閆 超

（廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司， 廣東惠州 516363）

0 引言

為適應電力市場化改革發(fā)展新要求，各發(fā)電機組必須盡可能地提高機組綜合調(diào)頻性能指標[1]。 傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）采用常規(guī)比例-積分-微分PID（proportion integration differentiation） 控制器為基礎的控制策略屬于事后控制方法，對具有非線性、大慣性、大遲延等特性的主汽壓力、主汽溫度、再熱汽溫等熱工系統(tǒng)，難以取得較好的控制效果。為了提高機組的自動發(fā)電控制AGC（automatic generation control）綜合調(diào)頻能力，適應電力市場化改革，需對鍋爐主控、汽機主控、鍋爐中間點溫度、一二級過熱汽溫、再熱汽溫等控制系統(tǒng)采用先進控制策略[2-4]。為保證系統(tǒng)調(diào)試安全與控制策略修改的便利性，隨時下裝邏輯，采用外掛系統(tǒng)容易實現(xiàn)，即通過第三方可編程邏輯控制器PLC（programmable logic controller） 控制設備與 DCS 系統(tǒng)通信方式實施優(yōu)化控制系統(tǒng)。

1 機組概況

某廠2×1 000 MW 超超臨界機組熱工自動化系統(tǒng)全廠采用分層分級的網(wǎng)絡結構。全廠網(wǎng)絡由廠級管理信息系統(tǒng)、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)以及機組級的控制網(wǎng)絡、輔助系統(tǒng)控制網(wǎng)絡構成。 其DCS 系統(tǒng)采用艾默生公司的OVATION 系統(tǒng)，DCS 實現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬量控制、順序控制、鍋爐爐膛安全監(jiān)控、汽機旁路控制、電網(wǎng)控制系統(tǒng)等。

2 外掛控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 硬件配置

機組DCS 側控制系統(tǒng)采用以PID 控制器為基礎的控制策略，屬于事后控制方法，對于主汽壓力、主汽溫、再熱汽溫等大滯后控制對象來說，難以獲得較好的控制效果。 為了提高機組的AGC 綜合調(diào)頻能力，需對鍋爐主控、汽機主控、鍋爐中間點溫度、一二級過熱主汽溫、再熱汽溫采用先進控制策略[5-7]。為保證系統(tǒng)調(diào)試安全與控制策略修改的便利性， 采用第三方外掛PLC 系統(tǒng)。 外掛PLC 系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)采用串口通信方式， 外掛PLC 硬件與DCS 系統(tǒng)的LC 卡相連， 完成信息交互。 外掛PLC采用先進控制策略，并輔以功能模塊組態(tài)的方式進行控制系統(tǒng)的設計。

LC 卡主要完成DCS 與PLC 之間的通信，是兩種控制系統(tǒng)信息交互的橋梁[8-9]。PLC 所需的現(xiàn)場信息通過LC 卡從DCS 控制系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫中獲得。PLC 中運算結果通過LC 卡通信至DCS， 并更新相應AO 輸出，控制現(xiàn)場執(zhí)行機構。

2.2 外掛PLC 系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)接口邏輯

為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，通信設計時，除了設計通信看門狗、通信信號質(zhì)量檢測等外，還需考慮初始化的問題。 DCS 系統(tǒng)與PLC 接口邏輯主要包括鍋爐主控先進控制、汽機主控先進控制、給水主控先進控制、一級過熱汽溫噴水先進控制、二級過熱汽溫噴水先進控制、 三級過熱汽溫噴水先進控制、再熱汽溫噴水先進控制等子回路。

3 先進控制系統(tǒng)控制原理

外掛先進控制系統(tǒng)包括鍋爐主控先進控制、汽機主控先進控制、給水主控先進控制、一級過熱氣溫噴水先進控制、 二級過熱氣溫噴水先進控制、三級過熱氣溫噴水先進控制、 煙氣擋板先進控制、再熱汽微量噴水先進控制共18 個先進控制回路，各個先進控制回路采用集成化封裝， 便于系統(tǒng)的維護。各回路主要采用模型預測控制、自抗擾控制、深度內(nèi)反饋控制為基礎的并與常規(guī)DCS 算法相結合的新型先進控制器APC-PID[10-11]，各回路典型原理如下。

3.1 鍋爐主控先進控制原理

蒸汽壓力是鍋爐與汽機能量平衡的關鍵指標，它的穩(wěn)定反映了鍋爐能量輸入與汽機能量輸出的匹配， 同時蒸汽壓力關系到蒸汽溫度及汽機效率。機組原有鍋爐主控指令由機組壓力偏差PID 調(diào)節(jié)及壓力動態(tài)前饋、靜態(tài)前饋并行產(chǎn)生。 先進控制策略采用壓力偏差先進控制調(diào)節(jié)及負荷指令的靜態(tài)前饋、動態(tài)前饋，以及反向變負荷動態(tài)前饋、機組負荷指令與負荷率自適應動態(tài)前饋并行產(chǎn)生。鍋爐主控先進控制原理如圖1 所示。

圖1 鍋爐主控先進控制原理圖

3.2 汽機主控先進控制原理

機組原來汽機主控指令由機組目標負荷指令，經(jīng)過鍋爐慣性時間常數(shù)得到，經(jīng)過壓力拉回修正，超壓保護回路生成。 外掛系統(tǒng)汽機主控指令由負荷設定智能延遲，經(jīng)過主汽溫度自適應的壓力綜合解耦，機組負荷自適應的壓力解耦回路以及前饋、 超壓保護回路等生成。汽機主控先進控制原理如圖2 所示。

圖2 汽機主控先進控制原理圖

3.3 給水主控先進控制原理

機組原來給水指令回路由控制中間點溫度PID 回路產(chǎn)生，不同工況采用不同的慣性時間常數(shù)的傳統(tǒng)控制回路。 外掛系統(tǒng)采用先進控制器，一次調(diào)頻、控制偏差、減溫水、鍋爐主控等并行前饋，并經(jīng)高低限幅回路生成。給水主控先進控制原理如圖3 所示。

圖3 給水主控先進控制原理圖

3.4 過熱汽溫先進控制原理

機組原有過熱器汽溫控制采用2 個PID 串級控制。 外掛系統(tǒng)采用先進控制器算法。 以二級A 減溫噴水為例，過熱汽溫先進控制原理如圖4 所示。

圖4 過熱汽溫先進控制原理圖

3.5 再熱汽溫擋板先進控制原理

機組原有再熱汽溫擋板控制采用PID 控制。外掛系統(tǒng)采用先進控制器算法、 智能前饋回路生成。再熱汽溫擋板先進控制原理如圖5 所示。

圖5 再熱汽溫煙氣擋板先進控制原理圖

3.6 再熱汽溫噴水減溫先進控制原理

機組原有再熱汽溫噴水減溫采用PID 控制。外掛系統(tǒng)采用先進控制器算法、負荷智能前饋、再熱汽溫前饋回路產(chǎn)生。 以再熱A 減溫噴水為例，再熱汽溫噴水減溫先進控制原理如圖6 所示。

圖6 再熱汽溫噴水減溫先進控制原理圖

4 外掛先控系統(tǒng)功能測試

通過設置通信看門狗程序， 實現(xiàn)外掛系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)監(jiān)測，確保通信正常，允許外掛運行時，運行人員可無擾投入外掛系統(tǒng)。 當外掛系統(tǒng)需要修改參數(shù)或控制策略時， 切到原回路控制，然后對外掛系統(tǒng)在線修改下裝，對機組運行不產(chǎn)生影響，實現(xiàn)外掛系統(tǒng)與本機無擾切換。

5 優(yōu)化后綜合調(diào)頻性能指標K 值

優(yōu)化前機組綜合調(diào)頻性能指標K 值只有0.5~0.6， 在輔助調(diào)頻市場激烈競爭環(huán)境下機組幾乎從不中標。 經(jīng)外掛系統(tǒng)優(yōu)化后，機組綜合調(diào)頻能力有很大提高，綜合調(diào)頻性能指標K 值明顯提高，機組在輔助調(diào)頻服務市場中標成為常態(tài)。 以2020-09-04T8:00—23:00 為例，當日調(diào)頻市場出清結果如表1 所示。表 1 中，K=0.25×（2×K1+K2+K3）。其中，K1為發(fā)電單元響應AGC 控制指令的速率；K2為發(fā)電單元響應AGC 控制指令的時間延遲；K3為發(fā)電單元機組響應AGC 控制指令的精準度。

表1 輔助調(diào)頻市場出清結果

6 結論

在對機組主要控制系統(tǒng)采用外掛PLC 系統(tǒng)，內(nèi)部采用先進控制策略后，與傳統(tǒng)PID 控制策略相比，提高了機組AGC 負荷調(diào)節(jié)能力，極大地改善了機組的負荷控制品質(zhì)， 提高了機組綜合調(diào)頻能力。外掛系統(tǒng)由于硬件簡單，控制算法先進，修改方便，將成為機組協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化的趨勢。