負荷及發電管理是電力系統運行中的重要任務。由于其復雜性，我們將計劃問題細分為幾個分層組織的計劃階段，這些計劃階段X有不同的時間期限和目標。針對短期運行計劃，它有一個一天到幾天的計劃期，時間步長為15min。其目的是zui小化特定需求能源生產的成本或zui大化特定能源價格的利潤。即使是較小的電力系統，所產生的計劃問題也非常復雜。因此，需使用基于計算機的應用軟件來支持這類系統的運營。
熱電系統或水一熱電系統的運營商對運營進行長遠規劃，從而確定自身發電及采用其他可利用能源的供應量，如以合同形式采購能源。該計劃的目的是zui小化電力系統的運行成本，或zui大化利潤。為此，運營商必須考慮大量的技術、合同及環境和政府的限制。另外，必須考慮用戶隨時間變化的負荷。
如果必須向用戶提供幾種能源，運行計劃問題會變得尤為困難。特別是這類多能源系統的以下特性增加了對優化的需求:
1）不同負荷隨時間變化的負荷特性，例如，電力（中午處于高峰）和區域供熱（早晨處于高峰）不同。因此，優化期內的負荷模型必須考慮負荷的并發性。
2）多能源發電機組，諸如熱電聯產機組具有電力生產和供熱之間的相關性。
3）另一方面，能源的不同特性限制了運行計劃的活動余地。運行計劃可使用儲存能源（水、氣或熱）的能力，該能力允許發電機組具有不同的用途。
由于其復雜性，我們將計劃問題細分為幾個分層組織的計劃階段，這些計劃階段又有不同的時間期限和目標。上層階段的結果是下層階段的輸入項。總之，將計劃問題三等分對工作會有很大幫助，如圖1所示。
中期運行計劃是*部分，優化時限為數周至15個月。通常稱之為年度計劃。該部分的中心任務是確定整個時間范圍及部分時間范圍內一次和二次能源的目標量。包括大型水庫的蓄水管理以及長期合同的管理。
短期運行計劃包括一天至一周的時間范圍，時間步長為15min。由于計劃范圍為不久的將來，所以可使用比中期運行計劃中更高質量的負荷預測。其目的是確定發電機組的優化進度以及在所有相關限制條件下的能源合同。
zui后，但也很重要的是，超短期運行計劃計算了所有確定發電機組及所有靈活負荷的經濟負荷調度。
由于能源市場的自由化，短期合同和貿易的重要性正在增加。通常制定了合同條件，諸如實際電廠的限制，以便供應商的能量流系統及其附加復雜性隨合同數量而增加。因此，計算機輔助短期運行計劃變得越來越重要。
廣義優化模型
盡管對計劃問題進行了分類，但是即使對于較小的電力系統，zui終的優化任務仍然難以解決。電力公司通常使用基于計算機的計劃包來支持運營商。這些包采用數學算法來確定計劃司題的zui佳解決方案。這需要將原始實際計劃問題轉換為數學公式。經過程被稱之為模型化。這個轉換步驟為這類軟件包的開發和執行提出了挑戰。在許多國家，電力公司由于幾方面的原因而處轉變期。首先，許多國家具有自由化能源市場。這導致了新的商業機遇、新型能源合同或能源貿易。這意味著計劃必須考慮在優化包中模型化的新合同要求。其次，氣候保護變得越來越重要。因此，將安裝新型發電機組，并且電力系統必須考慮新的環境限制。zui后，電力公司必須進行情景分析使系統適應日益增長的能耗。
如果優化包的模型化不具有靈活性，并且不能適應新的需要，其計算結果將變得無價值。這是運營商即使并不懷疑數學優化的一般優點，也不采用這類系統的主要原因。
為此，實際優化問題的模型化在開發和執行運行計劃軟件包中起關健作用:一方面，必須非常靈活地涵蓋計劃問題的主要部分；另一方面，必須易于使用，以便運營商能夠自己采用優化模型并保持。因此，必須確定電力系統的哪此部分與運行計劃相關。基于這類規范，可開發廣義基本對象來提供電力系統組分的數學描述。
圖2描述了具有zui重要組分的多能源系統的廣義能源模型。幾乎在每個系統中均能發現基本廣義對象，它們包含過程目標、平衡及存儲三個基本目標。另外，時限、時間序列和函數軸這三個輔助對象描述了基本目標的細節。
過程對象描述了己確定的輸入和輸出關系組分。一個或多個輸入和輸出值之間的函數相關性通過數學方程式（特性曲線）來表達。一個過程對象的運行范圍可取決于其他過程對象，例如模型化凝汽式汽輪機的抽汽。基本過程對象的范例為熱變換器、液力變流器、線路或合同等。
過程對象的可行性計劃會受附加限制條件和成本因素方面的影響。它們在整個計劃期或分計劃期中有效。例如，部件的可利用性、電力和能源極限或zui小運行和停機時間都屬于這些附加限制條件。
模型對象平衡根據時間網絡將過程的電力或能源集中、累積并進行限制。這些平衡與一定能源相關，也與不同量，例如像冷卻水之類的排放或輔助介質消耗相關。
使用這些基本模型對象，可以建立宏觀對象，以便模型化更為復雜的電力系統組成部分，如帶有余熱鍋爐的熱電聯產機組。另外，這種靈活的模型化還將考慮在不同范圍中使用基本模型對象的新情況。兩個例子來闡明這類情況。
*個例子，電力系統運營商希望檢驗在能源交易中購買或出售電力是否能夠獲利。能源交易提前一日提供三種不同產品。基本產品、非峰荷產品和峰荷產品（見圖3）。
對于優化司題的數學公式，它意味著普通能源模型必須通過反映合同的過程對象來擴展。它們必須在兩個方面增加:一是向交易市場出售能源，一是從交易市場購買能源（見圖4）。
優化后，解決方案如圖5所示。也就是說電力系統應向交易市場出售峰荷產品，并從能源交易市場購買非峰荷產品，不應該使用基荷產品。
第二個例子與京都協議有關。在歐盟內部，成塌國承諾減少二氧化碳排放。為此，成員國建立了一個證書體系。二氧化碳排放大用戶必須購買這些排放量證書。也就是說，在運行計劃中必須考慮二氧化碳的排放。為此，圖2中熱電機組的模型對象與二氧化碳排放的新平衡對象相關。這種平衡與代表證書及其成本的合同對象相關。
兩個例子均清晰地闡明了廣義模型組分的優點。與示例不同，諸如在交易市場的貿易以及二氧化碳的考慮因素，標準基本模型對象可用于建立數學優化模型。為此，電力系統的運營商能夠使數學優化適應不斷變化的要求。因此，軟件包的優勢保持不變。
通過XOPT使月廣義優化模型
為了達到廣義優化模型的優點，開發了優化軟件包XOPT，XOPT用戶界面樹狀菜單如圖6所示。它在模型化中提供了高度靈活性，以便適應能源系統zui佳運行方面的各種任務。
l.XOPT用戶界面
使用XOPT模型化也就意味著從小模塊集中選擇對象。抽象標誰參數化，這些對象成為實際結構的模型。也就是說，運營商可以通過用戶界面隨時改變和調整自己的能流模型。他可以組合新組分，也可以刪除不再重要的對象。
用戶界面基于的MSExcel，它允許使用Excel的特征來創建特定輸入表和/或結果表，并將它們鏈接到標誰XOPT數據。
圖7顯示了典型能流模型的輸入表格。
2.XOPT輸入/輸出
計劃任務的輸大可分為三類:*類是模型拓撲，即能流模型由哪些組分構成以及這些組分如何相互作用。另外，主要數據如特性曲線或技術極限屬于這一組。第二組由預測數據組成。根據能源系統的組成部分以及待解決的優化問題，對負荷、價格和/或流大量進行預側。第三類為動態運行數據。此處說明了當前機組狀態、當前儲備級別、當前機組可用率、臨時限制以及其他條件。
結果包括目標值和各模型化部件的清單。也就是說，對于計劃范圍內的每一個步長，提供了每個電廠的發電量、每個儲備的等級、每次合同的執行、機組保證以及其他內容。另外，計算了每次平衡的邊際成本。除表格外，結果通過圖表描述并在標準報告中匯總。
3.XOPT核心程序
XOPT核心程序的輸入和輸出分類如圖8所示，
通過用戶界面的輸入可向XOPT核心程序提供數據。XOPT核心程序基于商務軟件GAMS（通用代數模型系統），以便用公式來表示基本模塊的數學模型（變量、方程式、參數）。
過程對象在數學上反映各種變量，而平衡對象則反映所有方程式。存儲對象是兩者的混合結果。基本模塊的代數方程式屬于線性類型，也就是說數字模型導致了線性編程問題。為了也能夠模型化非線性關系，建立了分段線性特性曲線。步驟數（離散化）可以為選定的變量，這樣可以充分減少近似偏差。類型二進制的附加變量允許模型化判定變量，zui終我們會得到類別混合的整數線性編程數學模型（MILP）。根據能源系統組成部分的數量以及時間范圍長度，模型的大小會導致千上萬的變量和方程式。
這類問題可通過各種商業解算器解決。XOPT通過GAMS界面支持兒種解算器（如CPLEX、OSL、XPRESS等）。
這種概念的優點在于使用了強大成熟代數模型語言。模型和解算器是分離的，這樣允許采用當前zui佳適用算法。
使用XOPT的示例
下面提供了實際應用XOPT的兩個示例，它們反映了在處理不同優化任務方面的靈活性。
1.市政公用事業的熱電聯產和合同管理
對于市政公用事業來說，其能流模型是由幾種熱電聯產系統、水電站、雙邊合同以及交易產品構成。一次能源為天然氣和原油。
優化任務的目的是為電廠計算出zui具贏利性的日程計劃和zui具靈活性的合同，以滿足用戶的電力和供熱需求。當然必須考慮相關的各種限制條件。時間范圍是提前一周。
圖9和圖10顯示了現有機組的zui佳電力和區域供熱分配結果。
2.德國供氣廠家的天然氣儲備管理
在兒個德國市政天然氣公用事業中，XOPT包用于天然氣儲備管理。公司從外部供應商購迸天然氣，然后再通過當地的供氣網分配給零售用戶。合同中規定了外部供應商的供氣限制條件，與成本zui相關的方面是每年zui多小時供氣量。因此，XOPT的任務是計算運行設施的計劃，以便滿足用戶需求，并通過它來保持較低的zui多小時供氣量。運行設施包括管理天然氣儲備相甩負荷。