分布式控制理论在火电厂协调控制系统中的应用浅析

刘志杰

摘   要：火電厂的协调控制系统是一个多变量控制系统，它是火电生产系统的重要组成部分之一，不但复杂而且还具有很大的不确定性，呈现出强耦合性、大时滞性、非线性等特点。因此，对火电厂单元机组协调控制系统的优化研究具有非常重要的意义，本文基于分布式控制理论，重点剖析了分布式控制理论在火电机炉协调控制系统的应用前景，相较于传统的集中式控制系统，分布式理论协调控制系统明显更具优势，能提供更好的控制质量。

关键词：协调控制系统  分布式  稳定性

中图分类号：TM621                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（c）-0019-02

近几十年来，随着我国经济快速发展，我们国家的电力事业也取得了非常大的成就，特别是是电力行业的科技水平更是不断更新换代，在全球能源格局将来越朝着以电为中心转变的今天，再电气化表现为电力能源对化石能源的广泛替代。伴随着电驱动、电加热、电取暖等技术和设施的迅猛发展，电力能源应用的范围呈几何式扩大。电力能源占终端能源消费比重在不断攀升。从2019年中国发电量结构图来看，火电占比高达72%。火电仍然在电力行业中占据主导地位，虽然近年来，国家大力提倡发展新清洁能源，并严格限制燃煤火电的发展，但是在未来很长一段时间内，火电还是电力能源领域的中流砥柱。火电厂是由很多系统和设备组成的，各个系统都可能对火电厂的经济效益造成影响，而单元机组协调控制系统作为火电机组的重要组成之一，对整个火电厂的运行起着极其重要的作用。对单元机组协调控制系统的优化，能显著的提高火电厂协调控制系统的控制品质。

1  火电厂的协调控制系统

火电厂单元机组的协调控制系统包括以下三部分：

（1）机炉主控制系统;

（2）子控制系统;

（3）被控制对象。

一般来说，不同类型的单元机组，它的各个控制子系统都有所区别。火力发电机组的负荷指令处理机制包括选择机组外部负荷指令，以及单元机组在运行设备确定安全的情况下最快响应机组负荷指令。基于实际机组功率信号偏差、机前实际主蒸汽压力的偏差与机炉主控制器按负荷指令的处理给出的实际功率，按一定的规律进行集中计算，最后发出锅炉和汽轮机指令，并将指令送回机炉子控制系统的回路。子控制系统的回路主要有两个作用：一是消除内外扰动产生的各种参数变化;二是接受机炉主控器发出的指令信号，协调控制各个子系统统一协作。

火电单元机组的协调控制系统主要作用是：接受运行值班人员的负荷指令及电网频率信号，及时反应，并满足中调负荷的变化需要;协调机炉间的运行，在机炉功率波动时，保持机炉之间能量平衡，维持住机组主汽压力的稳定性;协调系统内各个子系统的平衡，消除各种不利扰动，稳定火电单元机组的平稳运行。

火电单元机组协调控制系统的主要特性有以下四点：（1）不对称性，这种不对称性指的是在响应速度上的差异，它不但在结构上有所体现，在协调控制系统中的各种延迟和干扰都使得快速响应负荷指令有一定困难;（2）全过程性，全过程特性是一个客观的事实，电力的产生是连续的，协调控制系统只要机组还在运行就应该持续运行，但就目前的协调控制水平来说还没能够达到全程不间断运行的水平;（3）复杂性，协调控制系统中各被控对象的关联里有很多变量具有耦合关系，控制对象是在动静态之间随时间变化的，并且协调控制系统之中还有很多随机因素;（4）模糊性，根据实际设备情况，模糊地判别实际工作状态的需要是协调控制系统的另一显著特性。

火电单元机组协调控制系统目前最常见问题有：参数的整定、控制器的适应性、子系统的调整优化，很多火电厂单元机组型号一致，协调控制系统也相同，但协调控制的质量有很大差异，部分机组可能都不能正常工作，这里面最根本的原因是，协调控制系统的参数整定没有很好的适应系统结构;单元机组的控制器适应性表现在日常运行的很多方面，比如主、辅设备运行状态、工作环境的变化等等，要优化系统的适应性，必先接受先进理念，并在日常维护过程中注意对结构有意识的优化;单元机组协调控制系统的各个子系统的优化也十分重要，它们调试水平的好坏和参数整定是否适应系统都会直接影响到系统的控制品质。

2  基于分布式控制理论的协调控制系统

现阶段火电厂在实际生产过程中主要用到的系统方案有三类：第一类是基于多变量解耦理论的协调控制系统;第二类是以锅炉控制为主的控制协调系统;第三类是基于汽机控制的协调控制系统。现今的控制理论研究越来越先进，出现了一些更前沿的控制算法，如模糊控制，鲁棒控制，智能控制，分布式控制，本文主要讨论分布式控制理论在锅炉控制为主的协调控制系统的应用。

目前主流的调度控制方案大致有三种：集中式，分散式，分布式。传统的电网调度方式主要就是集中式，在此方案中，控制中心汇总所有的用电负荷及发电机的信息，然后通过集中计算出最佳调度协调方案，再根据计算出的方案给所有发电机发出指令，尽管集中式的控制计算模式有很高的效率，但它的局限性也非常突出：（1）控制中心要有很强的计算能力去收集全部可控单元的信息;（2）此结构的鲁棒性很差，只要有节点退出或加入系统，控制中心就需要做出对应调整;（3）控制中心的故障会导致整个系统出现故障。在分散式控制系统中，各受控对象只需采集本地信息就可以做出决策，而不必和其他子控制器进行信息交互。分散式的优点主要体现在：各个子控制器信息无需交互，所以整体控制成本较低，控制可靠性良好。分散式的缺点在于受控对象难以协调，只能实现一些简单的控制功能。分布式的控制方式刚好能克服集中式与分散式的缺点，分布式控制对通信可靠性的要求不高，有较好的容错性，也不需要中央控制器将全部对象相联通，更不要求关联的电源一定要存在联系，但最终可以达到理想状态下集中式系统的效果。

火电厂的单元机组协调控制系统在动态的调整过程中，外界扰动、不确定性和延迟都主要存在于锅炉侧，机炉的响应速度与复杂结构之间有着强烈的不对称性。因此，分布式控制协调系统中理想的控制目标是协调机炉之间各个子系统的交互协作，充分保证系统运行的稳定，并实现单元机组的快速响应，以确保电网负荷的供需平衡。分布式控制系统是把整个系统依据其物理结构与动态特性的不同划分为若干个子系统，以便将系统的状态变量和控制变量进行划分，并将控制系统的各个功能划分为相应的子系统来实现预测控制，最终实现单元机组对电网负荷变化的快速响应。

3  结语

电力始终是推动工业发展、社会福祉和改善医疗的驱动力，其重要性将会越来越大。交通和供暖等终端用户行业的广泛电气化使电力成为世界能源供应中日益增长的支柱。本文在对火电厂内的单元机组现有控制系统的详细调研之后，针对机炉控制协调系统的强耦合性、时滞性，探讨分布式控制理论控制系统的可行性、优越性，可以看到基于分布式控制理论的协调控制系统具有很大的研究价值，且对于维护电网长期运行的稳定性具有非常深远的意义。

参考文献

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