電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用中的抗干擾技術(shù)

徐龍濤

（上海能源科技發(fā)展有限公司，上海）

前言

在我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，以DCS 為基礎(chǔ)的電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)展，為電廠現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)自動(dòng)化提供了充足支持。但是，現(xiàn)有電廠熱工控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中頻現(xiàn)干擾問(wèn)題，不僅影響了系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且對(duì)電廠生產(chǎn)作業(yè)效率造成了較大沖擊。因此，探究抗干擾技術(shù)在電廠熱工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電廠熱工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電廠熱工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電廠熱工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 中的電廠熱工控制系統(tǒng)DCS 由優(yōu)化站、主交換機(jī)、冗余交換機(jī)、Modbus 方式（單主站的主/從通信模式）、OPC 服務(wù)器、通信服務(wù)器、主控制器、冗余控制器組成，比較運(yùn)算遵循原有DCS（Distributed Control System，分散控制系統(tǒng)）開(kāi)放通訊協(xié)議、OPC 方式（OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口），經(jīng)硬接線提交數(shù)據(jù)。由圖1 可知，電廠熱工控制系統(tǒng)為分散控制系統(tǒng)，其采用分層次的積木式結(jié)構(gòu)，控制管理模塊由若干操作員站點(diǎn)、工程師站點(diǎn)組成，過(guò)程控制則由若干過(guò)程控制站點(diǎn)組成，整個(gè)系統(tǒng)可分批次、分步驟擴(kuò)展[1]。

2 電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用中的干擾問(wèn)題

電廠熱工控制過(guò)程大面積存在模型不確定性、已知不確定性和未知不確定性干擾問(wèn)題。以鍋爐-汽機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)為例，作為典型熱工控制單元，系統(tǒng)負(fù)責(zé)穩(wěn)定相關(guān)參數(shù)操作，滿足電網(wǎng)電力需求。一般在火力發(fā)電機(jī)組小負(fù)荷運(yùn)行環(huán)境下，借助比例-積分- 微分控制可以實(shí)現(xiàn)抗干擾運(yùn)行。但是，在新能源發(fā)電比例持續(xù)提高進(jìn)程中，火力發(fā)電機(jī)組更多承擔(dān)調(diào)峰工作，需機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷變化幅度進(jìn)一步提升，機(jī)組動(dòng)態(tài)過(guò)程表現(xiàn)為大范圍非線性，比例-積分- 微分控制無(wú)法滿足要求[2]。加之鍋爐-汽機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)嚴(yán)重耦合，內(nèi)部不明干擾繁多，干擾抑制難度較大。比如，鍋爐-汽機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)模型多簡(jiǎn)化構(gòu)建，模型數(shù)據(jù)源于海量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，模型結(jié)構(gòu)、未建模態(tài)、參數(shù)攝動(dòng)等不明干擾疊加出現(xiàn)，不僅沖擊系統(tǒng)控制性能，而且引發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)。若直接采用抑制常值干擾的積分控制方法，需要耦合瞬態(tài)過(guò)程、穩(wěn)定性與魯棒性、跟蹤過(guò)程，致使局部性能被犧牲。如某660MW 燃油汽包爐機(jī)組系統(tǒng)擾動(dòng)狀態(tài)下的典型工況點(diǎn)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)擾動(dòng)狀態(tài)下的典型工況點(diǎn)

擾動(dòng)狀態(tài)下，660MW 燃油汽包爐機(jī)組系統(tǒng)擾為多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，狀態(tài)變量之間耦合態(tài)勢(shì)明顯，汽包內(nèi)混合流體密度非線性變化促使以往反饋線性設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋控制實(shí)現(xiàn)難度較大。

3 電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用中的抗干擾技術(shù)方案

3.1 自抗擾技術(shù)結(jié)構(gòu)

電廠熱工控制系統(tǒng)中，抗干擾技術(shù)具有自抗擾性質(zhì)。自抗擾性質(zhì)的抗干擾技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 自抗擾性質(zhì)的抗干擾技術(shù)結(jié)構(gòu)

圖2 中，TD 跟蹤微分器、SEF 狀態(tài)誤差反饋控制器、ESO 非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器共同組成抗干擾結(jié)構(gòu)。跟蹤微分器是求取自抗擾控制期間微分信號(hào)的主體，表現(xiàn)為快速無(wú)超調(diào)跟蹤輸入信號(hào)，形式如下：

式（1）中，e 為濾波因子；v1為參考輸入信號(hào)的跟蹤信號(hào)；v0為設(shè)定值；fhan 為綜合函數(shù)；h 為綜合函數(shù)的積分步長(zhǎng)（跟蹤微分器工作積分步長(zhǎng)）；v2為參考輸入信號(hào)的微分信號(hào)；r0為可調(diào)速度參數(shù)，對(duì)跟蹤速度具有決定性影響[3]。

ESO 是自抗擾控制器產(chǎn)生的基礎(chǔ)，可在對(duì)象模型不明情況下，將其視為含不確定性擾動(dòng)的積分串聯(lián)結(jié)構(gòu)，貫徹信號(hào)被擴(kuò)張狀態(tài)，進(jìn)而跟蹤模型不明部分（含外部不明擾動(dòng)值）。在跟蹤模型不明部分時(shí)，實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。根據(jù)電廠熱工控制系統(tǒng)非線性、大延遲、不確定的特點(diǎn)，可以設(shè)定ESO 狀態(tài)空間形式如下：

式（2）中，x1、x2、xn、xn-1為輸入擾動(dòng)；y 為輸出。在擾動(dòng)不明的情況下，可以將其擴(kuò)展為新的狀態(tài)xn，xn的末個(gè)狀態(tài)估計(jì)值為原有輸出與輸出信號(hào)跟蹤誤差的和?；诖?，借助ESO，利用常規(guī)積分串聯(lián)形式代替涵蓋不明干擾的非線性不確定目標(biāo)，遵循非線性狀態(tài)誤差反饋控制規(guī)律（NLSEF），完成目標(biāo)控制。

NLSEF 是擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、狀態(tài)反饋誤差控制的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，參數(shù)選擇與控制器帶寬、觀測(cè)器帶寬具有較大聯(lián)系。因高階下NLSEF 需反饋控制參數(shù)眾多，極易輸出含高頻率噪聲微分信號(hào)，增加參數(shù)整定難度[4]。

3.2 克服可測(cè)干擾的技術(shù)

可測(cè)干擾是電廠熱工控制系統(tǒng)常見(jiàn)干擾類型，對(duì)于可測(cè)干擾，因輸入與輸出階次已知，借助降階模型進(jìn)行抗干擾控制器設(shè)計(jì)，極易引發(fā)未建模動(dòng)態(tài)，并在有界干擾下出現(xiàn)失穩(wěn)。此時(shí)，可以利用魯棒自適應(yīng)前饋控制理論，經(jīng)正則化處理，利用有界干擾代替全部未建模動(dòng)態(tài)，并利用相對(duì)死區(qū)技術(shù)，辨識(shí)試湊死區(qū)，確保自適應(yīng)抗干擾長(zhǎng)時(shí)間處于有界穩(wěn)定狀態(tài)。即設(shè)定被控系統(tǒng)輸入可測(cè)干擾，輸出有界不可測(cè)擾動(dòng)，在擾動(dòng)階次上界處于較大狀態(tài)時(shí)，利用降低階次方式。在降低階次處理時(shí)，選取已知參考輸入信號(hào)，解算系統(tǒng)最優(yōu)預(yù)報(bào)方程，獲得最優(yōu)控制解。若輸入信號(hào)擾動(dòng)為白噪聲，則先求解系統(tǒng)將來(lái)時(shí)刻的隨機(jī)干擾，再推到系統(tǒng)當(dāng)前觀測(cè)誤差。在系統(tǒng)當(dāng)前觀測(cè)誤差預(yù)報(bào)時(shí)，遵循最優(yōu)控制律，恰當(dāng)選擇控制輸入，取最小指標(biāo)函數(shù)，并進(jìn)行模型參數(shù)辨識(shí)數(shù)據(jù)向量、參數(shù)向量定義，形成自適應(yīng)抗擾控制閉環(huán)，消除可測(cè)干擾對(duì)系統(tǒng)的不利影響。

3.3 克服未知干擾的技術(shù)

在電廠熱工控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，未知干擾眾多，常規(guī)反饋控制無(wú)法補(bǔ)償未知干擾的不利影響。在干擾因客觀條件限制無(wú)法直接測(cè)量情況下，可以從電廠熱工控制過(guò)程輸出著手，構(gòu)造虛擬干擾估計(jì)器，仿真過(guò)程輸出變化。虛擬干擾控制器由受控過(guò)程、受控過(guò)程動(dòng)態(tài)模型組成，受控過(guò)程動(dòng)態(tài)模型負(fù)責(zé)受控過(guò)程的精確描述，干擾估計(jì)量與未測(cè)干擾一致。因部分電廠熱工控制系統(tǒng)未知干擾含模型失配誤差，受控過(guò)程動(dòng)態(tài)模型含純滯后既右半S 平面零點(diǎn)，物理超前控制受限，可以從受控過(guò)程動(dòng)態(tài)模型中扣除純滯后預(yù)留部分，以內(nèi)?？刂茷榛A(chǔ)，進(jìn)行未測(cè)干擾的抗干擾控制，從源頭規(guī)避干擾不可直接測(cè)量對(duì)電廠熱工控制干擾補(bǔ)償?shù)挠绊?，新的抗干擾控制技術(shù)策略如圖3 所示。

圖3 克服未知干擾的技術(shù)策略

圖3 中，1 為設(shè)定；2 為推理控制；3 為自校正；4為模型；5 為輸出；6 為過(guò)程；7 為輸出預(yù)報(bào)器；8 為控制參數(shù)；9 為總干擾預(yù)報(bào)；10 為干擾；11 為輸出總預(yù)報(bào)值；12 為未知干擾預(yù)報(bào)。

4 電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用中的抗干擾實(shí)踐

4.1 實(shí)踐過(guò)程

以典型電廠熱工控制系統(tǒng)-單元機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)含多變量，由機(jī)爐主控制系統(tǒng)、負(fù)荷被控制對(duì)象、常規(guī)自控制系統(tǒng)組成，具體如圖4 所示。

圖4 典型電廠熱工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 中，機(jī)爐主控制系統(tǒng)（PLC）是依據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況處理外部負(fù)荷指令，依據(jù)機(jī)爐負(fù)荷要求，實(shí)現(xiàn)外部負(fù)荷指令、實(shí)際負(fù)荷指令的轉(zhuǎn)化。

4.2 實(shí)踐結(jié)果

4.2.1 輸出端階躍響應(yīng)

為確定實(shí)踐結(jié)果，設(shè)定仿真時(shí)間為200 s，將設(shè)定值階躍擾動(dòng)施加到主汽壓力、機(jī)組輸出功率、中間點(diǎn)焓值上，得出輸出端階躍響應(yīng)參數(shù)如表2 所示。

表2 660MW 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)抗干擾自控輸出端階躍響應(yīng)參數(shù)

由表2 可知，抗干擾自控技術(shù)可以快速跟蹤設(shè)定值，促使660MW 超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)在某一個(gè)通道（主汽壓力/機(jī)組輸出功率/中間點(diǎn)焓值）發(fā)生階躍擾動(dòng)時(shí)，其余2 個(gè)通道基本不受干擾，通道之間耦合基本被消除。

4.2.2 負(fù)荷下抗擾控制

100%負(fù)荷下，在20 s 時(shí)，將1 個(gè)1 MPa 的正向擾動(dòng)施加到燃料量上。隨后在450 s 時(shí)，將1 個(gè)同樣大小的負(fù)向擾動(dòng)施加到燃料量上，得出燃料量擾動(dòng)下控制量與主汽壓力變化如表3 所示。

表3 燃料量擾動(dòng)下控制量與主汽壓力變化

由表3 可知，在燃料量存在正向擾動(dòng)或負(fù)向擾動(dòng)時(shí)，借助自抗擾控制器，可以在短時(shí)間內(nèi)促使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并限定變化幅度小于0.5 t/h，主汽壓力變化幅度不超出0.1 MPa。表明自抗擾控制器可以在保證電廠熱工控制抗擾快速性的同時(shí)，降低超調(diào)量，改善抗擾性能。

5 結(jié)論

綜上所述，電廠熱工控制系統(tǒng)為分散控制系統(tǒng)，兼具強(qiáng)非線性、大延遲特性，干擾風(fēng)險(xiǎn)較多，且抗干擾控制參數(shù)整定難度較大，無(wú)法保證抗干擾的穩(wěn)定性。因此，應(yīng)立足自抗擾控制器，綜合考慮對(duì)象模型不確定、參數(shù)實(shí)時(shí)變化、外部擾動(dòng)頻繁等因素，增設(shè)相同線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，向觀測(cè)器內(nèi)引入總擾動(dòng)估計(jì)誤差值，有針對(duì)性地進(jìn)行總擾動(dòng)估計(jì)誤差補(bǔ)償，確保電廠熱工控制系統(tǒng)抗干擾性能穩(wěn)定。