基于控制策略和控制结构优化的电站自动化研究

基于控制策略和控制结构优化的电站自动化研究摘要提高自动化水平，对于电厂的安全性，经济性，可靠性有重要的意义，除了采用先进的管理技术和先进的控制算法外，本文主要讨论了基于控制策略和控制结构优化的提高电站自动化的方法。控制策略和控制结构的优化在某种程度上比先进控制算法更具实际意义。一个好的控制结构和控制策略不仅能够提高系统的控制性能,还能在一定程度上降低控制算法的复杂性,提高运算效率,降低运行成本。基于此，本文针对电厂的典型过程，讨论一些可供选择的优化策略和优化结构。关键词电站自动化，控制策略，控制结构，优化1引言随着技术的发展，工业过程越来越复杂，要求越来越高，例如以一台600MW机组为例,其中I/O点数超过15000个,运行过程的监控点多达60007000个,各种控制回路有500600个,这么多的信息数量已超出了人的接受和处理能力，必须靠自动化技术来保证其安全可靠运行。另外大功率高参数的机组一旦发生故障，处理事故所允许的时间极为短暂，否则事态会迅速扩大，后果严重。而发电机组的故障和事故，其损失不仅限于机组本身，而且还影响用电单位的生产，其损失往往远超出机组本身的损失。提高自动化水平后，则可以减少机组的事故率，所带来的经济效益是难以用简单的计算来说明的。所以为了提高品供电质量和生产效率，提高设备运行的安全可靠性，节省劳动力和改善劳动条件，必须提高电站自动化水平。提高电站自动化的方法途径有很多，一类是采用先进的管理系统，提高信息处理的速度，例如目前,大多数在建电站和计划建设电站一般都设计了分级分层的自动化管理系统,包括生产过程级的DCS系统,监控优化级的SIS系统，生产管理级的MIS系统。这种分级管理结构整合了计算机技术，通讯技术和网络技术，可实现高度信息集成的管控一体化。另一类是采用先进的控制策略来提高自动化水平。进一步加强先进控制理论与方法的应用研究，通过控制策略和控制结构的优化，从广度和深度两方面提升电站的自动化水平。目前,在电力生产过程中得到初步应用或已开展应用研究的先进控制策略主要有针对大滞后特性的预测控制或SMITH预估控制针对多变量、强耦合特性的多变量解耦控制针对非线性特性的变结构控制或直接非线性控制针对复杂外界扰动的鲁棒控制针对节能、环保、设备安全状况的优化控制和统计质量控制以及基于智能化方法的模糊控制、神经网络控制、专家系统等。这些算法，多数有复杂的数学推导，其中有些算法由于其计算复杂，仍然停留在理论研究领域。那么我们有没有办法避开复杂的数学推导来提高自动化水平呢答案是肯定的，通过控制策略和控制结构优化，就可以避开复杂的数学计算来提高电站自动化。2控制策略的优化控制策略的优化是指面对同一个问题，有不同的控制策略，通过分析我们可以选择最优的一个，针对火电厂的一些典型控制，我们可以提出如下的一些优化策略。（1）给水控制目前我国汽轮发电机组中，一直沿用固定转速的电动给水泵，靠控制给水调节阀在以前设计的电厂中尚有给水差压调节阀来完成给水调节。但是这个过程中压力损失较大，为了减少损耗，国外普遍采用转速可调的给水泵，用可调转速的汽轮机来拖动或者加液力联轴器。在这种情况下，压力损失可以大大降低。（2）进汽控制我国大型机组中的进汽控制方式一般有两种，一种是节流调节或称单阀运行，另一种是喷嘴调节多阀程序运行。除个别机组外，大多采用后者。这种在运行中控制方式不变的办法对变工况运行的热耗是不利的。因为前者主要适用于带基本负荷运行，后者主要适用于带部分负荷。在引进的30万和60万千瓦机组中采用电液控制系统，可以利用阀门管理程序根据运行工况进行进汽调节方式的无扰自动切换。根据美国西屋公司的数据，在部分负荷时采用这种自动切换的控制方式使机组的热耗值最多可达减少3。（3）负荷频率控制传统负荷频率的机跟炉，炉跟机已经不能满足要求，采用协调控制系统是大型火力发电站的大功率机组提高控制水平的一个重要项目，但人们一般认为其首要的目的在于提高机组对外界负荷变化的适应性。其实采用了协调控制系统后，将大大改善机组的经济性。这是由于有了协调控制系统后能使各主要的主辅设备及时地按“需求”运行，从而避免它们“过多”和“滞后”于“需求”所造成的浪费。比如说，当外界负荷减少后，协调控制系统能尽快地使锅炉包括燃烧系统及给水系统等迅速降低出力这就大大减少了各主要参数如汽压、水位、汽温等的波动，使过剩造成的浪费降到最低值。采用协调控制系统不论从改善电网品质还是改善经济性来讲，都是一个很好的策略。（4）机组启停控制。一台大型火电机组启动的过程十分复杂而且时间较长。以国产20万千瓦机组为例，冷态启动时，仅从汽机冲转到带满负荷要1112小时左右。在此过程中，运行人员要观测判断数以百计的参数，要想完全合理地掌握各种参数变化的时机与尽可能充分地利用主要设备的效能是十分困难的，这不仅造成了时间上的浪费，而且对机组运行经济性带来巨大损失。如能采用自动启动系统，则可以节省启动时间。一台20万千瓦机组自动程序启动系统可以使汽轮机启动时间缩短3个小时，每次启动可节约6万元。对于一个调峰机组，其增产价值每年将达数十方元之巨。更为重要的是由于采用了自动启停装置提高了自动化水平，使机组的寿命得以延长。据国外报导，某机组每启动一次寿命损耗为017，而采用了自动启停装置以后，其寿命损耗可减少到002。5旁路控制。具有灵活的旁路控制系统不仅对机组运行方式产生重大影响，亦对电站的运行经济性带来不少收益。首先，如无此系统，在启动时将有大量宝贵的蒸汽排向大汽，以一台5万千瓦机组来说，一般要排掉蒸汽50吨左右其次，可以缩短机组启动时间，尤其是热态启动第三，在电网发生事故时可使机组与电网解列，快速降负荷带厂用电运行，或汽轮机发生故障时快速降负荷停机不停炉，待故障在短期内排除后立即重新启动并网。当然，采用旁路系统还必须有协调控制系统及锅炉安全保护系统配合动作。3控制系统结构优化对控制系统结构的优化可根据工艺过程的特点,采用多种方式从不同角度入手。对基本控制回路的结构优化。包括反馈信号的选取与构造、不同控制方式的切换、快变过程与慢变过程的相互补偿、多种控制手段之间的协同工作对于包含若干控制回路的整个生产过程的结构优化。这种优化往往采用分级结构,从全局的高度协调各个局部控制回路的优化运行。1PID的改进例如针对控制器有上下限提出的积分分离PID控制算法在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的,主要是为了消除静差,提高精度但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时,短时间内系统输出得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量,最终引起系统较大的超调,甚至引起系统的振荡,这在某些生产过程中可能产生极大危害分分离PID控制算法,既保持了积分作用,又减小了超调量,使得控制性能有了较大的改善其具体实现如下根据实际情况,人为设定一值0当EK偏差值EK比较大时,用PD控制,避免过大的超调,又使系统有较快的响应当EK偏差值EK比较小时,用PID控制,可保证系统的控制精度（2）PID算法的自整定长期以来，PID的整定一直是在一定的理论指导下靠经验不断试凑，凭借工程技术人员的直观感觉来判断参数整定是否合适。对于参数是否最佳，还有无改善空间，没有人能给出明确的答案，其中的主要原因就是我们对于PID参数都是人工试凑，针对这个问题，我们可以通过改进，实现PID参数的自整定，例如我们可以选取如下的PID参数自整定策略我们给定一定的优化准则，通过神经网络在线实时的自整定PID参数，可以达到在该准则下的最优。（3）对大系统的分散，分布或分级控制对于大型复杂的大系统，我们往往很难得到他们的模型，对于这些系统的控制我们可以采用对系统分解的办法，把大系统分解为若干个小系统，对每个子系统进行控制，在保证每个子系统最优的前提下再进一步讨论子系统的最优解是否为全局最优解。（4）部分分散控制部分分散控制是最近人们开始关注的一种控制结构，它介于完全分散控制和全多变量控制之间。其核心思想是在分散控制的基础上进行一定程度解耦，期望以比集中控制简单的结构得到与其相似的高性能。长期以来，人们忽略了部分分散控制系统设计，直到部分分散控制器在激光指向等系统中成功应用后，才逐渐引起人们的关注，在简化控制系统结构、减少调试参数的同时能得到良好的控制性能。部分分散控制在分散控制的基础上消除了部分通道间的耦合，在提高控制系统性能的同时避免了控制结构过于复杂。以22系统为例，其部分分散控制器有如下4种形式1212213214200CC对于部分分散控制器的设计可以参考相关论文。（5）基于前馈思想的自抗扰控制也即ADRC。复杂的热力系统存在如下控制难点具有较大的惯性和延迟；难以得到精确的数学模型，即存在模型不确定性；存在系统内部或外界带来的不确定性干扰；存在非线性、时变性；多变量系统，各变量之间存在耦合作用。而这些难点采用基于反馈思想的传统PID难以获得令人满意的控制效果。而其他先进的算法往往有复杂的数学推导，令人难以理解。在这种背景下，中国科学院韩京清教授提出的一种新型的反馈线性化控制策略自抗扰控制，该控制是在误差出现之前，以状态观测器的形式提前得出误差并实时补偿，利用前馈思想，做到了“主动控制”，其核心思想是利用扩张状态观测器实时估计被控对象的扩张状态变量（即“内扰”和“外扰”），然后利用控制律对总扰动进行补偿，从而使得ADRC具有较强的抗扰动能力，并且能够获得较好的鲁棒性。最初的自抗扰控制是非线性形式的，由于包含太多控制参数，其整定往往依赖于设计者的经验，实践中较难应用。基于原ADRC思想，以线性化实现形式设计前者各结构，提出了线性自抗绕控制（LADRC）。该方法将控制参数简化为控制器带宽和观测器带宽的函数，简化了计算，便于整定及维护。线性自抗扰控制器的独特思想和结构决定了该方法具有如下优点结构简单。该方法具有与传统PID非常相近的简单结构，易为工程人员掌握。不依赖于精确对象模型，使其对模型不确定系统有良好的适用性。较强的抗干扰能力。将被控对象模型中的未建模摄动、未知扰动都认为是系统扰动，通过扩张状态观测器进行估计，然后利用控制率进行补偿。解耦特性。对于多输入多输出系统，自抗扰控制方法由于将系统间的各种耦合作用统一看成本子系统的扰动加以考虑，从而避免了需要单独设计静态或动态解耦模块的窘境，同时又不降低控制系统的性能。LADRC控制器没有复杂的数学推导，结构简单，便于工程人员理解掌握。而且最重要的是整定简单，相对于PID的比例，积分，微分三个参数,自抗扰控制器仅仅有一个需要整定的参数，其应用实践已经表明，控制效果在大多数情况下优于PID。因此应用前景广阔。一般的二阶ADRC控制器结构如下自抗扰控制器由三部分组成跟踪微分器TD，其作用是安排过渡过程并给出过程的微分信号；扩张状态观测器ESO，其作用是给出对象状态变量估计值及系统模型和外扰实时总和作用的估计值，这个实时估计值的补偿作用使被控对象化为“积分器串联型”；利用状态误差反馈对被化成“积分器串联型”的对象进行控制。对于二阶简化的线性自抗扰控制器，我们给出如下推导二阶被控对象，（3120,YFYUB）令，我们把F看作系统扰动，并扩展状态，使。12,XY3XF假设可微，定义。变化为状态形式如下F3HX（3212231XBUXHY）也即（3XABUEHYCX3）线性扩张状态观测器LESO如下（3ZABULYYCZ4）其中L为观测器增益矢量。可以通过极点配置方法得到123,L线性ADRC的控制量为（330ZUUB5）其中，经过该线性反馈后，二阶系统变为3ZF（3200UFYFB6）可以按照下面的规则选取0U（3012PDUKVZKXZ7）这样闭环传递函数就近似为无零点的纯二阶对象（32PCDKYSGVS8）由此可取值。如果把闭环特征值都配置在22,DCPCKK,则有S,选择参数为03123SS30S其中分别为状态反馈系统与状2102003,C和态观测器的带宽,为闭环系统传递函数的阻尼比。选择使系统没有振荡。线性自抗扰控制器继承了ADRC的优点不需要具体的数学模型不需要积分环节就能实现无静差,避免了积分反馈的副作用不存在鲁棒性问题。除此之外,LADRC的参数大大减少,只需调节,而且一般有。，为调节时间，0,CB035C10/STST这样，对于一个给定的系统，只有一个需要整定，大大简化了整B定步骤。4结论本文讨论了电厂典型环节的控制策略和控制结构的优化，所提出的优化方案均在实践中有所应用，且表现出令人满意的控制效果。可见，不一定要复杂的算法才能提高电站自动化水平，一些先进的经营管理理念被融入到自动化系统的建设中，可以提高自动化水平，而基于控制策略和控制结构的优化同样可以加速电站自动化的发展，应该同样值得注意。参考文献1刘思平,徐基豫电站自动化与节能的关系J2唐世明火电站自动化综述上J,四川电力技术，1997,16183刘吉臻现代电站自动化技术进展J现代电力，20052,22（1）164王基东一种火电厂电站自动化监控系统J黑龙江电力技术，1998,12206,3813835刘金琨智能控制M北京电子工业出版社,2005051851876陶永华新型PID控制及其应用M北京机械工业出版社,19981581607刘金琨先进PID控制及其MATLAB仿真M北京电子工业出版社,200487988王亚斌基于BP神经网络PID控制及其仿真J江苏冶金报,2008,36（2）33259马平，朱燕飞，牛征基于神经网络的主汽温控制系统J2001,282,525510薛阳,叶建华,钱虹等火电机组过热汽温神经网络控制的研究J上海电力学院学报，2009,25（1）333811RICCARDOSCATTOLINIARCHITEC