[发明专利]一种火力发电厂热工自动化系统整体架构

说明书

本发明公开了一种火力发电厂热工自动化系统整体架构，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系统。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。

技术领域

本发明涉及一种火力发电厂热工自动化系统整体架构，属于工业控制领域中的过程控制系统体系结构。

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系统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，火电厂热工自动化系统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系统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系统优化，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系统越来越片碎化，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系统包括自动检测、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系统架构。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系统架构，包括DAS、CCS、FSSS、DEH、SCS、ETS、ECS、TSI等。现代热工自动化系统架构为近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）热工过程工艺系统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系统，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系统进行指导，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系统整体架构进行设计与研究。

另一方面，已有研究指出，目前工业自动化系统主要基于普杜(Purdue)五层架构模型，即：第5级-业务系统；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系统配置中，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，工业自动化系统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，工控系统将变得越来越扁平化。