嵌入式数字仿真系统在火电机组自启停系统开发中的应用研究

宁夏京能宁东发电有限责任公司 程俊杰

随着火电机组运行参数的逐步提高，对控制系统性能要求更加严格，控制系统结构日趋复杂，各参数间相互耦合关联，当机组工况、煤种及设备特性变化时，要求能快速调整控制系统参数、改变控制策略以满足控制要求。另外，随着电网能源结构调整、新能源比重大幅增加，电网对火力发电机组的调节速率、调峰水平及启停调峰频次等要求越来越高，这就对检修及运行人员操作和管理水平提出更高要求，传统手动启停机组的方式已难以满足新阶段下电网对火电机组的要求，在此背景下，智慧电厂建设的探索和实践日新月异，自动启停已成为火电机组的一项基础要求。

1 APS系统现状概述

机组自动启停控制系统简称APS系统，是一个机组级的顺控系统，通过相关的逻辑对其它顺控功能组、FSSS、MCS、汽机控制系统、旁路控制系统等发出控制指令来完成机组的自启停控制。机组自启停系统的控制概念，早在上世纪80年代、即在火电控制领域出现并逐渐得到应用，是衡量火电机组自动化水平高低的一个重要因素。早先国内电厂从国外成套引进的机组有一部分设计有APS功能，各电厂运行情况不尽相同，整体使用效果不佳[1]。

近来新建机组大多要求配置机组自启停系统，部分已投运机组也利用机组检修、改造时机对机组控制系统进行改造，开发和引进了机组自启停系统，但目前国内火电机组自启停系统可用性较差、利用率较低，在很多电厂形同虚设，实际启机过程中运行人员很少使用，个别电厂的APS系统未经充分调试仓促投运，甚至出现指令信号连接错误导致机组非停的后果，上述情况的出现主要原因如下。

1.1 开发试运时间不足

技改机组可用于逻辑修改的时间不足，技改周期一般不超过三月，全部系统停运时间不超过两个月，减去机组各项试验占用的时间，真正可用于机组自启停系统开发的时间较短；新建机组虽有较长的建设周期，但在建设前期主要开展基础建设，受控设备尚未安装调试，底层控制逻辑不存在，构筑于底层控制逻辑之上的机组自启停系统更是无从谈起。机组建设后期可开展系统开发和逻辑组态工作、但试运时机不足。自启停系统需控制机组绝大多数设备逻辑修改量极大，难免出现各种错误，另外控制方式本身是一个不断调整、不断优化的过程，试图通过少数几次优化和调整来实现自启停系统的完美运行，这种想法本身不切合实际[2]。

1.2 逻辑下装限制

火电机组的控制是一个庞大精密的控制系统，时刻进行着毫秒级的闭环控制，个别子系统的控制周期达到20毫秒级的精度，机组运行期间在线下装会打断闭环运算程序，存在极大的安全隐患，另外火电厂管理规范明确规定，机组运行期间不能随意对DCS控制器进行下装，必须下装时要做好相应安全措施并报总工程师批准。受限于上述原因，机组运行期间难以进行大范围的逻辑下装，导致机组自启停系统的开发进度缓慢，即使排除困难完成了个别逻辑的下装工作，由于机组参数相互影响、控制系统相互耦合、并受机组工况和负荷情况影响，难以取得最优的调试效果、且调试周期极长。在调试过程中，如出现需改变控制策略的情况则又必须等待机组停运时机，上述种种原因导致机组自启停系统的开发、调试工作阻碍重重，推进困难。

2 嵌入式数字仿真系统在APS开发中应用

2.1 火电机组仿真系统发展历程

我国火电机组仿真技术的研究应用较早，发展迅速，在硬件结构到仿真程度上，发生了多次的演变和迭代，在仿真硬件结构方面，从二十世纪七十年代的大型机逐步发展到八十年代采用模拟DCS技术的电站仿真机，九十年代出现了采用DCS硬件的高精度电站仿真机，2000年以后，主流的仿真系统全部采用虚拟控制器技术的高精度电站仿真机，在仿真程度上，从早期的机组工艺流程仿真发展到有较高精度的基于工程经验和逻辑关系的电厂模型仿真，目前已发展到与实际DCS控制系统同平台的基于质量、能量、动量守恒的高精度机理模型仿真[3]。

2.2 自启停系统与数字仿真系统结合开发的研究现状

高精度嵌入式数字仿真系统与机组自启停系统结合开发的模式，在国外尚无成熟的先例，目前美国艾默生过程控制公司正在开发基于一体化仿真系统的控制系统优化模型，能够与实际过程控制系统深度融合、无缝连接，但该系统主要侧重点在机组设备的高精度仿真，主要用于保证仿真系统与实际系统的实时一致性，不侧重与控制系统的开发和优化。目前国内机组通过嵌入式数字仿真系统进行机组自启停开发的模式尚处于空白状态，个别电厂进行了单纯的嵌入式仿真系统的开发尝试但仅用于人员培训，尚未有将嵌入式仿真系统用于控制策略优化的先例。

2.3 嵌入式数字仿真系统与机组自启停系统联合开发

对于将机组自启停系统与高精度嵌入式数字仿真系统结合，通过开发1:1镜像仿真系统来提高控制系统性能、加快APS开发进度的研发模式，能够克服APS开发过程中存在的固有矛盾，对发电机组自动启停系统的推广和智慧电厂的建设具有良好的推动作用[4]。

2.3.1 缩短APS系统开发周期

在大容量超临界火电机组运行过程中，长周期运行、极短时间内快速启停调峰成为新的特点，很难有较长的机组停运时间段和反复多次的启停时机用于机组APS的开发和调试，另外以目前660MW级超临界机组为例，单台机组网络及数据库传输点数近20万点，自动控制系统控制回路近150套，各测点之间相互影响，各控制系统之间相互耦合，导致控制参数之间的相互影响关系需要反复试验才能确定，控制策略的优化需相当长的时间周期才能成熟。

通过基于嵌入式仿真技术的控制系统开发，可不限于机组是否运行、不限于工况条件是否许可，快速完成机组自启停控制策略的优化和开发，快速进行模拟试验，反复进行迭代优化，尽可能保证控制策略符合现场工况实际、符合机组设备特性，大幅提高机组自启停系统开发效率，从项目前期的控制方式组态到最终的系统投运，总工期可控制在半年以内，对机组停运时间的要求可控制在60天以内，一般的机组大修周期即可完成。

2.3.2 提高APS系统可靠性

受APS系统开发开发时间不足、试运时机较少等因素影响，目前火电机组APS系统普遍存在可靠性不足、故障率较高等问题，甚至出现了因投运APS系统导致机组非停、设备损坏的事故，导致火电机组基层运行人员对APS系统的态度较为消极，部分火电机组APS系统形同虚设，要么只能小范围使用、要么仅在安全风险小的辅助系统使用，个别企业完全闲置。

嵌入式数字仿真系统采用与实际DCS同平台的控制系统，采用相同组态工具，具有完全一致的操作风格，能够在不需转换的情况下直接使用DCS测点、画面、逻辑及数据，能够将机组实际的DCS控制逻辑完全导入到仿真系统，仿真系统的组态逻辑、画面和测点同样能完全无差别的移植到实际DCS中，可消除人为转换存在的失误和错误，在仿真系统试验无误的控制逻辑，移植到DCS中后可直接投运。

对于复杂控制系统，一般的控制逻辑能够保证在正常工况和理想参数下稳定运行，一旦发生外部扰动或故障，运行工况偏离正常范围，控制系统会发生大幅度扰动，在未充分考虑异常工况下的应对策略的情况下，很可能导致控制系统紊乱，非但不能产生有益的控制，而且可能导致机组运行工况进一步恶化甚至发生事故，近年来发生的控制系统故障很大比例都属于外部小故障诱发非正常工况，而控制系统未经充分的容错考虑和异常应对设置，导致故障进一步扩大，最终酿成事故。

而嵌入式数字仿真系统可进行多次的试验和验证，及早暴露问题，发现控制逻辑的不完善之处，特别是在动态扰动、外部故障等非正常工况下可反复核查控制逻辑是否严谨全面，能否能经受非正常工况的考验，是否涵盖可能出现的各种工况，大幅提高控制系统的容错性和可靠性。经反复仿真试验后投入使用的机组自启停系统，能够最大程度消除常见隐患，具备极大的可靠性和可用性，能够经受多种运行工况的考验，某660MW机组自APS系统投运以来运行可靠稳定，成为了运行人员的得力帮手，获得了运行人员的信赖。

2.3.3 完善控制逻辑

常规仿真系统采用单独的组态平台，与机组DCS系统逻辑不能相互通用，个别仿真系统虽能采用与DCS系统相同的控制平台，但采用早期基于经验和逻辑的仿真系统，不能准确仿真系统运行工况，更不易发现机组DCS控制逻辑中本身的错误和不完善之处，嵌入式数字仿真系统能完全移植实际DCS控制逻辑，通过自启停系统的开发，实现机组从冷态到满负荷的全程自动控制，通过人为触发故障或改变运行工况模拟异常状态下控制逻辑的可靠性，发现存在的错误和隐性问题，消除安全隐患，完善机组控制逻辑，保障机组安全稳定运行。

综上，嵌入式数字仿真系统与机组自启停系统结合开发的方式，是仿真技术发展和智慧电厂建设需求相结合的产物，该技术的出现为机组自启停系统的开发插上了腾飞之翼，消除了自启停系统开发面临的固有难题，以极高的效率和极大的可靠性把发电机组自启停系统的开发工作推进到了实用的阶段。以西北电网某厂为例，从合同签订到系统投运，前后耗时仅半年即可实现机组全程自动启动，运行效果良好，运行人员信赖，该方式的采用已成为机组自启停系统开发、控制逻辑优化的利器，有力助推了智慧电厂建设的进程。可以相信，随着仿真技术的进一步发展，发电机组控制系统的改进和优化将越来越成熟可靠，控制系统将越来越完善。