火電廠電氣自動化控制系統設計

摘要：文章依據火電廠運行需求，提出了一種火電廠電氣自動化控制系統設計方案。系統以DCS系統為基礎，構建了檢測保護層、通信管理層與上位機系統3個硬件層面的保護層級，并在單神經網絡基礎上進行了PID智能控制模塊設計。在系統功能實現上，文章提出了數據庫系統、監控系統和應用PID控制器的控制策略設計內容，并最終確定了火電廠控制策略的最佳應用流程，從而實現了對火電廠電氣設備的智慧化控制管理，滿足了系統自動化控制管理要求。

關鍵詞：火電廠；電氣自動化；單神經網絡；設計流程

中圖分類號：TM621;TP39文獻標志碼：A

0 引言

目前，我國雖然大力發展綠色電力，但是仍然高度依賴火力發電的發電方式。2022年我國火力發電裝機量仍然超過了50%，火力發電量占比雖有降低，但是仍然維持在70%以上。面對“雙碳”目標的提出，火電行業如何推進火電產業轉型升級，已經成為整個行業的重點關注話題［1］。鑒于此，火電廠采用自動化控制技術提高設備運行效率、降低能源消耗，普及與應用電氣自動化控制系統已經成為促進火電產業整體良性發展的關鍵舉措。

1 需求分析

目前，火電廠的分散控制系統（DSC系統）主要側重于汽機鍋爐，而忽略了對電氣系統的運行監控，且對電氣系統運行控制的要求在已有DSC系統中難以完全得到滿足，通過硬接線將電氣系統直接與DSC相連，無法充分發揮出電氣系統智能終端裝置的測量、監控與通信作用，使得基于DSC系統的電氣控制系統自動化水平較低［2］。鑒于此，火電廠需要采用分層分布式控制結構進行電氣自動化控制系統設計，并采用PID智能控制器模塊實現對電氣系統的智能化控制，充分發揮火電廠電氣自動化控制系統的優勢。

2 火電廠電氣自動化控制方案設計

2.1 總體架構設計

本文選用DCS系統作為系統主站，形成以DCS系統為控制核心的電氣自動化控制系統，總體架構如圖1所示。PLC與遠程輸入/輸出設備利用遠端控制模塊實現通信，通過現場總線進行數據交換，PLC根據遠程站對地址設置的要求對遠程分站進行地址設置，用于區分從站。DCS系統可直接參與從站數據通信，且不會加劇編程工作量。系統中，DCS系統為總站，遠程分站有3個，分別為中間站、遠程中心站與燃料倉站［3］。

現場總線為開放全數字化的、雙向多站的計算機網絡，利用該網絡將智能終端設備、PLC與現場設備相連，主要采用數字信號的傳輸模式，不同節點可以共用同一條物理傳輸介質。智能終端設備集成了CPU、存儲器、A/D轉換器與I/O回路，具體包括中壓系統保護測控裝置、低壓系統自動保護裝置等，通過智能終端設備進行電氣設備運行數據的采集、處理與集中控制，將相關信息以數據信號的形式上傳至DCS等控制層，并接受來自控制層的控制指令［4］。

2.2 系統功能層

整個系統包括3個功能層，具體如下：

（1）監測保護層。

監測保護層由電氣系統保護與自動裝置構成，具體包括智能終端設備、發變組保護、自動勵磁裝置（AVR）、自動同步系統（ASS）等。所有保護裝置的保護功能具有獨立性，通過現場總線將各類設備直接與通信管理層相連，從而實現對這些設備的分散監測與控制。

（2）通信管理層。

通信管理層為現場總線，負責接收DCS對監測保護層下達的各項控制指令，以及后臺工作站下達的修改定值指令等，并將接收到的指令分發至目標裝置。同時，通信管理層還需要負責接收不同監測保護裝置上傳的電氣設備運行信息，并反饋至DCS系統與后臺工作站。通信管理層與DCS系統、后臺工作站之間的連接采用以太網，通常需要配置通信管理單元，需要提供12個通信接口。

（3）上位機系統。

上位機系統包括DCS系統與后臺工作站，DCS系統為核心控制系統，后臺工作站主要負責電氣設備定值修改、管理維護等指令的下達工作。

2.3 基于單神經網絡的PID智能控制器模塊

為了提高系統的智能控制水平，系統在智能終端設備中加入了PID智能控制器模塊。該模塊采用單神經網絡的PID智能控制器，有利于提高對電氣設備控制的自我學習能力，提升電氣設備控制的自適應性，具體結構如圖2所示。

轉換器在輸入過程中，通過對電氣設備運行參數的分析，進一步優化電氣設備的被控制過程，改善PID控制水平，以s（r）的設置為例，經過轉換器的轉換后，直接輸出為狀態數，其中，Y1（r）與（r）相同，在此基礎上可求解出Y2（r），即（r）-（r-1），同理也可以求解出Y3（r）=（r）-（r-1）-（r-2）。S為性能指標，R為神經元比例系數，神經元通過關聯檢索生成衍生信號Hp、Hi、Hd，并通過路徑優化混合控制策略進行調節，實現對電氣設備的自動化控制目標。

3 系統功能實現

3.1 數據庫系統的實現

火電廠電氣自動化控制系統中的數據庫系統通過JdbcOdbc橋接方式實現系統功能，預先將數據庫系統與本地Oracle數據庫相連，其實現方式為數據源，實現在本地直接對數據庫的調用功能。完成數據庫連接后，系統界面設計中應明確數據庫系統功能在火電廠電氣自動化控制中的應用方向與管理需求，數據庫系統運行管理涉及工作空間、臺賬管理、定期工作數據查詢和狀態管理等多項內容。因此，系統界面設計應包含功能定制、模型定制、角色管理與系統功能設定等內容。系統應用時，管理人員可通過導航欄電機相應的功能按鈕實現相應的操作指令，如添加工作任務時，可通過數據庫系統界面的臺賬管理、電氣MIS報表、添加記錄等模塊完成。完成系統數據添加后，根據火電廠電氣管理工作需要，管理人員可通過選擇數據進行修改，但修改功能僅限于部分高等級權限人員，以保證系統數據信息安全。

數據庫系統實現中，管理人員首先需要在數據庫建立類模型，類添加屬性與字段進行一一對應，通過字段類型確定相應的精度與長度，從而編輯Web中類的屬性，包括精度、長度、種類、名稱、位置、項目與人員時間等，從而實現對屬性的查看與修改，完成模型構建。

3.2 監控系統的實現

（1）電源切換。

該功能模塊可確保火電廠機組的安全運行，可以為機組運行提供備用電源，以保證在異常情況下能夠迅速實現電源切換。火電廠電氣自動化控制中所使用的電母線有工作分支與備用分支兩種，工作分支在日常運行狀態下接入系統，另外一條線路始終處于備用狀態，當出現運行線路異常情況時，監控系統則會立即接入備用電源，從而實現備用線路的穩定供電，保障系統母線供電的穩定性。火電廠監控系統運行時有兩條供電途徑，其中備用電源處于斷開狀態，運行中兩條線路相互備用，通過系統監測開關操作異常情況、斷路器情況與接線方式進行電源切換操作。

（2）低壓電源切換。

低壓電源系統會根據系統邏輯指令進行自動切換，在低壓電源切換中對汽機斷路器和合跳閘邏輯指令如表1所示。

（3）高低壓用電控制原理。

火電廠高低壓用電控制均采用遠程分合閘控制與就地手動分合閘控制相結合的方式，但高壓控制的電氣回路轉換采用CK轉換開關，而低壓電氣回路轉換則采用LK轉換開關。

3.3 控制策略設計

火電廠電氣自動化控制中，設定PID控制器包含3個整定變量Hp、Hi、Hd，且3個變量均存在5個有效數位。之后，將3個參數值抽象化于平面坐標中，并繪制出等間距和等長度的15條垂直x軸的線段，分別為A1，A2，...，A15。將所有線段進行九等分，從每條垂直線段上獲取相應的10個節點，以此描述線段的數位值。此時，平面坐標系中存在15×10個節點，將平面中的節點設定為a（xj，yj，i），其中xj為線段Aj的衡坐標，yj，i為Aj上節點i的縱坐標，其數值和節點的縱坐標值相對應。在蟻群算法中從坐標原點O出發，其爬行路線可描述為：

B=｛O，a（x1，y1，i），a（x2，y2，i），...，a（xj，yj，i）｝

在火電廠電氣自動化控制中，按照如下流程實現有效控制。

步驟1：依據參數整定方法（Z-N法），運算PID參數為Hp，s-M、Hi，s-M、Hd，s-M。

步驟2：蟻群種群數目為n，存在15個用于保存途經節點的縱坐標和路徑屬性信息。

步驟3：運用混合算法進行參數初始化。

步驟4：設定變量j的初始值為1，當參數plt;p0則計算螞蟻在線段Aj中各個節點轉移的概率Qhji（t），反之，使用賭輪選取方法確定后續節點，并記錄數值。其計算方法如下：

式中，allowedh為h下一步可選取的節點；［Ψji（t）］1為描述信息素軌跡強度重要性；［ji（t）］2為描述能見度因素的重要性。

步驟5：當所有螞蟻走完一個節點后進行局部刷新。

步驟6：設定j=j+1，若j≤15，則返回步驟3，反之繼續。

步驟7：根據螞蟻爬過路徑，運算分析此路徑所對應的PID參數Hhp、Hhi、Hhd，通過仿真計算，獲取火電廠電氣自動控制系統性能指標Shz、穩態誤差dh和超調量eh，計算其所對應的目標函數。

步驟8：刷新全部信息素，并自適應調整全體信息發揮系數，刷新方式如下所示：

Ψji←（1-）·Ψji+·ΔΨji

步驟9：運用單點交叉策略實施雜交，衍生出新的個體。

步驟10：通過基本位變異方法再次計算每個參數值。

步驟11：若控制策略中全部蟻群沒有收斂至相同路徑，則需再次將所有螞蟻放置于起點位置并跳至步驟4。反之停止運算，輸出最佳路徑與相應參數。

4 結語

火電廠電氣自動化控制系統的構建仍然以采用DCS系統作為首選，該系統在工業自動化控制方面具有其他控制系統難以比擬的應用優勢，在現場總線技術出現以后，DSC系統在火電廠電氣自動化控制方面的應用也可以得到進一步發展，以現場總線實現DSC系統同智能終端設備的連接，可以有效解決基于DSC系統的電氣控制系統自動化水平較低的問題，并通過智能終端設備的優化，可以實現對電氣設備的智慧化控制，真正發揮出火電廠電氣自動化控制系統的控制作用。

參考文獻

［1］劉放.探究大型火電廠電氣自動化控制技術［J］.電氣技術與經濟，2023（3）：84-87.

［2］吳燕峰.智能化技術在電氣自動化控制系統開發中的運用研究［J］.設備監理，2023（2）：1-3，8.

［3］田野.大型火電廠電氣自動化控制技術研究［J］.現代工業經濟和信息化，2021（10）：135-136，139.

［4］喬建平，楊志榮，郭芬.解析火電廠電氣自動化與電氣工程融合運用［J］.中國新技術新產品，2020（9）：43-44.

Design of electrical automation control system for thermal power plants

YangGengtao

（Hebei Xingtai Power Generation Co.， Ltd.， Xingtai 045000， China）

Abstract：This article proposes a design scheme for the electrical automation control system of thermal power plants based on their operational requirements. The system construction is still based on the DCS system， with three hardware level protection layers： detection protection layer， communication management layer， and upper computer system. PID intelligent control module design is also carried out on the basis of a single neural network. In terms of system function implementation， the design content of control strategies for database systems， monitoring systems， and application PID controllers was proposed， and the optimal application process of control strategies for thermal power plants was ultimately determined， thus achieving intelligent control and management of electrical equipment in thermal power plants and meeting the requirements of system automation control management.

Key words： thermal power plant; electrical automation; single neural network; design process