单元机组的协调控制方法
【专利摘要】本发明提供一种单元机组的协调控制方法，包括步骤：在上位机中建立与DCS系统中的常规协调控制器CPID并行连接的先进协调控制器CMPC；在CPID控制器正常运行的状态下，对协调控制系统进行部分闭环测试，对以先进协调控制器CMPC的输出信号为输入、以协调控制系统的输出信号为输出的闭环系统进行模型辨识，将先进协调控制器CMPC投入协调控制系统进行运行，与常规协调控制器CPID共同对单元机组进行协调控制；当出现通讯故障或所在上位机系统故障时，将上位机的输出置零。本发明的技术方案，适用于当前电力工业现状的协调控制的模型预测控制，既保留了DCS控制高可靠性的优点，又引入了模型预测控制的高品质，并提高了协调控制系统的控制可靠性。
【专利说明】单元机组的协调控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及单元机组协调控制【技术领域】，特别是涉及一种单元机组的协调控制方法。
【背景技术】
[0002]单元机组协调控制系统(Coordinated Control System, CCS),简称协调控制系统，是把锅炉及汽轮机作为一个单元机组整体进行综合控制，单元机组一般可简化为一个双输入双输出的被控对象，参考图1所示，图1为单元机组的简化模型框图。简化实现的条件如下:
[0003]( I)送风量与燃料量相适应，保持燃烧稳定；
[0004](2)引风量与送风量相适应，保持炉膛压力；
[0005](3)给水量通过保持汽包水位进行控制，使给水流量与主蒸汽流量相平衡；
[0006](4)主蒸汽温度控制相对独立。
[0007]图1中，被控变量(输出变量)为主蒸汽压力Pt和机组的输出功率N ;控制变量(输入变量)为燃料量B和主汽门调节阀开度μ。协调控制的任务是使机组负荷紧密跟踪外界负荷需求并保持机前汽压的稳定。协调控制系统是一个复杂的多变量控制系统。
[0008]目前电厂大多数协调控制采用常规PID(Proportion Integral Derivative)控制算法，加上单向静态解耦。随着电力工业自动化水平的提高，电网综合自动化对单元机组协调控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。这些要求主要包括:大范围的负荷变动，良好的负荷静态动态跟踪性能、稳定性能等。常规基于PID控制算法越来越难于满足这些要求，需要考虑应用基于模型的先进控制技术，比如鲁棒控制、内模控制和模型预测控制。其中模型预测控制是过去三十年最为成功的先进控制技术(Qin and Badgwell),在石化工业已得到普及应用，在电力工业也有成功应用。
[0009]传统的协调控制使用DCS系统中的标准控制计算功能就能实现，虽然控制品质不是很高，但具有安全可靠的优点，因为除了控制算法，DCS (Distributed Control System,分散控制系统)系统中的协调控制还包含了保护逻辑以提高系统的可靠性。由于模型预测控制算法复杂，当前绝大部分模型预测控制系统是在上位机实现的，一般使用Windows操作系统。上位机通过OPC (OLE for Process Control)或者Modbus与DCS双向通讯，实现模型预测控制功能。
[0010]虽然模型预测控制能实现更高的控制品质，但上位机的引入降低了控制系统的可靠性。在用上位机的模型预测控制代替DCS中的协调控制的情况下，如果通讯或者上位机出故障，并且原有DCS系统中的协调控制也不能及时启动，这就严重影响单元机组的正常生产。
[0011]目前电厂大多数协调控制采用常规PID控制算法，加上单向静态解耦。图2给出基于PID控制的常规协调控制框图，图中G代表单元机组的动态模型，Cpid是DCS系统中的常规协调控制器，Π是蒸汽压力Pt的设定值，r2是输出功率N的设定值。[0012]随着电力工业自动化水平的提高，电网综合自动化对单元机组协调控制系统的控制品质提出了越来越高的要求，基于PID算法的协调控制越来越难于满足要求。学术界和工业界都在探讨基于模型的先进控制技术。各种先进控制技术中，模型预测控制是最为成功的先进控制技术，在电力工业也有成功应用。
[0013]前面提到过，模型预测控制算法复杂，绝大部分模型预测控制系统是在上位机实现的，使用Windows操作系统。一般模型预测控制系统的结构是把图2中“常规协调控制”用上位机的模型预测控制模块代替，模型预测控制器正常工作时，则原有的常规协调控制器关闭；当预测协调控制器出问题或者DCS与上位机通讯出问题时，则重新启动常规协调控制器以维持正常生产。
[0014]上位机的引入降低了控制系统的可靠性。其一是当模型预测控制或通讯出问题时，如果不能顺利启动常规协调控制器，则严重干扰生产；其二是在上位机中实现相关的安全保护逻辑没有在DCS中可靠；其三是机组人员无法根据模型预测控制来取代常规协调控制器确定具体的协调控制状态。
【发明内容】
[0015]基于此，有必要针对控制系统的可靠性低的问题，提供一种单元机组的协调控制方法。
[0016]一种单元机组的协调控制方法，包括如下步骤:
[0017]基于协调控制系统，在上位机中建立的先进协调控制器Carc，所述先进协调控制器Cmpc与DCS系统中的常规协调控制器Cpid并行连接；
[0018]在所述Cpid控制器正常运行的状态下，在先进协调控制器Carc的输出信号上加上测试信号，对协调控制系统进行部分闭环测试，收集协调控制系统的输出变量数据，得到测试数据集；
[0019]根据所述测试数据集对以先进协调控制器Carc的输出信号为输入、以协调控制系统的输出信号为输出的闭环系统进行模型辨识，获得先进协调控制器Csirc的传输函数模型；
[0020]根据所述传输函数模型将所述先进协调控制器CMrc投入协调控制系统进行运行，与常规协调控制器Cpid共同对单元机组进行协调控制；
[0021]当所述先进协调控制器Cmpc出现通讯故障或所在上位机系统故障时，将上位机的
输出置零。
[0022]上述单元机组的协调控制方法，构建先进协调控制器CMrc与DCS系统中的常规协调控制器Cpid并行；经过部分闭环系统实验并进行协调控制系统的模型辨识，获得先进协调控制器CMrc的传输函数模型；投入先进协调控制器Carc与常规协调控制器Cpid共同对单元机组进行协调控制，在先进协调控制器CMrc出现通讯故障或所在上位机系统故障时，将上位机的输出置零。该技术方案适用于当前电力工业现状的协调控制的模型预测控制，既利用了 DCS常规协调控制，又在上位机实现模型预测控制部分，两者同时运行以实现先进控制功能，从而既具有了 DCS控制高可靠性的优点，又引入了模型预测控制的高品质，同时在通讯或者上位机出故障时，将上位机的输出置零便可，不需要切换操作，提高了协调控制系统的控制可靠性。【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为单元机组的简化模型框图；
[0024]图2为常规协调控制框图；
[0025]图3为本发明中的协调控制系统的结构示意图；
[0026]图4为一个500MW单元机组80%负荷模型的阶跃响应的示意图；
[0027]图5为PID控制下的阶跃响应的示意图和蒸汽压力Pt设定值加阶跃的示意图；
[0028]图6为PID控制下的阶跃响应的示意图和负荷N设定值加阶跃的示意图；
[0029]图7为只有模型预测控制下的阶跃响应的示意图和蒸汽压力Pt设定值加阶跃的示意图；
[0030]图8为PID加模型预测控制下的阶跃响应的示意图和蒸汽压力Pt设定值加阶跃的不意图；
[0031]图9为只有模型预测控制下的阶跃响应的示意图和负荷N设定值加阶跃的示意图；
[0032]图10为PID加模型预测控制下的阶跃响应的示意图和负荷N设定值加阶跃的示
意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明的单元机组的协调控制方法的【具体实施方式】作详细描述。
[0034]本发明的技术方案，可以针对于火力发电厂单元机组模型预测控制(MPC)，用于提高单元机组的负荷响应速度并降低蒸汽压力波动。该技术与先进过程控制(APC)相关，特别是与工业过程的模型预测控制(MPC)相关。
[0035]本发明的单元机组的协调控制方法主要包括如下步骤:
[0036]步骤S1:在上位机中建立的先进协调控制器CMrc，所述先进协调控制器CMrc与DCS系统中的常规协调控制器CPID并行连接。
[0037]具体的，即在协调控制系统上增设一个协调控制模型预测控制的装置；参考图3所示，图3为本发明中的协调控制系统的结构示意图，图中Carc为上位机中协调控制的模型预测控制器，即先进协调控制器。在此结构中，上位机中的控制器CMrc与协调控制系统上的DCS系统中的常规协调控制器Cpid是并行关系，共同实现先进协调控制的功能。
[0038]用t表示控制系统的时间，图中常规协调控制器的输出可以表示为BPID(t)和μΡΠ)α)，先进协调控制器的输出可以表示为Β.α)和μ.α)，作用到单元机组的总的控制作用是:
[0039]B (t) =Bpid (t)+Bmpc ⑴(I)
[0040]μ (t) = μ PID (t) + Uwc (t)
[0041]其中，Bpid (t)和yPID(t)为常规协调控制器Cpid的输出,Bmpc(t)和μ—?；!:)为先进协调控制器CMrc的输出。
[0042]步骤S2:在所述Cpid控制器正常运行的状态下，在先进协调控制器Cmpc的输出信号上加上测试信号，对协调控制系统进行部分闭环测试，收集协调控制系统的输出变量数据，得到测试数据集。[0043]在一个实施例中，所述测试信号包括:两个不相关的零均值的GBN (广义二进制噪声)信号、伪随机二进制信号或多正弦信号等。
[0044]具体的，辨识实验是在协调控制系统中引入测试信号，测试系统对测试信号的反应，收集系统输入输出变量数据用来进行模型辨识。本实施例中，是进行部分闭环实验，即在先进协调控制器Carc的输出信号BMrc和μ MPC上加测试信号，收集系统输出变量数据得到测试数据集，其中，测试数据集可以表示为:
[0045]
【权利要求】
1.一种单元机组的协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 在上位机中建立的先进协调控制器CMrc，所述先进协调控制器CmpC与DCS系统中的常规协调控制器Cpid并彳了连接； 在所述Cpid控制器正常运行的状态下，在先进协调控制器CMrc的输出信号上加上测试信号，对协调控制系统进行部分闭环测试，收集协调控制系统的输出变量数据，得到测试数据集； 根据所述测试数据集对以先进协调控制器Csirc的输出信号为输入、以协调控制系统的输出信号为输出的闭环系统进行模型辨识，获得先进协调控制器Carc的传输函数模型；根据所述传输函数模型将所述先进协调控制器Carc投入协调控制系统进行运行，与常规协调控制器Cpid共同对单 元机组进行协调控制； 当所述先进协调控制器Cmpc出现通讯故障或所在上位机系统故障时，将上位机的输出置零。
2.根据权利要求1所述的单元机组的协调控制方法，其特征在于，所述共同对单元机组进行协调控制包括如下:
3.根据权利要求1所述的单元机组的协调控制方法，其特征在于，所述测试信号包括:零均值的GBN信号、伪随机二进制信号或多正弦信号。
4.根据权利要求1所述的单元机组的协调控制方法，其特征在于，所述测试数据集表示为:
Zl=IBmpc(I), μ Mfc(I), Pt(I), Nd)，......，Bmpc(L), μ (L), Pt (L), N (L)} 其中，Zl表示测试数据集，L为数据采样点数。
5.根据权利要求1所述的单元机组的协调控制方法，其特征在于，所述先进协调控制器CMrc的传输函数模型为: 'PAt)']1 [Rlpc (O'
^[I + C^cnQuMJ)] 'Gicp Mlc' MtUL^mpc (0_ 其中，G线性的单元机组，G(q)表示单元机组的离散时间的传递函数矩阵，q—1表示单位时延，Cpid (q)表示协调控制器Cpid的传递函数矩阵。
6.根据权利要求1所述的单元机组的协调控制方法，其特征在于，所述模型辨识的方法包括: 在模型参数估计中，利用渐近法先估计一个高阶ARX模型，然后对高阶ARX模型降阶；在模型阶的估计中，使用渐近准则获取模型频率响应的误差上界，用于检验传输函数模型的品质。
7.根据权利要求1所述的单元机组的协调控制方法，其特征在于，所述将所述先进协调控制器Csirc投入协调控制系统进行运行包括: 通过如下优化命题对协调控制系统进行模型预测控制，跟踪负荷指令并保持汽机前汽压的稳定；
8.根据权利要求7所述的单元机组的协调控制方法，其特征在于，模型预测步长P设为单元机组的稳态时间，控制信号步长M设为0.5P ;权重矩阵Q和S为对角矩阵，元素为正实数。
【文档编号】G05B19/418GK103728946SQ201310754692
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】吴乐, 罗嘉, 潘凤萍, 陈世和, 张曦, 朱亚清, 黄卫剑, 伍宇忠, 李锋, 史玲玲 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 浙江大学