基于智慧電廠的智能尋優(yōu)系統(tǒng)與工況判別技術(shù)研究

郭 強，趙 勇，楊勝濤

（華陽建投陽泉熱電有限責任公司，山西陽泉）

火電廠機組運行穩(wěn)定性與多種因素有關(guān)，火電廠機組運行的尋優(yōu)模式要根據(jù)實際進行調(diào)整，電廠尋優(yōu)系統(tǒng)的調(diào)整難度較大[1]。部分火電廠定時組織的小指標競賽不能反映出機組運行水平，指標波動反應(yīng)不明顯，運行操作行為約束存在問題，值級間易產(chǎn)生惡性競爭。為強化電廠運行效率，要逐步建立尋優(yōu)方案，共享優(yōu)秀值別經(jīng)驗，逐漸固化行業(yè)專家的經(jīng)驗[2]。人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用使眾多電廠意識到建設(shè)智能電廠的緊迫性，進而保證電廠生產(chǎn)的穩(wěn)定和高效。

1 智慧電廠的概念及技術(shù)特點

1.1 智慧電廠的概念

智慧電廠是指采用智能化、數(shù)字化技術(shù)提升電廠生產(chǎn)效率的一種集成性電廠模式，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、現(xiàn)場總線等技術(shù)的應(yīng)用，部分電廠從設(shè)計、建設(shè)到運行再到退役，需依賴先進的數(shù)字化與智能化技術(shù)。火力發(fā)電廠智能化建設(shè)是指應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，采用智能傳感與集成裝置，高效管理發(fā)電機組和輸電設(shè)備設(shè)施，構(gòu)建節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定的電力運行循環(huán)系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集與分析，實現(xiàn)較強的工業(yè)應(yīng)用孵化能力，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理，促進電廠的升級轉(zhuǎn)型[3]。電廠智慧平臺自尋優(yōu)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智慧電廠自尋優(yōu)平臺系統(tǒng)示意

1.2 火電廠智能化的技術(shù)特點

1.2.1 可測可控性

可測性是指火電廠智能化建設(shè)后的經(jīng)營與生產(chǎn)管理過程處于監(jiān)測范圍，信息處于感知區(qū)域，電廠重視全壽命周期的信息采集與存儲。可觀測性體現(xiàn)在運用傳感器與監(jiān)測儀器獲得機組運行數(shù)據(jù)、設(shè)備運行參數(shù)等數(shù)據(jù)，記錄檢修數(shù)據(jù)，確定設(shè)備運行可靠。可控性是指電廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)處于可控范圍，控制系統(tǒng)可滿足常規(guī)PID 控制要求，支持現(xiàn)代算法，在少員工值守情況下保障發(fā)電機組正常運轉(zhuǎn)。

1.2.2 自動適應(yīng)與自動尋優(yōu)

自動適應(yīng)是指智能火電廠可根據(jù)不同設(shè)備條件、環(huán)境條件、燃料情況自行調(diào)節(jié)控制參數(shù)，屬于一種自動調(diào)節(jié)機制，自適應(yīng)可結(jié)合發(fā)電機組運行工況及電廠運營條件，使電廠生產(chǎn)處于低消耗、穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)備無損壞，機組工況惡化時，系統(tǒng)能夠制動調(diào)節(jié)穩(wěn)定機組運行工況；電廠設(shè)備故障時，系統(tǒng)可將故障設(shè)備隔離，將機組過渡為穩(wěn)定工況，調(diào)節(jié)設(shè)備動態(tài)特性達到穩(wěn)定最優(yōu)[4]。自動尋優(yōu)是指火電廠可針對管理控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源進行挖掘整合，識別經(jīng)營和生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵指標，獲取生產(chǎn)管理和機組運行控制相關(guān)參數(shù)，采取最科學的尋優(yōu)算法，優(yōu)化機組運行工況，準確獲取機組運行的數(shù)學模型，實現(xiàn)資源高效利用。

1.2.3 互動性與安全性

火電廠設(shè)備間的互動：智能火電廠各項設(shè)備或裝置、系統(tǒng)之間可以進行信息數(shù)據(jù)的交互。火電廠與外部電網(wǎng)、市場、客戶間的信息溝通，有助于預測電能需求。人與設(shè)備的互動：火電廠人機互動是常態(tài)，智能電廠支持信息展示和發(fā)布，使技術(shù)人員可獲得相關(guān)信息，保證電廠機組工況正常。智能火電廠的安全性也是其技術(shù)特點之一，電廠通信網(wǎng)絡(luò)要滿足安全分區(qū)的要求，實現(xiàn)機組運行動態(tài)監(jiān)測，建立防御攻擊機制。

2 火電廠智能尋優(yōu)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)突破

2.1 火電廠運行動態(tài)及最優(yōu)工況判別技術(shù)

選取電力系統(tǒng)中運行穩(wěn)定關(guān)鍵參數(shù)為樣本，如主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、氧量等，進行樣本制程能力分析，判定機組工況穩(wěn)定性[5]，樣本Box-Cox 或Johnson滿足正態(tài)分布規(guī)律，核算樣本6 倍標準差；計算Cp 和Cpk 來衡量機組運行過程能力，確定機組運行工況指標，篩選最優(yōu)工況。確定主汽壓力為指標，算出參數(shù)分位數(shù)X0.995、中位數(shù)X0.5、0.005 分位數(shù)X0.005，設(shè)置上下限指標，設(shè)定機組給定主汽壓力，波動幅度為0.5 MPa，對比Cp、Cpk 值，判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)見表1。

表1 工況判定參數(shù)

機組最優(yōu)工況表現(xiàn)在，機組發(fā)生擾動時，參數(shù)波動幅度變小，系統(tǒng)抗干擾能力最優(yōu)，機組工況處于最佳狀態(tài)。

2.2 最優(yōu)工況動態(tài)標桿值數(shù)據(jù)庫建設(shè)

火電機組運行工況受多種條件的影響，如機組設(shè)備負荷、燃煤質(zhì)量、自然環(huán)境與氣候等，火電廠機組蓄熱、質(zhì)量控制難度較大，原有運行操作難以發(fā)揮其功能。根據(jù)對各類影響因素的分析，判斷煤種、載荷、輔機狀態(tài)等參數(shù)變化范圍，結(jié)合步長進行分類編碼，技術(shù)部門要建立機組邊界索引為關(guān)鍵字的機組最優(yōu)工況動態(tài)標桿值數(shù)據(jù)庫，內(nèi)容涵蓋運行狀態(tài)與操作參數(shù)表。

2.3 機組運行操作量化評價技術(shù)

針對機組運行工況進行評價，評價機組運行操作情況，建立量化指標，利用可控因子耗差分析實現(xiàn)科學考評，指導技術(shù)人員按照標桿數(shù)據(jù)和科學流程進行操作。確定經(jīng)濟類指標分數(shù)，可控因子產(chǎn)生的耗差與可控范圍耗差值的比值就是需要扣掉的分數(shù)。可控因子可控范圍耗差是指可控因子對煤耗產(chǎn)生的影響量之和，計算指標的波動范圍即6 倍標準差（6σ）衡量數(shù)據(jù)的變化幅度，波動范圍與該項指標單位耗差的乘作為衡量指標對煤耗的影響，考評辦法表達式如下：

考評得分=100-【Σδx*(x-X)/A+Σδc*(c-C)/A】

Σδx*(x-X)——連續(xù)型可控因子耗差之和；

Σδc*(c-C)——離散型可控因子耗差之和；

A——可控因子可控范圍耗差和或可控中間變量對煤耗影響范圍的和。

按照智能電廠的要求，機組系統(tǒng)中間變量與機組煤耗存在一定的關(guān)系，引入中間變量可消除噪音，按照公式Δb=（-δη/100）*b 來計算煤耗偏差。

結(jié)合動態(tài)標桿數(shù)據(jù)庫判別機組運行狀態(tài)，自動切換動態(tài)標桿值，做好實時性能分析及耗差計算，指導技術(shù)人員的具體操作。尋優(yōu)系統(tǒng)計算個人可控因子操作耗差得分，運用動態(tài)標桿值數(shù)據(jù)操作量化評價技術(shù)，直接關(guān)聯(lián)個人績效管理系統(tǒng)，建設(shè)科學績效考核體系。

3 基于智能化技術(shù)的控制尋優(yōu)系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 發(fā)電廠機組運用尋優(yōu)系統(tǒng)耗差對比

表2 為某地發(fā)電廠1 號機組運用尋優(yōu)系統(tǒng)前后耗差的變化情況，在精益化管理系統(tǒng)投運后，較投運前煤耗下降2.225 g/kW·h，其中因真空調(diào)整影響-1.331 g/kW·h，主汽壓力影響煤耗-0.403 g/kW·h、主汽溫度影響下降-0.234 g/kW·h、再熱汽溫影響-0.127 g/kW·h、過熱器減溫水影響0.098 g/kW·h、再熱器減溫水影響0.017 g/kW·h、氧量影響-0.107 g/kW·h、發(fā)電廠用電率影響0.33 g/kW·h、飛灰含碳量影響0 g/kWh、排煙溫度影響-0.470 g/kW·h。

表2 某地發(fā)電廠一號機運用尋優(yōu)系統(tǒng)耗差分析（g/kW·h）

表3 為某地火電廠機組運用精益化管理投運前后獲得的數(shù)據(jù)，2 號機組在精益化管理系統(tǒng)投運后，較投運前煤耗下降2.023 g/kW·h，其中因真空調(diào)整影響-0.141 g/kW·h，主汽壓力影響-0.164 g/kW·h、主汽溫度影響0.482 g/kW·h、再熱汽溫影響0.353 g/kW·h、過熱器減溫水影響-0.046 g/kW·h、再熱器減溫水影響0 g/kW·h、氧量影響-0.453 g/kW·h、發(fā)電廠用電率影響-1.831 g/kW·h、飛灰含碳量影響0 g/kW·h、排煙溫度影響下降-0.223 g/kW·h。

表3 某地發(fā)電廠二號機組系統(tǒng)投運前后數(shù)據(jù)對比分析（g/kW·h）

表4 鍋爐參數(shù)變化范圍

3.2 智能尋優(yōu)系統(tǒng)在電廠鍋爐控制中的應(yīng)用

尋優(yōu)系統(tǒng)要通過采取科學的遺傳算法，有效控制煤耗，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。鍋爐運行參數(shù)模型建立后，系統(tǒng)執(zhí)行判斷程序，確定鍋爐運行參數(shù)是否成功讀取，利用遺傳算法處理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導入模型中，與雙親數(shù)據(jù)進行比較，執(zhí)行“是否下一次遺傳？”流程，結(jié)果符合要求自動結(jié)束尋優(yōu)；結(jié)果不符合要求繼續(xù)二次遺傳計算。判斷是否存在交叉變異，有交叉變異要保存變異原始數(shù)據(jù)，采用輪盤賭算法確定雙親，計算子節(jié)點數(shù)據(jù)作為新的原始數(shù)據(jù)，再次執(zhí)行判斷程序[6]。

結(jié)合鍋爐設(shè)備運行實際，確定再熱器流量、再熱器出口壓力、給煤量等參數(shù)的范圍。每個基因代碼都包含多個控制變量，將可調(diào)變量與其他不可調(diào)變量輸入到已完成訓練的系統(tǒng)模型中，獲得優(yōu)化的調(diào)整參數(shù)，保證鍋爐的最佳燃燒效率。

結(jié)束語

智能火電廠的建設(shè)需要一個智能系統(tǒng)和技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)，統(tǒng)計分析技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用可以體現(xiàn)在電廠尋優(yōu)系統(tǒng)的建設(shè)過程中，通過結(jié)合實際機組運行狀態(tài)自動調(diào)整參數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而挖掘機組最優(yōu)工況，量化運行考評指標，實現(xiàn)火電廠的數(shù)字化生產(chǎn)與運營管理。