分布式智能監控系統在鍋爐蒸汽溫控中的應用

江　霓，　譚愛國

(上海理工大學 電工電子技術實驗中心，上?！?00093)

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分布式智能監控系統在鍋爐蒸汽溫控中的應用

江霓，譚愛國

(上海理工大學 電工電子技術實驗中心，上海200093)

針對火力發電廠中運行系統的特點，應用LabView編程軟件設計了一種基于智能控制理論的分布式火電廠監控系統。系統采用數據采集卡PCI-8360V實現上位機與控制平臺的通信，同時基于負荷優化分配的思想引入了負荷跟蹤控制理論，與模糊PID智能算法相結合，在可視化監控界面中以趨勢圖的方式實時顯示數據分布趨勢。結果顯示，控制目標溫度與實際仿真數據的誤差縮小到2～3K，較為理想。該系統可以較好地提高電廠監控系統的實時性，有實際的應用價值，適用于火電廠特殊環境的要求。

分布式監控系統； 負荷跟蹤控制； LabView； 鍋爐蒸汽溫度控制； 模糊PID算法

0　引　言

隨著我國電力系統的改革及電力市場的建立，傳統的管理模式已難以適應電力企業發展的需求。為提高企業的市場競爭力，實時性強且魯棒性高的火電廠監控系統的研究與開發正迫在眉睫。

鍋爐是火力發電廠的重要組成設備，其中從鍋爐傳送到汽輪機的蒸汽溫度監控，以及用戶用電量的負荷跟蹤與預測是一直以來的研究重點。

本文針對鍋爐中主蒸汽溫度控制系統中具有的非線性、參數時變性和系統大滯后等問題，設計了一款基于智能控制理論的分布式火電廠監控系統。在建立發電系統(鍋爐及汽輪機)響應負荷模型的基礎上，引入了協調控制的機制，形成了發電系統跟蹤負荷的控制系統。以LabView軟件為平臺，數據采集卡PCI-8360V實現上位機與控制平臺的通信[1-2]。試驗證明，該系統具有反饋及時、響應時間短、持續變負荷能力強、系統運行穩定等優點，有利于提高電網運行的安全性和經濟性[3-6]。

1　火電廠監控系統的設計

1.1基于分布式控制系統的火電廠監控系統

火力發電廠監控系統主要用于監控發電廠電氣設備的安全運行，包括發電機系統、主變壓器系統、照明系統、除塵系統、檢修中心等各子系統的參數指標，完成發電廠運行狀態的幾種監視與控制，包括采集傳感器數據和數據入庫等工作。

分布式控制系統(Distributed Control System, DCS)可以解決傳統集中式控制系統中的一些明顯缺點，如成本高、設計復雜、抗干擾性差等，從而得到了廣泛應用。

1.2鍋爐主蒸汽溫度控制系統流程

鍋爐發電設備的硬件主要由鍋爐主體、檢測裝置、執行機構及數據采集卡組成。內部采用模糊PID智能控制算法，如圖1所示。

圖1　采用模糊控制的主蒸汽溫度控制系統

上位機監控程序采用LabView編寫,通過預編程模式,采用數據采集卡PCI-8360V實現上位機與控制平臺的通信，通過數據采集卡對傳感器采集的數據進行處理，并實時發送報文給上位機。采用PID、模糊PID以及模糊積分等算法控制鍋爐主蒸汽溫度,同時通過數據采集卡獲取這些數據,制成Excel的格式保存在文件中，并在可視化界面上以趨勢圖的方式實時顯示[7]。

2　負荷跟蹤控制系統

機組負荷優化分配己有近60年的研究歷史，尤其是自20世紀80年代以來，電力系統的運行體制問題引起了廣泛的關注。由于負荷優化分配方法對提高發電企業的經濟效益和改善系統安全運行有很大的貢獻，本文引入了用戶電量負荷跟蹤系統。目的是實現發電系統的實時監控，系統根據負荷需求信號(Megawatt Demand, MWD)的反饋來進行調節與操作。本文還將在協調控制系統中加入一個模糊補償信號，設計出一種時間常數補償控制系統。

2.1機爐協調控制方式

鍋爐汽輪機協調控制系統(Coordinated Control System, CCS)，根據輸出要求MWD，同時控制鍋爐的輸入燃料調節器、給水調節器和輸出調節器，是一種結合了汽輪機跟蹤鍋爐以及鍋爐跟蹤汽輪機兩種控制方式優點的控制系統。

目前大多數發電廠都采用了鍋爐汽輪機協調控制方式。該方法不僅可以提高系統應對用戶端反饋回來的負荷需求量變化的魯棒性，還能提高發電效率并節能環保。盡管如此，由于鍋爐控制系統本身具有的大時滯、非線性、時變性、強耦合等特點，在采取了以上對策的同時，還需引入模糊智能控制算法，以便更好地實現當延遲時間較長時對鍋爐主蒸汽溫度的控制。將模糊控制與PID控制相結合的模糊PID控制器，因其可以較方便地調節參數，使系統的動態性能有了飛躍性的改善，因此也得到了越來越多的應用[8-10]。

2.2時間常數補償控制系統

時間常數補償控制系統在火力發電系統的監測與控制中有著優越的性能，由在鍋爐負荷變化時為使控制性能提高而進行先行補償控制的補償模糊部分構成。時間常數補償環節用來控制設備輸出功率，同時克服鍋爐控制系統大時滯的不足。

圖2為時間常數補償系統的模型。傳遞函數H(s)為

(1)

式中：s——拉普拉斯算子；

Kp——比例增益；

Ki——積分增益；

Ta——時間常數。

圖2　模糊PID控制的時間補償系統模型

這里，為了提高整個模型的最大梯度(上升的斜率)，做以下變換：

F(s)+1=sTa+1

(2)

F(s)=sTa

(3)

根據式(2)、式(3)，能夠改變式(1)的上升趨勢。實際上，由于Ta的變化，模糊控制器在任何狀態下，都必須使之上升到最佳的程度。

對于時間常數的變量，若模糊傳遞函數作為Ff(s)，則可以用式(4)表示：

(4)

式中：Tfa——基于模糊規則的時間常數。

若Tfa=Ta,則與不用模糊控制器進行補償的情況相同，開環傳遞函數H1(s)如式(5)所示：

(5)

Tfa=0時的開環傳遞函數H2(s)如式(6)所示：

(6)

Tfa≠0時，開環傳遞函數H3(s)如式(7)所示:

(7)

式中，若Tfa的變化范圍為0～Ta，則式(5)、式(6)之間的上升時間就可能是可變的。即根據模糊輸出，上升時間可變。

設備模型為時間常數模型，適用于系統的模糊規則，且驗證了控制響應的改善效果。推導出式(8)～式(10)這三個傳遞函數：

(8)

(9)

(10)

經過反復仿真試驗，最終時間常數補償系統的傳遞函數定為式(10)。

3　基于LabView的監控系統軟件設計

LabView編程軟件采用圖形化編程界面，易于上手且功能強大。

3.1實時數據軟件通信處理

數據采集卡PCI-8360V對傳感器采集的數據進行處理，并實時發送報文到上位機，由LabView程序控制反饋到執行機構。

3.2上位機主控制界面

實時顯示模塊： 實時顯示各種數據值、波形圖。如溫度、離散曲線、反饋曲線等，以方便試驗人員了解系統的運行狀態。圖3為數據采集上位機的主控制界面。

圖3　數據采集上位機主控制界面

3.3實時數據采集

將采集到的溫度數據與電壓信號轉化成線性函數的對應關系，制成Excel的格式保存在文件中，如表1所示。

設置控制目標溫度為412℃時，進行控制仿真。控制目標溫度和實際仿真數據的誤差最大為2～3K。這個數值作為對象的溫度控制是十分小

表1　采集溫度數據及對應電壓

的，能夠滿足在50%～100%負荷之間，蒸汽溫度的變化范圍被控制在(-10～+5) K的控制要求。

4　結　語

隨著我國電力工業的發展、改革的深入以及信息技術的迅猛發展，實施“信息化帶動工業化”戰略，是電力工業發展的必然要求，也是電力企業謀求創新發展的必由之路。在此需求下，以計算機技術、信息技術、熱能工程、控制理論等為一體的分布式智能監控系統被提出，并得到了迅速的發展。

鍋爐的主蒸汽是指汽水分離的飽和蒸汽通過鍋爐中各種管道之間的過熱器和再熱器與高溫蒸汽和煙氣進行熱交換，最后通過過熱器出口得到蒸汽，其溫度的高低直接影響到機組是否能安全經濟地運行和輸出功率的大小[11]。本文從實際工程應用出發，建立了基于LabView的主蒸汽智能溫度控制系統。該模型直接由實踐采集數據出發，避免了熱力學和傳熱學的復雜建模公式。所設計的控制系統能夠實現在負荷波動的情況下，保持較好的魯棒性，簡化了控制設計，實現了控制目標，能夠滿足變工況運行的需要，提高了機組的調峰能力[12-15]。

由于時間關系和設備的限制，所研究的控制系統還存在著一些不足。如系統中沒有考慮到負荷預測，控制曲線的界面不能縮放等，今后還有待進一步的研究。

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Application of Distributed Intelligent Monitoring System in Boiler Steam Temperature Control

JIANGNi，TANAiguo

(Electrical and Electronic Technology Experiment Center, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Aiming at the characteristics of the running system in thermal power plant, the application of the LabView software programming to design a kind of distributed power monitor system based on intelligent control theory. The system consisted of data acquisition card PCI-8360V to realize communication of upper machine and control platform, and at the same time, based on the idea of optimal load distribution, load tracking control theory was introduced, and the combination of fuzzy PID intelligent algorithm, real-time data distribution trend was displayed in the visual monitoring screen. Results showed that the control error of the target temperature and the actual simulation data reduced to 2 ～ 3℃, which could improved the real-time performance of power plant monitoring system better, and had practical application value, which was suitable for the requirements of the special environment in power plants.

distributed intelligent monitoring system; load tracking control; LabView; boiler steam temperature control; fuzzy PID algorithm

江霓(1989—)，女，碩士研究生，助教，研究方向為智能電網中火力發電設備的智能化控制、非線性離散控制算法、模糊PID算法、電力負荷需求與預測方法以及電工電子實驗教學等。譚愛國(1976—)，女，碩士研究生，副教授，研究方向為粒子群優化、神經網絡、單片機ARM開發以及電工電子實驗教學等。

TM 306

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1673-6540(2016)09- 0079- 04

2016-05-29