電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用中的抗干擾技術(shù)

徐龍濤

（上海能源科技發(fā)展有限公司，上海）

前言

在我國電力事業(yè)發(fā)展進程中，以DCS 為基礎(chǔ)的電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍逐步擴展，為電廠現(xiàn)場生產(chǎn)自動化提供了充足支持。但是，現(xiàn)有電廠熱工控制系統(tǒng)運行過程中頻現(xiàn)干擾問題，不僅影響了系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，而且對電廠生產(chǎn)作業(yè)效率造成了較大沖擊。因此，探究抗干擾技術(shù)在電廠熱工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實意義。

1 電廠熱工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電廠熱工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電廠熱工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 中的電廠熱工控制系統(tǒng)DCS 由優(yōu)化站、主交換機、冗余交換機、Modbus 方式（單主站的主/從通信模式）、OPC 服務(wù)器、通信服務(wù)器、主控制器、冗余控制器組成，比較運算遵循原有DCS（Distributed Control System，分散控制系統(tǒng)）開放通訊協(xié)議、OPC 方式（OLE for Process Control，用于過程控制的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口），經(jīng)硬接線提交數(shù)據(jù)。由圖1 可知，電廠熱工控制系統(tǒng)為分散控制系統(tǒng)，其采用分層次的積木式結(jié)構(gòu)，控制管理模塊由若干操作員站點、工程師站點組成，過程控制則由若干過程控制站點組成，整個系統(tǒng)可分批次、分步驟擴展[1]。

2 電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用中的干擾問題

電廠熱工控制過程大面積存在模型不確定性、已知不確定性和未知不確定性干擾問題。以鍋爐-汽機協(xié)調(diào)系統(tǒng)為例，作為典型熱工控制單元，系統(tǒng)負(fù)責(zé)穩(wěn)定相關(guān)參數(shù)操作，滿足電網(wǎng)電力需求。一般在火力發(fā)電機組小負(fù)荷運行環(huán)境下，借助比例-積分- 微分控制可以實現(xiàn)抗干擾運行。但是，在新能源發(fā)電比例持續(xù)提高進程中，火力發(fā)電機組更多承擔(dān)調(diào)峰工作，需機組運行負(fù)荷變化幅度進一步提升，機組動態(tài)過程表現(xiàn)為大范圍非線性，比例-積分- 微分控制無法滿足要求[2]。加之鍋爐-汽機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)嚴(yán)重耦合，內(nèi)部不明干擾繁多，干擾抑制難度較大。比如，鍋爐-汽機協(xié)調(diào)動態(tài)模型多簡化構(gòu)建，模型數(shù)據(jù)源于海量歷史運行數(shù)據(jù)，模型結(jié)構(gòu)、未建模態(tài)、參數(shù)攝動等不明干擾疊加出現(xiàn)，不僅沖擊系統(tǒng)控制性能，而且引發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)。若直接采用抑制常值干擾的積分控制方法，需要耦合瞬態(tài)過程、穩(wěn)定性與魯棒性、跟蹤過程，致使局部性能被犧牲。如某660MW 燃油汽包爐機組系統(tǒng)擾動狀態(tài)下的典型工況點如表1 所示。

表1 系統(tǒng)擾動狀態(tài)下的典型工況點

擾動狀態(tài)下，660MW 燃油汽包爐機組系統(tǒng)擾為多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，狀態(tài)變量之間耦合態(tài)勢明顯，汽包內(nèi)混合流體密度非線性變化促使以往反饋線性設(shè)計狀態(tài)反饋控制實現(xiàn)難度較大。

3 電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用中的抗干擾技術(shù)方案

3.1 自抗擾技術(shù)結(jié)構(gòu)

電廠熱工控制系統(tǒng)中，抗干擾技術(shù)具有自抗擾性質(zhì)。自抗擾性質(zhì)的抗干擾技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 自抗擾性質(zhì)的抗干擾技術(shù)結(jié)構(gòu)

圖2 中，TD 跟蹤微分器、SEF 狀態(tài)誤差反饋控制器、ESO 非線性擴張狀態(tài)觀測器共同組成抗干擾結(jié)構(gòu)。跟蹤微分器是求取自抗擾控制期間微分信號的主體，表現(xiàn)為快速無超調(diào)跟蹤輸入信號，形式如下：

式（1）中，e 為濾波因子；v1為參考輸入信號的跟蹤信號；v0為設(shè)定值；fhan 為綜合函數(shù)；h 為綜合函數(shù)的積分步長（跟蹤微分器工作積分步長）；v2為參考輸入信號的微分信號；r0為可調(diào)速度參數(shù)，對跟蹤速度具有決定性影響[3]。

ESO 是自抗擾控制器產(chǎn)生的基礎(chǔ)，可在對象模型不明情況下，將其視為含不確定性擾動的積分串聯(lián)結(jié)構(gòu)，貫徹信號被擴張狀態(tài)，進而跟蹤模型不明部分（含外部不明擾動值）。在跟蹤模型不明部分時，實時反饋，實現(xiàn)擾動的實時補償。根據(jù)電廠熱工控制系統(tǒng)非線性、大延遲、不確定的特點，可以設(shè)定ESO 狀態(tài)空間形式如下：

式（2）中，x1、x2、xn、xn-1為輸入擾動；y 為輸出。在擾動不明的情況下，可以將其擴展為新的狀態(tài)xn，xn的末個狀態(tài)估計值為原有輸出與輸出信號跟蹤誤差的和。基于此，借助ESO，利用常規(guī)積分串聯(lián)形式代替涵蓋不明干擾的非線性不確定目標(biāo)，遵循非線性狀態(tài)誤差反饋控制規(guī)律（NLSEF），完成目標(biāo)控制。

NLSEF 是擴張狀態(tài)觀測器、狀態(tài)反饋誤差控制的實現(xiàn)基礎(chǔ)，參數(shù)選擇與控制器帶寬、觀測器帶寬具有較大聯(lián)系。因高階下NLSEF 需反饋控制參數(shù)眾多，極易輸出含高頻率噪聲微分信號，增加參數(shù)整定難度[4]。

3.2 克服可測干擾的技術(shù)

可測干擾是電廠熱工控制系統(tǒng)常見干擾類型，對于可測干擾，因輸入與輸出階次已知，借助降階模型進行抗干擾控制器設(shè)計，極易引發(fā)未建模動態(tài)，并在有界干擾下出現(xiàn)失穩(wěn)。此時，可以利用魯棒自適應(yīng)前饋控制理論，經(jīng)正則化處理，利用有界干擾代替全部未建模動態(tài)，并利用相對死區(qū)技術(shù)，辨識試湊死區(qū)，確保自適應(yīng)抗干擾長時間處于有界穩(wěn)定狀態(tài)。即設(shè)定被控系統(tǒng)輸入可測干擾，輸出有界不可測擾動，在擾動階次上界處于較大狀態(tài)時，利用降低階次方式。在降低階次處理時，選取已知參考輸入信號，解算系統(tǒng)最優(yōu)預(yù)報方程，獲得最優(yōu)控制解。若輸入信號擾動為白噪聲，則先求解系統(tǒng)將來時刻的隨機干擾，再推到系統(tǒng)當(dāng)前觀測誤差。在系統(tǒng)當(dāng)前觀測誤差預(yù)報時，遵循最優(yōu)控制律，恰當(dāng)選擇控制輸入，取最小指標(biāo)函數(shù)，并進行模型參數(shù)辨識數(shù)據(jù)向量、參數(shù)向量定義，形成自適應(yīng)抗擾控制閉環(huán)，消除可測干擾對系統(tǒng)的不利影響。

3.3 克服未知干擾的技術(shù)

在電廠熱工控制系統(tǒng)運行過程中，未知干擾眾多，常規(guī)反饋控制無法補償未知干擾的不利影響。在干擾因客觀條件限制無法直接測量情況下，可以從電廠熱工控制過程輸出著手，構(gòu)造虛擬干擾估計器，仿真過程輸出變化。虛擬干擾控制器由受控過程、受控過程動態(tài)模型組成，受控過程動態(tài)模型負(fù)責(zé)受控過程的精確描述，干擾估計量與未測干擾一致。因部分電廠熱工控制系統(tǒng)未知干擾含模型失配誤差，受控過程動態(tài)模型含純滯后既右半S 平面零點，物理超前控制受限，可以從受控過程動態(tài)模型中扣除純滯后預(yù)留部分，以內(nèi)模控制為基礎(chǔ)，進行未測干擾的抗干擾控制，從源頭規(guī)避干擾不可直接測量對電廠熱工控制干擾補償?shù)挠绊懀碌目垢蓴_控制技術(shù)策略如圖3 所示。

圖3 克服未知干擾的技術(shù)策略

圖3 中，1 為設(shè)定；2 為推理控制；3 為自校正；4為模型；5 為輸出；6 為過程；7 為輸出預(yù)報器；8 為控制參數(shù)；9 為總干擾預(yù)報；10 為干擾；11 為輸出總預(yù)報值；12 為未知干擾預(yù)報。

4 電廠熱工控制系統(tǒng)應(yīng)用中的抗干擾實踐

4.1 實踐過程

以典型電廠熱工控制系統(tǒng)-單元機組協(xié)調(diào)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)含多變量，由機爐主控制系統(tǒng)、負(fù)荷被控制對象、常規(guī)自控制系統(tǒng)組成，具體如圖4 所示。

圖4 典型電廠熱工控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 中，機爐主控制系統(tǒng)（PLC）是依據(jù)機組實際運行情況處理外部負(fù)荷指令，依據(jù)機爐負(fù)荷要求，實現(xiàn)外部負(fù)荷指令、實際負(fù)荷指令的轉(zhuǎn)化。

4.2 實踐結(jié)果

4.2.1 輸出端階躍響應(yīng)

為確定實踐結(jié)果，設(shè)定仿真時間為200 s，將設(shè)定值階躍擾動施加到主汽壓力、機組輸出功率、中間點焓值上，得出輸出端階躍響應(yīng)參數(shù)如表2 所示。

表2 660MW 超臨界機組協(xié)調(diào)抗干擾自控輸出端階躍響應(yīng)參數(shù)

由表2 可知，抗干擾自控技術(shù)可以快速跟蹤設(shè)定值，促使660MW 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)。同時在某一個通道（主汽壓力/機組輸出功率/中間點焓值）發(fā)生階躍擾動時，其余2 個通道基本不受干擾，通道之間耦合基本被消除。

4.2.2 負(fù)荷下抗擾控制

100%負(fù)荷下，在20 s 時，將1 個1 MPa 的正向擾動施加到燃料量上。隨后在450 s 時，將1 個同樣大小的負(fù)向擾動施加到燃料量上，得出燃料量擾動下控制量與主汽壓力變化如表3 所示。

表3 燃料量擾動下控制量與主汽壓力變化

由表3 可知，在燃料量存在正向擾動或負(fù)向擾動時，借助自抗擾控制器，可以在短時間內(nèi)促使系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，并限定變化幅度小于0.5 t/h，主汽壓力變化幅度不超出0.1 MPa。表明自抗擾控制器可以在保證電廠熱工控制抗擾快速性的同時，降低超調(diào)量，改善抗擾性能。

5 結(jié)論

綜上所述，電廠熱工控制系統(tǒng)為分散控制系統(tǒng)，兼具強非線性、大延遲特性，干擾風(fēng)險較多，且抗干擾控制參數(shù)整定難度較大，無法保證抗干擾的穩(wěn)定性。因此，應(yīng)立足自抗擾控制器，綜合考慮對象模型不確定、參數(shù)實時變化、外部擾動頻繁等因素，增設(shè)相同線性擴張狀態(tài)觀測器，向觀測器內(nèi)引入總擾動估計誤差值，有針對性地進行總擾動估計誤差補償，確保電廠熱工控制系統(tǒng)抗干擾性能穩(wěn)定。