江鵬宇，袁世通，金彥昌

（1.大唐中南電力試驗(yàn)研究院，河南 鄭州 450000；2.大唐三門峽電力有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472000）

0 引言

隨著高參數(shù)大容量機(jī)組的持續(xù)增加，我國火力發(fā)電的效率大幅提升。發(fā)電廠自動化系統(tǒng)在電力生產(chǎn)過程中的廣泛應(yīng)用和其覆蓋面的不斷擴(kuò)展，對發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電網(wǎng)穩(wěn)定的影響逐漸增大。在火電機(jī)組實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營中，有著成百個控制回路在同時(shí)工作，由于火電機(jī)組長期的運(yùn)行以及在生產(chǎn)過程中執(zhí)行器的更換，控制回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)會出現(xiàn)不同程度的變化。目前火電機(jī)組常用的仍然是比例-積分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）控制，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，現(xiàn)有的PID 控制中存在性能缺陷的大概為60%［1］。因此，在火電機(jī)組中急需一種評價(jià)策略能夠在不影響火電機(jī)組運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)地為運(yùn)行人員的操作提供指導(dǎo)?；痣姍C(jī)組大都采用分散控制系統(tǒng)（Decentralized Control System，DCS），因此獲取機(jī)組的運(yùn)行信息更為便利，但是現(xiàn)有DCS 系統(tǒng)很難部署一些較為復(fù)雜的算法，隨著通信技術(shù)不斷進(jìn)步，火電廠廠級信息監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)不斷提高標(biāo)準(zhǔn)，不僅要實(shí)現(xiàn)常規(guī)實(shí)時(shí)控制，還要朝著節(jié)能、高效的方向發(fā)展［2］。因此可以通過搭建遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺并通過超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）接口實(shí)現(xiàn)DCS數(shù)據(jù)讀取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的評價(jià)策略。

控制系統(tǒng)性能評價(jià)的發(fā)展是隨著工業(yè)發(fā)展而不斷完善，1989 年，Harris 采用最小方差控制法（Minimum Variance Control，MVC）對單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行分析［3］，為控制回路性能評價(jià)奠定基礎(chǔ)。目前單回路控制系統(tǒng)在火電控制中已經(jīng)不在適用。Huang B 提出一種考慮控制量約束的線性二次型高斯基準(zhǔn)（Linear Quadratic Gaussian，LQG）性能評價(jià)方法［4］。張永亮等人采用子空間模型辨識法辨識控制對象模型進(jìn)行辨識，根據(jù)對象模型計(jì)算控制性能指標(biāo)并給出綜合性能等級［5］。鐘振芳等人提出了一種用概率密度函數(shù)來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的性能評價(jià)［6］。楊全振等人提出了一種主元回歸方法的多變量控制系統(tǒng)性能評估方法，解決了最小方差評價(jià)方法利用不切實(shí)際和不期望的指標(biāo)進(jìn)行性能評價(jià)所造成的性能評估缺陷［7］。

控制系統(tǒng)性能評價(jià)可以定義為：通過某種手段對系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過系統(tǒng)整體運(yùn)行效果、控制器的調(diào)節(jié)性能判斷控制器系統(tǒng)性能是否下降［8］。目前控制性能評價(jià)大致可以分為3 種，確定性性能指標(biāo)、隨機(jī)性性能指標(biāo)以及魯棒性性能指標(biāo)［9］。本文采用控制性能評價(jià)較為直觀以及計(jì)算效率較高的確定性性能來對已有的控制回路進(jìn)行評價(jià)，確定性性能是指采用超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間、衰減率、穩(wěn)態(tài)偏差等指標(biāo)來完成性能的評價(jià)。通過搭建智能控制系統(tǒng)（Intelligent Control System，ICS）智能監(jiān)控平臺實(shí)現(xiàn)算法與DCS 數(shù)據(jù)之間的互通，從而實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行機(jī)組的控制回路性能的在線評價(jià)。

1 性能指標(biāo)

通過獲取的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的曲線將曲線分類進(jìn)行不同的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，最終將計(jì)算結(jié)果推送到DCS 畫面上。圖1 為一個經(jīng)典控制系統(tǒng)在定值擾動下的階躍響應(yīng)曲線。在回路曲線中最為關(guān)注的是系統(tǒng)的超調(diào)量、衰減率、穩(wěn)定時(shí)間、穩(wěn)態(tài)偏差［10］。

圖1 階躍響應(yīng)控制過程品質(zhì)指標(biāo)

1.1 超調(diào)量

響應(yīng)曲線在定值擾動中，第一次越過擾動幅度與靜態(tài)值之比稱為超調(diào)量A，常用百分?jǐn)?shù)表示。

1）計(jì)算擾動量b：設(shè)定值擾動前后的差值，并取絕對值，記為擾動量b。

2）計(jì)算超調(diào)量A：若為正向擾動，則；若為負(fù)向擾動，則100%。

1.2 衰減率

1.3 穩(wěn)定時(shí)間

在擾動過程時(shí)間內(nèi)，被調(diào)量第一次進(jìn)入穩(wěn)態(tài)波動范圍且不再超出擾動過程時(shí)間計(jì)算。除了系統(tǒng)產(chǎn)生發(fā)散振蕩過程不需要計(jì)算穩(wěn)定時(shí)間外，其他過程均可計(jì)算穩(wěn)定時(shí)間。需要特殊說明，針對等幅振蕩過程，如果系統(tǒng)最終穩(wěn)定仍會計(jì)算穩(wěn)定時(shí)間，反之，則認(rèn)為系統(tǒng)不穩(wěn)定，不計(jì)算穩(wěn)定時(shí)間。

1.4 穩(wěn)態(tài)偏差

判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)：如果穩(wěn)定時(shí)間C=s（s為整個擾動過程時(shí)間），則認(rèn)為系統(tǒng)未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，反之，則認(rèn)為系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

穩(wěn)態(tài)偏差D：系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，設(shè)定值與實(shí)際值之間的差值。

2 評價(jià)指標(biāo)及系統(tǒng)

2.1 評價(jià)指標(biāo)

考慮控制系統(tǒng)超調(diào)量A、衰減率B、穩(wěn)定時(shí)間C、穩(wěn)態(tài)偏差D等4 個評價(jià)因素并分別記為XA、XB、XC、XD，控制系統(tǒng)進(jìn)行總體評分記為Y（百分制）。

Y=100（αXA+βXB+γXC+δXD），其中α、β、γ、δ分別為超調(diào)量A、衰減率B、穩(wěn)定時(shí)間C、穩(wěn)態(tài)偏差D等性能指標(biāo)在整個評分中的權(quán)重。根據(jù)總得分對系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)如表1所示。XA、XB、XC、XD具體評分式如下：

式中：EA，TA，EB為預(yù)設(shè)參數(shù)，可以根據(jù)DL/T 657—2015《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》對不同回路參數(shù)進(jìn)行修改。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)部署在I區(qū)智能監(jiān)控平臺中，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)需要將程序運(yùn)算出的超調(diào)量A、衰減率B、穩(wěn)定時(shí)間C、穩(wěn)態(tài)偏差D以及回路評價(jià)的結(jié)果通過HTTP 接口返送回DCS 平臺畫面中，給運(yùn)行人員參考，以便能夠及時(shí)對自動回路的狀態(tài)做出調(diào)整。

2.3 基于確定性性能指標(biāo)的控制回路評價(jià)

控制回路評價(jià)指標(biāo)，主要分為3 個部分，分別是主要自動回路監(jiān)控、爐側(cè)自動回路監(jiān)控、機(jī)側(cè)自動回路監(jiān)控，對其3 個回路的指標(biāo)按照一定的規(guī)則進(jìn)行篩選出有擾動的有效區(qū)間進(jìn)行評價(jià)，計(jì)算出評價(jià)得分，推送給智能DCS 系統(tǒng)（ICS）上，并在DCS 上進(jìn)行展示。評價(jià)篩選規(guī)則如圖3所示。

圖3 控制回路系統(tǒng)流程

2.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過ICS獲取測點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對參數(shù)測點(diǎn)M/A狀態(tài)（自動/手動）進(jìn)行檢測，只有狀態(tài)為自動時(shí)才進(jìn)行流程下一步，否則流程結(jié)束。

2.3.2 篩查有效擾動

根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)篩選出有效擾動，進(jìn)行下一步評價(jià)，否則判斷為無效擾動流程結(jié)束，不進(jìn)行評價(jià)。判斷有效擾動的具體規(guī)則如下。

1）判斷設(shè)定值擾動幅度、擾動時(shí)間。

判斷在規(guī)定擾動過程時(shí)間內(nèi)，設(shè)定值擾動幅度是否符合范圍要求。如果在符合規(guī)定的擾動時(shí)間內(nèi)并且擾動幅度符合范圍要求就進(jìn)行流程下一步，否則判斷為無效擾動流程結(jié)束。

擾動幅度即為設(shè)定值的變化幅度，該幅度根據(jù)具體控制回路而變化，設(shè)定值擾動幅度。

設(shè)定值擾動時(shí)間：需要高于“擾動時(shí)間低限”，否則不進(jìn)行評價(jià)。如果設(shè)定值擾動的時(shí)間高于“擾動時(shí)間高限”，則取擾動時(shí)間=擾動時(shí)間高限。

2）判斷負(fù)荷穩(wěn)定狀態(tài)。

判斷擾動發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)（1 min，時(shí)間固定不需要修改），機(jī)組負(fù)荷是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如果在符合規(guī)定時(shí)間內(nèi)并且達(dá)到負(fù)荷穩(wěn)定狀態(tài)就進(jìn)行流程下一步，否則判斷為無效擾動流程結(jié)束。

2.3.3 擾動曲線分類

獲取有效擾動后，通過計(jì)算整個有效的階躍擾動過程中，所有的波峰值z（z1、z2、…）與波谷值d（d1、d2、…），并與設(shè)定值r進(jìn)行比較，對響應(yīng)曲線進(jìn)行大致分類，主要分為以下幾類。分類規(guī)則和模型曲線如圖4所示。

圖4 曲線分類

1）衰減振蕩過程：若為正向擾動，則判斷z與r值大小，若z1＞z2＞r，則判斷該過程為衰減振蕩過程。同理，若為負(fù)向擾動，則判斷d與r值大小，若d1＜d2＜r，判斷為衰減振蕩過程。

2）非周期過渡過程（有超調(diào)）：若正向擾動過程中只有一個波峰值z1且z1＞r，或負(fù)向擾動過程中只有一個波谷值d1且d1＜r，則判斷為非周期過渡過程（有超調(diào)）。

3）非周期過渡過程（無超調(diào)）：若正向擾動過程中無波峰值且過程值始終小于設(shè)定值或負(fù)向擾動過程中無波谷值且過程值始終大于設(shè)定值，則判斷為非周期過渡（無超調(diào)）。

4）等幅振蕩過程：若擾動過程中幾個波峰值z之間非常接近，幾個波谷值之間也非常接近，同時(shí)，z-r≈r-d，則判斷為等幅振蕩過程。

5）發(fā)散振蕩過程：若擾動過程中幾個波峰值z1＜z2＜…，同時(shí)幾個波谷值d1＞d2＞…，則判斷為發(fā)散振蕩過程。

2.3.4 控制回路性能評價(jià)

針對不同的擾動過程，總體評分如下。

衰減振蕩過程：

非周期過渡過程（有超調(diào)）：

非周期過渡過程（無超調(diào)）：

因在非周期過渡過程（無超調(diào)）中超調(diào)量恒為0，衰減率恒為1，因此可默認(rèn)該兩項(xiàng)性能指標(biāo)為滿足要求。

等幅振蕩過程：

需要特殊說明的是，如果該過程判斷系統(tǒng)沒有穩(wěn)定，則直接評價(jià)總得分Y=0。

發(fā)散振蕩過程：

2.3.5 權(quán)重配置

在常見的控制回路中，超調(diào)量、穩(wěn)定時(shí)間、穩(wěn)態(tài)偏差為3 個比較重要的獨(dú)立權(quán)重指標(biāo)其權(quán)重需要占較高的比重，而衰減率作為輔助參考的性能指標(biāo)其占比應(yīng)該較小。在火電機(jī)組常見的控制回路中常分為快速響應(yīng)回路和非快速響應(yīng)回路，因此可根據(jù)回路響應(yīng)速度對權(quán)重設(shè)置初始值。

快速響應(yīng)回路為

式中：α=0.3β，γ=0.4β，δ=0.2β

非快速響應(yīng)回路為

式中：α=0.3β，γ=0.2β，δ=0.4β

因不同控制回路在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，工況不同，因此需要根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3 軟件功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)選自火電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)為了使顯示更加直觀，也為了方便運(yùn)行人員操作，為回路控制端搭建客戶端，其中客戶端包含控制參數(shù)配置、運(yùn)行曲線顯示、性能指標(biāo)以及性能綜合評價(jià)結(jié)果，同時(shí)運(yùn)行人員也可以選擇已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)各主要自動控制系統(tǒng)性能測試的考核指標(biāo)按照DL/T 657—2015《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》對火力發(fā)電機(jī)組的要求，如表2所示。

表2 主要自動控制系統(tǒng)性能測試考核指標(biāo)

因在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，擾動量很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)擾動量，因此將爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的擾動量和穩(wěn)態(tài)品質(zhì)等比列縮小，如表3和圖5所示。

表3 爐膛負(fù)壓系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果

根據(jù)表3 看出該自動回路的超調(diào)量為0、衰減率為1、穩(wěn)定時(shí)間為40 s、穩(wěn)態(tài)偏差為35 Pa，根據(jù)評價(jià)性能公式可以計(jì)算出每個性能指標(biāo)的得分均為1。該回路為快速響應(yīng)回路，曲線類型為非周期過渡過程（無超調(diào)）類型，根據(jù)控制回路性能評價(jià)總體評分公式可以計(jì)算出該回路的總體得分100，其性能指標(biāo)滿足DL/T 657—2015《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》。

圖6 為某機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷工況下一次給水控制系統(tǒng)在+30 mm 擾動下的性能評價(jià)曲線，因在機(jī)組正常運(yùn)行過程中，擾動量很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)擾動量，因此將給水控制系統(tǒng)的擾動量和穩(wěn)態(tài)品質(zhì)等比列縮小，根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制回路評價(jià)系統(tǒng)對爐膛負(fù)壓系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行評價(jià)，其權(quán)重設(shè)置如圖6 所示。評價(jià)結(jié)果如表4所示。

表4 給水控制系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果

根據(jù)表4看出該自動回路的超調(diào)量為19%、衰減率為1、穩(wěn)定時(shí)間為318 s、穩(wěn)態(tài)偏差為3.28 mm，根據(jù)評價(jià)性能公式可以計(jì)算出每個性能指標(biāo)的得分。該回路為快速響應(yīng)回路，曲線類型為非周期過渡過程（有超調(diào)）類型，根據(jù)控制回路性能評價(jià)總體評分公式可以計(jì)算出該回路的總體得分98.08，其性能指標(biāo)除穩(wěn)定時(shí)間外滿足DL/T 657—2015《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程》。

根據(jù)圖5 和圖6 的評價(jià)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的模型能夠應(yīng)用設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，并為運(yùn)行人員對控制回路的性能的把握提供了有利的參照，方便運(yùn)行人員以及熱控人員及時(shí)對控制回路的狀態(tài)進(jìn)行檢測。

圖5 爐膛負(fù)壓評價(jià)結(jié)果

圖6 給水系統(tǒng)評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)語

通過火電機(jī)組在生產(chǎn)運(yùn)行中對重要控制回路的數(shù)據(jù)讀取并判斷是否有擾動發(fā)生，當(dāng)擾動發(fā)生時(shí)根據(jù)擾動區(qū)間內(nèi)的設(shè)定值和測量值的數(shù)據(jù)來生成曲線，并根據(jù)模型自動獲取擾動曲線的性能指標(biāo)包括超調(diào)量、衰減率、穩(wěn)定時(shí)間、穩(wěn)態(tài)偏差、震蕩次數(shù)。根據(jù)性能指標(biāo)來評價(jià)在該次擾動發(fā)生時(shí)該回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣，為運(yùn)行人員及時(shí)調(diào)整控制策略提供參考。通過對運(yùn)行機(jī)組的爐膛負(fù)壓和一次風(fēng)壓擾動數(shù)據(jù)的讀取，證明了本模型的有效性。未來將在評價(jià)的基礎(chǔ)上增加模型辨識，使在線評估系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)中。