智慧电厂 | 电厂数字化智能自动控制（DIA）与APS

电厂数字化智能自动控制（DIA）与APS

王立地

一、前言

火电厂热工控制，按照规模和功能可划分为四个级别。

设备操作级（Drive-D，直译驱动级） 设备操作级直接控制对应设备，开关量的如阀门、挡板、风机与泵等，连续调节的如调节阀、调速泵、变频器等。

单元控制级（Subgroup-SG,有的直译为子组） 单元控制级是以锅炉或汽轮机辅机，例如汽机真空泵、凝结水泵、锅炉给水泵等设备为核心，组合与之运行关联的阀门、挡板、附属的泵或风机等设备就构成了顺序控制（SCS）的最小系统。

系统控制级（Function group-FG,有的直译为功能组） 系统控制级通常按工艺流程划分，比如锅炉的给水系统、汽轮机的真空系统、疏水系统等等，通常管控若干个单元控制级（SG）。

机组控制级（Unit-U） 机组控制级汇集了全部系统级（FG）和专用功能控制装置（如DEH、CCS等），经过逻辑运算分阶段（节点）导引系统控制级和功能控制装置发出目标指令，调度和指挥设备有序地完成机组的启停或实施超驰控制。

二、数字化智能自动控制—DIA

电厂数字化智能自动控制（Digital intelligent automation—DIA），是随着计算机技术的发展产生的控制理念。数字化特指计算机技术的应用，是宏观和通俗的说法。

表1、数字化智能自动控制分级表

表内标志提示：○-具有此项功能；×-不具备此项功能

智能，指的是“人工智能”（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。1956年，美国斯坦福大学约翰·麦卡锡（John McCarthy）在达特茅斯（Dartmouth College）会议上提出了“人工智能”的概念。简单的说，人工智能就是研究如何使用计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科。

提到人工智能，大凡都说要由遗传算法（GENERIC ALGORITHM—GA）和人工神经网络（ARTIFICIAL NEURAL NETWORK—ANN）来实现，这也没错。但是，片面了。真实的情况是，人工智能在计算机上有两种不同的实现方法，GA和ANN只是其中的一种，叫做模拟法，有些高深。

还有一种是工程法（ENGINEERING APPROACH—EA），数学基础是“统计学”，特点是与人工的经验密切相关，采用传统的计算机编程技术，但求效果不论过程，只要系统呈现出智能的效果，同样是人工智能。工程法实现人工智能，规模灵活多样，小到一个智能算法模块，大到一套发电厂机组程序控制乃至专家系统，这种类型的研究方式才是发电厂开发人工智能正确的技术路线。

因此，发电厂数字化智能自动控制—DIA，我们就可以明确为，应用计算机技术、采用工程法（EA）构建人工智能、通过编程而实现的过程自动化控制。这其中包括数字孪生（Digital Twin）技术、智能化热工报警预估、汽轮机智能ATC、MCS全过程智能管理、缺省自动智能联锁等，当然不可或缺的还有APS。

根据智能化特性和控制策略DIA分为L0～L5共6级，见表1。DIA功能简介，见表2。

表2、DIA分级功能简介

三、DIA智能控制主要内容

1、智能化热工报警预估

1）项目要点

机组过程参数随运行方式在不断地变化，过程参数在设计的限定区间内，属正常工作范围，如果参数一旦超过设定值，就应发出警报，即“热工报警”。热工报警参数若越过一定限值甚至可能引发“热工保护”动作造成设备停运。无论“热工报警”还是“热工保护”，都是在过程测量值实际越限之后的提醒或动作。如果，在过程参数变化过程中，提前分析出参数的发展方向和变化速率，结合“智能化热工报警预估” 系统提前预报出可能发生的报警，对运行操作起到辅助判断运行状态的变化趋势，防患于未然，这将大大提升DCS对热工参数的监测水平，减少热工报警或热工保护的动作次数，有助于机组的安全和经济运行。

2）控制概略

实时监测过程测量值动态变化趋势和速率，并根据以往过程值变化规律形成的“智能化热工报警预估” 系统进行趋势诊断，先于热工报警给出过程测量值异常变化信号，就能有效地提高设备的运行安全性。

2、数字孪生

1）项目要点

理论上讲，数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多维度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。

其实，翻译成大白话就是，一款利用数字技术编写的智能仿真软件，伴随过程控制软件同步运行，以工程理论设计为基础，通过人工智能学习和训练，为实时过程控制提供优化参数，实现最优控制。

2）控制概略

根据调节原理、结合长期总结的人工操作经验建立起专家系统，独立仿真运行，按周期与实际闭环的调节回路品质进行比对，以专家系统为基准，实时修正调节回路的PID参数或发出超驰控制指令，以期获取调节回路的最佳品质，确保机组经济、安全运行。

3、智能APS

APS是需要智能的。APS固然由SCS、MCS、DEH、ATC、BMS、BPC等组成，但与常规系统相比，从基础逻辑模块开始就完全不同，智能模块构建了“缺省自动智能联锁”和“MCS全过程智能管理”，这才有了专用于“复变参量”对象交叉互动的程序控制，最终实现APS节点的“一键启停”，进而最后完成DIA-L5级的APS控制。以下就是智能APS的技术特点：

1）汽轮机智能ATC

（1）项目要点

汽轮机启动有冷态（＜150℃）、温态（≥150℃，＜400℃），和热态（≥400℃）之分，汽轮机温态启动温度在150℃至400℃之间，汽轮机温态又可以细分为温态低温段和温态高温段。温态低温段，大约在＜300℃以下，汽轮机中速暖机转速1600rpm。这个阶段，汽轮机暖机的参数复杂且多变，尤其是汽轮机的振动。按当前的中速暖机方式，主要是根据暖机时间（比如30分钟）再辅以对汽轮机振动、胀差等参数的人工判定来确认是否继续升速。如果发现汽轮机振动变高，接近报警值，只好人工手动把汽轮机转速降下来100rpm，继续暖机直至汽轮机的振动、胀差参数合乎要求再升速至3000rpm。

（2）控制概略

利用“智能化热工报警预估”功能建立“热工智能专家系统”，对汽轮机的温度、振动、胀差、转速等多参数进行变化趋势预估，并构建闭环暖机转速自动控制回路。中速暖机时，发现温度、振动、胀差、转速等参数变化率出现接近报警值的非正常拐点，则发出指令降低暖机速度，就可以实现汽轮机温态低温段中速暖机的自动化，汽轮机的冷态升速也可以实现闭环自动控制。

2）MCS全过程智能管理

（1）项目要点

自1936年开始，PID算法广泛应用在工业自动化领域中。目前，仍然是过程自动控制的重要手段。所以，在自动化领域中有一句名言：自动调节离不开PID。但多年的应用实践也证明了下半句话：PID不是万能的。主要原因是PID用于宽范围、大滞后、多变化的调节回路时，已经力不从心。

再有，随着顺序控制（SCS）启动工艺系统，MCS需要适时投入自动，如果仍然采用人工M/A切投，一方面SCS在连续自动运行，而另一方面MCS还需要经过手动调节、转换工作方式这一过程，会造成自动控制与手动操作混搭的状况，既不“自动”也不安全。

如果设想，把所有MCS“手动投自动”的操作都安排在SCS启动之前，并且将“调节回路已投自动”作为SCS启动的必要条件，在顺序控制过程中利用DCS的控制策略让MCS自动地投“自动”，SCS步进顺序控制中就再也不会出现人工操作，而成为纯粹的全工况自动。同时，在传统的PID调节回路中加入人工智能元素，并结合超驰、函数等算法，就能够扩宽PID调节的范围，改善PID的调节能力。

（2）控制概略

对MCS调节回路的投入、退出、SP自动给定、超驰控制、交叉引用、PID参数自动变换等等功能进行全过程智能管理，设计相应的智能控制逻辑。MCS设计有两种工作方式：自动和手动；三种工作状态：手动下的人工手操（MAN）、自动下的调节器自动伺服（Stand-By）和自动调节（AUTO）。在调节回路伺服状态下，具有自动纠正PID调节器入口PV值与SV值的功能，实现PID回路“傻瓜”投入，投后不管的控制水平。

3）汽轮机停机智能化控制

（1）项目要点

人们以往把太多的精力花费在汽轮机启动控制上，汽轮机的停止控制其实同样重要。比方说，汽轮机打闸停机。汽轮机打闸后，燃气轮机仍在运行，余热锅炉当然也在运行，余热锅炉汽包水位的调节，尤其是维持高压锅炉汽包水位正常就是一个非常突出的难题，目前的控制主要还是手动。

（2）控制概略

多系统协同控制，除了锅炉给水调节系统，还要协同汽轮机旁路控制。机组在低负荷阶段，锅炉给水采用的单冲量调节，闭环负反馈PID调节回路已经失去了抑制锅炉汽包虚假水位的能力，汽轮机突然打闸，锅炉的汽水平衡被破坏，同时引起锅炉压力飞升，双重因素对汽包水位有严重的扰动甚至可能引发自动调节失控。所以，汽轮机打闸后协同汽包水位调节和汽机旁路两个调节回路，利用汽机旁路控制降低汽包压力飞升，利用给水调节维持锅炉的汽水平衡来抑制锅炉汽包的虚假水位。

4）缺省自动智能联锁

（1）项目要点

当前，绝大多电厂联锁设备的运行、备用和联锁开关的投、切以及状态监测、判定等相互关联的一系列操作都由人工完成。如果要实现SCS的“一键启停”，设备联锁投、切必须全自动。

（2）控制概略

为SCS控制而专门设计的“自动联锁控制逻辑”（自动选择器），置于并列设备操作开关之上，按1拖N的星型结构连接。联锁投、切完全由逻辑算法自动完成，把联锁设备工作的过程要素交由自动选择器去识别判断，通过对关联设备包括操作开关和MCC（电动机控制中心）运行状态、工作方式、启停进程的综合逻辑运算，自主决定联锁的控制方式和设备的启停顺序，一旦检测到运行中的设备故障跳闸即时启动电气联锁或工艺参数超限马上连动热工联锁。

5）L4级APS

（1）项目要点

依托DCS能够在发电机组规定的负荷区间内分阶段递进导引热工控制系统 “一键启停”完成机组启动或停止的程序自动控制，被称之为APS。

L4级APS横向分阶段导引机组启、停节点，每个节点纵向按步序控制一个或若干个L3级热工系统，循序渐进完成机组“全工况、全过程、全自动”的启、停。

（2）控制概略

针对APS特有的“复合参量”控制，设计多种智能化开关量和模拟量交叉引用、交互控制算法。APS系统逻辑结构采用纵、横制设计，横向同层级若干个独立的分布式主控器首尾衔接，步进发出目标导引。在机组启动或停止的整个过程中，每个分布式主控器有限控制机组启、停的一个阶段。每个阶段设置若干步序，以节点作为纵向控制的起点，“一键启停”相关系统和设备。

6）L5级APS

（1）项目要点

依托DCS能够在火电机组规定的负荷区间内导引热工控制系统 “一键启停”完成机组启动或停止的程序自动控制，被称之为L5级APS。

L5级APS导引层横向连接机组启、停节点，每个节点纵向按步序控制一个或若干个L3级热工系统，循序渐进完成机组“全工况、全过程、全自动” 的启、停。

（2）控制概略

相比L4级APS导引层分阶段的“节点一键启停”，L5级APS升级为“导引层一键启停”，纵向逻辑与L4级APS相同。L3级程序启动或APS IN,一键总操，开关量操作器和模拟量M/A站投自动。

四、L4级APS智能控制的项目提升

1、现状

国内最先进的APS控制水平基本上达到了L4-，比L4级低那么一点点儿。低这一点儿需要完善哪些呢？

“温态低温段ATC启动”功能

具体控制策略见本文前述“二、3、1）”里面的内容。

2）给水MCS的“全过程智能化自动管理”

具体控制策略见本文前述“二、3、2）”里面的内容。

3）汽轮机停机智能化控制

具体控制策略见本文前述“二、3、3）”里面的内容。

4）L3级程序启动或APS IN,一键总操，开关量操作器和模拟量M/A站投自动。

2、展望

以DIA-L4级APS为基础，提升APS横向导引功能，消除节点间隔，实现L5级APS“一键启停”。