基于实时数据的火电机组控制性能评估系统

江鹏宇，袁世通，金彦昌

（1.大唐中南电力试验研究院，河南 郑州 450000；2.大唐三门峡电力有限责任公司，河南 三门峡 472000）

0 引言

随着高参数大容量机组的持续增加，我国火力发电的效率大幅提升。发电厂自动化系统在电力生产过程中的广泛应用和其覆盖面的不断扩展，对发电机组安全经济运行和电网稳定的影响逐渐增大。在火电机组实际生产运营中，有着成百个控制回路在同时工作，由于火电机组长期的运行以及在生产过程中执行器的更换，控制回路的调节品质会出现不同程度的变化。目前火电机组常用的仍然是比例-积分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）控制，根据数据调查显示，现有的PID 控制中存在性能缺陷的大概为60%［1］。因此，在火电机组中急需一种评价策略能够在不影响火电机组运行的基础上实时地为运行人员的操作提供指导。火电机组大都采用分散控制系统（Decentralized Control System，DCS），因此获取机组的运行信息更为便利，但是现有DCS 系统很难部署一些较为复杂的算法，随着通信技术不断进步，火电厂厂级信息监控系统得到广泛的应用，工业控制系统应不断提高标准，不仅要实现常规实时控制，还要朝着节能、高效的方向发展［2］。因此可以通过搭建远程智能监控平台并通过超文本传输协议（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP）接口实现DCS数据读取，进而实现复杂的评价策略。

控制系统性能评价的发展是随着工业发展而不断完善，1989 年，Harris 采用最小方差控制法（Minimum Variance Control，MVC）对单回路控制系统进行分析［3］，为控制回路性能评价奠定基础。目前单回路控制系统在火电控制中已经不在适用。Huang B 提出一种考虑控制量约束的线性二次型高斯基准（Linear Quadratic Gaussian，LQG）性能评价方法［4］。张永亮等人采用子空间模型辨识法辨识控制对象模型进行辨识，根据对象模型计算控制性能指标并给出综合性能等级［5］。钟振芳等人提出了一种用概率密度函数来实现控制系统的性能评价［6］。杨全振等人提出了一种主元回归方法的多变量控制系统性能评估方法，解决了最小方差评价方法利用不切实际和不期望的指标进行性能评价所造成的性能评估缺陷［7］。

控制系统性能评价可以定义为：通过某种手段对系统的运行数据进行分析，通过系统整体运行效果、控制器的调节性能判断控制器系统性能是否下降［8］。目前控制性能评价大致可以分为3 种，确定性性能指标、随机性性能指标以及鲁棒性性能指标［9］。本文采用控制性能评价较为直观以及计算效率较高的确定性性能来对已有的控制回路进行评价，确定性性能是指采用超调量、稳定时间、衰减率、稳态偏差等指标来完成性能的评价。通过搭建智能控制系统（Intelligent Control System，ICS）智能监控平台实现算法与DCS 数据之间的互通，从而实现对运行机组的控制回路性能的在线评价。

1 性能指标

通过获取的数据，根据不同的曲线将曲线分类进行不同的计算公式进行计算，最终将计算结果推送到DCS 画面上。图1 为一个经典控制系统在定值扰动下的阶跃响应曲线。在回路曲线中最为关注的是系统的超调量、衰减率、稳定时间、稳态偏差［10］。

图1 阶跃响应控制过程品质指标

1.1 超调量

响应曲线在定值扰动中，第一次越过扰动幅度与静态值之比称为超调量A，常用百分数表示。

1）计算扰动量b：设定值扰动前后的差值，并取绝对值，记为扰动量b。

2）计算超调量A：若为正向扰动，则；若为负向扰动，则100%。

1.2 衰减率

1.3 稳定时间

在扰动过程时间内，被调量第一次进入稳态波动范围且不再超出扰动过程时间计算。除了系统产生发散振荡过程不需要计算稳定时间外，其他过程均可计算稳定时间。需要特殊说明，针对等幅振荡过程，如果系统最终稳定仍会计算稳定时间，反之，则认为系统不稳定，不计算稳定时间。

1.4 稳态偏差

判断系统是否进入稳定状态：如果稳定时间C=s（s为整个扰动过程时间），则认为系统未进入稳定状态，反之，则认为系统进入稳定状态。

稳态偏差D：系统稳定时，设定值与实际值之间的差值。

2 评价指标及系统

2.1 评价指标

考虑控制系统超调量A、衰减率B、稳定时间C、稳态偏差D等4 个评价因素并分别记为XA、XB、XC、XD，控制系统进行总体评分记为Y（百分制）。

Y=100（αXA+βXB+γXC+δXD），其中α、β、γ、δ分别为超调量A、衰减率B、稳定时间C、稳态偏差D等性能指标在整个评分中的权重。根据总得分对系统进行评价如表1所示。XA、XB、XC、XD具体评分式如下：

式中：EA，TA，EB为预设参数，可以根据DL/T 657—2015《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》对不同回路参数进行修改。

2.2 系统结构

所设计系统部署在I区智能监控平台中，其系统结构如图2所示。

图2 控制回路系统结构

系统需要将程序运算出的超调量A、衰减率B、稳定时间C、稳态偏差D以及回路评价的结果通过HTTP 接口返送回DCS 平台画面中，给运行人员参考，以便能够及时对自动回路的状态做出调整。

2.3 基于确定性性能指标的控制回路评价

控制回路评价指标，主要分为3 个部分，分别是主要自动回路监控、炉侧自动回路监控、机侧自动回路监控，对其3 个回路的指标按照一定的规则进行筛选出有扰动的有效区间进行评价，计算出评价得分，推送给智能DCS 系统（ICS）上，并在DCS 上进行展示。评价筛选规则如图3所示。

图3 控制回路系统流程

2.3.1 数据预处理

通过ICS获取测点实时数据，对参数测点M/A状态（自动/手动）进行检测，只有状态为自动时才进行流程下一步，否则流程结束。

2.3.2 筛查有效扰动

根据实时数据筛选出有效扰动，进行下一步评价，否则判断为无效扰动流程结束，不进行评价。判断有效扰动的具体规则如下。

1）判断设定值扰动幅度、扰动时间。

判断在规定扰动过程时间内，设定值扰动幅度是否符合范围要求。如果在符合规定的扰动时间内并且扰动幅度符合范围要求就进行流程下一步，否则判断为无效扰动流程结束。

扰动幅度即为设定值的变化幅度，该幅度根据具体控制回路而变化，设定值扰动幅度。

设定值扰动时间：需要高于“扰动时间低限”，否则不进行评价。如果设定值扰动的时间高于“扰动时间高限”，则取扰动时间=扰动时间高限。

2）判断负荷稳定状态。

判断扰动发生前一段时间内（1 min，时间固定不需要修改），机组负荷是否达到稳定状态。如果在符合规定时间内并且达到负荷稳定状态就进行流程下一步，否则判断为无效扰动流程结束。

2.3.3 扰动曲线分类

获取有效扰动后，通过计算整个有效的阶跃扰动过程中，所有的波峰值z（z1、z2、…）与波谷值d（d1、d2、…），并与设定值r进行比较，对响应曲线进行大致分类，主要分为以下几类。分类规则和模型曲线如图4所示。

图4 曲线分类

1）衰减振荡过程：若为正向扰动，则判断z与r值大小，若z1＞z2＞r，则判断该过程为衰减振荡过程。同理，若为负向扰动，则判断d与r值大小，若d1＜d2＜r，判断为衰减振荡过程。

2）非周期过渡过程（有超调）：若正向扰动过程中只有一个波峰值z1且z1＞r，或负向扰动过程中只有一个波谷值d1且d1＜r，则判断为非周期过渡过程（有超调）。

3）非周期过渡过程（无超调）：若正向扰动过程中无波峰值且过程值始终小于设定值或负向扰动过程中无波谷值且过程值始终大于设定值，则判断为非周期过渡（无超调）。

4）等幅振荡过程：若扰动过程中几个波峰值z之间非常接近，几个波谷值之间也非常接近，同时，z-r≈r-d，则判断为等幅振荡过程。

5）发散振荡过程：若扰动过程中几个波峰值z1＜z2＜…，同时几个波谷值d1＞d2＞…，则判断为发散振荡过程。

2.3.4 控制回路性能评价

针对不同的扰动过程，总体评分如下。

衰减振荡过程：

非周期过渡过程（有超调）：

非周期过渡过程（无超调）：

因在非周期过渡过程（无超调）中超调量恒为0，衰减率恒为1，因此可默认该两项性能指标为满足要求。

等幅振荡过程：

需要特殊说明的是，如果该过程判断系统没有稳定，则直接评价总得分Y=0。

发散振荡过程：

2.3.5 权重配置

在常见的控制回路中，超调量、稳定时间、稳态偏差为3 个比较重要的独立权重指标其权重需要占较高的比重，而衰减率作为辅助参考的性能指标其占比应该较小。在火电机组常见的控制回路中常分为快速响应回路和非快速响应回路，因此可根据回路响应速度对权重设置初始值。

快速响应回路为

式中：α=0.3β，γ=0.4β，δ=0.2β

非快速响应回路为

式中：α=0.3β，γ=0.2β，δ=0.4β

因不同控制回路在机组实际运行过程中，工况不同，因此需要根据机组实际运行状况进行实时调整。

3 软件功能模块的设计与实现

试验数据选自火电机组的实时运行数据，同时为了使显示更加直观，也为了方便运行人员操作，为回路控制端搭建客户端，其中客户端包含控制参数配置、运行曲线显示、性能指标以及性能综合评价结果，同时运行人员也可以选择已有的数据进行评价。根据各主要自动控制系统性能测试的考核指标按照DL/T 657—2015《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》对火力发电机组的要求，如表2所示。

表2 主要自动控制系统性能测试考核指标

因在机组正常运行过程中，扰动量很难达到标准扰动量，因此将炉膛负压控制系统的扰动量和稳态品质等比列缩小，如表3和图5所示。

表3 炉膛负压系统评价结果

根据表3 看出该自动回路的超调量为0、衰减率为1、稳定时间为40 s、稳态偏差为35 Pa，根据评价性能公式可以计算出每个性能指标的得分均为1。该回路为快速响应回路，曲线类型为非周期过渡过程（无超调）类型，根据控制回路性能评价总体评分公式可以计算出该回路的总体得分100，其性能指标满足DL/T 657—2015《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》。

图6 为某机组在稳定负荷工况下一次给水控制系统在+30 mm 扰动下的性能评价曲线，因在机组正常运行过程中，扰动量很难达到标准扰动量，因此将给水控制系统的扰动量和稳态品质等比列缩小，根据所设计的控制回路评价系统对炉膛负压系统的控制性能进行评价，其权重设置如图6 所示。评价结果如表4所示。

表4 给水控制系统评价结果

根据表4看出该自动回路的超调量为19%、衰减率为1、稳定时间为318 s、稳态偏差为3.28 mm，根据评价性能公式可以计算出每个性能指标的得分。该回路为快速响应回路，曲线类型为非周期过渡过程（有超调）类型，根据控制回路性能评价总体评分公式可以计算出该回路的总体得分98.08，其性能指标除稳定时间外满足DL/T 657—2015《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》。

根据图5 和图6 的评价结果表明所设计的模型能够应用设计生产中，并为运行人员对控制回路的性能的把握提供了有利的参照，方便运行人员以及热控人员及时对控制回路的状态进行检测。

图5 炉膛负压评价结果

图6 给水系统评价结果

4 结语

通过火电机组在生产运行中对重要控制回路的数据读取并判断是否有扰动发生，当扰动发生时根据扰动区间内的设定值和测量值的数据来生成曲线，并根据模型自动获取扰动曲线的性能指标包括超调量、衰减率、稳定时间、稳态偏差、震荡次数。根据性能指标来评价在该次扰动发生时该回路的调节品质的优劣，为运行人员及时调整控制策略提供参考。通过对运行机组的炉膛负压和一次风压扰动数据的读取，证明了本模型的有效性。未来将在评价的基础上增加模型辨识，使在线评估系统能够更好地应用于现场生产中。