值和社会价值。
1.一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，其特征在于：包括服务器、与生产系统交互的以太网模块以及通过软件编程形成应用程序设置在服务器上的基于虚拟配烧的外环燃煤采购优化模型构建模块、基于外环燃煤采购优化模型输出的内环燃煤采购优化模型构建模块、模型求解模块、关系数据库接口模块和外部文件读取接口模块；
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，其特征在于：所述基于虚拟配烧的外环燃煤采购优化模型构建模块构建外环燃煤采购优化模型的具体方法为：
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，其特征在于：所述内环燃煤采购优化模型构建模块构建内环燃煤采购优化模型的具体方法为：
4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，其特征在于：所述模型求解模块采用两阶段单纯形方法与分支定界法分别求解外环燃煤采购优化模型和内环燃煤采购优化模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，其特征在于：所述模型求解模块采用两阶段单纯形方法求解外环燃煤采购优化模型，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，其特征在于：所述模型求解模块采用分支定界法求解内环燃煤采购优化模型，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，其特征在于：所述服务器与其他部门之间的系统之间通过以太网自动读取生产部的发电计划信息、燃料部的煤场与到港库存信息、采购部的供应商及船运能力信息、燃料部的煤场与到港库存信息。
8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟配烧的串级燃煤采购优化系统，其特征在于：所述外部文件读取接口模块通过ado.net接口读取燃料部的煤场与到港库存信息与燃料部的煤场与到港库存信息，通过excel接口读取生产部的发电计划信息与采购部的供应商及船运能力信息；通过ado.net接口读取未来的燃煤采购计划，并结合目前煤场与到港库存信息制定更合理的实际配煤掺烧方案。
