摘要：文章依據(jù)火電廠運(yùn)行需求，提出了一種火電廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)以DCS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了檢測(cè)保護(hù)層、通信管理層與上位機(jī)系統(tǒng)3個(gè)硬件層面的保護(hù)層級(jí)，并在單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行了PID智能控制模塊設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)上，文章提出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和應(yīng)用PID控制器的控制策略設(shè)計(jì)內(nèi)容，并最終確定了火電廠控制策略的最佳應(yīng)用流程，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)火電廠電氣設(shè)備的智慧化控制管理，滿足了系統(tǒng)自動(dòng)化控制管理要求。

關(guān)鍵詞：火電廠；電氣自動(dòng)化；單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；設(shè)計(jì)流程

中圖分類號(hào)：TM621;TP39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

目前，我國(guó)雖然大力發(fā)展綠色電力，但是仍然高度依賴火力發(fā)電的發(fā)電方式。2022年我國(guó)火力發(fā)電裝機(jī)量仍然超過了50%，火力發(fā)電量占比雖有降低，但是仍然維持在70%以上。面對(duì)“雙碳”目標(biāo)的提出，火電行業(yè)如何推進(jìn)火電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，已經(jīng)成為整個(gè)行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注話題［1］。鑒于此，火電廠采用自動(dòng)化控制技術(shù)提高設(shè)備運(yùn)行效率、降低能源消耗，普及與應(yīng)用電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)成為促進(jìn)火電產(chǎn)業(yè)整體良性發(fā)展的關(guān)鍵舉措。

1 需求分析

目前，火電廠的分散控制系統(tǒng)（DSC系統(tǒng)）主要側(cè)重于汽機(jī)鍋爐，而忽略了對(duì)電氣系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控，且對(duì)電氣系統(tǒng)運(yùn)行控制的要求在已有DSC系統(tǒng)中難以完全得到滿足，通過硬接線將電氣系統(tǒng)直接與DSC相連，無法充分發(fā)揮出電氣系統(tǒng)智能終端裝置的測(cè)量、監(jiān)控與通信作用，使得基于DSC系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低［2］。鑒于此，火電廠需要采用分層分布式控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并采用PID智能控制器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣系統(tǒng)的智能化控制，充分發(fā)揮火電廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

2 火電廠電氣自動(dòng)化控制方案設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選用DCS系統(tǒng)作為系統(tǒng)主站，形成以DCS系統(tǒng)為控制核心的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，總體架構(gòu)如圖1所示。PLC與遠(yuǎn)程輸入/輸出設(shè)備利用遠(yuǎn)端控制模塊實(shí)現(xiàn)通信，通過現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PLC根據(jù)遠(yuǎn)程站對(duì)地址設(shè)置的要求對(duì)遠(yuǎn)程分站進(jìn)行地址設(shè)置，用于區(qū)分從站。DCS系統(tǒng)可直接參與從站數(shù)據(jù)通信，且不會(huì)加劇編程工作量。系統(tǒng)中，DCS系統(tǒng)為總站，遠(yuǎn)程分站有3個(gè)，分別為中間站、遠(yuǎn)程中心站與燃料倉站［3］。

現(xiàn)場(chǎng)總線為開放全數(shù)字化的、雙向多站的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，利用該網(wǎng)絡(luò)將智能終端設(shè)備、PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，主要采用數(shù)字信號(hào)的傳輸模式，不同節(jié)點(diǎn)可以共用同一條物理傳輸介質(zhì)。智能終端設(shè)備集成了CPU、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器與I/O回路，具體包括中壓系統(tǒng)保護(hù)測(cè)控裝置、低壓系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)裝置等，通過智能終端設(shè)備進(jìn)行電氣設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、處理與集中控制，將相關(guān)信息以數(shù)據(jù)信號(hào)的形式上傳至DCS等控制層，并接受來自控制層的控制指令［4］。

2.2 系統(tǒng)功能層

整個(gè)系統(tǒng)包括3個(gè)功能層，具體如下：

（1）監(jiān)測(cè)保護(hù)層。

監(jiān)測(cè)保護(hù)層由電氣系統(tǒng)保護(hù)與自動(dòng)裝置構(gòu)成，具體包括智能終端設(shè)備、發(fā)變組保護(hù)、自動(dòng)勵(lì)磁裝置（AVR）、自動(dòng)同步系統(tǒng)（ASS）等。所有保護(hù)裝置的保護(hù)功能具有獨(dú)立性，通過現(xiàn)場(chǎng)總線將各類設(shè)備直接與通信管理層相連，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的分散監(jiān)測(cè)與控制。

（2）通信管理層。

通信管理層為現(xiàn)場(chǎng)總線，負(fù)責(zé)接收DCS對(duì)監(jiān)測(cè)保護(hù)層下達(dá)的各項(xiàng)控制指令，以及后臺(tái)工作站下達(dá)的修改定值指令等，并將接收到的指令分發(fā)至目標(biāo)裝置。同時(shí)，通信管理層還需要負(fù)責(zé)接收不同監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置上傳的電氣設(shè)備運(yùn)行信息，并反饋至DCS系統(tǒng)與后臺(tái)工作站。通信管理層與DCS系統(tǒng)、后臺(tái)工作站之間的連接采用以太網(wǎng)，通常需要配置通信管理單元，需要提供12個(gè)通信接口。

（3）上位機(jī)系統(tǒng)。

上位機(jī)系統(tǒng)包括DCS系統(tǒng)與后臺(tái)工作站，DCS系統(tǒng)為核心控制系統(tǒng)，后臺(tái)工作站主要負(fù)責(zé)電氣設(shè)備定值修改、管理維護(hù)等指令的下達(dá)工作。

2.3 基于單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID智能控制器模塊

為了提高系統(tǒng)的智能控制水平，系統(tǒng)在智能終端設(shè)備中加入了PID智能控制器模塊。該模塊采用單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID智能控制器，有利于提高對(duì)電氣設(shè)備控制的自我學(xué)習(xí)能力，提升電氣設(shè)備控制的自適應(yīng)性，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

轉(zhuǎn)換器在輸入過程中，通過對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的分析，進(jìn)一步優(yōu)化電氣設(shè)備的被控制過程，改善PID控制水平，以s（r）的設(shè)置為例，經(jīng)過轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換后，直接輸出為狀態(tài)數(shù)，其中，Y1（r）與（r）相同，在此基礎(chǔ)上可求解出Y2（r），即（r）-（r-1），同理也可以求解出Y3（r）=（r）-（r-1）-（r-2）。S為性能指標(biāo)，R為神經(jīng)元比例系數(shù)，神經(jīng)元通過關(guān)聯(lián)檢索生成衍生信號(hào)Hp、Hi、Hd，并通過路徑優(yōu)化混合控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制目標(biāo)。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

火電廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過JdbcOdbc橋接方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，預(yù)先將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與本地Oracle數(shù)據(jù)庫相連，其實(shí)現(xiàn)方式為數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)在本地直接對(duì)數(shù)據(jù)庫的調(diào)用功能。完成數(shù)據(jù)庫連接后，系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)中應(yīng)明確數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能在火電廠電氣自動(dòng)化控制中的應(yīng)用方向與管理需求，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行管理涉及工作空間、臺(tái)賬管理、定期工作數(shù)據(jù)查詢和狀態(tài)管理等多項(xiàng)內(nèi)容。因此，系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)應(yīng)包含功能定制、模型定制、角色管理與系統(tǒng)功能設(shè)定等內(nèi)容。系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，管理人員可通過導(dǎo)航欄電機(jī)相應(yīng)的功能按鈕實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作指令，如添加工作任務(wù)時(shí)，可通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)界面的臺(tái)賬管理、電氣MIS報(bào)表、添加記錄等模塊完成。完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)添加后，根據(jù)火電廠電氣管理工作需要，管理人員可通過選擇數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，但修改功能僅限于部分高等級(jí)權(quán)限人員，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息安全。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，管理人員首先需要在數(shù)據(jù)庫建立類模型，類添加屬性與字段進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，通過字段類型確定相應(yīng)的精度與長(zhǎng)度，從而編輯Web中類的屬性，包括精度、長(zhǎng)度、種類、名稱、位置、項(xiàng)目與人員時(shí)間等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)屬性的查看與修改，完成模型構(gòu)建。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（1）電源切換。

該功能模塊可確?；痣姀S機(jī)組的安全運(yùn)行，可以為機(jī)組運(yùn)行提供備用電源，以保證在異常情況下能夠迅速實(shí)現(xiàn)電源切換?；痣姀S電氣自動(dòng)化控制中所使用的電母線有工作分支與備用分支兩種，工作分支在日常運(yùn)行狀態(tài)下接入系統(tǒng)，另外一條線路始終處于備用狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)運(yùn)行線路異常情況時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)則會(huì)立即接入備用電源，從而實(shí)現(xiàn)備用線路的穩(wěn)定供電，保障系統(tǒng)母線供電的穩(wěn)定性。火電廠監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有兩條供電途徑，其中備用電源處于斷開狀態(tài)，運(yùn)行中兩條線路相互備用，通過系統(tǒng)監(jiān)測(cè)開關(guān)操作異常情況、斷路器情況與接線方式進(jìn)行電源切換操作。

（2）低壓電源切換。

低壓電源系統(tǒng)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)邏輯指令進(jìn)行自動(dòng)切換，在低壓電源切換中對(duì)汽機(jī)斷路器和合跳閘邏輯指令如表1所示。

（3）高低壓用電控制原理。

火電廠高低壓用電控制均采用遠(yuǎn)程分合閘控制與就地手動(dòng)分合閘控制相結(jié)合的方式，但高壓控制的電氣回路轉(zhuǎn)換采用CK轉(zhuǎn)換開關(guān)，而低壓電氣回路轉(zhuǎn)換則采用LK轉(zhuǎn)換開關(guān)。

3.3 控制策略設(shè)計(jì)

火電廠電氣自動(dòng)化控制中，設(shè)定PID控制器包含3個(gè)整定變量Hp、Hi、Hd，且3個(gè)變量均存在5個(gè)有效數(shù)位。之后，將3個(gè)參數(shù)值抽象化于平面坐標(biāo)中，并繪制出等間距和等長(zhǎng)度的15條垂直x軸的線段，分別為A1，A2，...，A15。將所有線段進(jìn)行九等分，從每條垂直線段上獲取相應(yīng)的10個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此描述線段的數(shù)位值。此時(shí)，平面坐標(biāo)系中存在15×10個(gè)節(jié)點(diǎn)，將平面中的節(jié)點(diǎn)設(shè)定為a（xj，yj，i），其中xj為線段Aj的衡坐標(biāo)，yj，i為Aj上節(jié)點(diǎn)i的縱坐標(biāo)，其數(shù)值和節(jié)點(diǎn)的縱坐標(biāo)值相對(duì)應(yīng)。在蟻群算法中從坐標(biāo)原點(diǎn)O出發(fā)，其爬行路線可描述為：

B=｛O，a（x1，y1，i），a（x2，y2，i），...，a（xj，yj，i）｝

在火電廠電氣自動(dòng)化控制中，按照如下流程實(shí)現(xiàn)有效控制。

步驟1：依據(jù)參數(shù)整定方法（Z-N法），運(yùn)算PID參數(shù)為Hp，s-M、Hi，s-M、Hd，s-M。

步驟2：蟻群種群數(shù)目為n，存在15個(gè)用于保存途經(jīng)節(jié)點(diǎn)的縱坐標(biāo)和路徑屬性信息。

步驟3：運(yùn)用混合算法進(jìn)行參數(shù)初始化。

步驟4：設(shè)定變量j的初始值為1，當(dāng)參數(shù)plt;p0則計(jì)算螞蟻在線段Aj中各個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移的概率Qhji（t），反之，使用賭輪選取方法確定后續(xù)節(jié)點(diǎn)，并記錄數(shù)值。其計(jì)算方法如下：

式中，allowedh為h下一步可選取的節(jié)點(diǎn)；［Ψji（t）］1為描述信息素軌跡強(qiáng)度重要性；［ji（t）］2為描述能見度因素的重要性。

步驟5：當(dāng)所有螞蟻?zhàn)咄暌粋€(gè)節(jié)點(diǎn)后進(jìn)行局部刷新。

步驟6：設(shè)定j=j+1，若j≤15，則返回步驟3，反之繼續(xù)。

步驟7：根據(jù)螞蟻爬過路徑，運(yùn)算分析此路徑所對(duì)應(yīng)的PID參數(shù)Hhp、Hhi、Hhd，通過仿真計(jì)算，獲取火電廠電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)Shz、穩(wěn)態(tài)誤差dh和超調(diào)量eh，計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。

步驟8：刷新全部信息素，并自適應(yīng)調(diào)整全體信息發(fā)揮系數(shù)，刷新方式如下所示：

Ψji←（1-）·Ψji+·ΔΨji

步驟9：運(yùn)用單點(diǎn)交叉策略實(shí)施雜交，衍生出新的個(gè)體。

步驟10：通過基本位變異方法再次計(jì)算每個(gè)參數(shù)值。

步驟11：若控制策略中全部蟻群沒有收斂至相同路徑，則需再次將所有螞蟻放置于起點(diǎn)位置并跳至步驟4。反之停止運(yùn)算，輸出最佳路徑與相應(yīng)參數(shù)。

4 結(jié)語

火電廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)建仍然以采用DCS系統(tǒng)作為首選，該系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化控制方面具有其他控制系統(tǒng)難以比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)出現(xiàn)以后，DSC系統(tǒng)在火電廠電氣自動(dòng)化控制方面的應(yīng)用也可以得到進(jìn)一步發(fā)展，以現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)DSC系統(tǒng)同智能終端設(shè)備的連接，可以有效解決基于DSC系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低的問題，并通過智能終端設(shè)備的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的智慧化控制，真正發(fā)揮出火電廠電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的控制作用。

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Design of electrical automation control system for thermal power plants

YangGengtao

（Hebei Xingtai Power Generation Co.， Ltd.， Xingtai 045000， China）

Abstract：This article proposes a design scheme for the electrical automation control system of thermal power plants based on their operational requirements. The system construction is still based on the DCS system， with three hardware level protection layers： detection protection layer， communication management layer， and upper computer system. PID intelligent control module design is also carried out on the basis of a single neural network. In terms of system function implementation， the design content of control strategies for database systems， monitoring systems， and application PID controllers was proposed， and the optimal application process of control strategies for thermal power plants was ultimately determined， thus achieving intelligent control and management of electrical equipment in thermal power plants and meeting the requirements of system automation control management.

Key words： thermal power plant; electrical automation; single neural network; design process