火电机组除氧器水位控制方法、装置、系统和存储介质与流程

本发明涉及火力发电控制领域，尤其涉及火电机组除氧器水位控制方法、装置、系统和存储介质。

背景技术：

我国以煤电为主的资源禀赋，决定了燃煤火力发电在我国各类发电中仍占据主导地位。而火力发电的在各类电源中的主导地位决定了其在响应电网一次调频功率需求时也为主导电源。

电网频率稳定事关电网运行安全和电能质量，需要控制在规定范围内。一次调频是抑制电网频率扰动的第一道屏障，火电机组一次调频是我国主力一次调频电源，其调频性能优劣直接影响我国电网安全和电能质量。

当前火电机组一次调频普遍采用高调门节流蓄能释放的方式响应功率需求，即通过高调门节流运行，储蓄一部分锅炉蓄热，在电网低频需要增加调频功率时开大高调门，降低节流损失功率，释放这一部分蓄热增加发电功率；而在电网高频需要降低发电出力时，关小高调门。这种依靠高调门节流响应一次调频的运行方式，由于需要稳态节流运行，造成了巨大的节流损失，不利于火电机组运行经济性和节能减排。

凝结水节流辅助调频通过算法控制凝结水流量，利用低压加热器系统的蓄热，辅助响应机组一次调频功率需求，在电网频率低需要增加发电出力时，降低凝结水流量(节流)，从而减少低压加热器从低压缸的抽汽流量，进而增加进入低压缸抽汽口后做功的蒸汽流量，增加汽机和机组出力；电网频率高时，则增大凝结水流量，从而增大低压加热器从低压缸的抽汽流量，减少进入低压缸做功的蒸汽流量，减少低压缸和机组出力。然而，凝结水节流一次调频在实际运行中，由于需要依靠算法主动施加凝结水流量扰动，势必对机组除氧器水位造成扰动，除氧器水位过低可能引起机组保护跳机，过高则降低除氧效果，降低机组运行寿命；常规的pid除氧器水位控制对此响应较慢，使得凝结水调频的凝结水流量动作幅度和时长设置较为保守，不利于凝结水调频节能效益的发挥。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种火电机组除氧器水位控制方法、装置、系统和存储介质，以解决除氧器水位在凝结水节流调频过程中的响应速度较慢的问题，实现在凝结水节流调频中对除氧器水位的快速控制。

第一方面，本发明实施例提供了一种火电机组除氧器水位控制方法，包括：

获取除氧器水位扰动试验的数据；

根据所述除氧器水位扰动试验的数据，建立除氧器水位传递函数模型；

根据所述除氧器水位传递函数模型，建立广义控制模型；

优化所述广义控制模型，并确定所述广义控制模型的控制参数。

可选的，所述获取除氧器水位扰动试验的数据包括：

在火电机组实际运行负荷范围内选择三个负荷点，所述负荷点包括第一负荷点、第二负荷点和第三负荷点，所述第一负荷点的负荷值大于所述第二负荷点的负荷值，所述第二负荷点的负荷值大于所述第三负荷点的负荷值；

对于每个所述负荷点，采用阶跃信号对所述除氧器在水位增加和/或减少方向上分别进行第一幅度扰动、第二幅度扰动和第三幅度扰动，获取所述除氧器水位扰动试验的数据，所述第一幅度扰动的幅值大于所述第二幅度扰动的幅值，所述第二幅度扰动的幅值大于所述第三幅度扰动的幅值。

可选的所述建立除氧器水位传递函数模型为：

其中，ld(t)为除氧器水位，u(t)为凝结水流量，k为比例系数，t为惯性时间常数，τd为纯延时时长，s为拉普拉斯算子。

可选的，根据所述除氧器水位传递函数模型，建立广义控制模型包括：

对所述除氧器水位传递函数模型gc(s)进行离散得到离散的除氧器水位传递函数模型gd(z^-1)：

其中，z^-1为时间后移算子，表示时间向后移动1个步长；d为纯延迟步数；a(z^-1)、b(z^-1)为关于z^-1的多项式，分别为：式中ai为多项式系数，式中bi为多项式系数；

对所述离散的除氧器水位传递函数模型gd(z^-1)考虑随机干扰，得到受控自回归积分滑动平均模型carima：

其中，e(t)为零均值白噪声；δ＝1-z^-1为差分算子；

根据所述carima模型，得到所述广义控制模型：

其中，为将来被控变量的预测值列向量，为由t时刻的已知信息预测出的t+d+i时刻的过程量值，i＝1,2…,n为预测步数，为n维系数矩阵，为控制增量列向量，自由响应式中，为关于z^-1的多项式列向量，为关于z^-1的多项式列向量。

可选的，所述优化所述广义控制模型包括：

建立所述广义控制模型的目标函数为：

其中，λλ＝diag(λ(j))为以λ(j)为主对角元素的对角方阵，λ(j)为将来的控制增量在目标函数中的权重系数，为参考轨迹列向量；

令目标函数j对控制增量列向量的偏导数为0计算所述广义控制模型的控制律：

其中，为由方阵m的首行元素组成的列向量，方阵m＝(g^tg+λi)^-1g^t。

可选的，所述确定广义控制模型的控制参数包括：

当除氧器水位响应时间大于第一设定阈值，减小控制权重λ；或者，

当除氧器水位响应时间小于第二设定阈值，增大控制权重λ。

第二方面，本发明实施例还提供了一种火电机组除氧器水位控制装置，包括：除氧器水位第一控制单元，用于根据除氧器水位设定值和除氧器水位测量值，采用本发明实施例中的任一种火电机组除氧器水位控制方法，控制所述除氧器水位。

第三方面，本发明实施例还提供了一种火电机组除氧器水位控制系统，包括本发明实施例中的任一种火电机组除氧器水位控制装置。

第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例中的任一种应用于火电机组除氧器水位控制方法。

本发明实施例中，通过建立除氧器水位传递函数模型并确定控制模型的控制参数，对除氧器水位控制模型预测的未来时段水位与设定水位值的偏差轨迹进行控制，解决了除氧器水位在凝结水节流调频过程中的响应速度较慢的问题，实现了在凝结水节流调频中对除氧器水位的快速控制，既保证了除氧器运行在安全水位范围，又能充分动作凝结水节流的幅度和时长，充分发挥节能效益。

附图说明

图1为本发明实施例一中的火电机组除氧器水位控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一中的火电机组除氧器水位传递函数模型；

图3为本发明实施例二中的火电机组除氧器水位控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例三中的火电机组除氧器水位快速控制装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的火电机组除氧器水位控制方法的流程示意图，如图1所示，火电机组除氧器水位控制方法包括：

s100、获取除氧器水位扰动试验的数据。

在火电机组实际运行过程中，受电网负荷的影响，电网频率会发生改变，考虑不同电网负荷对除氧器水位均会产生影响，因此通过建立除氧器水位扰动试验，可以获取除氧器水位扰动试验的数据。其中，可通过火电机组的不同负荷的负荷点分别进行不同的扰动，保证获取的除氧器水位变化数据的多样性，为后续建立的除氧器水位传递函数模型的准确定奠定基础。

s200、根据除氧器水位扰动试验的数据，建立除氧器水位传递函数模型。

当火电机组采用凝结水节流辅助调频提高火电机组的运行经济性，凝结水节流辅助调频通过算法控制凝结水流量，由于凝结水调频主要依靠算法主动施加凝结水流量扰动，会对火电机组除氧器水位造成扰动。由于凝结水节流一次调频在实际运行中，依靠算法主动施加凝结水流量扰动，会对机组除氧器水位造成扰动，为了保证除氧器运行安全，又能充分动作凝结水节流的幅度和时长，充分发挥其节能效益，可以通过建立除氧器水位扰动试验，并根据除氧器水位扰动试验的数据，建立除氧器水位传递函数模型。其中，除氧器水位受火电机组热力循环系统的影响，与凝结水流入除氧器中的流量有关，且与除氧器中调节凝结水流入除氧器流量的执行器有关，且凝结水流量执行器指令与凝结水流量的关系为惯性关系，因此，建立除氧器水位传递函数模型为：

其中，ld(t)为除氧器水位，u(t)为凝结水流量执行器指令，k为比例系数，t为惯性时间常数，τd为纯延时时长，s为拉普拉斯算子。

建立的除氧器水位传递函数模型如图2所示，其中，1为除氧器水位设定值，2除氧器主给水流量，ld为除氧器水位，u为凝结水流量执行器，fn为凝结水流量。

s300、根据除氧器水位传递函数模型，建立广义控制模型。

根据获取的除氧器水位传递函数模型，采用拉普拉斯变换将连续的除氧器水位传递函数模型变换得到离散的除氧器水位传递函数模型，通过变换得到的离散的除氧器水位控制模型，可将除氧器水位控制系统作为一个单输入单输出系统，控制系统的被控对象输入为除氧器流量的执行器，输出为除氧器水位。在除氧器水位控制系统的控制模型的上考虑随机干扰建立广义控制模型。

s400、优化广义控制模型，并确定广义控制模型的控制参数。

在上述建立的除氧器水位广义控制模型的基础上，可推导出将来时刻被控变量的预测值表达式，根据推导出的将来时刻的被控变量的预测值表达式，可建立广义控制模型的目标函数，并对广义控制模型的目标函数求偏导得到广义控制模型的控制率，并根据广义控制模型的控制率调整广义控制模型的控制参数。

本实施例的技术方案，通过建立除氧器水位传递函数模型并确定控制模型的控制参数，对除氧器水位控制模型预测的未来时段水位与设定水位值的偏差轨迹进行控制，解决了除氧器水位在凝结水节流调频过程中的响应速度较慢的问题，实现了在凝结水节流调频中对除氧器水位的快速控制，既保证了除氧器运行在安全水位范围，又能充分动作凝结水节流的幅度和时长，充分发挥节能效益。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的火电机组除氧器水位控制方法的流程示意图，如图3所示，火电机组除氧器水位控制方法包括：

s110、在火电机组实际运行负荷范围内选择三个负荷点，负荷点包括第一负荷点、第二负荷点和第三负荷点，第一负荷点的负荷值大于第二负荷点的负荷值，第二负荷点的负荷值大于第三负荷点的负荷值。

在火电机组实际运行过程中，受电网负荷的影响，电网频率会发生改变，考虑不同电网负荷对除氧器水位均会产生影响，通过选取火电机组实际运行负荷范围的三个负荷点，其中第一负荷点的负荷值大于第二负荷点的负荷值，第二负荷点的负荷值大于第三负荷点的负荷值。由于在火电机组实际运行过程中，火电机组的符合范围在50％-100％之间，因此，选取的第一负荷点的负荷范围在90％以上的负荷数据，选取第二负荷点的符合范围为70％-90％之间的负荷数据，选取第三负荷范围在50％-70％之间的负荷数据，通过选取火电机组不同负荷范围的负荷数据，保证了在火电机组不同负荷范围内凝结水流量对除氧器水位的影响。

需要说明的是，火电机组实际运行范围内选择负荷点是根据火电厂工作人员的工作经验选取好的，本发明实施例不对火电机组负荷范围进行限定。对于选取三个负荷点之间的负荷数据，只是一种优选方案，选取多个负荷点数据也能够对保证的发明结果的准确性，因此，任何一种负荷方案的选取只要满足本发明实施例希望达到的效果均是本发明的保护范围。

s120、对于每个负荷点，采用阶跃信号对除氧器在水位增加和/或减少方向上分别进行第一幅度扰动、第二幅度扰动和第三幅度扰动，获取除氧器水位扰动试验的数据，第一幅度扰动的幅值大于第二幅度扰动的幅值，第二幅度扰动的幅值大于第三幅度扰动的幅值。

在选取负荷点之后，对于选取的每一个负荷点，在除氧器水位增加和/或减少方向上分别进行第一幅度扰动、第二幅度扰动和第三幅度扰动。其中，在除氧器水位增加和/或减少方向上增加扰动可以通过阶跃信号进行，而改变阶跃信号的幅值可以改变扰动的大小且改变阶跃信号的幅值可以通过除氧器水位执行器手动执行，例如可以通过手动改变除氧器上水调门或凝泵变频器进而改变扰动信号的大小。

需要说明的是，选取三个不同幅值的扰动信号对不同负荷点进行扰动只是一种优选方案，选取多个不同幅值的扰动信号也能够获取除氧器水位扰动试验的数据，因此，任何一种扰动试验的选取只要满足本发明实施例希望达到的效果均是本发明的保护范围。

s200、根据除氧器水位扰动试验的数据，建立除氧器水位传递函数模型。

当火电机组采用凝结水节流辅助调频提高火电机组的运行经济性，凝结水节流辅助调频通过算法控制凝结水流量，由于凝结水调频主要依靠算法主动施加凝结水流量扰动，会对火电机组除氧器水位造成扰动由于凝结水节流一次调频在实际运行中，且依靠算法主动施加凝结水流量扰动，会对机组除氧器水位造成扰动，为了保证除氧器运行安全，又能充分动作凝结水节流的幅度和时长，充分发挥其节能效益。通过建立除氧器水位扰动试验，并根据除氧器水位扰动试验的数据，建立除氧器水位传递函数模型。其中，除氧器水位受火电机组热力循环系统的影响，与凝结水流入除氧器中的流量有关，且与除氧器中调节凝结水流入除氧器流量的执行器有关，且凝结水流量执行器指令与凝结水流量的关系为惯性关系，因此，建立除氧器水位传递函数模型为：

其中，ld(t)为除氧器水位，u(t)为凝结水流量，k为比例系数，t为惯性时间常数，τd为纯延时时长，s为拉普拉斯算子。

示例性的，某640mw超临界机组建立的除氧器水位模型为：

s300、根据所述除氧器水位传递函数模型，建立广义控制模型。

可选的，对除氧器水位传递函数模型gc(s)进行离散得到离散的除氧器水位传递函数模型。

根据获取的除氧器水位传递函数模型，采用拉普拉斯变换将连续的除氧器水位传递函数模型变换得到离散的除氧器水位传递函数模型，其中，离散的传递函数为：

其中，z^-1为时间后移算子，表示时间向后移动1个步长，d为纯延迟步数，a(z^-1)、b(z^-1)为关于z^-1的多项式，分别为：式中ai为多项式系数，式中bi为多项式系数。

示例性的，某640mw超临界机组建立的除氧器水位模型通过拉普拉斯变换，采用零阶保持离散方法，控制步长ts取1秒得到到离散的除氧器水位传递函数模型为：

可选的，对离散的除氧器水位传递函数模型gd(z^-1)考虑随机干扰，得到受控自回归积分滑动平均模型。

通过对离散的除氧器水位传递函数模型变换得到公式：

a(z^-1)l(t)＝b(z^-1)z^-du(t-1)

通过对离散的除氧器水位传递函数模型gd(z^-1)考虑随机干扰，得到受控自回归积分滑动平均模型(controlledauto-regressiveintegratedmovingaverage,carima)：

其中，e(t)为零均值白噪声；δ＝1-z^-1为差分算子。

令l(t)＝y(t)，通过对受控自回归积分滑动平均模型两端分别乘以a(z^-1)^t得到公式：

其中，为将来被控变量的预测值列向量，上标t表示转置，为由t时刻的已知信息预测出的t+d+i时刻的过程量值，i＝1，2，…,n,n为预测步数。为n维系数矩阵，为关于z^-1的多项式列向量，为关于z^-1的多项式列向量。

可选的，根据受控自回归积分滑动平均模型，得到广义控制模型：

其中，为将来被控变量的预测值列向量，为由t时刻的已知信息预测出的t+d+i时刻的过程量值，i＝1,2…,n为预测步数，为n维系数矩阵，为控制增量列向量，自由响应

s410、建立广义控制模型的目标函数。

根据得到的广义控制模型的公式，建立广义控制模型的目标函数，目标函数如下式：

其中，λλ＝diag(λ(j))为以λ(j)为主对角元素的对角方阵，λ(j)为将来的控制增量在目标函数中的权重系数，为参考轨迹列向量。

根据建立的广义控制模型的目标函数，对目标函数进行分析，保证目标函数j达到最小。

s420、令目标函数j对控制增量列向量的偏导数为0计算广义控制模型的控制律。

目标函数对控制增量列向量的偏导数计算公式为：

通过目标函数对控制增量列向量的偏导求出写于的公式控制律表达式：

令n维系数方阵m＝(g^tg+λi)^-1g^t，控制率表达式可写为：

由于在工业控制应用中，每个时步一般只输出当前t时刻的控制增量δu(t)，则在工业控制中的控制率的表达式为：

其中，为由方阵m的首行元素组成的列向量，方阵m＝(g^tg+λi)^-1g^t。

可选的，确定广义控制模型的控制参数包括：

当除氧器水位响应时间大于第一设定阈值，减小控制权重λ；或者，当除氧器水位响应时间小于第二设定阈值，增大控制权重λ。

在除氧器水位控制过程中，如果除氧器水位的响应时间大于第一设定阈值，通过减小除氧器水位控制过程的控制权重，缩短除氧器水位响应时间，保证除氧器水位在设定范围内。当除氧器水位响应时间小于第二设定阈值，可增大控制权中，恢复控制信号到平衡值而减少超调。

实施例三

图4为本发明实施例三提供的火电机组除氧器水位控制装置的结构示意图，如图4所示，火电机组除氧器水位控制装置包括除氧器水位第一控制单元10，用于根据除氧器水位设定值x1和除氧器水位测量值x2，采用本发明上述任一实施例的火电机组除氧器水位控制方法，控制除氧器供水阀门20，输出执行器的指令y,改变除氧器水位。

实施例四

本发明实施例四提供了一种火电机组除氧器水位控制系统，包括上述实施例中的任意一种火电机组除氧器水位控制装置，因此同样具备该火电机组除氧器水位控制装置的所具有的有益效果。

实施例五

本实施例提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，该计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种火电机组除氧器水位控制方法，该方法包括：

获取除氧器水位扰动试验的数据；

根据除氧器水位扰动试验的数据，建立除氧器水位传递函数模型；

根据除氧器水位传递函数模型，建立广义控制模型；

优化广义控制模型，并确定广义控制模型的控制参数。

当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作，还可以执行本发明任意实施例所提供的应用于火电机组除氧器水位控制方法中的相关操作。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(read-onlymemory,rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory,ram)、闪存(flash)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

值得注意的是，上述火电机组除氧器水位控制装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。