TOP7協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)在超（超超）臨界火電機(jī)組上的應(yīng)用

李 泉，陳 波，陳 衛(wèi)，尹 峰，李煦侃

（浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

超（超超）臨界火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合的特性，目前在控制過程中還存在壓力控制不穩(wěn)、AGC響應(yīng)品質(zhì)不理想等問題，而且現(xiàn)場進(jìn)行邏輯優(yōu)化時(shí)需在線下裝，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此急需一套優(yōu)化控制平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

本文采用了TOP7協(xié)調(diào)優(yōu)化平臺(tái)，在平臺(tái)中嵌入先進(jìn)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法，設(shè)計(jì)了與DCS系統(tǒng)的無擾接口，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組AGC動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)品質(zhì)優(yōu)化，與常規(guī)邏輯的控制性能對(duì)比證明了該優(yōu)化控制平臺(tái)的有效性。

1 優(yōu)化控制平臺(tái)

1.1 控制平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)

一套標(biāo)準(zhǔn)的TOP7系統(tǒng)所含硬件應(yīng)包括：機(jī)柜及配套組件、冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、上位高性能計(jì)算服務(wù)器、下位控制處理器、冗余24V電源及切換器、MODBUS通信卡件、IO卡件、可折疊收縮式KVM顯示器和相應(yīng)的接線端子牌及繼電器，各主要硬件功能及職責(zé)分配如下：

（1）機(jī)柜及配套組件：控制平臺(tái)被封裝于獨(dú)立的機(jī)柜中，置于DCS電子室內(nèi)和DCS機(jī)柜一起。機(jī)柜采用雙路220 V交流電源冗余供電，經(jīng)分配后的220 V電源被直接送往上位高性能計(jì)算服務(wù)器、冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、可折疊收縮式KVM顯示器和冗余24 V電源。

（2）冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互，即上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。

（3）上位高性能計(jì)算服務(wù)器負(fù)責(zé)平臺(tái)數(shù)據(jù)的記錄、人機(jī)接口的管理、高級(jí)算法分析、控制算法組態(tài)、流程畫面組態(tài)等工作。

（4）下位控制處理器負(fù)責(zé)控制算法執(zhí)行、IO硬件交互、與其他系統(tǒng)的冗余通信建立等工作。

（5）冗余24 V電源及切換器為下位控制處理器、IO模件、MODBUS通信模件和繼電器供電。

（6）MODBUS通信卡件和IO卡件是和DCS進(jìn)行交互的卡件，其中MODBUS方式一般被用作優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳輸，硬件IO一般被用作控制平臺(tái)在DCS系統(tǒng)中的投/撤指令傳輸。

1.2 控制平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)

控制平臺(tái)軟件包括：平臺(tái)控制系統(tǒng)軟件、高級(jí)應(yīng)用算法軟件、所含功能組件運(yùn)算軟件等。

（1）平臺(tái)控制系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)軟件，可以分為上位和下位兩部分。軟件的上位部分運(yùn)行于人機(jī)接口計(jì)算機(jī)中，可完成對(duì)下位控制計(jì)算單元進(jìn)行組態(tài)、監(jiān)視、調(diào)整、修改等功能，同時(shí)還具備對(duì)歷史數(shù)據(jù)和歷史事件的采集功能。軟件的下位部分運(yùn)行在下位控制處理器中，根據(jù)上位組態(tài)編譯的結(jié)果，按照設(shè)計(jì)算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并驅(qū)動(dòng)相關(guān)卡件控制輸出。

（2）高級(jí)應(yīng)用算法軟件可以分為上位和下位部分。通常運(yùn)行在上位部分的高級(jí)應(yīng)用算法軟件可以完成數(shù)據(jù)挖掘、狀態(tài)監(jiān)測、特性分析等功能；而運(yùn)行在下位部分的高級(jí)應(yīng)用算法軟件常被封裝為高級(jí)算法模塊，負(fù)責(zé)完成某種高級(jí)算法。

（3）功能組件運(yùn)算軟件為某特定的功能組件所特有，為實(shí)現(xiàn)特殊要求而編制。

（4）可折疊收縮式KVM顯示器用于調(diào)試和操作過程中的人機(jī)畫面顯示和操作，可通過該設(shè)備完成對(duì)上/下位計(jì)算機(jī)的編程、修改和控制。

1.3 控制平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

控制平臺(tái)各子組功能劃分如圖1所示。

將DCS中難以實(shí)現(xiàn)的控制方法從現(xiàn)有控制平臺(tái)中獨(dú)立出來，通過數(shù)據(jù)傳遞的方式指導(dǎo)DCS運(yùn)行是平臺(tái)運(yùn)行的基本方式。

圖1 控制平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

2 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法

本文應(yīng)用優(yōu)化平臺(tái)的控制系統(tǒng)軟件和高級(jí)應(yīng)用算法軟件，實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法。

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

針對(duì)超超臨界直流機(jī)組，對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)是降階系統(tǒng)的對(duì)象特性，首先將三入三出的協(xié)調(diào)系統(tǒng)降階為二入二出的被控對(duì)象，根據(jù)該對(duì)象采用先進(jìn)控制算法進(jìn)行優(yōu)化控制。降階方法如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)降階方法

經(jīng)過降階后協(xié)調(diào)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如下：

式中：ΔB包含了煤量和等比例的水量；A11為煤量（水量）對(duì)壓力的特性函數(shù)；A12為調(diào)門對(duì)壓力的特性函數(shù)；A21為煤量（水量）對(duì)負(fù)荷的特性函數(shù)；A22為調(diào)門對(duì)負(fù)荷的特性函數(shù)。

根據(jù)圖2的模型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于降階模型的智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，優(yōu)化原理如圖3所示。

2.2 接口設(shè)計(jì)原理

TOP7優(yōu)化控制平臺(tái)需要與DCS進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，包括硬件接口和軟件接口2個(gè)部分。

圖3 智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化原理

（1）硬件接口指MODBUS通信卡件和IO卡件，在MODBUS方式下需要利用DCS所配備的LC通信卡件，通過LC卡可以實(shí)現(xiàn)和該DCS系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)通信。通信連接過程中，TOP7側(cè)和DCS側(cè)需進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。

（2）軟件接口：當(dāng)優(yōu)化控制平臺(tái)投入或退出時(shí)，在TOP7和DCS通過MODBUS傳輸?shù)男盘?hào)中，TOP7送出的優(yōu)化指令信號(hào)和DCS中相應(yīng)指令信號(hào)進(jìn)行切換時(shí)，若2種信號(hào)偏差過大，需要實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，無擾切換的邏輯一般在DCS中實(shí)現(xiàn)，具體形式如圖4所示。

圖4 無擾切換原理

當(dāng)切換信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，按一定的速率切換至信號(hào)2，正常無切換信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)1。

3 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)的現(xiàn)場應(yīng)用

優(yōu)化控制平臺(tái)目前已分別應(yīng)用于大唐烏沙山電廠600 MW超臨界機(jī)組和樂清發(fā)電廠660 MW超超臨界機(jī)組中。

3.1 超臨界機(jī)組中的應(yīng)用

大唐烏沙山電廠600 MW超臨界燃煤機(jī)組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司制造的單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型布置直流鍋爐，型號(hào)為HG-1890/25.4-YM4。采用哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司與三菱公司聯(lián)合設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的CLN600-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽凝汽式汽輪機(jī)。

在機(jī)組處于AGC狀態(tài)時(shí)，當(dāng)投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)和未投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)時(shí)的AGC響應(yīng)曲線如圖5和圖6所示。

圖5 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)投入時(shí)的負(fù)荷、壓力響應(yīng)曲線

圖6 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)未投入時(shí)的負(fù)荷、壓力響應(yīng)曲線

在圖5中，壓力偏差大部分時(shí)間控制在±0.5 MPa以內(nèi)，負(fù)荷控制精度較高，偏差在±7 MW以內(nèi)，整個(gè)過程比較平穩(wěn)。在圖6中，壓力偏差大部分時(shí)間超過0.5 MPa，負(fù)荷控制精度略差，偏差在±10 MW以內(nèi)，而且整個(gè)過程波動(dòng)較大。通過對(duì)比圖5和圖6可以看出協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)在超臨界機(jī)組上應(yīng)用的有效性。

3.2 超超臨界機(jī)組中的應(yīng)用

樂清發(fā)電廠660 MW超超臨界燃煤機(jī)組，采用上海鍋爐廠制造的超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、四角切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼結(jié)構(gòu)、全懸吊結(jié)構(gòu)，型號(hào)為SG-1913/25.4-M95，以定-滑-定方式運(yùn)行。采用上海汽輪機(jī)有限公司制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、高中壓合缸、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組型號(hào)為N660-25/600/600。

在機(jī)組處于AGC狀態(tài)時(shí)，投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)和未投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)時(shí)的AGC響應(yīng)曲線如圖7和圖8所示。

圖7 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)投入時(shí)的負(fù)荷、壓力響應(yīng)曲線

圖8 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)未投入時(shí)的負(fù)荷、壓力響應(yīng)曲線

在圖7中，壓力偏差大部分時(shí)間控制在±0.5 MPa以內(nèi)，負(fù)荷控制精度較高，偏差在±6 MW以內(nèi)，整個(gè)過程比較平穩(wěn)。圖8中，壓力偏差大部分時(shí)間超過0.5 MPa，負(fù)荷控制精度略差，偏差在±9 MW以內(nèi)，而且整個(gè)過程波動(dòng)較大。通過對(duì)比圖7和圖8可以看出協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)在超超臨界機(jī)組上應(yīng)用的有效性。

4 結(jié)語

針對(duì)超（超超）臨界火電機(jī)組在AGC狀態(tài)時(shí)壓力波動(dòng)大、負(fù)荷響應(yīng)不理想、控制邏輯在線修改影響機(jī)組安全等問題，采用了TOP7協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)，提出了先進(jìn)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法并嵌入控制平臺(tái)中，設(shè)計(jì)了與DCS系統(tǒng)的無擾接口，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組AGC動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)品質(zhì)優(yōu)化，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果證明了協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺(tái)的有效性。

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