现代火电机组AGC控制的先进解决方案

现代火电机组AGC控制的先进解决方案 ——“INFIT”实时优化控制系统成果简介：针对现代火电机组存在负荷升降速率低、关键参数波动大及系统不能很好适应煤种变化等实际问题，本成果通过有机融合预测控制技术、神经网络学习技术及自适应控制技术，提出了现代火电机组AGC 控制的先进解决方案，研制了AGC实时优化控制装置“INFIT”，实际应用表明：采用“INFIT”后，可以获得如下效益：获得更高的AGC响应速率和调节精度根据机组实际能力，可达到2.0%/min或更高的AGC运行速率和更好的负荷控制精度，使您在将来的电力市场竞争中处于领先地位。

机组运行更加平稳机组运行中主汽压力、主汽温度的波动幅度可被减小至：稳态工况 ±0.1MPa/±2.0℃变负荷工况 ±0.4MPa/±6.0℃使您的机组具有更加稳定、可靠的运行品质。

机组运行中的燃料、给水波动大幅减小通过智能预测算法使机组在AGC运行中的燃料、给水等控制量的波动幅度减小60%以上，对于减小机组设备磨损、延长锅炉金属管材寿命、减少爆管极为有利。

完全消除煤种变化对机组控制品质的影响采用神经网络技术实时校正煤种的热值、制粉延迟的变化，使机组在燃用不同煤种时始终具有良好的控制品质。

具有更好的运行效率通过先进控制算法的应用有效投入再热烟气挡板自动，大幅减少再热减温水量，同时优化机组滑压曲线使其在更加经济的工况点运行，机组运行效率可得到明显提升。

1“INFIT”实时优化控制系统的控制策略及特点要从根本上解决上述问题，应将先进的控制技术如：预测控制、神经网络控制、自适应控制、模糊控制等技术应用到火电机组的优化控制中来。

“INFIT”实时优化控制系统融合了多种国际上最先进的控制技术，是专门为解决上述火电机组AGC控制中难点问题而研发的先进控制平台，相关的新协调控制策略如图1所示。

“INFIT”实时优化控制系统具有以下特点：(1) 采用预测控制技术作为机组闭环控制的核心环节“INFIT”系统在整体控制结构上仍采用前馈+反馈的控制模式，但与常规DCS控制策略不同的是在其在反馈控制部分应用了目前国际上最前沿的解决大滞后对象控制问题的预测控制技术[2]，取代了原有的PID 控制。

采用这种技术能够提前预测被调量（如主汽压力、汽温等参数）的未来变化趋势，而后根据被调量的未来变化量进行控制，有效提前调节过程，从而大幅提高了机组AGC控制系统的闭环稳定性和抗扰动能力。

(2)对机组运行特性参数进行全工况实时校正常规DCS的控制回路，其控制参数一经整定结束就不会改变，对于日后机组工况的变化无能为力；“INFIT”系统采用竞争型的神经网络学习算法[3,4]来实时校正机组运行中与控制系统密切相关的各种特性参数（包括燃料热值、汽耗率、机组滑压曲线、中间点温度设定曲线、制粉系统惯性时间等），并根据这些特性参数实时计算AGC控制系统的前馈和反馈回路中的各项控制参数，使得整个系统始终处于在线学习的状态，控制性能不断向最优目标逼近。

图1 “INFIT”所采用的新协调控制策略(3) 对AGC运行模式进行了特别优化常规DCS控制方案对于机组运行在CCS方式还是AGC是不加区分的，“INFIT”系统中包含AGC运行模式下的特别优化模块：采用智能预测算法，一方面根据机组当前AGC指令、实发功率、电网频率等参数实时预测“调度EMS系统AGC指令”在未来时刻的变化趋势；另一方面根据机组的燃料量、风量、给水流量等参数实时预测表征锅炉做功能力的“锅炉热功率信号”在未来时刻的变化值，并依据这两者间的匹配程度来修正锅炉指令的变化量。

实际应用表明，增加AGC模式特别优化模块后，可在保证AGC负荷响应的基础上使机组燃料量、风量、给水流量、减温水流量的波动幅度减小60%以上，对于延长锅炉管材寿命，减少爆管极为有利。

(4)用大滞后控制技术对再热汽温控制系统进行优化“INFIT”先将自适应SMITH控制技术、状态变量控制技术及相位补偿技术融于一体，对再热汽温被控对象的大滞后特性进行动态补偿，有效减小补偿后再热汽温广义被控对象的滞后和惯性，而后以广义预测控制器作为反馈调节器、以模糊智能控制作为控制系统的前馈，通过对多种大滞后控制策略的有效组合，成功地实现了以烟气挡板调节为主、事故喷水调节为辅的再热汽温自动控制，有效减少了再热汽温的喷水流量，取得了明显的经济效益。

(5)采用独立的硬件平台，调试效率、安全性和升级能力明显提升“INFIT”系统在具体实现上选用Siemens S7系列PLC为硬件平台，通过modbus通讯方式作为一个扩展DPU融入到DCS系统中。

DCS原有控制逻辑完全保留，仅增加少量切换逻辑，运行人员可以方便地在DCS系统和“INFIT”系统间进行无扰切换。

对于该扩展部分控制逻辑的调试、修改不影响机组的正常运行，极大地提高了优化控制系统的调试效率和机组运行的安全性，也为今后新技术的应用升级打下了良好的基础。

2“INFIT”实时优化控制系统的实施方式2.1“INFIT”系统的软、硬件平台硬件方面：“INFIT”实时优化控制系统选用Siemens S7系列PLC为硬件平台，系统采用“双冗余电源+CPU模块+modbus通讯模块”的硬件配置。

软件方面：在Siemens Step7编程环境中采用SCL、STL语言开发了所有的高级算法模块，并通过面向对象的封装技术，建立了类似一般DCS 系统的组态函数库（但功能更为强大），之后可通过函数调用以类似DCS组态的方式完成具体机组AGC优化工程的建立。

2.2“INFIT”与DCS接口图2是“INFIT”系统结构及与机组DCS系统间的接口图，可看出优化控制装置可通过modbus通信与DCS融为一体，相当于为火电机组原有的DCS扩展了一套AGC控制优化系统，取代原系统中的AGC控制功能，以提高控制品质。

图2 “INFIT”系统与DCS系统间的接口图通过多种技术来保证通讯数据的正常以及“INFIT”系统与DCS系统的协调运作正常，主要包括：⑴“INFIT”系统以不断向DCS发送心跳波的方式来表征系统的运行状态，DCS一旦检测不到心跳波，立即切回原AGC控制系统；⑵“INFIT”系统不断检测由DCS侧获取的实时数据的正确性（包括上、下限，变化率等），一旦发现任一信号故障，立即将所有输出控制指令（燃料指令、给水指令、汽机调门指令等）保持，并立即切回原AGC控制系统；⑶ DCS侧接受到“INFIT”系统的新的控制指令（燃料指令、给水指令、汽机调门指令等）后，根据当前负荷进行上、下限约束（比如燃料量最大在当前状态下波动20t/h），以保证“INFIT”系统的故障不会使控制指令大幅突变。

通过上述技术的应用，即使“INFIT”系统在运行过程中掉电，也不会对机组安全运行造成影响。

2.3 独立硬件平台的优点“INFIT”系统采用了独立的硬件平台，主要优点如下：⑴ DCS只能实现常规的PID控制，控制性能有明显的局限性；而“INFIT”优化装置可实现任何先进的控制算法，是应用先进的现代控制技术来解决火电机组疑难控制问题的必备平台；⑵“INFIT”采用SIEMENS S7-300为硬件平台，具有与DCS相当的可靠性和稳定性；⑶采用“INFIT”后，整个优化控制系统的调试过程十分简单，由于不需要在DCS中反复在线下载控制组态，调试过程中机组的安全性大大提高，完全避免了由于下载不当而导致机组跳机事故的发生；⑷ “INFIT”是作为一个扩充的分散处理单元融入到整个DCS系统中，运行人员的操作方式保持不变；⑸采用“INFIT”后，无需改变原有DCS中的控制策略，运行人员可方便地在原有控制方案和新的优化控制方案之间无扰动地切换，增加了系统的灵活性和安全性。

2.4 现场安装方式图3是实时控制装置在华能太仓发电公司＃3 600MW超临界机组上的现场安装图，“INFIT”可以方便地安装在DCS机柜的空余空间中，由DCS系统提供220V电源即可。

图3 “INFIT”实时控制装置的现场安装图3 现场应用效果“INFIT”实时优化控制系统现已在华能太仓、大唐洛河600MW超临界和华能太仓300MW亚临界等10多台机组的协调控制中成功应用，并取得了良好的控制品质。

3.1“INFIT”系统在华能太仓＃3，＃4超临界机组协调控制上的应用华能太仓#3,＃4 机630MW超临界机组在2008年改烧渣混煤后，由于制粉系统的动态特性大幅变差（响应延迟由正常的2分钟增加到4～5分钟），协调控制系统的控制性能明显下降，机组运行稳定性和AGC速率均受到严重影响，为保证机组稳定，运行人员只能将变负荷率设定为6MW/min～9MW/min，机组正常运行中压力、汽温等参数波动大，AGC测试速率仅为1.0%左右。

在2010年2月投用“INFIT”实时优化控制系统后，现场实测AGC速率达到2.1%/min，机组运行状况也得到大幅改善。

图4是#3,＃4机组AGC测试的过程曲线，调度实测AGC速率达2.1%/min，且变负荷过程中机组运行非常平稳，主汽压力动态偏差<0.3MPa。

（a）#3机组AGC测试的过程曲（b）#4机组AGC测试的过程曲线图4 投运优化系统“INFIT”后，#3、#4机组AGC测试曲线图5和图6分别是在“INFIT”投用前（3小时）和投用后（5小时）#3机组协调运行曲线的对比，可明显看出：⑴投用“INFIT”系统前，#3,＃4机组只能以6MW/min的设定速率运行；投用“INFIT”系统后，设定速率提高到13MW/min。

⑵投用“INFIT”系统前，#3,＃4机组在大幅升降负荷时系统明显不稳定，主汽压力偏差达到1.5MPa以上，被迫解除协调控制；投用“INFIT”系统后，机组在各种扰动下运行非常稳定，主汽压力动态偏差<±0.2MPa。

⑶投用“INFIT”系统前，#3,＃4机组在正常AGC运行中燃料量、给水流量的波动幅度很大；投用“INFIT”系统后，燃料量、给水流量的波动幅度明显减小至原来的30%～40%图5 投运“INFIT”前，#3机组的协调运行曲线图6 投运“INFIT”后，#3机组的协调运行曲线3.2 优化系统在300MW亚临界机组协调控制上的应用本优化系统同样也适合于亚临界机组，优化系统已在华能榆社、华能太仓、大唐洛河等多台300MW亚临界机组上成功应用。

华能榆社二台300MW亚临界机组由于燃用煤种差及制粉系统滞后大等原因，协调控制系统的性能一直不理想，电厂申请了公司的科技项目，并委托东南大学对系统进行优化，东南大学采用先进的控制技术，有效地解决了原系统中存在滞后大、机组稳定性差及对煤种适应性差等问题。

图10为系统在180MW－320MW之间大幅度连续升降负荷时，机组负荷和压力的响应曲线，从图中可知，机组具有优良的负荷跟踪性能，且在整个过程中（包括反复启停磨煤机等），主汽压力的最大动态偏差仅为0.4Mpa左右，且快速稳定到定值。