TOP7協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺在超（超超）臨界火電機組上的應用

李 泉，陳 波，陳 衛(wèi)，尹 峰，李煦侃

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

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

本文采用了TOP7協(xié)調(diào)優(yōu)化平臺，在平臺中嵌入先進協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法，設計了與DCS系統(tǒng)的無擾接口，從而實現(xiàn)機組AGC動態(tài)和穩(wěn)態(tài)品質(zhì)優(yōu)化，與常規(guī)邏輯的控制性能對比證明了該優(yōu)化控制平臺的有效性。

1 優(yōu)化控制平臺

1.1 控制平臺的硬件結(jié)構

一套標準的TOP7系統(tǒng)所含硬件應包括：機柜及配套組件、冗余網(wǎng)絡交換機、上位高性能計算服務器、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顯示器和相應的接線端子牌及繼電器，各主要硬件功能及職責分配如下：

（1）機柜及配套組件：控制平臺被封裝于獨立的機柜中，置于DCS電子室內(nèi)和DCS機柜一起。機柜采用雙路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算服務器、冗余網(wǎng)絡交換機、可折疊收縮式KVM顯示器和冗余24 V電源。

（2）冗余網(wǎng)絡交換機負責數(shù)據(jù)交互，即上、下位機之間的數(shù)據(jù)交互。

（3）上位高性能計算服務器負責平臺數(shù)據(jù)的記錄、人機接口的管理、高級算法分析、控制算法組態(tài)、流程畫面組態(tài)等工作。

（4）下位控制處理器負責控制算法執(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在DCS系統(tǒng)中的投/撤指令傳輸。

1.2 控制平臺的軟件結(jié)構

控制平臺軟件包括：平臺控制系統(tǒng)軟件、高級應用算法軟件、所含功能組件運算軟件等。

（1）平臺控制系統(tǒng)軟件為基礎軟件，可以分為上位和下位兩部分。軟件的上位部分運行于人機接口計算機中，可完成對下位控制計算單元進行組態(tài)、監(jiān)視、調(diào)整、修改等功能，同時還具備對歷史數(shù)據(jù)和歷史事件的采集功能。軟件的下位部分運行在下位控制處理器中，根據(jù)上位組態(tài)編譯的結(jié)果，按照設計算法對采集數(shù)據(jù)進行實時計算，并驅(qū)動相關卡件控制輸出。

（2）高級應用算法軟件可以分為上位和下位部分。通常運行在上位部分的高級應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；而運行在下位部分的高級應用算法軟件常被封裝為高級算法模塊，負責完成某種高級算法。

（3）功能組件運算軟件為某特定的功能組件所特有，為實現(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畫面顯示和操作，可通過該設備完成對上/下位計算機的編程、修改和控制。

1.3 控制平臺的功能結(jié)構

控制平臺各子組功能劃分如圖1所示。

將DCS中難以實現(xiàn)的控制方法從現(xiàn)有控制平臺中獨立出來，通過數(shù)據(jù)傳遞的方式指導DCS運行是平臺運行的基本方式。

圖1 控制平臺的功能結(jié)構

2 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法

本文應用優(yōu)化平臺的控制系統(tǒng)軟件和高級應用算法軟件，實現(xiàn)了協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法。

2.1 優(yōu)化設計原理

針對超超臨界直流機組，對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行優(yōu)化的基礎是降階系統(tǒng)的對象特性，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象，根據(jù)該對象采用先進控制算法進行優(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)構如下：

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

根據(jù)圖2的模型結(jié)構，設計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 接口設計原理

TOP7優(yōu)化控制平臺需要與DCS進行接口設計，包括硬件接口和軟件接口2個部分。

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)需進行相關的設置。

（2）軟件接口：當優(yōu)化控制平臺投入或退出時，在TOP7和DCS通過MODBUS傳輸?shù)男盘栔?，TOP7送出的優(yōu)化指令信號和DCS中相應指令信號進行切換時，若2種信號偏差過大，需要實現(xiàn)無擾動切換，無擾切換的邏輯一般在DCS中實現(xiàn)，具體形式如圖4所示。

圖4 無擾切換原理

當切換信號出現(xiàn)時，按一定的速率切換至信號2，正常無切換信號時輸出信號1。

3 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺的現(xiàn)場應用

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

3.1 超臨界機組中的應用

大唐烏沙山電廠600 MW超臨界燃煤機組，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、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊結(jié)構Π型布置直流鍋爐，型號為HG-1890/25.4-YM4。采用哈爾濱汽輪機廠有限責任公司與三菱公司聯(lián)合設計、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。

在機組處于AGC狀態(tài)時，當投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺和未投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺時的AGC響應曲線如圖5和圖6所示。

圖5 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺投入時的負荷、壓力響應曲線

圖6 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺未投入時的負荷、壓力響應曲線

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

3.2 超超臨界機組中的應用

樂清發(fā)電廠660 MW超超臨界燃煤機組，采用上海鍋爐廠制造的超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、四角切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼結(jié)構、全懸吊結(jié)構，型號為SG-1913/25.4-M95，以定-滑-定方式運行。采用上海汽輪機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、反動凝汽式汽輪機，機組型號為N660-25/600/600。

在機組處于AGC狀態(tài)時，投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺和未投入?yún)f(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺時的AGC響應曲線如圖7和圖8所示。

圖7 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺投入時的負荷、壓力響應曲線

圖8 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺未投入時的負荷、壓力響應曲線

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

4 結(jié)語

針對超（超超）臨界火電機組在AGC狀態(tài)時壓力波動大、負荷響應不理想、控制邏輯在線修改影響機組安全等問題，采用了TOP7協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺，提出了先進的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法并嵌入控制平臺中，設計了與DCS系統(tǒng)的無擾接口，實現(xiàn)了機組AGC動態(tài)和穩(wěn)態(tài)品質(zhì)優(yōu)化，實際應用結(jié)果證明了協(xié)調(diào)優(yōu)化控制平臺的有效性。

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