1 微機繼電保護測試儀的優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

　　隨著我國電力工業(yè)裝機容量的增加和用電側(cè)負荷峰谷差的增大，大型火電機組經(jīng)常處于低負荷工況下運行。隨之而來的問題是：變負荷工況下機組的能耗特性和控制特性發(fā)生了顯著變化，以機組額定工況條件為主設計的運行及控制系統(tǒng)不能適應長時間在較低負荷下的變工況**經(jīng)濟運行的需要。當前火電機組的自動控制一般是基于給定的參數(shù)定值和跟蹤負荷指令運行的，因此機組變負荷運行時不一定處于*優(yōu)狀態(tài)。研究機組在當前較寬變工況范圍(100%~40%額定負荷)內(nèi)的能耗特性與節(jié)能優(yōu)化控制方法，設計機組在更寬負荷范圍內(nèi)的在線性能分析系統(tǒng)和節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)具有深遠的理論意義和應用價值。

　　為此，我們承擔了國家電力公司的重大科技項目“火電機組變負荷特性及優(yōu)化控制系統(tǒng)研究”的研究任務，項目的意義在于深入揭示火電機組變負荷工況下的內(nèi)在特性變化規(guī)律，并以此為依據(jù)，監(jiān)測其能耗經(jīng)濟性，設計和選擇*佳運行方式，確定相應的節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)，以達到機組能夠在更寬負荷范圍內(nèi)**經(jīng)濟運行的要求。

　　2微機繼電保護測試儀的優(yōu)化控制系統(tǒng)研究

　　隨著國內(nèi)用電市場的變化，各研究機構(gòu)開始重視火電機組節(jié)能耗差及優(yōu)化控制的研究，但這個領(lǐng)域中仍存在一些問題或需要做進一步的工作：

　　1)研究都是定性的，還不能定量描述。在實用負荷范圍內(nèi)，運行方式對能耗影響的規(guī)律尚無準確的方法確定。
　　2)機組額定初壓不同，運行方式對能耗影響的規(guī)律就不同。一般來說超臨界機組滑壓運行的優(yōu)勢較明顯。機組初壓越低，定壓運行的優(yōu)勢越明顯。不同設計參數(shù)的機組運行方式對能耗的影響需要定量研究[1]。
　　3)滑壓運行優(yōu)勢的另一方面在于汽輪機的內(nèi)效率能保持較高的數(shù)值，但不同的機組、不同負荷其內(nèi)效率也不同，這不僅需要理論分析，而且需要實驗才能測定。
　　4)運行方式不同，還會影響再熱汽溫。再熱器欠溫、再熱器噴水減溫對能耗的影響較大。此項能耗偏差仍屬運行方式對能耗影響，但是再熱汽溫特性是鍋爐設備的固有特性，理論分析非常困難，只能對具體機組用實驗方法解決，在目前的一些分析中該項能耗偏差未計入運行方式對能耗率影響的因素，因此，得出的結(jié)論是不**的。
　　5)當前機組控制設備性能已經(jīng)大大提高，廣泛使用集散控制系統(tǒng)(DCS)，為機組優(yōu)化控制提供了物質(zhì)基礎[1]。如何將機組能耗分析結(jié)果與控制相結(jié)合，如提供合理的控制定值等，是節(jié)能優(yōu)化控制的目的之一。
　　6)當前控制系統(tǒng)還廣泛采用PID控制方式，但研究表明，很多控制回路都處于非優(yōu)化整定狀態(tài)。如何準確辨識被控對象特性，并進行控制器參數(shù)優(yōu)化整定，是提高控制系統(tǒng)性能的有效途徑 [2]。

　　3 關(guān)鍵問題的研究及處理

　　3.1 蒸汽初壓對熱經(jīng)濟影響的原因

　　在同一負荷下，以較低初壓運行方式對熱經(jīng)濟性影響為

　　1)選用較低初壓，使理論循環(huán)熱效率降低，熱耗率增大。
　　2)選用較低的初壓，調(diào)節(jié)級壓比變化較小，使調(diào)節(jié)級能保持較高的內(nèi)效率，使熱經(jīng)濟性提高。
　　3)選用較低的初壓，使高壓缸排汽溫度降低不多，再熱器不容易欠溫，可使中低壓缸保持較高的效率。并由此使汽輪機排汽干度增加，使汽輪機尾部內(nèi)效率提高。
　　4)選用較低的初壓，使給水泵壓升減小，節(jié)省泵功。

　　3.2 高準確度機組耗差分析模型建立

　　由于傳統(tǒng)火電機組節(jié)能在線監(jiān)測系統(tǒng)存在流量參數(shù)測量不準、修正曲線準確性差、以靜態(tài)系統(tǒng)為基礎的火電機組節(jié)能在線監(jiān)測不適用寬負荷調(diào)峰等不足[4] [5] [6]，我們新開發(fā)了如下三個數(shù)學模型：

　　1)電廠熱經(jīng)濟性狀態(tài)方程包括三個基本方程[7]：電廠熱力系統(tǒng)汽水分布標準方程、系統(tǒng)內(nèi)部功率輸出方程和鍋爐吸熱量方程，能耗指標是這三個方程聯(lián)合求解的結(jié)果。系統(tǒng)的能耗率只與當前的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)下的熱力學參數(shù)和輔助系統(tǒng)的小汽水流量份額有關(guān)，與主蒸汽流量的**值并無直接關(guān)系。由于熱經(jīng)濟狀態(tài)方程是解析的，它為系統(tǒng)節(jié)能分析提供了新的有力工具。
　　2)凝汽式汽輪機末級流動狀態(tài)判別定理及弗留格爾公式的改進[8]。用我們課題組研究的“斯陀托拉流量實驗部分結(jié)論的證明和弗留格爾公式的改進”，可迅速判別末級所處的流動狀態(tài)，在變工況理論基礎上對處于濕蒸汽區(qū)末一、末二級進行變工況計算，無需迭代可一次算出處于濕蒸汽區(qū)的抽汽焓和排汽焓值(保證誤差在0.5%以內(nèi))。
　　3)耗差分析中的順序擾動解除法[9]。當前運行狀態(tài)可以看作是系統(tǒng)由設計工況經(jīng)一系列擾動得到的，因而可以按一定順序逐漸解除擾動。每解除一個擾動重新進行變工況計算，擾動解除后，計算其能耗率。解除前后能耗率之差即為該項擾動造成的能耗差。該方法保證了能損原因查找率和單項能損偏差準確度。

　　3.3 汽輪機及熱力系統(tǒng)*優(yōu)運行數(shù)學模型建立

　　在任意負荷下總存在著某一蒸汽初壓和調(diào)節(jié)汽門開度滿足當前負荷，微機繼電保護測試儀的優(yōu)化控制系統(tǒng)研究，若機組達到設計要求，在設計工況下，kF)(0kFPfN−=)(0kdddFPfN−=，若機組沒有達到設計要求或運行時其它參數(shù)偏離設計值，則有。當負荷從額定出力逐漸降低時：若保持蒸汽初壓不變，僅改變(減小)調(diào)節(jié)汽門開度，稱為純定壓運行;若保持調(diào)節(jié)門開度不變，即，稱為純滑壓運行。當純定壓運行降低到某一負荷時，設其對應的初壓為，從此狀態(tài)開始，當負荷再降低時，維持初壓)(’’0kdddFPfN−=dPP00=’’kdF’’’’kdkFF=sP0sPP00=不變，僅改變調(diào)節(jié)門開度，這種運行方式稱為定—滑方式運行。定—滑方式運行還存在從什么負荷開始滑和什么時候又開始定的問題。總之，對應某一負荷，可選擇的蒸汽初壓在很大范圍內(nèi)可供選擇。根據(jù)以上的原則，汽輪機的負荷與新蒸汽壓力的*優(yōu)值的關(guān)系應該由(1)式來dPP00≤確定，從而動態(tài)地確定汽輪機的*優(yōu)初壓與負荷的關(guān)系曲線。 

　　3.4 鍋爐部分經(jīng)濟性分析模型建立

　　傳統(tǒng)計算鍋爐效率的反平衡方法是從運行結(jié)果值出發(fā)，測定一系列運行狀態(tài)參數(shù)進而計算得出各項損失，*終得出鍋爐熱效率。通過傳統(tǒng)方法計算得出的*終結(jié)果不能定量反映造成各項損失的原因，不利于在線耗差分析與優(yōu)化控制。我們通過對燃燒理論及鍋爐運行原理的認真研究推理，綜合考慮煤質(zhì)特性及運行工況變化對鍋爐效率的影響，推導出以下解析評估模型：

　　1)鍋爐機械不完全燃燒損失解析評估模型; 4q
　　2)鍋爐排煙溫度應達值解析評估模型;
　　3)運用規(guī)劃數(shù)學原理確定*佳爐膛出口過量空氣系數(shù);
　　4)結(jié)合正、反平衡計算原理，經(jīng)過推導驗證，提出一套新的計算鍋爐效率的計算方法，該方法只需根據(jù)DAS所采集的數(shù)據(jù)進行處理計算，從而實現(xiàn)了鍋爐效率在線計算。

　　3.5 300MW機組控制用數(shù)學模型建立

　　我們采用機理法建立了常用熱力設備及系統(tǒng)的通用動態(tài)數(shù)學模型，編制相應的Matlab自定義函數(shù)，在Simulink中建立了一套通用的熱工過程動態(tài)模型算法庫，包括汽機系統(tǒng)簡化模型、汽機本體數(shù)學模型、除氧器數(shù)學模型、給水回熱加熱系統(tǒng)數(shù)學模型、鍋爐系統(tǒng)蒸發(fā)區(qū)模型、爐膛換熱模型等。由于模型是采用機理法建立的，從本質(zhì)上反映了機組的非線性，較當前控制系統(tǒng)設計中常用的傳遞函數(shù)模型更接近機組實際，為先進控制算法的設計仿真提供了一個通用平臺。為了使模型適用于特定機組，我們研究開發(fā)了通過現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行修正的方法。模型建好后，應根據(jù)設計參數(shù)計算各熱力設備及系統(tǒng)動態(tài)模型的系數(shù)，逐步組態(tài)出各子系統(tǒng)的模型，并進一步連接成更大的模型，*終形成火電機組整體動態(tài)模型。

3.6 控制系統(tǒng)魯棒性分析和參數(shù)整定 

　　由于模型的不**性，所以要求所設計的控制系統(tǒng)應具有一定的魯棒性[10]。為此，我們定義了一個表示魯棒性的指標ε，它能夠反映串級控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的相互作用并清楚地表明每個環(huán)路的魯棒性。與常規(guī)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的整定方法不同，這里每個回路可以分別整定，因此更加靈活[10]。

　　在串級系統(tǒng)設計或整定中，給定一個魯棒性限制條件mγ，解決式(2)的*優(yōu)化問題： ∫∞0)(min21dttedyts mMγμ<Δ)( (2)

　　式(2)中是對象輸出由于內(nèi)環(huán)擾動而產(chǎn)生的偏差，21dye1y2d)(MΔμ為魯棒性指標。

　　魯棒性指標)(MΔμ曲線可以作為串級控制整定的一個評價指標：如果高頻峰值太大則調(diào)低內(nèi)環(huán)的魯棒性，反之則調(diào)高內(nèi)環(huán)的魯棒性;類似的，如果低頻峰值太大則調(diào)低外環(huán)的魯棒性，反之調(diào)高外環(huán)的魯棒性。與傳統(tǒng)反饋控制相似，魯棒性指標應介于3和5之間以取得較好的魯棒性。

　　4 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

　　本系統(tǒng)需要實時獲取機組運行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要包括過程參數(shù)(流量、壓力、溫度等)、輔機功率及離線分析數(shù)據(jù)(如煤發(fā)熱量等)。如何將這些數(shù)據(jù)準確可靠地傳送到計算機系統(tǒng)中進行分析運算，是需要首先考慮的問題。

　　根據(jù)項目依托工程單位300MW機組現(xiàn)狀，其控制系統(tǒng)采用Siemens的Telemerm Me集散控制系統(tǒng)和ABB的Symphony,大部分機組參數(shù)已經(jīng)進入DCS，部分新加參數(shù)無法直接進入DCS的，如主要輔機功率信號等，則通過多功能電能變送器ZD405CT采集，經(jīng)RS485通信線路送往耗差分析計算機。

　　實現(xiàn)方案如圖1所示。該方案分別通過WinIS及ZD405CT獲得機組實時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一方面供耗差分析與優(yōu)化控制系統(tǒng)使用，另一方面上傳至耗差分析服務器，以便在MIS網(wǎng)上顯示耗差分析結(jié)果并提供查詢。本系統(tǒng)中由于增加了獨立的耗差分析服務器，有效地實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)與MIS系統(tǒng)的隔離，辦公室中的PC機上單獨安裝耗差分析客戶端程序。

　　耗差分析系統(tǒng)與WinIS通過SIS(監(jiān)控信息系統(tǒng))網(wǎng)絡相連，并通過SIS網(wǎng)絡將分析計算結(jié)果及操作指導信息提供給系統(tǒng)維護工程師及運行操作員。

　　對于管理人員來說，耗差分析系統(tǒng)分析結(jié)果可以通過MIS網(wǎng)絡，以瀏覽器的方式觀察。該方案的特點是：

　　1)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)合理。在控制網(wǎng)絡與MIS網(wǎng)絡之間增加監(jiān)控網(wǎng)絡SIS，既滿足了耗差分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集實時性的要求，又避免了MIS網(wǎng)絡穩(wěn)定性差對系統(tǒng)的影響;
　　2)便于為不同的使用者提供相應的顯示操作界面。如工程師站、操作員站要求顯示界面內(nèi)容詳實、實時性好、可靠性高，管理人員要求顯示界面操作簡潔、便于使用;
　　3)將廠級自動化系統(tǒng)劃分為SIS(監(jiān)控信息系統(tǒng))與MIS(管理信息系統(tǒng))是當前被普遍認可的方式，SIS主要處理全廠實時數(shù)據(jù)，完成廠級生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理，廠級故障診斷和分析，廠級性能計算、分析和經(jīng)濟負荷調(diào)度等。

　　5 結(jié)論