外挂系统在分散控制系统优化中的应用

2021-10-11闫超

山西电力 2021年4期

闫超

（广东惠州平海发电厂有限公司，广东惠州 516363）

0 引言

为适应电力市场化改革发展新要求，各发电机组必须尽可能地提高机组综合调频性能指标[1]。传统分散控制系统DCS（distributed control system）采用常规比例-积分-微分PID（proportion integration differentiation）控制器为基础的控制策略属于事后控制方法，对具有非线性、大惯性、大迟延等特性的主汽压力、主汽温度、再热汽温等热工系统，难以取得较好的控制效果。为了提高机组的自动发电控制AGC（automatic generation control）综合调频能力，适应电力市场化改革，需对锅炉主控、汽机主控、锅炉中间点温度、一二级过热汽温、再热汽温等控制系统采用先进控制策略[2-4]。为保证系统调试安全与控制策略修改的便利性，随时下装逻辑，采用外挂系统容易实现，即通过第三方可编程逻辑控制器PLC（programmable logic controller）控制设备与 DCS 系统通信方式实施优化控制系统。

1 机组概况

某厂2×1 000 MW 超超临界机组热工自动化系统全厂采用分层分级的网络结构。全厂网络由厂级管理信息系统、厂级监控信息系统以及机组级的控制网络、辅助系统控制网络构成。其DCS 系统采用艾默生公司的OVATION 系统，DCS 实现的功能包括数据采集系统、模拟量控制、顺序控制、锅炉炉膛安全监控、汽机旁路控制、电网控制系统等。

2 外挂控制系统的实现

2.1 硬件配置

机组DCS 侧控制系统采用以PID 控制器为基础的控制策略，属于事后控制方法，对于主汽压力、主汽温、再热汽温等大滞后控制对象来说，难以获得较好的控制效果。为了提高机组的AGC 综合调频能力，需对锅炉主控、汽机主控、锅炉中间点温度、一二级过热主汽温、再热汽温采用先进控制策略[5-7]。为保证系统调试安全与控制策略修改的便利性，采用第三方外挂PLC 系统。外挂PLC 系统与DCS 系统采用串口通信方式，外挂PLC 硬件与DCS 系统的LC 卡相连，完成信息交互。外挂PLC采用先进控制策略，并辅以功能模块组态的方式进行控制系统的设计。

LC 卡主要完成DCS 与PLC 之间的通信，是两种控制系统信息交互的桥梁[8-9]。PLC 所需的现场信息通过LC 卡从DCS 控制系统实时数据库中获得。PLC 中运算结果通过LC 卡通信至DCS，并更新相应AO 输出，控制现场执行机构。

2.2 外挂PLC 系统与DCS 系统接口逻辑

为保证系统的安全稳定，通信设计时，除了设计通信看门狗、通信信号质量检测等外，还需考虑初始化的问题。 DCS 系统与PLC 接口逻辑主要包括锅炉主控先进控制、汽机主控先进控制、给水主控先进控制、一级过热汽温喷水先进控制、二级过热汽温喷水先进控制、三级过热汽温喷水先进控制、再热汽温喷水先进控制等子回路。

3 先进控制系统控制原理

外挂先进控制系统包括锅炉主控先进控制、汽机主控先进控制、给水主控先进控制、一级过热气温喷水先进控制、二级过热气温喷水先进控制、三级过热气温喷水先进控制、烟气挡板先进控制、再热汽微量喷水先进控制共18 个先进控制回路，各个先进控制回路采用集成化封装，便于系统的维护。各回路主要采用模型预测控制、自抗扰控制、深度内反馈控制为基础的并与常规DCS 算法相结合的新型先进控制器APC-PID[10-11]，各回路典型原理如下。

3.1 锅炉主控先进控制原理

蒸汽压力是锅炉与汽机能量平衡的关键指标，它的稳定反映了锅炉能量输入与汽机能量输出的匹配，同时蒸汽压力关系到蒸汽温度及汽机效率。机组原有锅炉主控指令由机组压力偏差PID 调节及压力动态前馈、静态前馈并行产生。先进控制策略采用压力偏差先进控制调节及负荷指令的静态前馈、动态前馈，以及反向变负荷动态前馈、机组负荷指令与负荷率自适应动态前馈并行产生。锅炉主控先进控制原理如图1 所示。

图1 锅炉主控先进控制原理图

3.2 汽机主控先进控制原理

机组原来汽机主控指令由机组目标负荷指令，经过锅炉惯性时间常数得到，经过压力拉回修正，超压保护回路生成。外挂系统汽机主控指令由负荷设定智能延迟，经过主汽温度自适应的压力综合解耦，机组负荷自适应的压力解耦回路以及前馈、超压保护回路等生成。汽机主控先进控制原理如图2 所示。

图2 汽机主控先进控制原理图

3.3 给水主控先进控制原理

机组原来给水指令回路由控制中间点温度PID 回路产生，不同工况采用不同的惯性时间常数的传统控制回路。外挂系统采用先进控制器，一次调频、控制偏差、减温水、锅炉主控等并行前馈，并经高低限幅回路生成。给水主控先进控制原理如图3 所示。

图3 给水主控先进控制原理图

3.4 过热汽温先进控制原理

机组原有过热器汽温控制采用2 个PID 串级控制。外挂系统采用先进控制器算法。以二级A 减温喷水为例，过热汽温先进控制原理如图4 所示。

图4 过热汽温先进控制原理图

3.5 再热汽温挡板先进控制原理

机组原有再热汽温挡板控制采用PID 控制。外挂系统采用先进控制器算法、智能前馈回路生成。再热汽温挡板先进控制原理如图5 所示。

图5 再热汽温烟气挡板先进控制原理图

3.6 再热汽温喷水减温先进控制原理

机组原有再热汽温喷水减温采用PID 控制。外挂系统采用先进控制器算法、负荷智能前馈、再热汽温前馈回路产生。以再热A 减温喷水为例，再热汽温喷水减温先进控制原理如图6 所示。

图6 再热汽温喷水减温先进控制原理图

4 外挂先控系统功能测试

通过设置通信看门狗程序，实现外挂系统与DCS 系统通信数据监测，确保通信正常，允许外挂运行时，运行人员可无扰投入外挂系统。当外挂系统需要修改参数或控制策略时，切到原回路控制，然后对外挂系统在线修改下装，对机组运行不产生影响，实现外挂系统与本机无扰切换。

5 优化后综合调频性能指标K 值

优化前机组综合调频性能指标K 值只有0.5~0.6，在辅助调频市场激烈竞争环境下机组几乎从不中标。经外挂系统优化后，机组综合调频能力有很大提高，综合调频性能指标K 值明显提高，机组在辅助调频服务市场中标成为常态。以2020-09-04T8:00—23:00 为例，当日调频市场出清结果如表1 所示。表 1 中，K=0.25×（2×K1+K2+K3）。其中，K1为发电单元响应AGC 控制指令的速率；K2为发电单元响应AGC 控制指令的时间延迟；K3为发电单元机组响应AGC 控制指令的精准度。