基于實時數據的火電機組控制性能評估系統

江鵬宇，袁世通，金彥昌

（1.大唐中南電力試驗研究院，河南 鄭州 450000；2.大唐三門峽電力有限責任公司，河南 三門峽 472000）

0 引言

隨著高參數大容量機組的持續增加，我國火力發電的效率大幅提升。發電廠自動化系統在電力生產過程中的廣泛應用和其覆蓋面的不斷擴展，對發電機組安全經濟運行和電網穩定的影響逐漸增大。在火電機組實際生產運營中，有著成百個控制回路在同時工作，由于火電機組長期的運行以及在生產過程中執行器的更換，控制回路的調節品質會出現不同程度的變化。目前火電機組常用的仍然是比例-積分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）控制，根據數據調查顯示，現有的PID 控制中存在性能缺陷的大概為60%［1］。因此，在火電機組中急需一種評價策略能夠在不影響火電機組運行的基礎上實時地為運行人員的操作提供指導?；痣姍C組大都采用分散控制系統（Decentralized Control System，DCS），因此獲取機組的運行信息更為便利，但是現有DCS 系統很難部署一些較為復雜的算法，隨著通信技術不斷進步，火電廠廠級信息監控系統得到廣泛的應用，工業控制系統應不斷提高標準，不僅要實現常規實時控制，還要朝著節能、高效的方向發展［2］。因此可以通過搭建遠程智能監控平臺并通過超文本傳輸協議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）接口實現DCS數據讀取，進而實現復雜的評價策略。

控制系統性能評價的發展是隨著工業發展而不斷完善，1989 年，Harris 采用最小方差控制法（Minimum Variance Control，MVC）對單回路控制系統進行分析［3］，為控制回路性能評價奠定基礎。目前單回路控制系統在火電控制中已經不在適用。Huang B 提出一種考慮控制量約束的線性二次型高斯基準（Linear Quadratic Gaussian，LQG）性能評價方法［4］。張永亮等人采用子空間模型辨識法辨識控制對象模型進行辨識，根據對象模型計算控制性能指標并給出綜合性能等級［5］。鐘振芳等人提出了一種用概率密度函數來實現控制系統的性能評價［6］。楊全振等人提出了一種主元回歸方法的多變量控制系統性能評估方法，解決了最小方差評價方法利用不切實際和不期望的指標進行性能評價所造成的性能評估缺陷［7］。

控制系統性能評價可以定義為：通過某種手段對系統的運行數據進行分析，通過系統整體運行效果、控制器的調節性能判斷控制器系統性能是否下降［8］。目前控制性能評價大致可以分為3 種，確定性性能指標、隨機性性能指標以及魯棒性性能指標［9］。本文采用控制性能評價較為直觀以及計算效率較高的確定性性能來對已有的控制回路進行評價，確定性性能是指采用超調量、穩定時間、衰減率、穩態偏差等指標來完成性能的評價。通過搭建智能控制系統（Intelligent Control System，ICS）智能監控平臺實現算法與DCS 數據之間的互通，從而實現對運行機組的控制回路性能的在線評價。

1 性能指標

通過獲取的數據，根據不同的曲線將曲線分類進行不同的計算公式進行計算，最終將計算結果推送到DCS 畫面上。圖1 為一個經典控制系統在定值擾動下的階躍響應曲線。在回路曲線中最為關注的是系統的超調量、衰減率、穩定時間、穩態偏差［10］。

圖1 階躍響應控制過程品質指標

1.1 超調量

響應曲線在定值擾動中，第一次越過擾動幅度與靜態值之比稱為超調量A，常用百分數表示。

1）計算擾動量b：設定值擾動前后的差值，并取絕對值，記為擾動量b。

2）計算超調量A：若為正向擾動，則；若為負向擾動，則100%。

1.2 衰減率

1.3 穩定時間

在擾動過程時間內，被調量第一次進入穩態波動范圍且不再超出擾動過程時間計算。除了系統產生發散振蕩過程不需要計算穩定時間外，其他過程均可計算穩定時間。需要特殊說明，針對等幅振蕩過程，如果系統最終穩定仍會計算穩定時間，反之，則認為系統不穩定，不計算穩定時間。

1.4 穩態偏差

判斷系統是否進入穩定狀態：如果穩定時間C=s（s為整個擾動過程時間），則認為系統未進入穩定狀態，反之，則認為系統進入穩定狀態。

穩態偏差D：系統穩定時，設定值與實際值之間的差值。

2 評價指標及系統

2.1 評價指標

考慮控制系統超調量A、衰減率B、穩定時間C、穩態偏差D等4 個評價因素并分別記為XA、XB、XC、XD，控制系統進行總體評分記為Y（百分制）。

Y=100（αXA+βXB+γXC+δXD），其中α、β、γ、δ分別為超調量A、衰減率B、穩定時間C、穩態偏差D等性能指標在整個評分中的權重。根據總得分對系統進行評價如表1所示。XA、XB、XC、XD具體評分式如下：

式中：EA，TA，EB為預設參數，可以根據DL/T 657—2015《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》對不同回路參數進行修改。

2.2 系統結構

所設計系統部署在I區智能監控平臺中，其系統結構如圖2所示。

圖2 控制回路系統結構

系統需要將程序運算出的超調量A、衰減率B、穩定時間C、穩態偏差D以及回路評價的結果通過HTTP 接口返送回DCS 平臺畫面中，給運行人員參考，以便能夠及時對自動回路的狀態做出調整。

2.3 基于確定性性能指標的控制回路評價

控制回路評價指標，主要分為3 個部分，分別是主要自動回路監控、爐側自動回路監控、機側自動回路監控，對其3 個回路的指標按照一定的規則進行篩選出有擾動的有效區間進行評價，計算出評價得分，推送給智能DCS 系統（ICS）上，并在DCS 上進行展示。評價篩選規則如圖3所示。

圖3 控制回路系統流程

2.3.1 數據預處理

通過ICS獲取測點實時數據，對參數測點M/A狀態（自動/手動）進行檢測，只有狀態為自動時才進行流程下一步，否則流程結束。

2.3.2 篩查有效擾動

根據實時數據篩選出有效擾動，進行下一步評價，否則判斷為無效擾動流程結束，不進行評價。判斷有效擾動的具體規則如下。

1）判斷設定值擾動幅度、擾動時間。

判斷在規定擾動過程時間內，設定值擾動幅度是否符合范圍要求。如果在符合規定的擾動時間內并且擾動幅度符合范圍要求就進行流程下一步，否則判斷為無效擾動流程結束。

擾動幅度即為設定值的變化幅度，該幅度根據具體控制回路而變化，設定值擾動幅度。

設定值擾動時間：需要高于“擾動時間低限”，否則不進行評價。如果設定值擾動的時間高于“擾動時間高限”，則取擾動時間=擾動時間高限。

2）判斷負荷穩定狀態。

判斷擾動發生前一段時間內（1 min，時間固定不需要修改），機組負荷是否達到穩定狀態。如果在符合規定時間內并且達到負荷穩定狀態就進行流程下一步，否則判斷為無效擾動流程結束。

2.3.3 擾動曲線分類

獲取有效擾動后，通過計算整個有效的階躍擾動過程中，所有的波峰值z（z1、z2、…）與波谷值d（d1、d2、…），并與設定值r進行比較，對響應曲線進行大致分類，主要分為以下幾類。分類規則和模型曲線如圖4所示。

圖4 曲線分類

1）衰減振蕩過程：若為正向擾動，則判斷z與r值大小，若z1＞z2＞r，則判斷該過程為衰減振蕩過程。同理，若為負向擾動，則判斷d與r值大小，若d1＜d2＜r，判斷為衰減振蕩過程。

2）非周期過渡過程（有超調）：若正向擾動過程中只有一個波峰值z1且z1＞r，或負向擾動過程中只有一個波谷值d1且d1＜r，則判斷為非周期過渡過程（有超調）。

3）非周期過渡過程（無超調）：若正向擾動過程中無波峰值且過程值始終小于設定值或負向擾動過程中無波谷值且過程值始終大于設定值，則判斷為非周期過渡（無超調）。

4）等幅振蕩過程：若擾動過程中幾個波峰值z之間非常接近，幾個波谷值之間也非常接近，同時，z-r≈r-d，則判斷為等幅振蕩過程。

5）發散振蕩過程：若擾動過程中幾個波峰值z1＜z2＜…，同時幾個波谷值d1＞d2＞…，則判斷為發散振蕩過程。

2.3.4 控制回路性能評價

針對不同的擾動過程，總體評分如下。

衰減振蕩過程：

非周期過渡過程（有超調）：

非周期過渡過程（無超調）：

因在非周期過渡過程（無超調）中超調量恒為0，衰減率恒為1，因此可默認該兩項性能指標為滿足要求。

等幅振蕩過程：

需要特殊說明的是，如果該過程判斷系統沒有穩定，則直接評價總得分Y=0。

發散振蕩過程：

2.3.5 權重配置

在常見的控制回路中，超調量、穩定時間、穩態偏差為3 個比較重要的獨立權重指標其權重需要占較高的比重，而衰減率作為輔助參考的性能指標其占比應該較小。在火電機組常見的控制回路中常分為快速響應回路和非快速響應回路，因此可根據回路響應速度對權重設置初始值。

快速響應回路為

式中：α=0.3β，γ=0.4β，δ=0.2β

非快速響應回路為

式中：α=0.3β，γ=0.2β，δ=0.4β

因不同控制回路在機組實際運行過程中，工況不同，因此需要根據機組實際運行狀況進行實時調整。

3 軟件功能模塊的設計與實現

試驗數據選自火電機組的實時運行數據，同時為了使顯示更加直觀，也為了方便運行人員操作，為回路控制端搭建客戶端，其中客戶端包含控制參數配置、運行曲線顯示、性能指標以及性能綜合評價結果，同時運行人員也可以選擇已有的數據進行評價。根據各主要自動控制系統性能測試的考核指標按照DL/T 657—2015《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》對火力發電機組的要求，如表2所示。

表2 主要自動控制系統性能測試考核指標

因在機組正常運行過程中，擾動量很難達到標準擾動量，因此將爐膛負壓控制系統的擾動量和穩態品質等比列縮小，如表3和圖5所示。

表3 爐膛負壓系統評價結果

根據表3 看出該自動回路的超調量為0、衰減率為1、穩定時間為40 s、穩態偏差為35 Pa，根據評價性能公式可以計算出每個性能指標的得分均為1。該回路為快速響應回路，曲線類型為非周期過渡過程（無超調）類型，根據控制回路性能評價總體評分公式可以計算出該回路的總體得分100，其性能指標滿足DL/T 657—2015《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》。

圖6 為某機組在穩定負荷工況下一次給水控制系統在+30 mm 擾動下的性能評價曲線，因在機組正常運行過程中，擾動量很難達到標準擾動量，因此將給水控制系統的擾動量和穩態品質等比列縮小，根據所設計的控制回路評價系統對爐膛負壓系統的控制性能進行評價，其權重設置如圖6 所示。評價結果如表4所示。

表4 給水控制系統評價結果

根據表4看出該自動回路的超調量為19%、衰減率為1、穩定時間為318 s、穩態偏差為3.28 mm，根據評價性能公式可以計算出每個性能指標的得分。該回路為快速響應回路，曲線類型為非周期過渡過程（有超調）類型，根據控制回路性能評價總體評分公式可以計算出該回路的總體得分98.08，其性能指標除穩定時間外滿足DL/T 657—2015《火力發電廠模擬量控制系統驗收測試規程》。

根據圖5 和圖6 的評價結果表明所設計的模型能夠應用設計生產中，并為運行人員對控制回路的性能的把握提供了有利的參照，方便運行人員以及熱控人員及時對控制回路的狀態進行檢測。

圖5 爐膛負壓評價結果

圖6 給水系統評價結果

4 結語

通過火電機組在生產運行中對重要控制回路的數據讀取并判斷是否有擾動發生，當擾動發生時根據擾動區間內的設定值和測量值的數據來生成曲線，并根據模型自動獲取擾動曲線的性能指標包括超調量、衰減率、穩定時間、穩態偏差、震蕩次數。根據性能指標來評價在該次擾動發生時該回路的調節品質的優劣，為運行人員及時調整控制策略提供參考。通過對運行機組的爐膛負壓和一次風壓擾動數據的讀取，證明了本模型的有效性。未來將在評價的基礎上增加模型辨識，使在線評估系統能夠更好地應用于現場生產中。