CN102193532B - 火电厂单元机组自启停优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火电厂单元机组自启停优化控制系统，其特征在于：由DCS标准控制算法组态生成的基本控制逻辑运行于DCS过程控制器，应用于单元机组启动和停机过程中各工艺设备和工艺参数的自动控制；运行于优化控制器的优化计算软件，应用于单元机组启动和停机过程中主要工艺参数目标值和目标值变化速率的在线优化计算，以及多目标优化控制律的拟合和学习；优化控制器与DCS之间具有双向数据通信功能，能够完成DCS数据的采集，并将优化计算结果写入DCS实时数据库以实现在线优化。自启停优化控制方法由基本控制、优化计算、通信接口和在线优化四个部分功能组合在一起实现，从而大大提高了火电厂单元机组自启停控制系统的实用性和适用性。

Description

火电厂单元机组自启停优化控制系统

技术领域

本发明涉及一种工业生产过程的优化控制系统，具体是一种火电厂单元机组自启停在线优化控制系统，属于工业自动控制领域。

背景技术

机组自启停控制系统(英文为Automatic Plant Start-up & Shut-down System，又简称APS)是火电厂单元机组自动控制系统中最高一级的控制功能。在机组启停过程中，APS接受机组闭环控制系统MCS、汽轮机数字电液调节系统DEH、锅炉燃烧控制系统BMS、锅炉/汽轮机顺序控制SCS、电气控制系统ECS等控制系统来的信号，并根据条件判断、定时、计算处理等一整套APS控制逻辑，向上述控制系统中的相应功能组、功能子组、设备级和闭环调节回路发出控制指令，从而自动完成整个单元机组的启动和停机。

APS的设计目的是通过采用计算机和自动控制技术，实现机组启动和停止过程的自动化。使机组的启停更便捷、更安全、更可靠、更长寿、更灵活、更省时、更节能。其优势在于可以提高机组启、停的正确性、规范性，大大减轻运行人员的工作强度，缩短机组启、停时间，使机组采用最经济参数和较少的工质消耗转入正常运行方式。

一个功能完善的APS要求在对机组工况全面、准确和快速监测的基础上，及时地根据启停过程中各工艺流程和热力系统的需要/可能，自动完成各设备的顺序切投，并通过各种最佳启停参数的计算和确定，保证机组能在冷态、温态、热态、极热态等不同方式下安全、快速、经济地完成启动直至带设定负荷运行；或者按长期和短期等方式安全、稳定地停运，将机组负荷逐步降到零。

由于大容量火力发电机组是一个相互关联的复杂而庞大的热力系统，在启停过程中，主要工艺控制对象又处于大幅度变化中。因此，单纯采用常规的控制方法和控制策略实际很难满足上述的设计目标。在对现有的技术文献检索发现，尽管有少量从国外成套引进的机组和国内新建的大容量高参数机组设计过所谓“一键启停”的APS控制功能，实现了启停过程中基本的顺序控制逻辑，但由于都不具备与机组启/停经济性相关的在线优化和监控功能，仅仅只是一个更上一层的顺序控制功能，实际应用效果不尽理想。以至于APS功能在大型火电厂单元机组热工自动控制系统中仍没有得到有效的推广应用。

随着各种可再生和清洁能源在电网中的比例逐步增加，以及节能调度等电网运行方式的转变，越来越多的大容量火力发电机组将采用深度调峰甚至两班制方式运行，机组启停次数大大增加，对机组启停运行方式下的快速性、安全性和经济性的要求也将进一步提高。APS的必要性和重要性将进一步凸显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以进一步提高火电厂单元机组自启停控制系统实用性和有效性的优化实现方法，通过将在线优化控制软件和分散控制系统DCS基本控制策略有机组合在一起来实现火电厂单元机组自启停在线优化控制系统。本发明的具体技术方案是按照以下方法具体实现的：

火电厂单元机组自启停优化控制系统的主要硬件和软件包括分散控制系统DCS的过程控制器(1)、人机接口站(2)、网络通信接口(3)、在线优化控制器(4)及其相关软件；其特征在于：所述的在线优化控制器(4)通过网络通信接口(3)与连接在同一网络上的DCS过程控制器(1)和人机接口站(2)连接，并能与DCS实时数据库及过程控制器(1)实现双向数据通信，通过应用编程接口API方式获得单元机组的实时数据，同时，还可以采用文件传输协议FTP从运行于人机接口站(2)中的历史数据库获得单元机组运行的历史数据；同时通过自启停优化软件进行实时在线计算，并将优化控制结果写入实时数据库；从而实现单元机组自启停优化控制功能。其中，在线优化控制器(4)可采用上位机形式，通过局域网和DCS网络通信接口(3)与DCS相连；或将C/C++编写的自启停优化计算软件直接宿主于DCS人机接口站(2)中。

而本发明的单元机组自启停优化控制方法具体是将基本控制、拟合计算、通信接口和在线优化有机结合在一起来实现的，该方法包括四个步骤：

步骤1a：由DCS标准控制算法组态生成的APS基本控制逻辑运行于过程控制器(1)，可以按照断点的方式，完成单元机组启动或停机过程中各工艺设备和工艺参数的自动控制，并在基本控制逻辑中的工艺参数目标值和目标值变化速率回路中设计有与优化计算软件的算法接口；

步骤1b：由C/C++编写的自启停优化计算软件运行于在线优化控制器(4)，完成单元机组启动和停机过程中主要工艺参数目标值和目标值变化速率等优化参数的分段多目标优化控制率的在线计算；

步骤1c：由C/C++语言编程的DCS数据通信接口软件分别运行于DCS人机接口站(2)和在线优化控制器(4)，实现在线优化控制器(4)与DCS过程控制器(1)之间的双向数据通信，完成步骤1a基本控制逻辑中相关DCS实时数据量的采集，并将步骤1b中的自启停优化计算结果作为DCS实时数据点写入DCS实时数据库；

步骤1d：将DCS实时数据库中的优化计算结果迭加到过程控制器(1)基本控制逻辑的工艺参数目标值和目标值变化速率回路的接口算法中，从而实现单元机组自启停的在线优化控制功能。

其中，步骤1b中所述的的主要工艺参数目标值和目标值变化速率的分段多目标优化控制律是按照以下具体步骤实现的；

步骤2a：采用FTP方式和远程磁盘镜像定期获得并存储相关的DCS历史数据；

步骤2b：采用基于现有技术的数值拟合或神经网络方法，通过带入步骤2a获得的历史数据，并按照不同的断点分段，逐一拟合完成各个主要工艺参数的优化目标值和目标值变化速率等的多目标优化控制律：

SP_ij＝f(X_1ij，X_2ij，......X_nij)

这里SP_ij是所要进行优化计算的目标值和目标值变化速率等参数；X_1ij～X_nij是与目标参数SP_ij相关的第1～n个DCS过程参数；其中下标i和j分别代表不同的优化参数和不同断点；

步骤2c：将步骤2b拟合得到的多目标优化控制律写入自启停优化计算软件，即可根据当前机组所处的断点状态和实时采集到的DCS过程参数，以设定的计算周期实时完成相应优化参数的在线计算。

本发明的有益效果是与现有的技术相比，所采用的技术方案通过将在线优化控制方法与DCS基本逻辑结合在一起，实现单元机组自启停过程中的优化控制，具有实用可靠，易于调整的特点，可以有效地提高机组自启停控制系统的适用性和有效性。

附图说明

附图1是自启停控制系统的系统结构示意图；

附图2是自启停在线优化控制系统的软件流程框图；

附图3是自启停在线优化控制系统的典型接口逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图1～附图3来对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施并给出了具体的实施方式和系统结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在某电厂配塔式本生直流锅炉的350MW单元机组自动控制系统中，采用附图1所示的自启停优化控制系统。这里，优化控制器4运行于DCS系统的一台人机接口站中，可以通过DCS系统的API直接与DCS实时数据库实现双向通信。

APS基本控制软件是采用DCS的控制算法按照分层分步的软件结构来实现的，即APS基本控制逻辑由多个按断点和步序串接、顺序执行的DCS控制逻辑组成，可以实现自动按预定次序完成单元机组启动和停机过程中各个工艺设备的投入和出系，运行方式选择以及工艺参数和控制回路目标值的设定。

在基本控制逻辑中，分别根据启动和停机两种方式设定了多个启动断点和停机断点。断点是根据火电厂单元机组启动和停止过程中的完成时间和运行目标等工艺特点，将整个启动和停止的顺序控制逻辑划分成可以由运行人员进行干预的多个相对独立、逻辑结构相似的节点，每个断点逻辑中又包含有逻辑结构相似的多个执行步序。其中，断点又根据其特点区可分为“软”断点和“硬”断点两种。

“软”断点是由多个断点组成的自启停控制逻辑在执行过程中，可不需要人工干预，从第一个断点自动地顺序执行到所有断点完成，也可以人工干预在某个中间断点暂停，并由运行人员再次激活后，继续执行下一断点的控制逻辑；“硬”断点是单元机组启动和停止过程中，由于设备安全性原因和存在不可连续在线测量的重要参数而设置的断点，在完成之前的断点控制逻辑之后，在“硬”断点处必须经过运行操作人员的确认，控制逻辑才能继续后续的断点控制逻辑；

在DCS中采用现有技术完成APS的基本控制逻辑设计和控制组态，并下载到DCS过程控制器中运行。

如果自启停控制系统的目标值确定方法仅采用单一或固定的设定值，对于整个机组的启停过程而言是极不恰当的。为此，本实施例采用了一种基于分段多目标优化的设计方法，从分段优化的角度出发确定控制系统的多个优化目标值。每个需要进行优化计算的主要工艺参数的优化目标值和目标值变化速率在基本控制逻辑中都设计了与优化控制软件的接口，典型逻辑参见附图3，即：

优化目标值(目标值变化速率)＝基本逻辑设定值+优化计算软件输出

在本实施例中，APS优化计算软件中所要计算的工艺参数目标值具体包括汽轮机进口主蒸汽压力、汽轮机进口主蒸汽温度、汽轮机转速、机组负荷设定，目标值变化速率包括锅炉升压率、汽机升速率和机组升负荷率设定。

各主要工艺参数的优化目标值和目标值变化速率等的多目标优化控制律SP_ij＝f(X_1ij，X_2ij，……X_nij)分别采用线性多项式和神经网络方法进行拟合。

当采用线性拟合方法时，每个分段的多目标优化控制律均可表达为一线性多项式：

SP_ij＝a_1ij×X_1ij+a_2ij×X_2ij，……+a_nij×X_nij

这里SP_ij是所要进行优化计算的目标值和目标值变化速率等目标参数；其中下标i代表不同的目标参数，j代表不同断点；X_1ij～X_nij是与目标参数SP_ij相关的第1～n个DCS过程参数；a_1ij～a_nij是通过历史数据拟合出的第1～n个权值；

当采用神经网络拟合方法时，每个分段的多目标优化控制律均可表达为一个基于现有技术的标准神经网络结构：

SP_ij＝f(a_1ij×X_1ij，a_2ij×X_2ij，……a_nij×X_nij)

这里SP_ij是所要进行优化计算的目标值和目标值变化速率等目标参数；其中下标i代表不同的目标参数，j代表不同断点；X_1ij～X_nij是与目标参数SP_ij相关的第1～n个DCS过程参数；a_1ij～a_nij是采用神经网络拟合出的第1～n个权值；

通过采用人工神经网络和机组运行历史数据进行离线学习，可以获得每个优化参数在每个断点的多目标优化控制律。优化计算软件的功能就是根据基本控制软件中设计的断点，通过DCS采集到的机组工艺参数和相关输入点的实时数据，按由数值拟合或人工神经网络学习生成的分段多目标优化控制律，完成单元机组启停过程中工艺参数目标值和目标值变化速率的实时优化计算，并将计算结果通过通信接口软件输出到DCS实时数据库，叠加于DCS基本控制逻辑中的目标值形成回路，从而实现优化控制功能。

在本实施例中，优化控制功能中的工艺参数目标值和目标值变化速率的分段多目标优化控制律具体是按照以下方法和步骤实现的：

步骤一：运行在线监控软件，采集DCS相关输入点的历史数据；

步骤二：用在线监控软件上启动神经网络参数离线学习功能，通过带入步骤一获得的历史数据，按照不同的断点逐一完成相应的线性函数或人工神经网络参数(权值和阈值)的整定，并将参数填入优化计算软件采用人工神经网络或数值拟合公式实现的分段多目标优化控制律中；

步骤三：通过通信接口软件从DCS采集主要工艺参数和相关输入点的实时数据；

步骤四：从DCS基本控制软件获得当前执行的断点和步序执行信息；

步骤五：将步骤三和步骤四获得的数据，带入优化计算软件中的分段多目标优化控制律，分别计算出当前的各目标值和目标值变化速率；

步骤六：将得到的目标值和目标值变化速率优化计算结果通过通信接口软件写入DCS实时数据库；

步骤七：在基本控制软件的目标值和目标值变化速率形成回路中，具有与优化计算软件的接口，可以将步骤六得到的计算结果叠加在相应的控制回路中，从而完成自启停的在线优化功能。

Claims (3)

1.一种火电厂单元机组自启停优化控制系统，包括分散控制系统DCS的过程控制器(1)和人机接口站(2)、网络通信接口(3)、在线优化控制器(4)及其相关软件；其特征在于：所述的在线优化控制器(4)通过网络通信接口(3)与DCS过程控制器(1)和人机接口站(2)连接，实现与DCS过程控制器(1)及DCS实时数据库的双向数据通信，以获得单元机组的实时数据并将在线优化控制器(4)的优化参数写入DCS实时数据库；同时，通过标准的文件传输协议FTP从运行于人机接口站(2)中的DCS历史数据库获得单元机组运行的历史数据，以完成APS多目标优化控制律的整定，从而实现单元机组自启停优化控制功能；具体是由基本控制、优化计算、通信接口和在线优化四个步骤组合在一起实现的：

步骤1a：由DCS标准控制算法组态生成的基本控制逻辑运行于过程控制器(1)，并按照断点的方式，完成单元机组启动和停机过程中各工艺设备和工艺参数的自动控制；同时，在基本控制逻辑中的工艺参数目标值和目标值变化速率回路中，设计有与优化参数的算法接口；

步骤1b：由C/C++编写的APS优化计算软件运行于在线优化控制器(4)，完成单元机组启动和停机过程中主要工艺参数目标值和目标值变化速率的分段多目标优化控制率的实时在线计算；

步骤1c：由C/C++语言编程的DCS数据通信接口软件分别运行于DCS人机接口站(2)和在线优化控制器(4)，实现在线优化控制器(4)与DCS过程控制器(1)之间的双向数据通信，完成步骤1a的基本控制逻辑中相关DCS实时数据量的采集，并将步骤1b中的优化计算结果作为DCS实时数据点写入DCS实时数据库；

步骤1d：将DCS实时数据库中的优化参数结果迭加到过程控制器(1)基本控制逻辑的工艺参数目标值和目标值变化速率回路的接口算法中，从而实现单元机组自启停的在线优化功能。

2.如权利要求1所述的一种火电厂单元机组自启停优化控制系统，其特征在于：所述步骤1b中的主要工艺参数目标值和目标值变化速率的分段多目标优化控制律具体是按照以下具体步骤实现的；

步骤2a：通过FTP和远程磁盘镜像定期获得相关的DCS历史数据；

步骤2b：采用基于现有技术的数值拟合或神经网络方法，通过带入步骤2a获得的DCS历史数据，并按照不同的断点，逐一拟合完成各主要工艺参数的优化目标值和目标值变化速率的多目标优化控制律：

SP_ij＝f(X_1ij，X_2ij，……X_nij)

这里SP_ij是所要进行优化计算的目标值和目标值变化速率参数；X_1ij～X_nij是与目标参数SPij相关的第1～n个DCS过程参数；其中下标i和j分别代表不同的优化参数和不同断点；

步骤2c：将步骤2b拟合得到的多目标优化控制律写入优化计算软件，即可根据当前的断点和实时采集到的DCS过程参数，以设定的计算周期实时计算得到优化结果。

3.如权利要求1所述的一种火电厂单元机组自启停优化控制系统，其特征在于：所述的在线优化控制器(4)采用上位机形式，通过网络通信接口(3)与DCS相连；或者直接宿主于DCS人机接口站。

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