孫 勇，闕華坤，林國營

（廣東電網有限責任公司 電力科學研究院，廣州 510080）

廠級負荷優(yōu)化分配是電力系統(tǒng)運行研究的主要內容之一，系統(tǒng)設計與實現(xiàn)方面，相關負荷優(yōu)化分配模塊已有相對成功的運行經驗[1]。

國內研究方面，文獻[2-3]提出了在廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)基礎上，采用基于微軟.NET Framework解決方案和B/S多層架構的思想及相應的高級語言來設計廠級負荷優(yōu)化分配應用軟件。文獻[4]提出了在廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)平臺下的多機組火力發(fā)電廠供電煤耗計算及管理系統(tǒng)的開發(fā)，采用高級語言Delphi開發(fā)出的32位負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)應用程序。文獻[5]提出了基于SIS平臺的火電廠廠級負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)設計，采用微軟的VC++6.0軟件編制相應的算法程序和控制界面。文獻[6]將系統(tǒng)嵌入到電廠現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了系統(tǒng)與電廠控制系統(tǒng)共同運行模式的切換，同時采用調整負荷上下限約束條件來保證調峰速率。目前，還沒有真正與電廠DCS構成一體化的廠級實時負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)。

以下針對Ovation DCS[7]平臺下火電廠廠級AGC負荷優(yōu)化分配進行相關研究，分析Ovation DCS平臺下火電機組廠級AGC負荷優(yōu)化分配的架構設計，并對采用第三方控制器進行優(yōu)化分配做出分析。

1 整體架構與思路

廠級AGC系統(tǒng)主要包括機組在線性能計算、系統(tǒng)協(xié)調運行控制、實時負荷優(yōu)化分配三大功能[8]。性能計算主要為經濟性負荷分配目標函數的建立提供反映機組性能的數據；協(xié)調運行控制主要負責系統(tǒng)與DCS之間的協(xié)調運行，保證系統(tǒng)投運后機組及全廠系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行；實時負荷優(yōu)化分配主要在以上兩項功能之上完成基于經濟性、快速性或多目標的負荷分配任務。利用外掛電路板通過Modbus協(xié)議與Ovation系統(tǒng)進行通信獲取系統(tǒng)運行參數，然后在線進行性能計算分析和負荷優(yōu)化分配。

所設計的外掛式電路是基于單片機實現(xiàn)的。單片機通過Modbus協(xié)議[9]與Ovation系統(tǒng)進行通信，獲取負荷分配所需數據，然后進行負荷優(yōu)化分配并依據系統(tǒng)給出的讀取指令，將相應的計算結果傳給Ovation。

外掛電路板包括單片機最小系統(tǒng)、RS485通信電路和供電電路。其核心為51內核單片機。為了減少相互間的干擾，在單片機與RS485通信模塊之間設置了光耦隔離并且使用隔離的電源網絡對RS485通信模塊供電。整體電路架構如圖1所示。

圖1 整體電路架構Fig.1 Overall circuit architecture

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

基于數據總線寬度、尋址能力、存儲大小、指令功能、執(zhí)行速度、中斷能力以及較好的適應環(huán)境的能力等方面考慮，采用STC90C516AD單片機作為微控制器，其指令代碼兼容傳統(tǒng)8051單片機，時鐘頻率為24 MHz，可以工作在6 T和12 T模式下。其程序存儲器（ROM）容量為64 kB，數據存儲器（RAM）容量為4352 B，工作電壓為3.3～5.5 V，通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。單片機最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)Fig.2 SCM minimum system

2.2 電源電路

電路板的接入電壓為交流的220 V市電，由于單片機的工作電壓為3.3～5.5 V，因此需要通過電源轉換模塊將市電經過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后轉換為直流5 V電壓，為整個電路板供電。所設計的在線性能計算模塊選用了SANGMEI AC 220 V/DC 5 V電源轉換模塊，其額定功率為3 W。

除單片機工作需電源供電外，本電路中的RS485模塊工作也需要提供電源。使用B0505S DCDC器件產生一組與微處理器電路完全隔離的電源輸出，用于向RS485通信模塊提供+5 V電源，其額定功率為1 W。

電源模塊電路原理如圖3、圖4所示。

圖3 交流220 V轉直流5 V電壓轉換電路Fig.3 Voltage conversion circuit of 220V AC to 5V DC

圖4 B0505S直流轉直流電壓隔離電路Fig.4 B0505S voltage isolation circuit of DC to DC

2.3 光耦隔離電路

如圖5所示，采用PS2501光耦隔離原件將單片機最小系統(tǒng)和RS485通信模塊之間進行隔離，以減小兩端之間的相互干擾。單片機UART串口的RXD、TXD通過光電隔離電路連接SP485R芯片的RO、DI引腳，控制信號R/D同樣經光電隔離電路去控制SP485R芯片的DE和RE引腳。

由單片機輸出的R/D信號通過光電隔離器件控制SP485R芯片的發(fā)送器/接收器使能。R/D信號為“1”，發(fā)送器有效，接收器禁止，此時單片機可以向RS485總線發(fā)送數據字節(jié)；R/D信號為 “0”，則SP485R芯片的DE和RE引腳為“0”，發(fā)送器禁止，接收器有效，此時單片機可以接收來自RS485總線的數據字節(jié)。任一時刻，SP485R芯片中的“接收器”只能夠有1個處于工作狀態(tài)。

電路中光電耦合器件的速率將會影響RS485電路的通訊速率。受PS2501芯片的響應速率影響，本模塊只可保障RS485接口電路的通訊速率在19200 b/s以下正常工作。

2.4 RS485通信電路

RS485通信電路采用SP485R芯片，單片機通過該電路與Ovation DCS進行Modbus通信。在線性能計算模塊采用RS485通信電路，如圖6所示。

圖6 RS485通訊電路Fig.6 RS485 communication circuit

SP485R芯片是由業(yè)內專業(yè)的通訊接口器件廠商Sipex公司設計生產的高性能RS485收發(fā)器，能夠替換通用的RS485收發(fā)器，并在許多方面有所增強。包含更高的ESD保護和高接收器輸入阻抗等性能。接收器輸入高阻抗，可以使400個收發(fā)器接到同一條傳輸線上，又不會引起RS485改送器信號的衰減。

RS485接口電路的主要功能是將來自處理器的改善信號TX通過“發(fā)送器”轉換成通信網絡中的差分信號，也可以將通訊網絡中的差分信號通過“接收器”轉換成被微處理器接收的RX信號。任一時刻，RS485收發(fā)器只能夠工作在“接收”或“發(fā)送”2種模式之下，因此，必須為RS485接口電路增加一個收/發(fā)邏輯控制電路。另外，由于應用環(huán)境的各不相同，RS485接口電路的附加保護措施也是必須考慮的環(huán)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主要功能模塊設計

廠級AGC系統(tǒng)負荷優(yōu)化分配軟件從功能上可分為3個模塊：信號及數據收發(fā)模塊、煤耗特性在線計算模塊和遺傳算法優(yōu)化分配模塊，如圖7所示。

圖7 軟件設計結構Fig.7 Software design architecture

信號及數據收發(fā)模塊該部分主要涉及與底層DCS的接口，具有承上啟下的作用，由于實際過程中信號及數據的接收和發(fā)送基本原理及處理方法非常相似，因此在軟件設計上將這兩部分結合起來。該部分可以分成3個較小的功能塊：①通過電廠現(xiàn)有的DCS網絡接收電廠各機組負荷指令；②讀取機組及輔機等運行實時數據及組態(tài)界面人工輸入的輔助參數，并將接收到的數據送至煤耗特性曲線在線擬合模塊和遺傳算法模塊；③將優(yōu)化負荷指令發(fā)送到各臺機組的CCS，通過機組CCS完成負荷的調節(jié)和控制。

煤耗特性曲線在線擬合模塊該模塊按照程序設置的刷新時間，從數據收發(fā)模塊讀取機組的負荷及對應的煤耗量數據，運用等效焓降法、反平衡法進行分析，計算出單元機組的煤耗特性，進而擬合出煤耗特性曲線，并將各臺機組的煤耗特性曲線系數送至遺傳算法模塊供負荷優(yōu)化計算使用，同時將新的煤耗特征曲線系統(tǒng)送入電廠數據庫系統(tǒng)，供電廠圖形顯示模塊及電廠性能計算使用。

優(yōu)化計算模塊該模塊接收由數據收發(fā)模塊和曲線擬合模塊傳送的實時數據及煤耗特征曲線參數，通過遺傳算法實現(xiàn)機組負荷優(yōu)化分配計算。由于傳統(tǒng)的遺傳算法收斂慢、運算量大、耗時長，只能進行靜態(tài)分配，廠級AGC系統(tǒng)負荷優(yōu)化分配軟件的設計采用了具有針對性的加速遺傳算法，通過實數編碼、雙倍初始種群生成法、變參數法和壓縮空間法提高了算法效率，實現(xiàn)了動態(tài)負荷分配。最終分配數據將發(fā)送至數據接收模塊，再由數據結果將分配數據發(fā)送到機組CCS，遺傳算法模塊還將優(yōu)化后的機組負荷指令送入電廠數據庫系統(tǒng)，供電廠顯示和數據分析使用。

3.2 輔助功能模塊設計

電廠的實際運行狀況比較復雜，在實際運行中出現(xiàn)故障或突發(fā)事件是不可避免的，相關的應急預案具體如下：

（1）當中調通訊故障或調度指令故障時，必須考慮使用之前同工況條件下的負荷分配數據繼續(xù)運行或采用通過手動輸入各機組負荷的方式保持機組繼續(xù)正常運行；

（2）當廠級AGC控制器損壞或系統(tǒng)嚴重出錯導致計算結果大大偏離實際情況時，必須迅速退出廠級AGC系統(tǒng)程序，采用原來的中調直控各機組負荷的方式保持機組的正常運行；

（3）由于傳送到AGC系統(tǒng)的信號為電平保持信號，因此在機組運行過程中一旦長時間出現(xiàn)掉電情況，就必須退出廠級AGC負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)，仍然采用中調過來的負荷指令指導機組繼續(xù)運行。

這就要求火電廠的控制系統(tǒng)能夠快速地調整控制策略來處理問題，保證全廠機組運行的穩(wěn)定安全。因此，廠級AGC系統(tǒng)要真正地在線實施并穩(wěn)定運行，除了實現(xiàn)全廠機組負荷實時優(yōu)化分配功能以外，還必須兼具多種控制模式以及邏輯保護的功能。

3.2.1 最優(yōu)運行模式

最優(yōu)模式下，廠級AGC系統(tǒng)通過負荷優(yōu)化分配軟件實時的讀取各臺機組的運行狀態(tài)信息，對機組性能進行分析，給出全廠負荷最優(yōu)分配值。在此狀態(tài)下，當中調給出的負荷變動大于廠級負荷調節(jié)死區(qū)時，負荷優(yōu)化分配軟件開始計算。此外，最優(yōu)模式下還設計了手動設定機組性能參數的功能，以應對從公共環(huán)網讀取數據異常的情況。

3.2.2 最快運行模式

快速模式，即按照一定比例簡單地分配全廠總負荷，同時具備自動分配和手動設定2種功能，前者即每臺機組負荷取平均值，后者則由操作員根據各臺機組可調容量比例及運行經驗來設定各臺機組的負荷分配比例來進行分配。由于最優(yōu)分配模式下，需要同時考慮各臺機組煤耗、中調負荷指令、變負荷率、上下負荷保留限以及各機組指令最大差值等因素，當其中某一因素出現(xiàn)信號故障時，負荷優(yōu)化分配軟件將無法正常運行。而使用快速模式可以進行簡單快捷的負荷分配，節(jié)省運算時間，同時受到輸入信號限制的較少，可以應對特殊工況。

3.2.3 邏輯保護模塊

在電廠實際運行中，中調給出的負荷指令變動大多集中在某些時間段，大部分時間機組運行的負荷目標值都是穩(wěn)定的，因此，在廠級AGC系統(tǒng)的最優(yōu)運行模式下，負荷優(yōu)化分配軟件也無需對所有時段的負荷調度都進行優(yōu)化運算，不必要一直循環(huán)運行。為了增強廠級AGC系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)省運算器資源，進一步設計了廠級AGC系統(tǒng)邏輯保護功能。其設計思路如圖8所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)邏輯判斷流程Fig.8 Steady-state logic flow chart

4 應用效益分析

基于單片機的Ovation DCS負荷優(yōu)化分配模塊的設計，既發(fā)揮了單片機設計靈活、實現(xiàn)簡單的特點，又便于對模塊運行情況進行有效監(jiān)控，針對采用的智能優(yōu)化控制算法不斷完善模塊設計，及時完成軟件改造。

外掛系統(tǒng)從Ovation DCS提取相關數據，在單片機中按照優(yōu)化控制算法進行計算，實現(xiàn)廠級負荷實時分析，并給出運行模式下優(yōu)化策略，形成運行方案，再通過DCS開展相關操作，這樣更有助于提升運行效率；同時，外掛式的模式更加便于驗證優(yōu)化算法的實施效果，滿足及時調整優(yōu)化策略、不斷提高算法可行性的運行要求。

5 結語

根據Ovation DCS的特點，提出了基于Ovation DCS的火電機組廠級AGC負荷優(yōu)化分配系統(tǒng)架構，并基于單片機系統(tǒng)對外掛式電路板的軟硬件進行了設計，給出了詳細的設計方案；同時，分析了廠級AGC負荷優(yōu)化分配軟件模塊功能，給出了不同工況下的運行模式。所提出的系統(tǒng)軟硬件架構及設計方案充分發(fā)揮了單片機硬件的特點，并能夠有效調整優(yōu)化算法，更好地動態(tài)實現(xiàn)負荷優(yōu)化分配功能。

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