基于單片機的Ovation DCS負荷優(yōu)化分配模塊設(shè)計

孫 勇，闕華坤，林國營

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，廣州 510080）

廠級負荷優(yōu)化分配是電力系統(tǒng)運行研究的主要內(nèi)容之一，系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方面，相關(guān)負荷優(yōu)化分配模塊已有相對成功的運行經(jīng)驗[1]。

國內(nèi)研究方面，文獻[2-3]提出了在廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用基于微軟.NET Framework解決方案和B/S多層架構(gòu)的思想及相應(yīng)的高級語言來設(shè)計廠級負荷優(yōu)化分配應(yīng)用軟件。文獻[4]提出了在廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)平臺下的多機組火力發(fā)電廠供電煤耗計算及管理系統(tǒng)的開發(fā)，采用高級語言Delphi開發(fā)出的32位負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)應(yīng)用程序。文獻[5]提出了基于SIS平臺的火電廠廠級負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)設(shè)計，采用微軟的VC++6.0軟件編制相應(yīng)的算法程序和控制界面。文獻[6]將系統(tǒng)嵌入到電廠現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了系統(tǒng)與電廠控制系統(tǒng)共同運行模式的切換，同時采用調(diào)整負荷上下限約束條件來保證調(diào)峰速率。目前，還沒有真正與電廠DCS構(gòu)成一體化的廠級實時負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)。

以下針對Ovation DCS[7]平臺下火電廠廠級AGC負荷優(yōu)化分配進行相關(guān)研究，分析Ovation DCS平臺下火電機組廠級AGC負荷優(yōu)化分配的架構(gòu)設(shè)計，并對采用第三方控制器進行優(yōu)化分配做出分析。

1 整體架構(gòu)與思路

廠級AGC系統(tǒng)主要包括機組在線性能計算、系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行控制、實時負荷優(yōu)化分配三大功能[8]。性能計算主要為經(jīng)濟性負荷分配目標(biāo)函數(shù)的建立提供反映機組性能的數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)運行控制主要負責(zé)系統(tǒng)與DCS之間的協(xié)調(diào)運行，保證系統(tǒng)投運后機組及全廠系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行；實時負荷優(yōu)化分配主要在以上兩項功能之上完成基于經(jīng)濟性、快速性或多目標(biāo)的負荷分配任務(wù)。利用外掛電路板通過Modbus協(xié)議與Ovation系統(tǒng)進行通信獲取系統(tǒng)運行參數(shù)，然后在線進行性能計算分析和負荷優(yōu)化分配。

所設(shè)計的外掛式電路是基于單片機實現(xiàn)的。單片機通過Modbus協(xié)議[9]與Ovation系統(tǒng)進行通信，獲取負荷分配所需數(shù)據(jù)，然后進行負荷優(yōu)化分配并依據(jù)系統(tǒng)給出的讀取指令，將相應(yīng)的計算結(jié)果傳給Ovation。

外掛電路板包括單片機最小系統(tǒng)、RS485通信電路和供電電路。其核心為51內(nèi)核單片機。為了減少相互間的干擾，在單片機與RS485通信模塊之間設(shè)置了光耦隔離并且使用隔離的電源網(wǎng)絡(luò)對RS485通信模塊供電。整體電路架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體電路架構(gòu)Fig.1 Overall circuit architecture

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

基于數(shù)據(jù)總線寬度、尋址能力、存儲大小、指令功能、執(zhí)行速度、中斷能力以及較好的適應(yīng)環(huán)境的能力等方面考慮，采用STC90C516AD單片機作為微控制器，其指令代碼兼容傳統(tǒng)8051單片機，時鐘頻率為24 MHz，可以工作在6 T和12 T模式下。其程序存儲器（ROM）容量為64 kB，數(shù)據(jù)存儲器（RAM）容量為4352 B，工作電壓為3.3～5.5 V，通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。單片機最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)Fig.2 SCM minimum system

2.2 電源電路

電路板的接入電壓為交流的220 V市電，由于單片機的工作電壓為3.3～5.5 V，因此需要通過電源轉(zhuǎn)換模塊將市電經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后轉(zhuǎn)換為直流5 V電壓，為整個電路板供電。所設(shè)計的在線性能計算模塊選用了SANGMEI AC 220 V/DC 5 V電源轉(zhuǎn)換模塊，其額定功率為3 W。

除單片機工作需電源供電外，本電路中的RS485模塊工作也需要提供電源。使用B0505S DCDC器件產(chǎn)生一組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向RS485通信模塊提供+5 V電源，其額定功率為1 W。

電源模塊電路原理如圖3、圖4所示。

圖3 交流220 V轉(zhuǎn)直流5 V電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Voltage conversion circuit of 220V AC to 5V DC

圖4 B0505S直流轉(zhuǎn)直流電壓隔離電路Fig.4 B0505S voltage isolation circuit of DC to DC

2.3 光耦隔離電路

如圖5所示，采用PS2501光耦隔離原件將單片機最小系統(tǒng)和RS485通信模塊之間進行隔離，以減小兩端之間的相互干擾。單片機UART串口的RXD、TXD通過光電隔離電路連接SP485R芯片的RO、DI引腳，控制信號R/D同樣經(jīng)光電隔離電路去控制SP485R芯片的DE和RE引腳。

由單片機輸出的R/D信號通過光電隔離器件控制SP485R芯片的發(fā)送器/接收器使能。R/D信號為“1”，發(fā)送器有效，接收器禁止，此時單片機可以向RS485總線發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)；R/D信號為 “0”，則SP485R芯片的DE和RE引腳為“0”，發(fā)送器禁止，接收器有效，此時單片機可以接收來自RS485總線的數(shù)據(jù)字節(jié)。任一時刻，SP485R芯片中的“接收器”只能夠有1個處于工作狀態(tài)。

電路中光電耦合器件的速率將會影響RS485電路的通訊速率。受PS2501芯片的響應(yīng)速率影響，本模塊只可保障RS485接口電路的通訊速率在19200 b/s以下正常工作。

2.4 RS485通信電路

RS485通信電路采用SP485R芯片，單片機通過該電路與Ovation DCS進行Modbus通信。在線性能計算模塊采用RS485通信電路，如圖6所示。

圖6 RS485通訊電路Fig.6 RS485 communication circuit

SP485R芯片是由業(yè)內(nèi)專業(yè)的通訊接口器件廠商Sipex公司設(shè)計生產(chǎn)的高性能RS485收發(fā)器，能夠替換通用的RS485收發(fā)器，并在許多方面有所增強。包含更高的ESD保護和高接收器輸入阻抗等性能。接收器輸入高阻抗，可以使400個收發(fā)器接到同一條傳輸線上，又不會引起RS485改送器信號的衰減。

RS485接口電路的主要功能是將來自處理器的改善信號TX通過“發(fā)送器”轉(zhuǎn)換成通信網(wǎng)絡(luò)中的差分信號，也可以將通訊網(wǎng)絡(luò)中的差分信號通過“接收器”轉(zhuǎn)換成被微處理器接收的RX信號。任一時刻，RS485收發(fā)器只能夠工作在“接收”或“發(fā)送”2種模式之下，因此，必須為RS485接口電路增加一個收/發(fā)邏輯控制電路。另外，由于應(yīng)用環(huán)境的各不相同，RS485接口電路的附加保護措施也是必須考慮的環(huán)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主要功能模塊設(shè)計

廠級AGC系統(tǒng)負荷優(yōu)化分配軟件從功能上可分為3個模塊：信號及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、煤耗特性在線計算模塊和遺傳算法優(yōu)化分配模塊，如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.7 Software design architecture

信號及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊該部分主要涉及與底層DCS的接口，具有承上啟下的作用，由于實際過程中信號及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送基本原理及處理方法非常相似，因此在軟件設(shè)計上將這兩部分結(jié)合起來。該部分可以分成3個較小的功能塊：①通過電廠現(xiàn)有的DCS網(wǎng)絡(luò)接收電廠各機組負荷指令；②讀取機組及輔機等運行實時數(shù)據(jù)及組態(tài)界面人工輸入的輔助參數(shù)，并將接收到的數(shù)據(jù)送至煤耗特性曲線在線擬合模塊和遺傳算法模塊；③將優(yōu)化負荷指令發(fā)送到各臺機組的CCS，通過機組CCS完成負荷的調(diào)節(jié)和控制。

煤耗特性曲線在線擬合模塊該模塊按照程序設(shè)置的刷新時間，從數(shù)據(jù)收發(fā)模塊讀取機組的負荷及對應(yīng)的煤耗量數(shù)據(jù)，運用等效焓降法、反平衡法進行分析，計算出單元機組的煤耗特性，進而擬合出煤耗特性曲線，并將各臺機組的煤耗特性曲線系數(shù)送至遺傳算法模塊供負荷優(yōu)化計算使用，同時將新的煤耗特征曲線系統(tǒng)送入電廠數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，供電廠圖形顯示模塊及電廠性能計算使用。

優(yōu)化計算模塊該模塊接收由數(shù)據(jù)收發(fā)模塊和曲線擬合模塊傳送的實時數(shù)據(jù)及煤耗特征曲線參數(shù)，通過遺傳算法實現(xiàn)機組負荷優(yōu)化分配計算。由于傳統(tǒng)的遺傳算法收斂慢、運算量大、耗時長，只能進行靜態(tài)分配，廠級AGC系統(tǒng)負荷優(yōu)化分配軟件的設(shè)計采用了具有針對性的加速遺傳算法，通過實數(shù)編碼、雙倍初始種群生成法、變參數(shù)法和壓縮空間法提高了算法效率，實現(xiàn)了動態(tài)負荷分配。最終分配數(shù)據(jù)將發(fā)送至數(shù)據(jù)接收模塊，再由數(shù)據(jù)結(jié)果將分配數(shù)據(jù)發(fā)送到機組CCS，遺傳算法模塊還將優(yōu)化后的機組負荷指令送入電廠數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，供電廠顯示和數(shù)據(jù)分析使用。

3.2 輔助功能模塊設(shè)計

電廠的實際運行狀況比較復(fù)雜，在實際運行中出現(xiàn)故障或突發(fā)事件是不可避免的，相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案具體如下：

（1）當(dāng)中調(diào)通訊故障或調(diào)度指令故障時，必須考慮使用之前同工況條件下的負荷分配數(shù)據(jù)繼續(xù)運行或采用通過手動輸入各機組負荷的方式保持機組繼續(xù)正常運行；

（2）當(dāng)廠級AGC控制器損壞或系統(tǒng)嚴(yán)重出錯導(dǎo)致計算結(jié)果大大偏離實際情況時，必須迅速退出廠級AGC系統(tǒng)程序，采用原來的中調(diào)直控各機組負荷的方式保持機組的正常運行；

（3）由于傳送到AGC系統(tǒng)的信號為電平保持信號，因此在機組運行過程中一旦長時間出現(xiàn)掉電情況，就必須退出廠級AGC負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)，仍然采用中調(diào)過來的負荷指令指導(dǎo)機組繼續(xù)運行。

這就要求火電廠的控制系統(tǒng)能夠快速地調(diào)整控制策略來處理問題，保證全廠機組運行的穩(wěn)定安全。因此，廠級AGC系統(tǒng)要真正地在線實施并穩(wěn)定運行，除了實現(xiàn)全廠機組負荷實時優(yōu)化分配功能以外，還必須兼具多種控制模式以及邏輯保護的功能。

3.2.1 最優(yōu)運行模式

最優(yōu)模式下，廠級AGC系統(tǒng)通過負荷優(yōu)化分配軟件實時的讀取各臺機組的運行狀態(tài)信息，對機組性能進行分析，給出全廠負荷最優(yōu)分配值。在此狀態(tài)下，當(dāng)中調(diào)給出的負荷變動大于廠級負荷調(diào)節(jié)死區(qū)時，負荷優(yōu)化分配軟件開始計算。此外，最優(yōu)模式下還設(shè)計了手動設(shè)定機組性能參數(shù)的功能，以應(yīng)對從公共環(huán)網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)異常的情況。

3.2.2 最快運行模式

快速模式，即按照一定比例簡單地分配全廠總負荷，同時具備自動分配和手動設(shè)定2種功能，前者即每臺機組負荷取平均值，后者則由操作員根據(jù)各臺機組可調(diào)容量比例及運行經(jīng)驗來設(shè)定各臺機組的負荷分配比例來進行分配。由于最優(yōu)分配模式下，需要同時考慮各臺機組煤耗、中調(diào)負荷指令、變負荷率、上下負荷保留限以及各機組指令最大差值等因素，當(dāng)其中某一因素出現(xiàn)信號故障時，負荷優(yōu)化分配軟件將無法正常運行。而使用快速模式可以進行簡單快捷的負荷分配，節(jié)省運算時間，同時受到輸入信號限制的較少，可以應(yīng)對特殊工況。

3.2.3 邏輯保護模塊

在電廠實際運行中，中調(diào)給出的負荷指令變動大多集中在某些時間段，大部分時間機組運行的負荷目標(biāo)值都是穩(wěn)定的，因此，在廠級AGC系統(tǒng)的最優(yōu)運行模式下，負荷優(yōu)化分配軟件也無需對所有時段的負荷調(diào)度都進行優(yōu)化運算，不必要一直循環(huán)運行。為了增強廠級AGC系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)省運算器資源，進一步設(shè)計了廠級AGC系統(tǒng)邏輯保護功能。其設(shè)計思路如圖8所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)邏輯判斷流程Fig.8 Steady-state logic flow chart

4 應(yīng)用效益分析

基于單片機的Ovation DCS負荷優(yōu)化分配模塊的設(shè)計，既發(fā)揮了單片機設(shè)計靈活、實現(xiàn)簡單的特點，又便于對模塊運行情況進行有效監(jiān)控，針對采用的智能優(yōu)化控制算法不斷完善模塊設(shè)計，及時完成軟件改造。

外掛系統(tǒng)從Ovation DCS提取相關(guān)數(shù)據(jù)，在單片機中按照優(yōu)化控制算法進行計算，實現(xiàn)廠級負荷實時分析，并給出運行模式下優(yōu)化策略，形成運行方案，再通過DCS開展相關(guān)操作，這樣更有助于提升運行效率；同時，外掛式的模式更加便于驗證優(yōu)化算法的實施效果，滿足及時調(diào)整優(yōu)化策略、不斷提高算法可行性的運行要求。

5 結(jié)語

根據(jù)Ovation DCS的特點，提出了基于Ovation DCS的火電機組廠級AGC負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)架構(gòu)，并基于單片機系統(tǒng)對外掛式電路板的軟硬件進行了設(shè)計，給出了詳細的設(shè)計方案；同時，分析了廠級AGC負荷優(yōu)化分配軟件模塊功能，給出了不同工況下的運行模式。所提出的系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)及設(shè)計方案充分發(fā)揮了單片機硬件的特點，并能夠有效調(diào)整優(yōu)化算法，更好地動態(tài)實現(xiàn)負荷優(yōu)化分配功能。

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