分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)在鍋爐蒸汽溫控中的應(yīng)用

江　霓，　譚愛國

(上海理工大學(xué) 電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心，上?！?00093)

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分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)在鍋爐蒸汽溫控中的應(yīng)用

江霓，譚愛國

(上海理工大學(xué) 電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中心，上海200093)

針對火力發(fā)電廠中運(yùn)行系統(tǒng)的特點(diǎn)，應(yīng)用LabView編程軟件設(shè)計(jì)了一種基于智能控制理論的分布式火電廠監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡PCI-8360V實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制平臺的通信，同時(shí)基于負(fù)荷優(yōu)化分配的思想引入了負(fù)荷跟蹤控制理論，與模糊PID智能算法相結(jié)合，在可視化監(jiān)控界面中以趨勢圖的方式實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)分布趨勢。結(jié)果顯示，控制目標(biāo)溫度與實(shí)際仿真數(shù)據(jù)的誤差縮小到2～3K，較為理想。該系統(tǒng)可以較好地提高電廠監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，適用于火電廠特殊環(huán)境的要求。

分布式監(jiān)控系統(tǒng)； 負(fù)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(tǒng)的改革及電力市場的建立，傳統(tǒng)的管理模式已難以適應(yīng)電力企業(yè)發(fā)展的需求。為提高企業(yè)的市場競爭力，實(shí)時(shí)性強(qiáng)且魯棒性高的火電廠監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)正迫在眉睫。

鍋爐是火力發(fā)電廠的重要組成設(shè)備，其中從鍋爐傳送到汽輪機(jī)的蒸汽溫度監(jiān)控，以及用戶用電量的負(fù)荷跟蹤與預(yù)測是一直以來的研究重點(diǎn)。

本文針對鍋爐中主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中具有的非線性、參數(shù)時(shí)變性和系統(tǒng)大滯后等問題，設(shè)計(jì)了一款基于智能控制理論的分布式火電廠監(jiān)控系統(tǒng)。在建立發(fā)電系統(tǒng)(鍋爐及汽輪機(jī))響應(yīng)負(fù)荷模型的基礎(chǔ)上，引入了協(xié)調(diào)控制的機(jī)制，形成了發(fā)電系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷的控制系統(tǒng)。以LabView軟件為平臺，數(shù)據(jù)采集卡PCI-8360V實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制平臺的通信[1-2]。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有反饋及時(shí)、響應(yīng)時(shí)間短、持續(xù)變負(fù)荷能力強(qiáng)、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性[3-6]。

1　火電廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1基于分布式控制系統(tǒng)的火電廠監(jiān)控系統(tǒng)

火力發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控發(fā)電廠電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，包括發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、主變壓器系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、檢修中心等各子系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)，完成發(fā)電廠運(yùn)行狀態(tài)的幾種監(jiān)視與控制，包括采集傳感器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)入庫等工作。

分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System, DCS)可以解決傳統(tǒng)集中式控制系統(tǒng)中的一些明顯缺點(diǎn)，如成本高、設(shè)計(jì)復(fù)雜、抗干擾性差等，從而得到了廣泛應(yīng)用。

1.2鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)流程

鍋爐發(fā)電設(shè)備的硬件主要由鍋爐主體、檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集卡組成。內(nèi)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(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控程序采用LabView編寫,通過預(yù)編程模式,采用數(shù)據(jù)采集卡PCI-8360V實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制平臺的通信，通過數(shù)據(jù)采集卡對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)發(fā)送報(bào)文給上位機(jī)。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(shí)通過數(shù)據(jù)采集卡獲取這些數(shù)據(jù),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(shí)時(shí)顯示[7]。

2　負(fù)荷跟蹤控制系統(tǒng)

機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配己有近60年的研究歷史，尤其是自20世紀(jì)80年代以來，電力系統(tǒng)的運(yùn)行體制問題引起了廣泛的關(guān)注。由于負(fù)荷優(yōu)化分配方法對提高發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和改善系統(tǒng)安全運(yùn)行有很大的貢獻(xiàn)，本文引入了用戶電量負(fù)荷跟蹤系統(tǒng)。目的是實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷需求信號(Megawatt Demand, MWD)的反饋來進(jìn)行調(diào)節(jié)與操作。本文還將在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中加入一個(gè)模糊補(bǔ)償信號，設(shè)計(jì)出一種時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)。

2.1機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式

鍋爐汽輪機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Coordinated Control System, CCS)，根據(jù)輸出要求MWD，同時(shí)控制鍋爐的輸入燃料調(diào)節(jié)器、給水調(diào)節(jié)器和輸出調(diào)節(jié)器，是一種結(jié)合了汽輪機(jī)跟蹤鍋爐以及鍋爐跟蹤汽輪機(jī)兩種控制方式優(yōu)點(diǎn)的控制系統(tǒng)。

目前大多數(shù)發(fā)電廠都采用了鍋爐汽輪機(jī)協(xié)調(diào)控制方式。該方法不僅可以提高系統(tǒng)應(yīng)對用戶端反饋回來的負(fù)荷需求量變化的魯棒性，還能提高發(fā)電效率并節(jié)能環(huán)保。盡管如此，由于鍋爐控制系統(tǒng)本身具有的大時(shí)滯、非線性、時(shí)變性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，在采取了以上對策的同時(shí)，還需引入模糊智能控制算法，以便更好地實(shí)現(xiàn)當(dāng)延遲時(shí)間較長時(shí)對鍋爐主蒸汽溫度的控制。將模糊控制與PID控制相結(jié)合的模糊PID控制器，因其可以較方便地調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有了飛躍性的改善，因此也得到了越來越多的應(yīng)用[8-10]。

2.2時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)

時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償控制系統(tǒng)在火力發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測與控制中有著優(yōu)越的性能，由在鍋爐負(fù)荷變化時(shí)為使控制性能提高而進(jìn)行先行補(bǔ)償控制的補(bǔ)償模糊部分構(gòu)成。時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)用來控制設(shè)備輸出功率，同時(shí)克服鍋爐控制系統(tǒng)大時(shí)滯的不足。

圖2為時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)的模型。傳遞函數(shù)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(shí)間常數(shù)。

圖2　模糊PID控制的時(shí)間補(bǔ)償系統(tǒng)模型

這里，為了提高整個(gè)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(jù)式(2)、式(3)，能夠改變式(1)的上升趨勢。實(shí)際上，由于Ta的變化，模糊控制器在任何狀態(tài)下，都必須使之上升到最佳的程度。

對于時(shí)間常數(shù)的變量，若模糊傳遞函數(shù)作為Ff(s)，則可以用式(4)表示：

(4)

式中：Tfa——基于模糊規(guī)則的時(shí)間常數(shù)。

若Tfa=Ta,則與不用模糊控制器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r相同，開環(huán)傳遞函數(shù)H1(s)如式(5)所示：

(5)

Tfa=0時(shí)的開環(huán)傳遞函數(shù)H2(s)如式(6)所示：

(6)

Tfa≠0時(shí)，開環(huán)傳遞函數(shù)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(shí)間就可能是可變的。即根據(jù)模糊輸出，上升時(shí)間可變。

設(shè)備模型為時(shí)間常數(shù)模型，適用于系統(tǒng)的模糊規(guī)則，且驗(yàn)證了控制響應(yīng)的改善效果。推導(dǎo)出式(8)～式(10)這三個(gè)傳遞函數(shù)：

(8)

(9)

(10)

經(jīng)過反復(fù)仿真試驗(yàn)，最終時(shí)間常數(shù)補(bǔ)償系統(tǒng)的傳遞函數(shù)定為式(10)。

3　基于LabView的監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabView編程軟件采用圖形化編程界面，易于上手且功能強(qiáng)大。

3.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)軟件通信處理

數(shù)據(jù)采集卡PCI-8360V對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)發(fā)送報(bào)文到上位機(jī)，由LabView程序控制反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.2上位機(jī)主控制界面

實(shí)時(shí)顯示模塊： 實(shí)時(shí)顯示各種數(shù)據(jù)值、波形圖。如溫度、離散曲線、反饋曲線等，以方便試驗(yàn)人員了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖3為數(shù)據(jù)采集上位機(jī)的主控制界面。

圖3　數(shù)據(jù)采集上位機(jī)主控制界面

3.3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

將采集到的溫度數(shù)據(jù)與電壓信號轉(zhuǎn)化成線性函數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，制成Excel的格式保存在文件中，如表1所示。

設(shè)置控制目標(biāo)溫度為412℃時(shí)，進(jìn)行控制仿真。控制目標(biāo)溫度和實(shí)際仿真數(shù)據(jù)的誤差最大為2～3K。這個(gè)數(shù)值作為對象的溫度控制是十分小

表1　采集溫度數(shù)據(jù)及對應(yīng)電壓

的，能夠滿足在50%～100%負(fù)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(jié)　語

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展、改革的深入以及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，實(shí)施“信息化帶動(dòng)工業(yè)化”戰(zhàn)略，是電力工業(yè)發(fā)展的必然要求，也是電力企業(yè)謀求創(chuàng)新發(fā)展的必由之路。在此需求下，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、熱能工程、控制理論等為一體的分布式智能監(jiān)控系統(tǒng)被提出，并得到了迅速的發(fā)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(jìn)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(jī)組是否能安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行和輸出功率的大小[11]。本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，建立了基于LabView的主蒸汽智能溫度控制系統(tǒng)。該模型直接由實(shí)踐采集數(shù)據(jù)出發(fā)，避免了熱力學(xué)和傳熱學(xué)的復(fù)雜建模公式。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在負(fù)荷波動(dòng)的情況下，保持較好的魯棒性，簡化了控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)，能夠滿足變工況運(yùn)行的需要，提高了機(jī)組的調(diào)峰能力[12-15]。

由于時(shí)間關(guān)系和設(shè)備的限制，所研究的控制系統(tǒng)還存在著一些不足。如系統(tǒng)中沒有考慮到負(fù)荷預(yù)測，控制曲線的界面不能縮放等，今后還有待進(jìn)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?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)中火力發(fā)電設(shè)備的智能化控制、非線性離散控制算法、模糊PID算法、電力負(fù)荷需求與預(yù)測方法以及電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。譚愛國(1976—)，女，碩士研究生，副教授，研究方向?yàn)榱Ｗ尤簝?yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、單片機(jī)ARM開發(fā)以及電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)等。

TM 306

A

1673-6540(2016)09- 0079- 04

2016-05-29