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智能控制系统在大型火电机组中的应用

2023-11-07 165 上传者：管理员

摘要：针对火力发电机组智能化运行，本文提出1套采用自主可控技术研发的火电机组智能控制系统，并在大唐乌沙山电厂660MW超临界机组中进行了示范应用。智能控制系统实时数据库采集机组DCS控制系统数据，并进行数据深度融合，高度共享，智能控制系统搭载高级智能算法引擎，采用模块化组态方式，辅助电力企业专业人员快速实现算法寻优，参数预测等实际需求。基于智能控制系统开发的各类智能应用可以更好地提高机组整体运行水平，实现机组安全稳定、经济环保运行目标，助力发电企业迈向智能化发展轨道。

关键词：
智能控制
火力发电
火力发电机组
电力生产自动化
自主可控
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随着制造强国战略的不断实践，信息化与工业化深度融合的步伐不断推进，智能工厂或数字化车间的建设进入高速发展的轨道，促进了更多的生产制造企业提高自身的智能化发展水平[1]。火力发电作为国家电力生产的支柱产业，扮演着国家电力供应压舱石的角色，各发电企业在追求电力生产自动化、数字化和智能化的发展道路上一直处于领先地位[2]。例如，国家能源集团联合高校院士团队提出了智能发电厂的架构及特征，发电厂智能控制系统需要兼具智能生产和智能管理两个核心功能，并在厂级设备层、控制系统层、生产管理层实现数据融合，形成智能控制、智能安全、智能管理等功能[3]。西安热工院高耀岿等人同样提出对火电机组智能控制系统体系架构及关键技术的认识，笔者强调智能控制系统要在DCS的基础上拓展并形成了自己的应用环境，并建立与DCS的数据交互能力，实现集先进检测、智能控制、自主决策、智慧交互的火电机组智能控制系统[4]。

近年来，国家大力扶持自主可控产品的研发和推广应用，各发电集团实现了DCS国产化研发和改造任务，以华能睿渥HNICS、华电睿蓝maxCHD、国电智深EDPF-NT、浙江中控ECS-700等为代表的自主可控DCS产品在国内众多电厂实现国产化改造与应用[5,6]。然而，自主可控智能控制系统仍处于研发和测试阶段，本文提出的自主可控火电机组智能控制系统，是电力关键基础设施智能工控平台，为电力智能技术应用提供平台支撑，并建立可靠的安全防护技术。作为新一阶段电力企业数字化、智能化建设的代表性产品，其意义在于实现电力生产安全高效、经济环保，并对推进我国能源革命、保障能源安全具有重要意义。

1、智能控制系统技术需求与难点

1.1 技术需求

智能控制系统是新一代工业自动化、信息化、智能化产品[7]。要求系统可以运行在国产计算机芯片体系以及适配国产操作系统，实现国产自主可控。除此之外，还包括以下几个方面的技术需求：

(1）智能控制系统可以搭载高级智能算法及优化算法，实现机组整体协调优化的目标，提高机组整体运行的安全性、可靠性和经济性[8]。

(2）智能控制系统具备将工业现场数据从DCS网络中实时读取与储存的功能，并可以进一步实现数据挖掘与分析[9]。同时，智能控制系统可以定义具体的数据对DCS直接下达控制指令，保证两者在工业网络通信无障碍，数据高度共享。

(3）智能控制系统是集生产过程监控、控制优化、保障运维等实用性功能为一体的智能控制系统，具备智能控制算法模块开发、测试、上线等功能，并具备低代码开发能力。智能控制系统通过应用多项现代信息安全技术和安全保障体系，保证控制系统的网络安全、信息安全、应用安全和数据安全[10]。

(4）为使产品能够满足与第三方系统DCS、PLC等兼容使用的要求，设计了实时数据库对外OPC UA等服务。考虑未来智能控制系统功能不断扩展的需求，在智能控制系统架构设计方面，采用“工业控制系统+App”的策略，为后续系统功能的扩展、工业智能化应用软件的应用做好基础框架，方便后期功能扩展。

1.2 技术难点

根据项目技术需求分析，研发自主可控智能控制系统的技术难点包括以下几点：

(1）研发与DCS数据深度融合的智能控制系统，需开发1套高性能的实时数据库，具备百万每秒实时数据处理与存储能力，并支持各类基本标准规约接入（OPC、Modbus、IEC104等）。

(2）为了实现国产自主可控的目标，需要完成智能控制系统各类功能性软件在国产服务器与国产操作系统上的适配工作。

(3）实现全流程协调优化的智能控制系统，需要完成低代码智能算法模块的开发与测试[11]，并形成一种智能优化控制的开发标准或生态环境。

(4）智能控制系统可实现全厂主、辅一体化管控，具备一集多控的能力，实现大集控、少人值守的目标。

总而言之，智能控制系统作为集机组智能监控、智能分析与诊断、控制优化等功能为一体的工控平台，它具备自主可控，与DCS数据高度融合及功能互补，满足信息及工控安全及高扩展性。

2、智能控制系统技术架构

智能控制系统的架构从技术实现的角度可以划分为4个层级：网络与设备层、数据支持层、算法支持层、智能应用层。每个层级之间相互联系和支持，又具有自身的特点的实现方法。

2.1 网络与设备层

网络与设备层是智能控制系统的物理基础，范围包括DCS在内的所有智能控制系统网络与硬件设备，除常规DCS过程控制网与硬件设备外，智能控制系统重新部署了智能控制网（简称ICS网），增加配置了数据服务器、应用服务器、平台工程师站、平台客户端、智能控制器等设备。

从图1智能控制系统网络结构上看，智能控制系统与DCS采用同一过程控制网，实现智能控制系统和DCS系统之间的数据交互。智能控制网负责完成平台工程师站、平台客户端和服务器之间的数据交互。

2.2 数据支持层

数据支持层提供生产过程数据的广泛采集、高效存储与访问功能，实现生产信息的全面共享。该层采用实时数据库、关系库以及视频专用存储服务，实现各类数据的统一存储与访问，满足全厂实时生产数据融合应用的各类需求。

实时数据库作为智能控制系统的数据核心，负责完成对DCS控制器、PLC以及其他系统的接入，支持对数据的二次加工以及数据的存储，为上层的数据应用开发者提供实时数据订阅和历史数据检索的能力。此外，实时数据库提供历史存储和查询服务，支持数据分区、报警计算、报警分发等功能。

2.3 算法支持层

算法支持层作为智能控制系统应用服务与底层数据的纽带，提供了满足不同业务需求的建模算法和数据挖掘等多样化应用服务；提供专业的机器学习算法，包括分类、回归、聚类、关联规则、时间序列等，并推荐最优的算法和参数配置服务，以满足各类建模需求。除此之外，智能控制系统提供了可视化算法的建模环境，通过图形化建模工具完成的建模设计，大大降低了数据建模的技术门槛，充分利用和挖掘数据潜在价值。

2.4 智能应用层

智能应用层作为面向用户的功能交互层，提供了定制化的功能菜单，通过菜单可以访问机组画面监控、趋势分析等基本功能。除此之外，根据用户需求开发的智能应用也会在菜单中体现，包括过程监控、智能监盘、平行控制、燃烧优化等应用业务。

图1 智能控制系统网络结构与配置

3、智能控制系统的应用

3.1 过程监控

过程监控依托于实时数据库数据采集、存储与位号报警配置等功能，实现了数据实时显示、异常报警、实时/历史趋势查看等生产需求。过程监控流程图采用图形化编辑方式，方便管理与组态。过程监控作为火电机组智能控制系统基础功能项，它注重生产过程实时监控与报警，协助用户提高对生产异常工况的响应速度，降低机组停机风险，并同时降低机组附属设备的故障率，具备较高的实用性。

3.2 智能预测分析

火电机组智能控制系统具备在大数据环境下提供数据建模与预测分析功能，以满足客户对机组各类运行设备与重要运行参数的建模与数据分析，判断设备的运行状态与参数未来一定时间的变化。基于“模块化建模与分析”先进设计理念，完成从数据到模型，再到场景化应用建立模块化数据分析流程，从而降低数据建模技术门槛，提高客户进行数据分析与利用的效率，助力企业数据化运营。

3.3 智能监盘

智能监盘作为火电机组智能控制系统重要业务应用之一，具备火电机组健康度评价、智能报警及预警、AGC及一次调频性能计算、指标竞赛等多种功能，帮助电厂解决人工监盘的困境，实现少人值守和安全运行的目的，提升电厂运行管理水平。

(1）健康度评价、智能报警与故障诊断

1）健康度分值

智能监盘从机组安全、预警、经济、平稳及自控等多个维度全面评估设备及系统的实时状况，并支持根据实际情况对各维度权重进行设置，计算得到健康度分值。

2）智能实时报警

将机组重要参数报警分为常规报警与动态高低限值报警。常规报警包括参数定值报警、变化速率报警、差值报警、开关量报警等；动态高低限值报警是指在机组不同工况下对参数高低限值报警进行动态定义。

3）智能诊断

基于具体生产工艺的预测诊断分析模型，并结合多种智能分析算法，实现对机组运行过程中设备或系统故障的实时诊断。涵盖火电机组大部分常见故障，如制粉系统的磨煤机堵磨、着火；给煤机皮带跑偏、断煤、堵煤；风机喘振、风机动叶故障等。可在故障发生初期发出预警并引导处理，使运行人员有充足的处理应对时间，避免事故扩大造成严重损失。

(2)AGC和一次调频性能计算、班组指标竞赛

智能监盘AGC性能和一次调频性能计算结果以图表形式显示在界面中。

智能监盘具备实时计算机组正向和反向的响应时间、爬坡时间、调节速率、调节精度以及调节里程和调节电量信息，并实时统计出机组AGC调节过程中的K1、K2、K3、Kp值[12]，统计补偿费用和考核费用，用来反映机组AGC调节性能，指导运行人员及时进行分析解决，增强机组AGC调节能力，减少电网调度对电厂AGC的考核。

一次调频性能计算模块可支持实施统计调频次数和调频贡献率，并根据两个细则规定算法计算不合格的考核费用，智能监盘提供指标竞赛功能，按照各值班组在不同时间段的Kp值进行统计排名，激励各班组在AGC调节过程进一步提高调节性能。

4、总结

本文提出的火电机组智能控制系统旨在提高火电机组自动运行水平，保障机组安全稳定、经济环保运行。智能控制系统在大型发电机组上的应用成果表现：智能报警与预警功能可以大大减少机组故障发生率，预防机组及辅助设备“带病”运行，并最终避免机组非计划停机；智能监盘作为重要业务应用之一，集合了丰富的业务功能，如健康度评价、智能报警、故障诊断、AGC和一次调频性能计算及班组指标竞赛等，协助电厂运行人员解决无法全局监控机组各系统运行状态，长期和夜间监盘疲劳无法有效保证监盘质量，异常状况发生后处理反应时间不足等问题，实现了少人值守和安全运行的目的，并提升了电厂整体运行管理水平。

参考文献：

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[4]高耀岿，王林，高海东,等火电厂智能控制系统体系架构及关键技术[J]热力发电，2022,51(03):166~174.

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[11]马蓉蓉.基于可视化建模技术的低代码赋能电力行业数字化转型平台[J].云南电力技术, 2022,50(03);21~24.