基于粒子群算法的阀门流量特性整定优化

2021-08-05李道波梁晓军王灿文郑肇会宋继伟

山东电力技术 2021年7期

李道波，梁晓军，王灿文，郑肇会，宋继伟

（1.国家能源泰安热电有限公司，山东泰安 271000；2.山东大学热科学与工程研究中心，山东济南 250061）

0 引言

火电机组的一次调频功能是利用机组蓄热，通过汽机高压调节阀开度的调整，实现机组功率的增减，以满足发电功率与负荷需求的平衡，维持电网频率在规定的范围。随着风电、光伏发电等新能源发电并网比重不断上升，电源侧的随机扰动相应增加，一定程度上造成对电网频率的冲击。面对网、源、荷之间的协同需求，火电机组的一次调频性能直接影响电网的安全稳定运行，是一项重要的电力辅助服务。事实上，相应的电力辅助服务经历了从无偿提供到市场化的探索等阶段［1-2］。面对当前电力能源结构的新特点，提升火电机组的一次调频等辅助服务势在必行。

大型火电机组汽机调速系统普遍采用数字电液（Digital Electric Hydraulic，DEH）控制系统［3］，阀门开度管理通过配汽函数实现蒸汽流量控制，将流量变化值换算成高压调节阀开度信号，灵活性特点突出。但是，机组的长时间运行会造成阀门的损伤、疲劳加剧，实际的高压调节阀流量特性往往存在不同程度的偏离设定值［4］，导致总阀位指令与开度之间原有的对应关系被破坏，开度和总阀位指令之间会出现局部或整体偏离线性关系，对一次调频的品质会产生很大影响，机组的稳定性降低。因此，对控制回路中的阀门流量特性进行及时整定优化是非常重要的环节。

粒子群算法［5］在解决多维约束优化问题时具有结构简单、收敛速度快的优势，目前已广泛应用于火电机组一次调频研究。王若宇［6］采用粒子群算法辨识机组特性并预测一次调频裕量。陶骞等［7］分析一次调频过程中机组经济性并通过粒子群算法优化调频参数，得到一次调频性能最佳的煤耗量。通过粒子群算法整定相关机组的高压调节阀门流量特性，并探讨阀门流量特性对机组一次调频功能的影响。

1 阀门流量特性整定方法

1.1 粒子群算法原理

粒子群算法模拟了鸟类捕食行为，寻优过程为随机产生初始种群，通过跟踪个体最优值pbest和全局最优值gbest来更新粒子速度和位置，迭代收敛得到全局最优值。

粒子速度与位置计算公式为

式中：vk+1和vk分别为第k+1 次与第k次迭代时粒子速度；xk+1和xk分别为第k+1 次与第k次迭代时粒子位置；w为惯性权重；c1、c2为学习因子；r1、r2分别为0～1之间的随机数字。

粒子群算法流程如图1所示。

图1 粒子群算法流程

1.2 基于粒子群法的阀门特性整定优化

随着智能算法的发展及其应用领域的拓展，将其引入阀门特性的相关计算与分析，使得优化整定的过程更加快速和准确［8］。着眼某火电机组顺序阀模型下的历史数据，在分散控制系统（Distributed Control System，DCS）中提取总阀位指令、主汽压力、阀门后压力、调节级压力、CV1—CV4 阀门行程等参数，构建阀门开度-总阀位特性曲线，引入粒子群算法进行相应阀门特性整定分析。

所研究机组的DEH 控制系统回路，各高压调节阀开度-总阀位特性设计曲线以折线形式嵌入控制系统，总阀位可以通过对应折线函数转化成各高压调节阀开度。通过模型校核的拟合程度计算，分析高压调节阀的总体和局部运行状况，根据各阀门开度偏离设计值的程度，进行相应的整定，以达到提高流量特性线性度的目标。整定时可将总阀位区间根据偏离情况进行区段划分，依次判断每段区间内阀门线性度，进行相应整定。

阀门特性的整定采用粒子群算法，主要步骤如下：1）将DCS 历史运行数据中的总阀位与各高压调节阀开度进行拟合，构建拟合曲线。2）在该曲线垂直方向随机生成一定数量的粒子，粒子的横坐标为总阀位，纵坐标为各高压调节阀开度，并用新产生的粒子计算该总阀位下的阀门开度。3）经多次试算，综合考虑计算精度与计算速度，设置迭代终止均方误差值为0.01。校核新阀门开度与设计曲线中阀门开度的均方误差，若均方误差大于设置值0.01，则按既定规则自动更新粒子的位置，并重复上述计算过程，直至满足精度要求。4）将符合精度要求的粒子重新拟合，可获得整定后的开度-总阀位特性曲线，根据该曲线可通过修改相应的配汽函数，进而完成对阀门流量特性的整定。

2 案例分析与调整优化

2.1 调门流量特性对机组一次调频功能影响分析

以某超临界机组历史运行数据为例进行分析，可以得到开度-总阀位的关系曲线，如图2 所示。可以看出，该机组的高压调节阀门的实际特性曲线与理想特性曲线存在一定偏差。该机组日常运行过程采用顺序阀控制方式，汽机的总阀位长期位于79%～87%区间。其中，CV1 与CV2 阀的开度处于100%，CV3 阀的开度为18%～90%，CV4 阀的开度小于10%。

图2（a）展示了开度与总阀位的整体特征，整体上线性关系尚可，但局部偏离理想曲线。非线性问题产生的原因是由于长期使用，阀门出现疲劳或磨损，实际的单阀特征曲线偏离设计值，而原有的阀门管理函数未优化，导致开度-总阀位线性度变差［9］。日常操作频繁的阀门，出现非线性特征的概率相应增大。图2（b）所示，总阀位长期运行的79%～87%区间，CV3 阀的调整频繁，开度调整范围涵盖18%～90%，阀门特征曲线偏离设计曲线明显。

图2 开度-总阀位的关系曲线

参照拟合优度R2的概念，以设计值构建的阀门特征线为参照，分析阀门实际运行数据相对设计值的拟合程度。拟合优度计算如式（2）所示。

CV1/CV2 阀的运行数据与设计值特征线的拟合优度为0.951，CV3 阀的运行数据与设计值特征线的拟合优度为0.846，CV4 阀的运行数据与设计值特征线的拟合优度为0.935。由于高压调节阀门的长期使用，虽然总体拟合优度较接近于1，具有一定的相似度，但是局部的偏差大，局部的阀门特性已经偏离设计值。

如图3 所示，根据机组实际运行过程的流量特性情况，将总阀位划分为3 个区间分析，分别为79%～82%、82%～85%、85%～87%。区间1 的开度与理想特性吻合度较好，区间2 的开度与理想情况相比较为平缓，区间3 的开度与理想情况相比整体波动较大。

图3 实际开度-总阀位特性

为研究3 个区间开度-总阀位特性曲线对一次调频动作的影响，从海量历史运行数据中选取相应的一次调频事件进行分析。选择条件：1）引发一次调频的扰动为有效扰动；2）一次调频动作方向正确；3）选择相同时间间隔，阀门阶跃量相同或相近的调频段进行对比分析。

图4（a）所示为机组某天20：20：18—20：21：17时间段一次调频情况，图4（b）所示为机组某天16：14：05—16：15：04 时间段一次调频情况，图4（c）所示为机组某天17：13：08—17：14：07 时间段一次调频情况。

图4 不同阀位区间一次调频情况

在《发电厂并网运行管理实施细则》《并网发电厂辅助服务管理实施细则》（以下简称“两个细则”）的指导下，电网对机组一次调频考核日趋严格［10］。“两个细则”把15 s 出力响应指数与30 s 出力响应指数作为评价机组一次调频性能的重要指标。15 s 出力响应指数是从频率偏差超出调频死区开始，15 s 内机组实际最大出力调整量占理论最大出力调整量的百分比。30 s 出力响应指数是从频率偏差超出调频死区开始，30 s 内机组实际最大出力调整量占理论最大出力调整量的百分比。计算上述3 个区间内相应的一次调频示例，结果如表1 所示。

“两个细则”规定，火电机组15 s 出力响应指数小于75%为不合格，30 s 出力响应指数小于90%为不合格。表1 数据显示，82%～85%区间一次调频情况不满足考核要求，这与该区间内开度-总阀位特性曲线情况是吻合的。

表1 不同区间一次调频性能评价单位：%

2.2 优化整定算法案例仿真验证

根据前面分析，在82%～85%总阀位区间内，CV3 阀的开度是影响整体阀门流量特性的主要因素，CV1、CV2、CV4 阀的影响作用可忽略不计。通过对CV3 阀门特性的整定达到优化开度-总阀位特性的效果，以提高该区间机组一次调频性能。

粒子群算法主要参数设置如下：案例机组DEH控制系统中显示CV3 阀开度-总阀位折线散点数为11，故粒子维度设置为11，位置范围设置为［0，100］，速度范围设置为［-1，1］。学习因子c1与c2均设置为0.5，粒子种群规模设置为500，为保证计算精度，经多次试算后将迭代次数设置为500次。

以总阀位为横坐标，CV3 阀的开度为纵坐标，可绘制优化后的特性曲线，如图5 所示，完成CV3 阀门特性的优化，并得到优化后CV3阀开度-总阀位特性曲线取值情况，相对优化之前有相应的提升，如表2所示。

表2 优化前后总阀位-CV3阀的开度特性函数单位：%

图5 优化前后CV3阀流量曲线

通过粒子群算法优化后的开度-总阀位的特性曲线，如图6所示。

图6 优化后的开度-总阀位特性

经过整定优化后的开度-总阀位的线性关系得到改善，与79%～82%区间曲线斜率相近，整体更加平稳。机组采用优化后的曲线，对于提升机组的一次调频性能具有积极的贡献。一方面，提高了总阀位82%～85%区间内阀门特性的线性度；另一方面，降低了总阀位85%～87%区间内流量特性的波动，提高了机组的稳定性。

为了对比分析流量特性曲线优化前后的机组出力动态响应情况，在MATLAB 中建立汽轮机及其调速系统的仿真模型，对模型中的关键参数进行辨识，并验证了所建仿真模型的准确性和可靠性，拟合优度为0.94，能准确地反映实际系统的运行过程。通过优化后的阀门特性计算出优化后的阀门开度值，并带入到仿真模型中重新辨识关键参数，对优化后的机组出力响应情况进行仿真计算。如图7 所示，为82%～85%区间优化前后一次调频情况。优化后的机组一次调频出力响应指数计算结果显示，82%～85%区间内发生某次调频时，机组的15 s 出力响应指数增加到84.32%，30 s 出力响应指数增加到93.61%。可以看出，经过优化后的特性曲线有利于高压调节阀的调节，提升了一次调频的控制精度。