分布式控制理論在火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用淺析

劉志杰

摘? ?要：火電廠的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量控制系統(tǒng)，它是火電生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分之一，不但復(fù)雜而且還具有很大的不確定性，呈現(xiàn)出強(qiáng)耦合性、大時(shí)滯性、非線性等特點(diǎn)。因此，對火電廠單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究具有非常重要的意義，本文基于分布式控制理論，重點(diǎn)剖析了分布式控制理論在火電機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景，相較于傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)，分布式理論協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)明顯更具優(yōu)勢，能提供更好的控制質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)? 分布式? 穩(wěn)定性

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（c）-0019-02

近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我們國家的電力事業(yè)也取得了非常大的成就，特別是是電力行業(yè)的科技水平更是不斷更新?lián)Q代，在全球能源格局將來越朝著以電為中心轉(zhuǎn)變的今天，再電氣化表現(xiàn)為電力能源對化石能源的廣泛替代。伴隨著電驅(qū)動(dòng)、電加熱、電取暖等技術(shù)和設(shè)施的迅猛發(fā)展，電力能源應(yīng)用的范圍呈幾何式擴(kuò)大。電力能源占終端能源消費(fèi)比重在不斷攀升。從2019年中國發(fā)電量結(jié)構(gòu)圖來看，火電占比高達(dá)72%。火電仍然在電力行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位，雖然近年來，國家大力提倡發(fā)展新清潔能源，并嚴(yán)格限制燃煤火電的發(fā)展，但是在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，火電還是電力能源領(lǐng)域的中流砥柱?；痣姀S是由很多系統(tǒng)和設(shè)備組成的，各個(gè)系統(tǒng)都可能對火電廠的經(jīng)濟(jì)效益造成影響，而單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)作為火電機(jī)組的重要組成之一，對整個(gè)火電廠的運(yùn)行起著極其重要的作用。對單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，能顯著的提高火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

1? 火電廠的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

火電廠單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括以下三部分：

（1）機(jī)爐主控制系統(tǒng);

（2）子控制系統(tǒng);

（3）被控制對象。

一般來說，不同類型的單元機(jī)組，它的各個(gè)控制子系統(tǒng)都有所區(qū)別?；鹆Πl(fā)電機(jī)組的負(fù)荷指令處理機(jī)制包括選擇機(jī)組外部負(fù)荷指令，以及單元機(jī)組在運(yùn)行設(shè)備確定安全的情況下最快響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷指令?；趯?shí)際機(jī)組功率信號偏差、機(jī)前實(shí)際主蒸汽壓力的偏差與機(jī)爐主控制器按負(fù)荷指令的處理給出的實(shí)際功率，按一定的規(guī)律進(jìn)行集中計(jì)算，最后發(fā)出鍋爐和汽輪機(jī)指令，并將指令送回機(jī)爐子控制系統(tǒng)的回路。子控制系統(tǒng)的回路主要有兩個(gè)作用：一是消除內(nèi)外擾動(dòng)產(chǎn)生的各種參數(shù)變化;二是接受機(jī)爐主控器發(fā)出的指令信號，協(xié)調(diào)控制各個(gè)子系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)作。

火電單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要作用是：接受運(yùn)行值班人員的負(fù)荷指令及電網(wǎng)頻率信號，及時(shí)反應(yīng)，并滿足中調(diào)負(fù)荷的變化需要;協(xié)調(diào)機(jī)爐間的運(yùn)行，在機(jī)爐功率波動(dòng)時(shí)，保持機(jī)爐之間能量平衡，維持住機(jī)組主汽壓力的穩(wěn)定性;協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的平衡，消除各種不利擾動(dòng)，穩(wěn)定火電單元機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。

火電單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的主要特性有以下四點(diǎn)：（1）不對稱性，這種不對稱性指的是在響應(yīng)速度上的差異，它不但在結(jié)構(gòu)上有所體現(xiàn)，在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的各種延遲和干擾都使得快速響應(yīng)負(fù)荷指令有一定困難;（2）全過程性，全過程特性是一個(gè)客觀的事實(shí)，電力的產(chǎn)生是連續(xù)的，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)只要機(jī)組還在運(yùn)行就應(yīng)該持續(xù)運(yùn)行，但就目前的協(xié)調(diào)控制水平來說還沒能夠達(dá)到全程不間斷運(yùn)行的水平;（3）復(fù)雜性，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中各被控對象的關(guān)聯(lián)里有很多變量具有耦合關(guān)系，控制對象是在動(dòng)靜態(tài)之間隨時(shí)間變化的，并且協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)之中還有很多隨機(jī)因素;（4）模糊性，根據(jù)實(shí)際設(shè)備情況，模糊地判別實(shí)際工作狀態(tài)的需要是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的另一顯著特性。

火電單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)目前最常見問題有：參數(shù)的整定、控制器的適應(yīng)性、子系統(tǒng)的調(diào)整優(yōu)化，很多火電廠單元機(jī)組型號一致，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也相同，但協(xié)調(diào)控制的質(zhì)量有很大差異，部分機(jī)組可能都不能正常工作，這里面最根本的原因是，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定沒有很好的適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu);單元機(jī)組的控制器適應(yīng)性表現(xiàn)在日常運(yùn)行的很多方面，比如主、輔設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工作環(huán)境的變化等等，要優(yōu)化系統(tǒng)的適應(yīng)性，必先接受先進(jìn)理念，并在日常維護(hù)過程中注意對結(jié)構(gòu)有意識的優(yōu)化;單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化也十分重要，它們調(diào)試水平的好壞和參數(shù)整定是否適應(yīng)系統(tǒng)都會(huì)直接影響到系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

2? 基于分布式控制理論的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

現(xiàn)階段火電廠在實(shí)際生產(chǎn)過程中主要用到的系統(tǒng)方案有三類：第一類是基于多變量解耦理論的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng);第二類是以鍋爐控制為主的控制協(xié)調(diào)系統(tǒng);第三類是基于汽機(jī)控制的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)今的控制理論研究越來越先進(jìn)，出現(xiàn)了一些更前沿的控制算法，如模糊控制，魯棒控制，智能控制，分布式控制，本文主要討論分布式控制理論在鍋爐控制為主的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

目前主流的調(diào)度控制方案大致有三種：集中式，分散式，分布式。傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度方式主要就是集中式，在此方案中，控制中心匯總所有的用電負(fù)荷及發(fā)電機(jī)的信息，然后通過集中計(jì)算出最佳調(diào)度協(xié)調(diào)方案，再根據(jù)計(jì)算出的方案給所有發(fā)電機(jī)發(fā)出指令，盡管集中式的控制計(jì)算模式有很高的效率，但它的局限性也非常突出：（1）控制中心要有很強(qiáng)的計(jì)算能力去收集全部可控單元的信息;（2）此結(jié)構(gòu)的魯棒性很差，只要有節(jié)點(diǎn)退出或加入系統(tǒng)，控制中心就需要做出對應(yīng)調(diào)整;（3）控制中心的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。在分散式控制系統(tǒng)中，各受控對象只需采集本地信息就可以做出決策，而不必和其他子控制器進(jìn)行信息交互。分散式的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：各個(gè)子控制器信息無需交互，所以整體控制成本較低，控制可靠性良好。分散式的缺點(diǎn)在于受控對象難以協(xié)調(diào)，只能實(shí)現(xiàn)一些簡單的控制功能。分布式的控制方式剛好能克服集中式與分散式的缺點(diǎn)，分布式控制對通信可靠性的要求不高，有較好的容錯(cuò)性，也不需要中央控制器將全部對象相聯(lián)通，更不要求關(guān)聯(lián)的電源一定要存在聯(lián)系，但最終可以達(dá)到理想狀態(tài)下集中式系統(tǒng)的效果。

火電廠的單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)的調(diào)整過程中，外界擾動(dòng)、不確定性和延遲都主要存在于鍋爐側(cè)，機(jī)爐的響應(yīng)速度與復(fù)雜結(jié)構(gòu)之間有著強(qiáng)烈的不對稱性。因此，分布式控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)中理想的控制目標(biāo)是協(xié)調(diào)機(jī)爐之間各個(gè)子系統(tǒng)的交互協(xié)作，充分保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組的快速響應(yīng)，以確保電網(wǎng)負(fù)荷的供需平衡。分布式控制系統(tǒng)是把整個(gè)系統(tǒng)依據(jù)其物理結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)特性的不同劃分為若干個(gè)子系統(tǒng)，以便將系統(tǒng)的狀態(tài)變量和控制變量進(jìn)行劃分，并將控制系統(tǒng)的各個(gè)功能劃分為相應(yīng)的子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)預(yù)測控制，最終實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組對電網(wǎng)負(fù)荷變化的快速響應(yīng)。

3? 結(jié)語

電力始終是推動(dòng)工業(yè)發(fā)展、社會(huì)福祉和改善醫(yī)療的驅(qū)動(dòng)力，其重要性將會(huì)越來越大。交通和供暖等終端用戶行業(yè)的廣泛電氣化使電力成為世界能源供應(yīng)中日益增長的支柱。本文在對火電廠內(nèi)的單元機(jī)組現(xiàn)有控制系統(tǒng)的詳細(xì)調(diào)研之后，針對機(jī)爐控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性、時(shí)滯性，探討分布式控制理論控制系統(tǒng)的可行性、優(yōu)越性，可以看到基于分布式控制理論的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有很大的研究價(jià)值，且對于維護(hù)電網(wǎng)長期運(yùn)行的穩(wěn)定性具有非常深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 張興華.鍋爐—汽輪機(jī)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在火電廠中的應(yīng)用[J].江西建材，2016（17）：221，225.

[2] 高玉峰.火力發(fā)電廠鍋爐和汽輪機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略研究[J].信息記錄材料，2019，20（8）：200-202.

[3] 高起棟.分布式預(yù)測控制理論在火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].能源與節(jié)能，2018（6）：174-176.