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火电厂电气自动化控制系统设计.pdf
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1、第 17 期2023 年 9 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023作者简介:杨耿涛(1994),男,河北隆尧人,助理工程师,本科;研究方向:火电运行。火电厂电气自动化控制系统设计杨耿涛(河北兴泰发电有限责任公司,河北 邢台 045000)摘要:文章依据火电厂运行需求,提出了一种火电厂电气自动化控制系统设计方案。系统以 DCS 系统为基础,构建了检测保护层、通信管理层与上位机系统 3 个硬件层面的保护层级,并在单神经网络基础上进行了 PID 智能控制模块设计。在系统功能实现上,文章提出了数据库系统、监控系统和应用PID 控制
2、器的控制策略设计内容,并最终确定了火电厂控制策略的最佳应用流程,从而实现了对火电厂电气设备的智慧化控制管理,满足了系统自动化控制管理要求。关键词:火电厂;电气自动化;单神经网络;设计流程中图分类号:TM621;TP39 文献标志码:A0 引言 目前,我国虽然大力发展绿色电力,但是仍然高度依赖火力发电的发电方式。2022 年我国火力发电装机量仍然超过了 50%,火力发电量占比虽有降低,但是仍然维持在 70%以上。面对“双碳”目标的提出,火电行业如何推进火电产业转型升级,已经成为整个行业的重点关注话题1。鉴于此,火电厂采用自动化控制技术提高设备运行效率、降低能源消耗,普及与应用电气自动化控制系统已
3、经成为促进火电产业整体良性发展的关键举措。1 需求分析 目前,火电厂的分散控制系统(DSC 系统)主要侧重于汽机锅炉,而忽略了对电气系统的运行监控,且对电气系统运行控制的要求在已有 DSC 系统中难以完全得到满足,通过硬接线将电气系统直接与 DSC 相连,无法充分发挥出电气系统智能终端装置的测量、监控与通信作用,使得基于 DSC 系统的电气控制系统自动化水平较低2。鉴于此,火电厂需要采用分层分布式控制结构进行电气自动化控制系统设计,并采用 PID 智能控制器模块实现对电气系统的智能化控制,充分发挥火电厂电气自动化控制系统的优势。2 火电厂电气自动化控制方案设计2.1 总体架构设计 本文选用 D
4、CS 系统作为系统主站,形成以 DCS系统为控制核心的电气自动化控制系统,总体架构如图 1 所示。PLC 与远程输入/输出设备利用远端控制模块实现通信,通过现场总线进行数据交换,PLC 根据远程站对地址设置的要求对远程分站进行地址设置,用于区分从站。DCS 系统可直接参与从站数据通信,且不会加剧编程工作量。系统中,DCS 系统为总站,远程分站有 3 个,分别为中间站、远程中心站与燃料仓站3。图 1 总体架构现场总线为开放全数字化的、双向多站的计算机网络,利用该网络将智能终端设备、PLC 与现场设备相连,主要采用数字信号的传输模式,不同节点可以共用同一条物理传输介质。智能终端设备集成了CPU、存
5、储器、A/D 转换器与 I/O 回路,具体包括中压系统保护测控装置、低压系统自动保护装置等,通过53第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023智能终端设备进行电气设备运行数据的采集、处理与集中控制,将相关信息以数据信号的形式上传至 DCS等控制层,并接受来自控制层的控制指令4。2.2 系统功能层 整个系统包括 3 个功能层,具体如下:(1)监测保护层。监测保护层由电气系统保护与自动装置构成,具体包括智能终端设备、发变组保护、自动励磁装置(AVR)、自动同步系统(ASS)等。所有保护装置的保护功能具有独立性,通过现场总线将各类设备直接与通信管理层相
6、连,从而实现对这些设备的分散监测与控制。(2)通信管理层。通信管理层为现场总线,负责接收 DCS 对监测保护层下达的各项控制指令,以及后台工作站下达的修改定值指令等,并将接收到的指令分发至目标装置。同时,通信管理层还需要负责接收不同监测保护装置上传的电气设备运行信息,并反馈至 DCS 系统与后台工作站。通信管理层与 DCS 系统、后台工作站之间的连接采用以太网,通常需要配置通信管理单元,需要提供 12 个通信接口。(3)上位机系统。上位机系统包括 DCS 系统与后台工作站,DCS系统为核心控制系统,后台工作站主要负责电气设备定值修改、管理维护等指令的下达工作。2.3 基于单神经网络的 PID
7、智能控制器模块 为了提高系统的智能控制水平,系统在智能终端设备中加入了 PID 智能控制器模块。该模块采用单神经网络的 PID 智能控制器,有利于提高对电气设备控制的自我学习能力,提升电气设备控制的自适应性,具体结构如图 2 所示。转换器在输入过程中,通过对电气设备运行参数的分析,进一步优化电气设备的被控制过程,改善PID 控制水平,以 s(r)的设置为例,经过转换器的转换后,直接输出为状态数,其中,Y1(r)与(r)相同,在此基础上可求解出 Y2(r),即(r)-(r-1),同理也可以求解出 Y3(r)=(r)-(r-1)-(r-2)。S为性能指标,R 为神经元比例系数,神经元通过关联检索生
8、成衍生信号 Hp、Hi、Hd,并通过路径优化混合控制策略进行调节,实现对电气设备的自动化控制目标。3 系统功能实现3.1 数据库系统的实现 火电厂电气自动化控制系统中的数据库系统通图 2 PID 智能控制器过 JdbcOdbc 桥接方式实现系统功能,预先将数据库系统与本地 Oracle 数据库相连,其实现方式为数据源,实现在本地直接对数据库的调用功能。完成数据库连接后,系统界面设计中应明确数据库系统功能在火电厂电气自动化控制中的应用方向与管理需求,数据库系统运行管理涉及工作空间、台账管理、定期工作数据查询和状态管理等多项内容。因此,系统界面设计应包含功能定制、模型定制、角色管理与系统功能设定等
9、内容。系统应用时,管理人员可通过导航栏电机相应的功能按钮实现相应的操作指令,如添加工作任务时,可通过数据库系统界面的台账管理、电气MIS 报表、添加记录等模块完成。完成系统数据添加后,根据火电厂电气管理工作需要,管理人员可通过选择数据进行修改,但修改功能仅限于部分高等级权限人员,以保证系统数据信息安全。数据库系统实现中,管理人员首先需要在数据库建立类模型,类添加属性与字段进行一一对应,通过字段类型确定相应的精度与长度,从而编辑 Web 中类的属性,包括精度、长度、种类、名称、位置、项目与人员时间等,从而实现对属性的查看与修改,完成模型构建。63第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控
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