TOP7協調優化控制平臺在超（超超）臨界火電機組上的應用

李 泉，陳 波，陳 衛，尹 峰，李煦侃

（浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

超（超超）臨界火電機組協調控制系統的控制對象具有多變量、非線性、強耦合的特性，目前在控制過程中還存在壓力控制不穩、AGC響應品質不理想等問題，而且現場進行邏輯優化時需在線下裝，影響機組的安全穩定運行，因此急需一套優化控制平臺對系統進行優化。

本文采用了TOP7協調優化平臺，在平臺中嵌入先進協調優化控制算法，設計了與DCS系統的無擾接口，從而實現機組AGC動態和穩態品質優化，與常規邏輯的控制性能對比證明了該優化控制平臺的有效性。

1 優化控制平臺

1.1 控制平臺的硬件結構

一套標準的TOP7系統所含硬件應包括：機柜及配套組件、冗余網絡交換機、上位高性能計算服務器、下位控制處理器、冗余24V電源及切換器、MODBUS通信卡件、IO卡件、可折疊收縮式KVM顯示器和相應的接線端子牌及繼電器，各主要硬件功能及職責分配如下：

（1）機柜及配套組件：控制平臺被封裝于獨立的機柜中，置于DCS電子室內和DCS機柜一起。機柜采用雙路220 V交流電源冗余供電，經分配后的220 V電源被直接送往上位高性能計算服務器、冗余網絡交換機、可折疊收縮式KVM顯示器和冗余24 V電源。

（2）冗余網絡交換機負責數據交互，即上、下位機之間的數據交互。

（3）上位高性能計算服務器負責平臺數據的記錄、人機接口的管理、高級算法分析、控制算法組態、流程畫面組態等工作。

（4）下位控制處理器負責控制算法執行、IO硬件交互、與其他系統的冗余通信建立等工作。

（5）冗余24 V電源及切換器為下位控制處理器、IO模件、MODBUS通信模件和繼電器供電。

（6）MODBUS通信卡件和IO卡件是和DCS進行交互的卡件，其中MODBUS方式一般被用作優化數據的傳輸，硬件IO一般被用作控制平臺在DCS系統中的投/撤指令傳輸。

1.2 控制平臺的軟件結構

控制平臺軟件包括：平臺控制系統軟件、高級應用算法軟件、所含功能組件運算軟件等。

（1）平臺控制系統軟件為基礎軟件，可以分為上位和下位兩部分。軟件的上位部分運行于人機接口計算機中，可完成對下位控制計算單元進行組態、監視、調整、修改等功能，同時還具備對歷史數據和歷史事件的采集功能。軟件的下位部分運行在下位控制處理器中，根據上位組態編譯的結果，按照設計算法對采集數據進行實時計算，并驅動相關卡件控制輸出。

（2）高級應用算法軟件可以分為上位和下位部分。通常運行在上位部分的高級應用算法軟件可以完成數據挖掘、狀態監測、特性分析等功能；而運行在下位部分的高級應用算法軟件常被封裝為高級算法模塊，負責完成某種高級算法。

（3）功能組件運算軟件為某特定的功能組件所特有，為實現特殊要求而編制。

（4）可折疊收縮式KVM顯示器用于調試和操作過程中的人機畫面顯示和操作，可通過該設備完成對上/下位計算機的編程、修改和控制。

1.3 控制平臺的功能結構

控制平臺各子組功能劃分如圖1所示。

將DCS中難以實現的控制方法從現有控制平臺中獨立出來，通過數據傳遞的方式指導DCS運行是平臺運行的基本方式。

圖1 控制平臺的功能結構

2 協調優化控制算法

本文應用優化平臺的控制系統軟件和高級應用算法軟件，實現了協調優化控制算法。

2.1 優化設計原理

針對超超臨界直流機組，對協調控制系統進行優化的基礎是降階系統的對象特性，首先將三入三出的協調系統降階為二入二出的被控對象，根據該對象采用先進控制算法進行優化控制。降階方法如圖2所示。

圖2 系統降階方法

經過降階后協調系統模型結構如下：

式中：ΔB包含了煤量和等比例的水量；A11為煤量（水量）對壓力的特性函數；A12為調門對壓力的特性函數；A21為煤量（水量）對負荷的特性函數；A22為調門對負荷的特性函數。

根據圖2的模型結構，設計了基于降階模型的智能協調控制系統，優化原理如圖3所示。

2.2 接口設計原理

TOP7優化控制平臺需要與DCS進行接口設計，包括硬件接口和軟件接口2個部分。

圖3 智能協調控制系統優化原理

（1）硬件接口指MODBUS通信卡件和IO卡件，在MODBUS方式下需要利用DCS所配備的LC通信卡件，通過LC卡可以實現和該DCS系統的雙向數據通信。通信連接過程中，TOP7側和DCS側需進行相關的設置。

（2）軟件接口：當優化控制平臺投入或退出時，在TOP7和DCS通過MODBUS傳輸的信號中，TOP7送出的優化指令信號和DCS中相應指令信號進行切換時，若2種信號偏差過大，需要實現無擾動切換，無擾切換的邏輯一般在DCS中實現，具體形式如圖4所示。

圖4 無擾切換原理

當切換信號出現時，按一定的速率切換至信號2，正常無切換信號時輸出信號1。

3 協調優化控制平臺的現場應用

優化控制平臺目前已分別應用于大唐烏沙山電廠600 MW超臨界機組和樂清發電廠660 MW超超臨界機組中。

3.1 超臨界機組中的應用

大唐烏沙山電廠600 MW超臨界燃煤機組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司制造的單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型布置直流鍋爐，型號為HG-1890/25.4-YM4。采用哈爾濱汽輪機廠有限責任公司與三菱公司聯合設計、生產的CLN600-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽凝汽式汽輪機。

在機組處于AGC狀態時，當投入協調優化控制平臺和未投入協調優化控制平臺時的AGC響應曲線如圖5和圖6所示。

圖5 協調優化控制平臺投入時的負荷、壓力響應曲線

圖6 協調優化控制平臺未投入時的負荷、壓力響應曲線

在圖5中，壓力偏差大部分時間控制在±0.5 MPa以內，負荷控制精度較高，偏差在±7 MW以內，整個過程比較平穩。在圖6中，壓力偏差大部分時間超過0.5 MPa，負荷控制精度略差，偏差在±10 MW以內，而且整個過程波動較大。通過對比圖5和圖6可以看出協調優化控制平臺在超臨界機組上應用的有效性。

3.2 超超臨界機組中的應用

樂清發電廠660 MW超超臨界燃煤機組，采用上海鍋爐廠制造的超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、四角切圓燃燒、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼結構、全懸吊結構，型號為SG-1913/25.4-M95，以定-滑-定方式運行。采用上海汽輪機有限公司制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、高中壓合缸、反動凝汽式汽輪機，機組型號為N660-25/600/600。

在機組處于AGC狀態時，投入協調優化控制平臺和未投入協調優化控制平臺時的AGC響應曲線如圖7和圖8所示。

圖7 協調優化控制平臺投入時的負荷、壓力響應曲線

圖8 協調優化控制平臺未投入時的負荷、壓力響應曲線

在圖7中，壓力偏差大部分時間控制在±0.5 MPa以內，負荷控制精度較高，偏差在±6 MW以內，整個過程比較平穩。圖8中，壓力偏差大部分時間超過0.5 MPa，負荷控制精度略差，偏差在±9 MW以內，而且整個過程波動較大。通過對比圖7和圖8可以看出協調優化控制平臺在超超臨界機組上應用的有效性。

4 結語

針對超（超超）臨界火電機組在AGC狀態時壓力波動大、負荷響應不理想、控制邏輯在線修改影響機組安全等問題，采用了TOP7協調優化控制平臺，提出了先進的協調優化控制算法并嵌入控制平臺中，設計了與DCS系統的無擾接口，實現了機組AGC動態和穩態品質優化，實際應用結果證明了協調優化控制平臺的有效性。

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