基于单片机的Ovation DCS负荷优化分配模块设计

孙 勇，阙华坤，林国营

（广东电网有限责任公司 电力科学研究院，广州 510080）

厂级负荷优化分配是电力系统运行研究的主要内容之一，系统设计与实现方面，相关负荷优化分配模块已有相对成功的运行经验[1]。

国内研究方面，文献[2-3]提出了在厂级监控信息系统基础上，采用基于微软.NET Framework解决方案和B/S多层架构的思想及相应的高级语言来设计厂级负荷优化分配应用软件。文献[4]提出了在厂级监控信息系统平台下的多机组火力发电厂供电煤耗计算及管理系统的开发，采用高级语言Delphi开发出的32位负荷优化分配系统应用程序。文献[5]提出了基于SIS平台的火电厂厂级负荷优化分配系统设计，采用微软的VC++6.0软件编制相应的算法程序和控制界面。文献[6]将系统嵌入到电厂现有的控制系统中，实现了系统与电厂控制系统共同运行模式的切换，同时采用调整负荷上下限约束条件来保证调峰速率。目前，还没有真正与电厂DCS构成一体化的厂级实时负荷优化分配系统。

以下针对Ovation DCS[7]平台下火电厂厂级AGC负荷优化分配进行相关研究，分析Ovation DCS平台下火电机组厂级AGC负荷优化分配的架构设计，并对采用第三方控制器进行优化分配做出分析。

1 整体架构与思路

厂级AGC系统主要包括机组在线性能计算、系统协调运行控制、实时负荷优化分配三大功能[8]。性能计算主要为经济性负荷分配目标函数的建立提供反映机组性能的数据；协调运行控制主要负责系统与DCS之间的协调运行，保证系统投运后机组及全厂系统的安全、稳定运行；实时负荷优化分配主要在以上两项功能之上完成基于经济性、快速性或多目标的负荷分配任务。利用外挂电路板通过Modbus协议与Ovation系统进行通信获取系统运行参数，然后在线进行性能计算分析和负荷优化分配。

所设计的外挂式电路是基于单片机实现的。单片机通过Modbus协议[9]与Ovation系统进行通信，获取负荷分配所需数据，然后进行负荷优化分配并依据系统给出的读取指令，将相应的计算结果传给Ovation。

外挂电路板包括单片机最小系统、RS485通信电路和供电电路。其核心为51内核单片机。为了减少相互间的干扰，在单片机与RS485通信模块之间设置了光耦隔离并且使用隔离的电源网络对RS485通信模块供电。整体电路架构如图1所示。

图1 整体电路架构Fig.1 Overall circuit architecture

2 系统硬件设计

2.1 单片机最小系统

基于数据总线宽度、寻址能力、存储大小、指令功能、执行速度、中断能力以及较好的适应环境的能力等方面考虑，采用STC90C516AD单片机作为微控制器，其指令代码兼容传统8051单片机，时钟频率为24 MHz，可以工作在6 T和12 T模式下。其程序存储器（ROM）容量为64 kB，数据存储器（RAM）容量为4352 B，工作电压为3.3～5.5 V，通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。单片机最小系统如图2所示。

图2 单片机最小系统Fig.2 SCM minimum system

2.2 电源电路

电路板的接入电压为交流的220 V市电，由于单片机的工作电压为3.3～5.5 V，因此需要通过电源转换模块将市电经过变压、整流、滤波、稳压后转换为直流5 V电压，为整个电路板供电。所设计的在线性能计算模块选用了SANGMEI AC 220 V/DC 5 V电源转换模块，其额定功率为3 W。

除单片机工作需电源供电外，本电路中的RS485模块工作也需要提供电源。使用B0505S DCDC器件产生一组与微处理器电路完全隔离的电源输出，用于向RS485通信模块提供+5 V电源，其额定功率为1 W。

电源模块电路原理如图3、图4所示。

图3 交流220 V转直流5 V电压转换电路Fig.3 Voltage conversion circuit of 220V AC to 5V DC

图4 B0505S直流转直流电压隔离电路Fig.4 B0505S voltage isolation circuit of DC to DC

2.3 光耦隔离电路

如图5所示，采用PS2501光耦隔离原件将单片机最小系统和RS485通信模块之间进行隔离，以减小两端之间的相互干扰。单片机UART串口的RXD、TXD通过光电隔离电路连接SP485R芯片的RO、DI引脚，控制信号R/D同样经光电隔离电路去控制SP485R芯片的DE和RE引脚。

由单片机输出的R/D信号通过光电隔离器件控制SP485R芯片的发送器/接收器使能。R/D信号为“1”，发送器有效，接收器禁止，此时单片机可以向RS485总线发送数据字节；R/D信号为 “0”，则SP485R芯片的DE和RE引脚为“0”，发送器禁止，接收器有效，此时单片机可以接收来自RS485总线的数据字节。任一时刻，SP485R芯片中的“接收器”只能够有1个处于工作状态。

电路中光电耦合器件的速率将会影响RS485电路的通讯速率。受PS2501芯片的响应速率影响，本模块只可保障RS485接口电路的通讯速率在19200 b/s以下正常工作。

2.4 RS485通信电路

RS485通信电路采用SP485R芯片，单片机通过该电路与Ovation DCS进行Modbus通信。在线性能计算模块采用RS485通信电路，如图6所示。

图6 RS485通讯电路Fig.6 RS485 communication circuit

SP485R芯片是由业内专业的通讯接口器件厂商Sipex公司设计生产的高性能RS485收发器，能够替换通用的RS485收发器，并在许多方面有所增强。包含更高的ESD保护和高接收器输入阻抗等性能。接收器输入高阻抗，可以使400个收发器接到同一条传输线上，又不会引起RS485改送器信号的衰减。

RS485接口电路的主要功能是将来自处理器的改善信号TX通过“发送器”转换成通信网络中的差分信号，也可以将通讯网络中的差分信号通过“接收器”转换成被微处理器接收的RX信号。任一时刻，RS485收发器只能够工作在“接收”或“发送”2种模式之下，因此，必须为RS485接口电路增加一个收/发逻辑控制电路。另外，由于应用环境的各不相同，RS485接口电路的附加保护措施也是必须考虑的环节。

3 系统软件设计

3.1 主要功能模块设计

厂级AGC系统负荷优化分配软件从功能上可分为3个模块：信号及数据收发模块、煤耗特性在线计算模块和遗传算法优化分配模块，如图7所示。

图7 软件设计结构Fig.7 Software design architecture

信号及数据收发模块该部分主要涉及与底层DCS的接口，具有承上启下的作用，由于实际过程中信号及数据的接收和发送基本原理及处理方法非常相似，因此在软件设计上将这两部分结合起来。该部分可以分成3个较小的功能块：①通过电厂现有的DCS网络接收电厂各机组负荷指令；②读取机组及辅机等运行实时数据及组态界面人工输入的辅助参数，并将接收到的数据送至煤耗特性曲线在线拟合模块和遗传算法模块；③将优化负荷指令发送到各台机组的CCS，通过机组CCS完成负荷的调节和控制。

煤耗特性曲线在线拟合模块该模块按照程序设置的刷新时间，从数据收发模块读取机组的负荷及对应的煤耗量数据，运用等效焓降法、反平衡法进行分析，计算出单元机组的煤耗特性，进而拟合出煤耗特性曲线，并将各台机组的煤耗特性曲线系数送至遗传算法模块供负荷优化计算使用，同时将新的煤耗特征曲线系统送入电厂数据库系统，供电厂图形显示模块及电厂性能计算使用。

优化计算模块该模块接收由数据收发模块和曲线拟合模块传送的实时数据及煤耗特征曲线参数，通过遗传算法实现机组负荷优化分配计算。由于传统的遗传算法收敛慢、运算量大、耗时长，只能进行静态分配，厂级AGC系统负荷优化分配软件的设计采用了具有针对性的加速遗传算法，通过实数编码、双倍初始种群生成法、变参数法和压缩空间法提高了算法效率，实现了动态负荷分配。最终分配数据将发送至数据接收模块，再由数据结果将分配数据发送到机组CCS，遗传算法模块还将优化后的机组负荷指令送入电厂数据库系统，供电厂显示和数据分析使用。

3.2 辅助功能模块设计

电厂的实际运行状况比较复杂，在实际运行中出现故障或突发事件是不可避免的，相关的应急预案具体如下：

（1）当中调通讯故障或调度指令故障时，必须考虑使用之前同工况条件下的负荷分配数据继续运行或采用通过手动输入各机组负荷的方式保持机组继续正常运行；

（2）当厂级AGC控制器损坏或系统严重出错导致计算结果大大偏离实际情况时，必须迅速退出厂级AGC系统程序，采用原来的中调直控各机组负荷的方式保持机组的正常运行；

（3）由于传送到AGC系统的信号为电平保持信号，因此在机组运行过程中一旦长时间出现掉电情况，就必须退出厂级AGC负荷优化分配系统，仍然采用中调过来的负荷指令指导机组继续运行。

这就要求火电厂的控制系统能够快速地调整控制策略来处理问题，保证全厂机组运行的稳定安全。因此，厂级AGC系统要真正地在线实施并稳定运行，除了实现全厂机组负荷实时优化分配功能以外，还必须兼具多种控制模式以及逻辑保护的功能。

3.2.1 最优运行模式

最优模式下，厂级AGC系统通过负荷优化分配软件实时的读取各台机组的运行状态信息，对机组性能进行分析，给出全厂负荷最优分配值。在此状态下，当中调给出的负荷变动大于厂级负荷调节死区时，负荷优化分配软件开始计算。此外，最优模式下还设计了手动设定机组性能参数的功能，以应对从公共环网读取数据异常的情况。

3.2.2 最快运行模式

快速模式，即按照一定比例简单地分配全厂总负荷，同时具备自动分配和手动设定2种功能，前者即每台机组负荷取平均值，后者则由操作员根据各台机组可调容量比例及运行经验来设定各台机组的负荷分配比例来进行分配。由于最优分配模式下，需要同时考虑各台机组煤耗、中调负荷指令、变负荷率、上下负荷保留限以及各机组指令最大差值等因素，当其中某一因素出现信号故障时，负荷优化分配软件将无法正常运行。而使用快速模式可以进行简单快捷的负荷分配，节省运算时间，同时受到输入信号限制的较少，可以应对特殊工况。

3.2.3 逻辑保护模块

在电厂实际运行中，中调给出的负荷指令变动大多集中在某些时间段，大部分时间机组运行的负荷目标值都是稳定的，因此，在厂级AGC系统的最优运行模式下，负荷优化分配软件也无需对所有时段的负荷调度都进行优化运算，不必要一直循环运行。为了增强厂级AGC系统的稳定性，节省运算器资源，进一步设计了厂级AGC系统逻辑保护功能。其设计思路如图8所示。

图8 稳态逻辑判断流程Fig.8 Steady-state logic flow chart

4 应用效益分析

基于单片机的Ovation DCS负荷优化分配模块的设计，既发挥了单片机设计灵活、实现简单的特点，又便于对模块运行情况进行有效监控，针对采用的智能优化控制算法不断完善模块设计，及时完成软件改造。

外挂系统从Ovation DCS提取相关数据，在单片机中按照优化控制算法进行计算，实现厂级负荷实时分析，并给出运行模式下优化策略，形成运行方案，再通过DCS开展相关操作，这样更有助于提升运行效率；同时，外挂式的模式更加便于验证优化算法的实施效果，满足及时调整优化策略、不断提高算法可行性的运行要求。

5 结语

根据Ovation DCS的特点，提出了基于Ovation DCS的火电机组厂级AGC负荷优化分配系统架构，并基于单片机系统对外挂式电路板的软硬件进行了设计，给出了详细的设计方案；同时，分析了厂级AGC负荷优化分配软件模块功能，给出了不同工况下的运行模式。所提出的系统软硬件架构及设计方案充分发挥了单片机硬件的特点，并能够有效调整优化算法，更好地动态实现负荷优化分配功能。

[1]方彦军，董政呈.基于ARM Linux的火电机组在线性能监测系统[J].自动化与仪表，2014，29（8）：1-4，8.

[2]郭斌，康松.火电厂各机组间负荷调度实时优化自动控制系统的研究[J].发电设备，2001，15（6）：26-30.

[3]马晓茜，王毅，廖艳芬.火电厂机组负荷优化调度软件系统的设计与实现[J]．华南理工大学学报：自然科学版，2006，34（6）：112-116.

[4]戴新，孙葆名.多机组火力发电厂供电煤耗计算及管理系统的开发与研制[D].北京：华北电力大学，2002.

[5]姜松，张光.基于SIS平台的火电厂厂级负荷优化分配研究[D].北京：华北电力大学，2006.

[6]卢连成，肖凌涛，温柏坚，等.湾电厂厂级自动发电控制系统的设计与实现[J].电力系统自动化，2011，35（17）：111-115.

[7]王继华，严明，张伟，等.Ovation系统虚拟仿真技术研究与实现[J].电力科学与工程，2014，30（4）：43-47.

[8]罗坤，方源，方彦军.基于美国ABB公司DCS的火电机组在线性能计算研究与实现[J].热力发电，2011，40（5）：39-41，44.

[9]吴梅，方彦军.DCS下火电机组在线性能计算的实现[J].电站系统工程，2014，30（3）：55-57.