CN109189022A - 一种火力发电厂热工自动化***整体架构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火力发电厂热工自动化***整体架构，由测量通信、保护、过程控制和监督优化四部分组成。测量通信由现场传感器、变送器、执行器和通信网络组成，其中通信网络包括保护、控制、监督和公共总线。保护包括设备保护和保护管理。过程控制包括功能协调级和驱动执行级两级模式，功能协调级包括启停机和非启停机控制，接受优化指令集、外部指令集、直接前馈指令集、实时测量数据集和内部状态指令集作为输入信号，建立同时面向整个发电生产流程的并行控制***。监督优化实现运行控制区一体化数据平台和热工过程优化及设备在线监测。本发明分别给出基建和投产电厂实现方式，为智能电厂建设提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种火力发电厂热工自动化***整体架构，属于工业控制领域中的过程控制***体系结构。
背景技术
近几年，随着“中国制造2025”、“互联网+”、“工业4.0”等技术和概念持续发展，火力发电厂也逐渐开展智能发电、智慧电厂等建设，火力发电厂热工自动化***作为支撑整个智能发电建设的基础，引起越来越多人的关注，如申请号为201210007231.6的中国专利。目前，火电厂热工自动化***主要开展的工作包括：集成DEH、ECS、辅控等的一体化DCS建设，集成各种外挂优化控制***的一体化智能控制平台的研发与应用，集成SIS部分功能的能效监测与闭环优化研究，以深度调频调峰或可靠性提升为目的的热控***优化，APS技术应用等内容。另一方面，各种的升级改造及控制优化工作使得热工自动化***越来越片碎化，特别是控制与保护逻辑越来越混乱，缺少整体架构的设计与研究。
传统火力发电厂热工自动化***包括自动检测、远方控制与顺序控制、自动保护、自动控制（或自动调节）四个方面内容，从技术实现方式的角度构建自动化***架构。以DCS为基础的现代热工自动化，从被控单元或设备的角度定义和构建自动化***架构，包括DAS、CCS、FSSS、DEH、SCS、ETS、ECS、TSI等。现代热工自动化***架构为近20年火电机组及其自动化水平的快速发展奠定了基础，但也产生了新的问题，典型如下：
1）热工过程工艺***本身大量存在非线性、强耦合、慢时变、大延迟、不确定特性，给控制带来很多困难。目前国内机组面临煤质波动、电网频繁要求大幅快速负荷调整、超临界机组超温超压、节能环保任务重等复杂情况，更需要从机、炉、电等的测量、控制、保护整体角度协同解决。但受制于现有架构，使用先进或智能控制来解决常规PID加前馈控制时，总是只能以打补丁的方式在局部范围内解决，如汽温控制、脱硝控制，极大地限制了先进热工自动化解决方案的研究和推广。
2）APS期望能够基于DCS，在MCS、DEH、SCS和ECS等之上建立机组级启停管理***，实现机组启停调度、信息管理与指令控制中心。但实际中APS受制于现有架构，使用单独的控制器，主要依靠多层级的顺序控制，将保证机组的平稳启动和停运为唯一要求，不具备启/停路径灵活配置和智能调整能力。
3）SIS期望能够实现对控制***进行指导，但目前优化指导与实时控制之间的功能应用很少，同时机组海量运行数据未能得到有效的挖掘利用。
4）还未达到控制级别的新的检测技术，如煤粉浓度和速度测量、飞灰含碳量在线测量、烟气成分测量、CO测量等在现有的热工自动化框架内难以被有效应用。
近几年，智能发电，提出了火力发电智能电厂体系架构，包括智能设备层、智能控制层、智能生产监管层和智能管理层四层，但具体在设备层、控制层，只是引入更先进的传感技术、更数字化的仪表，没有对火力发电厂热工自动化***整体架构进行设计与研究。
另一方面，已有研究指出，目前工业自动化***主要基于普杜(Purdue)五层架构模型，即：第5级-业务***；第4级-工厂级（ERP，MRP，MES）；级别3-操作单元级；级别2-机器/流程自动化级；级别1-控制器级；第0级-传感器/执行器级。这种模式已经反映在大多数传统工业的自动化***配置中，受革命性新概念和技术的应用，包括物联网、传感器发展、嵌入式控制器和其他技术改进，工业自动化***架构即将到来的变革，传统五层架构中的第2、3级将逐步消除，工控***将变得越来越扁平化。
发明内容
本发明的目的在于在前期大量的热工设计、组态、调试、优化的基础上，与发电企业、DCS设备厂家、电力设计院等单位专业人员充分交流与沟通，提出了一种火力发电厂热工自动化***整体架构。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种火力发电厂热工自动化***整体架构，其特征在于，由四部分组成，分别为测量通信、保护、过程控制和监督优化，本发明主要针对运行控制区的热工自动化***，公共服务区参考企业信息***架构。
1、测量通信
测量通信由现场传感器、变送器、执行器和通信网络组成。其中通信网络说明如下：
1）保护总线：基于DCS工业以太网，设备保护由硬接线组（4-20 mA或0-5V）接入DCS I/O接口单元。
2）控制总线：基于现场总线，现场总线数字仪表通过H1（FF）或PA（ProfiBus）接入现场总线控制***，原则上保护用信号测量与控制用信号测量分开，即分别通过硬接线和通过总线接入。
3）监督总线：基于工业以太网，非控制类新测量技术，如煤粉浓度和速度测量、飞灰含碳量在线测量、烟气成分测量、CO测量等，化学在线仪表，设备点检和巡检数据，重要设备的在线监测数据等各在线监测***数据接入监督总线。
4）公共总线：基于TCP/IP协议的互联网技术实现，位于管理信息大区，及公共服务区，为开放式网络。保护总线、控制总线、监督总线位于运行控制区，公共总线位于公共服务区。
2、保护
保护包括设备保护和保护管理，设置保护总线和保护工程师站。
主要基于DCS实现，功能包括锅炉保护、汽轮机保护、发电机保护、热力***保护和重要辅机保护，不再单独设置FSSS机柜、ETS机柜和TSI机柜。保护与控制功能逻辑组态或实现在一起的要分开部署，如原FSSS***中的FSS功能部署在设备保护部分，BCS部署在过程控制部分。保护的连锁操作包括在设备保护部分中。保护定值通过保护总线经控制总线到监督总线进行统一监管。设备保护设置工程师站，用于保护逻辑和定值的维护、SOE数据记录以及保护模拟试验等操作，保护不再设有操作员站。
3、过程控制
过程控制部分包括功能协调级和驱动执行级两级模式，取消常规MCS控制中的子回路控制级和开关量控制中的子功能组级。驱动执行级中开关量控制部分驱动级和MCS中执行器PID控制分散在现场总线设备中实现。功能协调级包括启停机控制和非启停机控制两部分，启停机控制以基于SCS的APS为主，设置自动启停和手动启停。非启停机控制部分以基于MCS的AGC为主。
过程控制***接受优化指令集（设定值、能效等）作为给定，外部指令集（中调指令、值班员指令、频差）作为需求，直接前馈指令集（基于历史数据机器学习）作为精确前馈信号，实时测量数据集（给水流量、汽包水位、蒸汽流量、过热蒸汽温度等）作为反馈信号，内部状态指令集（辅机最大出力、设备故障、控制自由度等）作为条件信号，建立同时面向整个发电生产工艺流程的并行控制***。非启停控制推荐使用预测控制等进行控制手段，建立多变量MCS控制***，尽量减少前馈、串级、均匀、比值、分程、超前滞后补偿、运算（加减乘除）、选择逻辑（高选、低选）等各种复杂的组态，采用数学规划方法统一地替代复杂组态的功能。优化指令集和直接前馈指令集来自监督优化部分。
4、监督优化
监督优化部分基于监督总线，实现集成监测数据、测量数据、设定数据等的运行控制区一体化数据平台，主要面向热工过程优化调整和设备在线监测，其监督和优化结果可以直接反馈到过程控制***，参与控制调整和优化。主要功能模块包括：
1）热工保护定值与报警监测，对保护定值进行集中监督，取代现有的保护定值清册。
2）设定值优化，形成优化指令集输出到过程控制***。
3）历史数据机器学习，建立运行最优参数状态数据库，形成直接前馈指令集输出到过程控制***作为精确前馈信号。
4）重要设备在线监测,如TDM。
5）负荷优化调度，实现厂级负荷优化调度或厂级AGC功能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提出了一种火力发电厂热工自动化***整体架构，由四部分组成，分别为测量通信、保护、过程控制和监督优化；提出了保护总线和保护工作站，实现控制和保护***在硬件实现、网络架构上完全独立；提出了监督总线，实现保护监督、控制优化、生产监督的一体化；提出了新型过程控制结构，实现APS、智能控制、大数据前馈的架构支持。
附图说明
图1是本发明实施例中火力发电厂热工自动化***的整体结构示意图。
图2是本发明实施例的过程控制部分功能示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
火力发电厂热工自动化***整体架构由四部分组成，分别为测量通信、设备保护、过程控制和监督优化，整体架构如图1所示，主要针对运行控制区的热工自动化***，公共服务区参考企业信息***架构。
1、测量通信
测量通信现场传感器、变送器、执行器和通信网络组成。其中通信网络说明如下：
1）保护总线：基于DCS工业以太网，设备保护由硬接线组（4-20 mA或0-5V）接入DCS I/O接口单元。
2）控制总线：基于现场总线，现场总线数字仪表通过H1（FF）或PA（ProfiBus）接入现场总线控制***，原则上保护用信号测量与控制用信号测量分开，即分别通过硬接线和通过总线接入。
3）监督总线：基于工业以太网，非控制类新测量技术，如煤粉浓度和速度测量、飞灰含碳量在线测量、烟气成分测量、CO测量等，化学在线仪表，设备点检和巡检数据，重要设备的在线监测数据等各在线监测***数据接入监督总线。
4）公共总线：基于TCP/IP协议的互联网技术实现，位于管理信息大区，及公共服务区，为开放式网络。保护总线、控制总线、监督总线位于运行控制区，公共总线位于公共服务区。
2、设备保护
主要基于DCS实现，功能包括锅炉保护、汽轮机保护、发电机保护、热力***保护、重要辅机保护，不再单独设置FSSS机柜、ETS机柜、TSI机柜。保护与控制功能逻辑组态或实现在一起的要分开部署，如原FSSS***中的FSS功能部署在设备保护部分，BCS部署在过程控制部分。保护的连锁操作包括在设备保护部分中。保护定值通过保护总线经控制总线到监督总线进行统一监管。设备保护设置工程师站，用于保护逻辑和定值的维护，SOE数据记录，保护模拟试验等操作，保护不再设有操作员站。
3、过程控制
过程控制部分包括功能协调级和驱动执行级两级模式，取消常规MCS控制中的子回路控制级和开关量控制中的子功能组级，过程控制部分的结构如图2所示。驱动执行级中开关量控制部分驱动级和MCS中执行器PID控制分散在现场总线设备中实现。功能协调级包括启停机控制和非启停机控制两部分，启停机控制以基于SCS的APS为主，设置自动启停和手动启停。非启停机控制部分以基于MCS的AGC为主。
过程控制***接受优化指令集（设定值、能效等）作为给定，外部指令集（中调指令、值班员指令、频差）作为需求，直接前馈指令集（基于历史数据机器学习）作为精确前馈信号，实时测量数据集（给水流量、汽包水位、蒸汽流量、过热蒸汽温度等）作为反馈信号，内部状态指令集（辅机最大出力、设备故障、控制自由度等）作为条件信号，建立同时面向整个发电生产工艺流程的并行控制***。非启停控制推荐使用预测控制等进行控制手段，建立多变量MCS控制***，尽量减少前馈、串级、均匀、比值、分程、超前滞后补偿、运算（加减乘除）、选择逻辑（高选、低选）等各种复杂的组态，采用数学规划方法统一地替代复杂组态的功能。优化指令集和直接前馈指令集来自监督优化部分。
4、监督优化
监督优化部分基于监督总线，实现集成监测数据、测量数据、设定数据等的运行控制区一体化数据平台，主要面向热工过程优化调整和设备在线监测，其监督和优化结果可以直接反馈到过程控制***，参与控制调整和优化。主要功能模块包括：
1）热工保护定值与报警监测，对保护定值进行集中监督，取代现有的保护定值清册。
2）设定值优化，形成优化指令集输出到过程控制***。
3）历史数据机器学习，建立运行最优参数状态数据库，形成直接前馈指令集输出到过程控制***作为精确前馈信号。
4）重要设备在线监测,如TDM。
5）负荷优化调度，实现厂级负荷优化调度或厂级AGC功能。
本实施例所介绍的火力发电厂热工自动化***整体架构是在前期大量的热工设计、组态、调试、优化的基础上，与发电企业、DCS设备厂家、电力设计院等单位专业人员进行了充分的交流与沟通，在具体的实施方式如下：
1）对于新建电厂，可以直接按照本实施例介绍的整体架构开展热控***设计、招标、安装、调试等工作。其中由于新建机组暂无历史数据，可以基于同类型机组或仿真机建立初始直接前馈指令集，或者先建立常规的反馈、前馈控制回路，在调试过程中经过调试数据累计，建立初始直接前馈指令集。在机组整体运行后，经过数据累积和人工监督机器学习，逐步建立较完备的直接前馈指令集。
2）对于生产电厂，将保护机组安全的原则放在首位，同时兼顾机组可用性和运行经济性，可以先进行测量通信部分的改造，再开展监督优化部分的改造，然后开展过程控制部分的改造，最近进行设备保护部分的改造。监督优化部分的功能，特别是直接输出到过程控制部分的功能在机组运行过程中逐步完善。为保证模拟量控制的执行级和开关量控制的驱动级就地实现，应在过程控制部分大量采用可靠性较高的现场总线智能执行机构或智能终端设备。
3）为保证机组的安全，停机、停炉动作命令不通过保护总线传输，使用独立与总线之外的硬接线实现，其他的连锁保护信息通过保护总线传输。
4）设备保护部分主要基于DCS实现，就地的保护装置可以基于PLC实现，同时在DCS记录就地波阿虎设备的SOE信息。过程控制部分主要基于FCS实现。
虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种火力发电厂热工自动化***整体架构，其特征在于，包括测量通信、保护、过程控制和监督优化；各部分内容如下：
（1）测量通信包括通信网络，通信网络包括保护总线、控制总线、监督总线和公共总线；
（2）保护包括设备保护和保护管理，设置保护总线和保护工程师站；
（3）过程控制包括功能协调级和驱动执行级两级模式，功能协调级包括启停机控制和非启停机控制；
（4）监督优化用于实现运行控制区一体化数据平台、热工过程优化及设备在线监测。
2.根据权利要求1所述的火力发电厂热工自动化***整体架构，其特征在于，在（1）中，保护总线、控制总线和监督总线位于运行控制区，公共总线位于公共服务区；保护总线基于DCS工业以太网实现，控制总线基于现场总线实现，监督总线基于工业以太网实现，公共总线基于TCP/IP协议的互联网技术实现。
3.根据权利要求1所述的火力发电厂热工自动化***整体架构，其特征在于，在（2）中，不再单独设置FSSS机柜、ETS机柜和TSI机柜；保护与控制功能逻辑组态在一起的要实现分开部署；保护的连锁操作包括在设备保护部分中；保护定值通过保护总线经控制总线到监督总线进行统一监管；设备保护设置工程师站，用于保护逻辑和定值的维护、SOE数据记录以及保护模拟试验操作，保护不再设有操作员站。
4.根据权利要求1所述的火力发电厂热工自动化***整体架构，其特征在于，在（3）中，取消常规MCS控制中的子回路控制级和开关量控制中的子功能组级；驱动执行级中开关量控制部分驱动级和MCS中执行器PID控制分散在现场总线设备中实现；启停机控制以基于SCS的APS为主，设置自动启停和手动启停；非启停机控制部分以基于MCS的AGC为主。
5.根据权利要求1所述的火力发电厂热工自动化***整体架构，其特征在于，在（3）中，过程控制***接受优化指令集作为给定，外部指令集作为需求，直接前馈指令集作为反馈信号，内部状态指令集作为条件信号，建立同时面向整个发电生产工艺流程的并行控制***。
6.根据权利要求1所述的火力发电厂热工自动化***整体架构，其特征在于，在（4）中，一体化数据平台位于运行控制区；主要功能面向过程控制优化与设备在线监测，包括热工保护定值与报警监测、设定值优化、直接前馈指令机器学习、重要设备在线监测和负荷优化调度。
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