一种火力发电机组控制系统及方法与流程

本发明涉及工业自动化控制领域，尤指一种火力发电机组控制系统及方法。

背景技术：

近年来，国内火力发电企业面临着较大的经济、环保、安全等各方面的压力，尤其是煤炭价格居高不下的情况下，火力发电企业在经济方面的压力尤为突出，节能降耗成为了火力发电企业迫不及待需要解决的问题。

我国火力发电企业在节能方面投入了大量资金对工艺设备做了大量的优化工作，有效提高了机组的能效水平。目前，国内火力发电企业主要分为分布式控制系统(distributedcontrolsystem，简称dcs)、管理信息系统(managementinformationsystem，简称mis)和厂级监控信息系统(supervisoryinformationsystem，简称sis)，其中dcs和sis构成了火力发电企业的生产运行核心，sis主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务，dcs主要完成机组级的实时监控，然而dcs尚不具备机组的能效优化指导功能。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种火力发电机组控制系统系统及方法，使得dcs具有机组的能效优化的闭环指导功能。

为了达到本发明目的，第一方面，本发明提供了一种火力发电机组控制系统，应用于dcs，其包括：控制机柜、数据库和计算平台；

所述数据库，用于存储dcs中机组的运行信息；

所述计算平台，用于查找所述数据库中的运行信息，确定所述机组最优的目标信息，并将所述目标信息发送给所述控制机柜；

所述控制机柜，用于采集dcs中机组的运行信息；以及根据所述目标信息调整控制回路，以控制所述机组的运行。

第二方面，本发明提供了一种火力发电机组控制方法，包括：

控制机柜采集dcs中机组的运行信息，并将所述运行信息发送给数据库；

所述数据库存储所述运行信息；

计算平台查找所述数据库中的运行信息，确定所述机组最优的目标信息，并将所述目标信息发送给所述控制机柜；

所述控制机柜根据所述目标信息调整控制回路，以控制所述机组的运行。

本发明实施例提供的火力发电机组控制系统及方法，在常规dcs上新增大型实时历史数据库和新增高性能计算平台，高性能计算平台通过查找数据库中的数据，获得机组能效的最优工况、最优目标参数和最优操作指导建议等能效寻优结果，使得dcs具有机组的能效优化指导功能。同时，在常规dcs上新增大型实时历史数据库和新增高性能计算平台，确保和当前dcs的无缝连接，实现dcs上的火电机组运行状态的实时诊断和能效最优等的闭环指导与控制，从而提高火电机组的能效水平、机组效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为火力发电机组常规dcs的系统架构图；

图2为本发明实施例一提供的火力发电机组控制系统的系统架构图；

图3为本发明实施例一提供的火力发电机组控制系统的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的火力发电机组控制系统的系统架构图；

图5为本发明实施例二提供的火力发电机组控制系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的性能计算分布图的展示画面；

图7为本发明实施例提供的性能指标汇总的展示画面；

图8为本发明实施例提供的工况分析的展示画面；

图9为本发明实施例提供的火力发电机组控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

国内火力发电企业主要分为分布式控制系统(distributedcontrolsystem，简称dcs)、管理信息系统(managementinformationsystem，简称mis)和厂级监控信息系统(supervisoryinformationsystem，简称sis)，其中dcs和sis系统构成了火力发电企业的生产运行核心，sis主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务，dcs主要完成机组级的实时监控，然而dcs尚不具备能效计算、分析、指导、闭环控制的功能。

目前，由sis完成火电厂生产过程的实时监测和分析，实现对全厂生产过程的优化控制和负荷经济分配。sis的广泛应用为火力发电机组的能效分析起到了一定的作用，但同时也还有很多不足。一是信息安全和火力发电规程的要求，sis和dcs之间通过单向隔离网关进行物理隔离，sis无法向dcs进行数据传送。由于sis系统目前主要为电厂的生产管理使用，使得生产运行人员无法实时获得机组的能效性能指标；二是sis主要停留在机组性能计算和指标统计上，不具备机组的能效优化指导功能；三是sis和dcs的物理隔离，使得火力发电机组无法实现能效闭环优化指导与控制。

本发明目的在于提供一种火力发电机组控制系统及方法，能在火力发电机组dcs上实现能效闭环指导与控制。本发明所提供的火力发电机组能效控制系统的架构，其主要构思在于：1、在常规dcs上新增大型实时历史数据库、新增高性能计算平台(高性能计算站)、高级控制器，通过设计安全、高效、稳定的网络架构及开发dcs和第三方算法软件的数据接口，实现dcs上火力发电机组能效闭环指导与控制架构。2、结合高级控制器的能效计算结果，以及高性能计算平台能效寻优获得的最优工况、最优目标参数、最优操作指导建议等结果，最终实现dcs上的火电机组能效最优闭环指导与控制，从而提高火电机组的能效水平和机组效率。

图1为火力发电机组常规dcs的系统架构图，如图1所示，目前已有的火力发电机组(可简称为火电机组)的dcs包括工控机(也可称为上位机)和控制机柜。其中，工控机包括操作员站、工程师站、历史站和通讯站等，控制机柜包括常规控制器、电源、卡件、卡件底座和通讯模块等。

图2为本发明实施例一提供的火力发电机组控制系统的系统架构图，图3为本发明实施例一提供的火力发电机组控制系统的结构示意图。如图2和图3所示，本发明实施例提供的火力发电机组控制系统，应用于dcs，其包括：控制机柜1、数据库2和计算平台3。

数据库2，用于存储dcs中机组的运行信息。

具体的，在dcs上新增部署高效的大型实时历史数据库2，其具有高效开放的数据接口功能，实现为计算平台3的机组能效分析、数据分析、工况寻优或机器学习计算等提供实时历史数据。

本实施例中，数据库2中存储的运行信息可以为预先存储设置的，也可以为数据库从dcs网络实时获取的。运行信息可以包括机组的运行参数值(运行参数的运行值)、机组能效信息和机组运行工况中的至少一种。

举例来说，运行信息可以包括气压、气温、抽气流量或风量等运行参数的运行值，运行信息也可以包括发电煤耗率或供电煤耗率等机组能效信息，运行信息也可以包括机组如发电机组在某一时刻的运行状况等机组运行工况。其中，本实施例中机组可以是一组机器，比如压缩机组、制冷机组或发电机组等。

计算平台3，用于查找数据库2中的运行信息，确定机组能效最优的目标信息，并将目标信息发送给控制机柜1。

其中，本实施例中的计算平台3是设置有数据分析软件、机器学习软件或自寻优算法等寻优软件或算法的高性能计算平台。计算平台3采用寻优软件或算法为已有的数据分析软件、机器学习软件和自寻优算法等软件或算法，其实现原理均与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。

具体的，在dcs上新增部署的高性能计算平台，通过高性能计算平台上的数据分析软件或机器学习软件实现机组最优操作、最优工况或最优运行参数的实时计算，并通过高性能计算平台与dcs数据交互的数据接口功能，将寻优结果实时发送给(写入)dcs。

其中，高性能计算平台与dcs数据交互的数据接口功能，将包括机组能效最优的目标信息等寻优结果实时发送给(写入)dcs时，dcs中各个模块(如控制机柜1和数据库2中任一个模块)均可以通过dcs网络获取计算平台3发送(写入)的寻优结果。

控制机柜1，用于采集dcs中机组的运行信息；以及根据目标信息调整相应控制回路，以控制机组的运行。

具体的，控制机柜1可以采集dcs中机组的运行信息，如气压、气温、抽气流量或风量等运行信息，并将采集的dcs中机组的运行信息发送给数据库2。比如，控制机柜1可以从生产现场的压力传感器采集机组的气压，也可以从生产现场的温度传感器采集机组的气温。

具体的，控制机柜1(如控制机柜中的常规控制器)可以从dcs网络中获取计算平台3寻优的最优目标信息，将计算平台3寻优的最优目标信息作为dcs控制回路的设定值，以及结合比例-积分-微分控制(proportionintegrationdifferentiation，简称pid)算法进行控制性能优化，形成发电生产过程的机组能效闭环过程控制。最终实现控制性能优化、减小或消除机组及设备的运行能耗偏差，使机组运行效率时刻保持最优。

本发明实施例中，控制机柜1将采集的dcs中机组的运行信息发送给数据库2，计算平台3查找数据库2中的运行信息，确定机组能效最优的目标信息，并将确定的目标信息发送给控制机柜1，可以形成控制机柜1->数据库2->计算平台3->控制机柜1的闭环控制系统。

本发明实施例提供的火力发电机组控制系统，在常规dcs上新增大型实时历史数据库和新增高性能计算平台，高性能计算平台通过查找数据库中的数据，获得机组能效的最优工况、最优目标参数和最优操作指导建议等能效寻优结果，使得dcs具有机组的能效优化指导功能。同时，在常规dcs上新增大型实时历史数据库和新增高性能计算平台，确保和当前dcs的无缝连接，实现dcs上的火电机组运行状态的实时诊断和能效最优等的闭环指导与控制，从而提高火电机组的能效水平、机组效率。

进一步地，在上述实施例中，计算平台3查找数据库2中的运行信息，可以包括：通过计算平台3与数据库2之间的专用交互网络c，查找数据库2中的运行信息。

本实施例中，通过设计安全、高效、稳定的网络架构及开发dcs和第三方算法软件的数据接口，实现dcs上火力发电机组能效闭环指导与控制架构。

具体的，在dcs上设计计算平台3专用数据接口，实现与计算平台3数据的实时交互。在网络架构设计上，数据库2和计算平台3网络结构设计采用a、b、c三网设计方式，其中a、b网络和dcs为同一网络，即火电发电机组dcs的常规网络，新增加的c网作为数据库2与计算平台3之间数据交互的专用快速网络。本发明实施例中数据库2与计算平台3之间数据交互采用新增加的不同于a、b网络的c网，可减少与dcs为同一网络的a、b网络的负荷。

图4为本发明实施例二提供的火力发电机组控制系统的系统架构图，图5为本发明实施例二提供的火力发电机组控制系统的结构示意图。如图4和图5所示，在图2和图3所示实施例的基础上，本发明实施例提供的火力发电机组控制系统还可以包括：工控机4，用于获取并显示计算平台确定的机组最优的目标信息。

具体的，计算平台3还可以将确定的机组最优的目标信息发送给工控机4，工控机4获取并显示机组最优的目标信息，以将机组最优的目标信息显示给生产线上的运行人员。

其中，计算平台3与dcs数据交互的数据接口功能，将包括机组能效最优的目标信息等寻优结果实时发送给(写入)dcs时，dcs中各个模块(如控制机柜1、数据库2和工控机4中任一个模块)均可以通过dcs网络获取计算平台3发送(写入)的寻优结果。

本实施例中，计算平台3结合dcs中数据库2的数据，应用数据挖掘、机器学习和自寻优算法，实时给出当前工况下的机组最优目标值和/或最优运行方式等目标信息到dcs网络中，dcs中的工控机4从dcs网络中获取当前工况下的机组最优目标值和/或最优运行方式，并显示推荐给一线运行人员，实现机组能效闭环指导。

可选的，工控机4从dcs网络中获取计算平台3寻优的最优目标信息，将计算平台3寻优的最优目标信息作为机组运行参数的设定值。比如，若工控机4中设置的机组当前的运行状况为运行15台设备，而获取到计算平台3确定的寻优的最优目标信息为运行16台设备机组能效最优，则工控机4将当前机组运行状况为运行15台设备更改为运行16台设备。

进一步地，如图4和图5所示，在图2和图3所示实施例的基础上，本发明实施例提供的火力发电机组控制系统，还可以包括：控制器5。

本实施例中，可以在dcs中单独建立一个厂级智能dcs域，加入数据库2、计算平台3和控制器5。

控制器5，用于获取运行信息，根据运行信息确定机组的能效信息，并将机组的能效信息发送给数据库2进行存储。

其中，控制器5为具备强大的计算性能和稳定可靠运行环境的冗余高性能控制器(也可称为高级控制器)。

本实施例中，在dcs上新增部署的冗余高性能控制器，其将能效计算与耗差分析的复杂算法统一封装为dcs算法模块，实现高效灵活的组态功能，从而方便地实现机组能效计算和耗差分析等功能。其中，控制器5中的性能计算算法模块均可以封装为标准的sama图，实现了图形化组态，极大提高了组态的便捷性和降低了维护分析的难度，运算速度可以按照dcs的控制周期顺序扫描，实时性与dcs标准算法完全一致。本实施例中sama图是美国制造等协会(scientificapparatusmakersassociation)制定的一种工程组态图，其实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。

具体的，控制机柜1还可以将采集的dcs中机组的运行信息发送给控制器5，控制器5根据控制机柜1采集的机组的运行信息，可以确定机组的能效信息。比如，控制器5可以应用热力系统计的全信息热力系统汽水分布方程，并通过吸热量方程和功率方程得到机组效率。控制器5可以通过对锅炉效率、发电机效率、管道效率、机械效率、散热损失和厂用电率的计算可以得到机组的发电煤耗率以及相应的供电煤耗率。控制器5可以采用基于状态空间的顺序扰动解除方法的耗差分析模型，进行耗差分析。

本实施例中，控制器5可以将确定的机组的能效信息发送给dcs网络，数据库2从dcs网络中获取控制器5确定的机组的能效信息，以使计算平台3基于数据库2中的能效信息，确定出最优能效值对应的运行参数值，如出当前工况下的机组最优目标值和最优运行方式。

计算平台3查找数据库2中的运行信息，确定机组能效最优的目标信息，包括：查找数据库3中机组预设时间段内机组的能效信息，确定机组能效最优的运行参数值。

其中，机组的能效信息可以包括机组的运行参数值和对应的能效值。具体的，计算平台3基于机组预设时间段内机组的能效信息，确定出最优能效值对应的运行参数值。比如，以运行参数是气压，对应的能效信息是机组的煤耗率为例，数据库2中1小时内机组的能效信息有3个，分别为(气压值：5，煤耗率：0.1)、(气压值3，煤耗率：0.2)和(气压值：4，煤耗率：0.15)，计算平台3查找数据库2中机组1小时内机组的能效信息，确定出煤耗率最最优值为0.1，其对应的运行参数气压的最优值为5，即气压值5为确定出的机组能效最优的运行参数值。

可选的，机组的能效信息可以包括机组的运行参数值、机组的运行工况和对应的能效值。具体的，计算平台3基于机组预设时间段内机组的能效信息，确定出最优能效值对应的运行参数值。比如，以运行参数是气压，机组的运行工况为机组发电，对应的能效信息是机组的煤耗率为例，数据库2中1小时内机组的能效信息有3个，分别为(气压值：5，发电机组数量：2，煤耗率：0.1)、(气压值3，发电机组数量：5，煤耗率：0.2)和(气压值：4，发电机组数量：4，煤耗率：0.15)，计算平台3查找数据库2中机组1小时内机组的能效信息，确定出煤耗率最优值为0.1，其对应的运行参数气压的最优值为5，对应的发电机组数量为2，即气压值5和发电机组数量2为确定出的机组能效最优的运行参数值。

本发明实施例中，控制机柜1将采集的dcs中机组的运行信息发送给数据库2和/或控制器5；控制器5根据运行信息确定机组的能效信息，并将机组的能效信息发送给数据库3进行存储；计算平台3查找数据库2中的运行信息(运行信息可以包括能效信息)，确定机组最优的目标信息(如能效最优值对应的运行参数值)，并将确定的目标信息发送给控制机柜1、数据库2、工控机4和控制器5中的至少一个，从而可以形成控制机柜1->数据库2->计算平台3->控制机柜1的闭环控制系统，也可以形成控制机柜1->控制器5->数据库2->计算平台3->控制机柜1的闭环控制系统，也可以形成控制器5->数据库2->计算平台3->控制器5的闭环控制系统。

进一步地，图6为本发明实施例提供的性能计算分布图的展示画面，图7为本发明实施例提供的性能指标汇总的展示画面，图8为本发明实施例提供的工况分析的展示画面，如图6至图8所示，在上述实施例中，控制器5可以将根据运行信息确定的机组的能效信息发送给工控机4，工控机4可以从dcs网络中获取并显示控制器5确定的机组的能效信息，工控机4将得到的机组的能效信息中各经济性指标的组态画面进行直观展示，运行人员可全面、精确、直观地监测从机组到设备的能效指标和能损分布状况，可以明确给出不同工况下的节能降耗潜力和最佳控制目标。

进一步地，在上述实施例中，计算平台3还可以用于将机组能效最优的运行参数值发送给控制器5；控制器5，还可以用于根据机组能效最优的运行参数值调整控制回路，以控制机组的运行。

本发明实施例中，高级控制器5可以具有控制机柜1中常规控制器的功能，也可以通过高级控制器5对控制回路进行控制，以控制机组的运行。

具体的，控制器5从dcs网络中获取计算平台3寻优的最优目标信息，将计算平台3寻优的最优目标信息作为dcs控制回路的设定值，以及dcs的系统辨识、先进控制(预测控制、自抗扰、自适应等)算法进行控制性能优化形成发电生产过程的机组能效闭环过程控制。最终实现控制性能优化、减小或消除机组及设备的运行能耗偏差，使机组运行效率时刻保持最优。

其中，控制器5采用先进控制算法为已有的预测控制、自抗扰、自适应等控制算法，其实现原理均与现有技术相同，本实施例在此不进行赘述。

进一步地，在上述实施例中，控制器5将机组的能效信息发送给数据库进行存储，可以包括：每隔一预设时间，将机组的能效信息发送给数据库2进行存储。

本实施例中，控制器5可以以预设时间间隔将计算确定出的能效信息实时发送给数据库2进行存储。比如，控制器5可以间隔1秒或5秒将计算确定出的能效信息实时发送给数据库2进行存储。

本发明实施例提供的火力发电机组控制系统，可以实现在生产实时运行控制层面实现能效闭环指导和控制，以及在上述实施例的基础上，通过高级控制器的机组性能计算结果，运行人员可全面、精确、直观地监测从机组到设备的能效指标和能损分布状况。

图9为本发明实施例提供的火力发电机组控制方法的流程图，如图9所示，本发明实施例提供的火力发电机组控制方法，包括：

s901：控制机柜采集dcs中机组的运行信息，并将所述运行信息发送给数据库。

s902：数据库存储所述运行信息。

s903：计算平台查找所述数据库中的运行信息，确定所述机组最优的目标信息，并将所述目标信息发送给所述控制机柜。

s904：控制机柜根据所述目标信息调整控制回路，以控制所述机组的运行。

本发明实施例提供的火力发电机组控制方法为图2所示系统实施例执行的具体技术方案，其实现原理和实现效果类似，此处不再赘述。

进一步地，在上述实施例中，本发明实施例提供的火力发电机组控制方法，还可以包括：

所述计算平台将所述目标信息发送给工控机；

所述工控机获取并显示所述目标信息。

进一步地，在上述实施例中，本发明实施例提供的火力发电机组控制方法，还可以包括：

所述控制机柜将所述运行信息发送给控制器；

所述控制器获取所述运行信息，根据所述运行信息确定机组的能效信息，并将所述机组的能效信息发送给所述数据库进行存储；

所述计算平台查找所述数据库中的运行信息，确定所述机组能效最优的目标信息，包括：

查找所述数据库中所述机组预设时间段内机组的能效信息，确定所述机组能效最优的运行参数值。

本发明实施例提供的火力发电机组控制系统及方法，具有以下有益效果：1、火力发电机组能效闭环指导与控制架构平台的部署，利用其灵活高效的计算功能，实现燃煤等机组智能优化系统所需的大数据分析和专家诊断机理建模的功能，确保和当前dcs的无缝连接，实现对机组运行状态的实时诊断及闭环指导和控制；2、以高级控制器能效计算结果为基础，高性能计算平台结合高性能实时历史数据库的数据，应用数据挖掘、机器学习和自寻优算法，实时给出当前工况下的机组最优目标值和最优运行方式，推荐给一线运行人员，实现机组能效闭环指导；高性能计算平台寻优的最优目标值作为dcs控制回路的设定值结合dcs的系统辨识、先进控制(预测控制、自抗扰、自适应等)算法进行控制性能优化，形成发电生产过程的机组能效闭环过程控制。最终实现控制性能优化、减小或消除机组及设备的运行能耗偏差，使机组运行效率时刻保持最优；3、在生产实时运行控制层面实现能效闭环指导和控制，通过高级控制器的机组性能计算结果，运行人员可全面、精确、直观地监测从机组到设备的能效指标和能损分布状况；4、dcs高级控制器中的性能计算算法模块均封装为标准的sama图，实现了图形化组态，极大提高了组态的便捷性和降低了维护分析的难度，运算速度按照dcs的控制周期顺序扫描，实时性与dcs标准算法完全一致。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。