外掛系統(tǒng)在分散控制系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用

閆 超

（廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司， 廣東惠州 516363）

0 引言

為適應(yīng)電力市場化改革發(fā)展新要求，各發(fā)電機(jī)組必須盡可能地提高機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)[1]。 傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）采用常規(guī)比例-積分-微分PID（proportion integration differentiation） 控制器為基礎(chǔ)的控制策略屬于事后控制方法，對具有非線性、大慣性、大遲延等特性的主汽壓力、主汽溫度、再熱汽溫等熱工系統(tǒng)，難以取得較好的控制效果。為了提高機(jī)組的自動發(fā)電控制AGC（automatic generation control）綜合調(diào)頻能力，適應(yīng)電力市場化改革，需對鍋爐主控、汽機(jī)主控、鍋爐中間點溫度、一二級過熱汽溫、再熱汽溫等控制系統(tǒng)采用先進(jìn)控制策略[2-4]。為保證系統(tǒng)調(diào)試安全與控制策略修改的便利性，隨時下裝邏輯，采用外掛系統(tǒng)容易實現(xiàn)，即通過第三方可編程邏輯控制器PLC（programmable logic controller） 控制設(shè)備與 DCS 系統(tǒng)通信方式實施優(yōu)化控制系統(tǒng)。

1 機(jī)組概況

某廠2×1 000 MW 超超臨界機(jī)組熱工自動化系統(tǒng)全廠采用分層分級的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。全廠網(wǎng)絡(luò)由廠級管理信息系統(tǒng)、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)以及機(jī)組級的控制網(wǎng)絡(luò)、輔助系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。 其DCS 系統(tǒng)采用艾默生公司的OVATION 系統(tǒng)，DCS 實現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬量控制、順序控制、鍋爐爐膛安全監(jiān)控、汽機(jī)旁路控制、電網(wǎng)控制系統(tǒng)等。

2 外掛控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 硬件配置

機(jī)組DCS 側(cè)控制系統(tǒng)采用以PID 控制器為基礎(chǔ)的控制策略，屬于事后控制方法，對于主汽壓力、主汽溫、再熱汽溫等大滯后控制對象來說，難以獲得較好的控制效果。 為了提高機(jī)組的AGC 綜合調(diào)頻能力，需對鍋爐主控、汽機(jī)主控、鍋爐中間點溫度、一二級過熱主汽溫、再熱汽溫采用先進(jìn)控制策略[5-7]。為保證系統(tǒng)調(diào)試安全與控制策略修改的便利性， 采用第三方外掛PLC 系統(tǒng)。 外掛PLC 系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)采用串口通信方式， 外掛PLC 硬件與DCS 系統(tǒng)的LC 卡相連， 完成信息交互。 外掛PLC采用先進(jìn)控制策略，并輔以功能模塊組態(tài)的方式進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計。

LC 卡主要完成DCS 與PLC 之間的通信，是兩種控制系統(tǒng)信息交互的橋梁[8-9]。PLC 所需的現(xiàn)場信息通過LC 卡從DCS 控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫中獲得。PLC 中運算結(jié)果通過LC 卡通信至DCS， 并更新相應(yīng)AO 輸出，控制現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2 外掛PLC 系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)接口邏輯

為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，通信設(shè)計時，除了設(shè)計通信看門狗、通信信號質(zhì)量檢測等外，還需考慮初始化的問題。 DCS 系統(tǒng)與PLC 接口邏輯主要包括鍋爐主控先進(jìn)控制、汽機(jī)主控先進(jìn)控制、給水主控先進(jìn)控制、一級過熱汽溫噴水先進(jìn)控制、二級過熱汽溫噴水先進(jìn)控制、 三級過熱汽溫噴水先進(jìn)控制、再熱汽溫噴水先進(jìn)控制等子回路。

3 先進(jìn)控制系統(tǒng)控制原理

外掛先進(jìn)控制系統(tǒng)包括鍋爐主控先進(jìn)控制、汽機(jī)主控先進(jìn)控制、給水主控先進(jìn)控制、一級過熱氣溫噴水先進(jìn)控制、 二級過熱氣溫噴水先進(jìn)控制、三級過熱氣溫噴水先進(jìn)控制、 煙氣擋板先進(jìn)控制、再熱汽微量噴水先進(jìn)控制共18 個先進(jìn)控制回路，各個先進(jìn)控制回路采用集成化封裝， 便于系統(tǒng)的維護(hù)。各回路主要采用模型預(yù)測控制、自抗擾控制、深度內(nèi)反饋控制為基礎(chǔ)的并與常規(guī)DCS 算法相結(jié)合的新型先進(jìn)控制器APC-PID[10-11]，各回路典型原理如下。

3.1 鍋爐主控先進(jìn)控制原理

蒸汽壓力是鍋爐與汽機(jī)能量平衡的關(guān)鍵指標(biāo)，它的穩(wěn)定反映了鍋爐能量輸入與汽機(jī)能量輸出的匹配， 同時蒸汽壓力關(guān)系到蒸汽溫度及汽機(jī)效率。機(jī)組原有鍋爐主控指令由機(jī)組壓力偏差PID 調(diào)節(jié)及壓力動態(tài)前饋、靜態(tài)前饋并行產(chǎn)生。 先進(jìn)控制策略采用壓力偏差先進(jìn)控制調(diào)節(jié)及負(fù)荷指令的靜態(tài)前饋、動態(tài)前饋，以及反向變負(fù)荷動態(tài)前饋、機(jī)組負(fù)荷指令與負(fù)荷率自適應(yīng)動態(tài)前饋并行產(chǎn)生。鍋爐主控先進(jìn)控制原理如圖1 所示。

圖1 鍋爐主控先進(jìn)控制原理圖

3.2 汽機(jī)主控先進(jìn)控制原理

機(jī)組原來汽機(jī)主控指令由機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷指令，經(jīng)過鍋爐慣性時間常數(shù)得到，經(jīng)過壓力拉回修正，超壓保護(hù)回路生成。 外掛系統(tǒng)汽機(jī)主控指令由負(fù)荷設(shè)定智能延遲，經(jīng)過主汽溫度自適應(yīng)的壓力綜合解耦，機(jī)組負(fù)荷自適應(yīng)的壓力解耦回路以及前饋、 超壓保護(hù)回路等生成。汽機(jī)主控先進(jìn)控制原理如圖2 所示。

圖2 汽機(jī)主控先進(jìn)控制原理圖

3.3 給水主控先進(jìn)控制原理

機(jī)組原來給水指令回路由控制中間點溫度PID 回路產(chǎn)生，不同工況采用不同的慣性時間常數(shù)的傳統(tǒng)控制回路。 外掛系統(tǒng)采用先進(jìn)控制器，一次調(diào)頻、控制偏差、減溫水、鍋爐主控等并行前饋，并經(jīng)高低限幅回路生成。給水主控先進(jìn)控制原理如圖3 所示。

圖3 給水主控先進(jìn)控制原理圖

3.4 過熱汽溫先進(jìn)控制原理

機(jī)組原有過熱器汽溫控制采用2 個PID 串級控制。 外掛系統(tǒng)采用先進(jìn)控制器算法。 以二級A 減溫噴水為例，過熱汽溫先進(jìn)控制原理如圖4 所示。

圖4 過熱汽溫先進(jìn)控制原理圖

3.5 再熱汽溫?fù)醢逑冗M(jìn)控制原理

機(jī)組原有再熱汽溫?fù)醢蹇刂撇捎肞ID 控制。外掛系統(tǒng)采用先進(jìn)控制器算法、 智能前饋回路生成。再熱汽溫?fù)醢逑冗M(jìn)控制原理如圖5 所示。

圖5 再熱汽溫?zé)煔鈸醢逑冗M(jìn)控制原理圖

3.6 再熱汽溫噴水減溫先進(jìn)控制原理

機(jī)組原有再熱汽溫噴水減溫采用PID 控制。外掛系統(tǒng)采用先進(jìn)控制器算法、負(fù)荷智能前饋、再熱汽溫前饋回路產(chǎn)生。 以再熱A 減溫噴水為例，再熱汽溫噴水減溫先進(jìn)控制原理如圖6 所示。

圖6 再熱汽溫噴水減溫先進(jìn)控制原理圖

4 外掛先控系統(tǒng)功能測試

通過設(shè)置通信看門狗程序， 實現(xiàn)外掛系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)監(jiān)測，確保通信正常，允許外掛運行時，運行人員可無擾投入外掛系統(tǒng)。 當(dāng)外掛系統(tǒng)需要修改參數(shù)或控制策略時， 切到原回路控制，然后對外掛系統(tǒng)在線修改下裝，對機(jī)組運行不產(chǎn)生影響，實現(xiàn)外掛系統(tǒng)與本機(jī)無擾切換。

5 優(yōu)化后綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K 值

優(yōu)化前機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K 值只有0.5~0.6， 在輔助調(diào)頻市場激烈競爭環(huán)境下機(jī)組幾乎從不中標(biāo)。 經(jīng)外掛系統(tǒng)優(yōu)化后，機(jī)組綜合調(diào)頻能力有很大提高，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K 值明顯提高，機(jī)組在輔助調(diào)頻服務(wù)市場中標(biāo)成為常態(tài)。 以2020-09-04T8:00—23:00 為例，當(dāng)日調(diào)頻市場出清結(jié)果如表1 所示。表 1 中，K=0.25×（2×K1+K2+K3）。其中，K1為發(fā)電單元響應(yīng)AGC 控制指令的速率；K2為發(fā)電單元響應(yīng)AGC 控制指令的時間延遲；K3為發(fā)電單元機(jī)組響應(yīng)AGC 控制指令的精準(zhǔn)度。

表1 輔助調(diào)頻市場出清結(jié)果

6 結(jié)論

在對機(jī)組主要控制系統(tǒng)采用外掛PLC 系統(tǒng)，內(nèi)部采用先進(jìn)控制策略后，與傳統(tǒng)PID 控制策略相比，提高了機(jī)組AGC 負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，極大地改善了機(jī)組的負(fù)荷控制品質(zhì)， 提高了機(jī)組綜合調(diào)頻能力。外掛系統(tǒng)由于硬件簡單，控制算法先進(jìn)，修改方便，將成為機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化的趨勢。