本發明屬于火力發電系統生產安全及控制技術領域，涉及一種超臨界燃煤機組協調控制系統中的負荷預測方法。

背景技術：

隨著清潔能源（包含水能、風能、太陽能等）廣泛應用、超/特高壓交直流的遠程輸電以及大型電源基站建設，電網調頻、調峰的需要愈加頻繁。現階段，我國電網結構仍以火力發電為主，大量運行的超臨界機組發電效率達到43%~48%。在輸配電端，隨著自動發電控制系統（agc）的投入應用，窩電現象大幅度降低。火力發電機組的協調控制系統（ccs）作為聯接電網與單元機組的關鍵環節，對于保證電網頻率的品質及穩定性有至關重要的作用。

超臨界燃煤機組采用直流鍋爐，其沒有固定的蒸發分界面，從而機組模型具有非線性、大慣性、參數時變等特點。同時，鍋爐和汽輪機的各變量間相互耦合，并且存在快速響應的汽輪機控制和反應延遲的鍋爐控制的配合問題，這些都造成超臨界機組的協調控制系統更加復雜。由于煤質變化、電網頻率等擾動因素的影響，當負荷變動時，傳統的負荷指令前饋+pid反饋控制策略已無法滿足電網運行準則的要求。

在此之前研究的先進控制策略均未充分考慮電網頻率及燃煤品質等因素的擾動，導致機組模型失配，從而控制效果無法達到運行規定。然而，本發明基于變時域思想的受約束動態矩陣控制算法，確保系統魯棒性的前提下，提升了機組協調控制系統的精度和可靠性。

傳統的負荷指令前饋+pid反饋控制策略包含有鍋爐主控、汽機主控、燃料主控等回路。鍋爐主控根據機組負荷指令要求，調節鍋爐總燃料量、總給水流量、總風量等鍋爐輸入變量，以滿足汽機側對鍋爐負荷的需求。汽機主控分為初壓控制和遠方負荷控制兩種工作模式，分別接受協調系統計算出的機前壓力和機組負荷為目標值，以控制調門開度。燃料主控根據燃料指令與實際總燃料量比較，產生總給煤量指令，總燃料量信號由總給煤量和燃油流量相加產生（根據設計煤種的低位發熱值和燃油的發熱值換算出油煤折算系數）。隨著機組工況和煤質的變化，運行機組的控制品質越來越差，因此，需要變參數自適應的方法來調整機組協調控制系統。

變時域動態矩陣控制算法是整個機組閉環控制系統的核心，新增的監督環節將機組協調控制系統分為上層穩態控制層和下層動態控制層。上層穩態部分集中優化計算機組負荷、熱循環及燃燒效率等指標，并滿足約束條件，實時求解最優的給煤量和調門開度。下層動態控制通過汽機主控、鍋爐主控、燃料主控等pid回路，迅速響應機組需求的給水量、給煤量、總風量、進汽量等控制量，進而提升機組動態特性。同時，若出現系統通信故障或者預測輸出異常值，直接切換原pid回路，保證機組的安全穩定運行。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種超臨界燃煤機組協調控制系統中負荷控制的方法，該方法能夠利用變時域監督動態矩陣控制算法來優化機組協調控制系統。

為達到上述目的，本發明所述的超臨界燃煤機組協調控制系統中的負荷預測方法，包括以下步驟：

1）分析機組機理特性，推導得兩輸入兩輸出的機爐模型：

，，

，

其中，δne是機組負荷的變化量，δpt是主蒸汽壓力的變化量，δut是汽機調門開度的變化量，δub是給煤量的變化量；

2）當前每千瓦時耗煤量b?n與設計發電煤耗b?s之比，即為煤質校正系數η。在數據采集系統接收的歷史運行數據中，當η＞1時，則此段時間燃燒煤質較差；當η＜1時，則此段時間燃燒煤質較好(死區為±0.03)；

3）分別選取η＞1和η＜1時的歷史數據，運用遺傳算法辨識不同煤質機爐模型（如步驟1）的參數，采用實數式編碼隨機產生原始化種群，選取目標函數q(x,i)并獲取每一個體的適應度函數值f(x,i)，確定各遺傳操作的概率，通過復制選擇、交叉、變異等遺傳操作產生新的種群；

判別達到終止條件后，選出最新代種群中適應度函數值最優的個體，求得近似最優解即為不同煤質機爐模型的辨識參數，由步驟2)實時計算當前煤質，實現模型參數自適應煤質變化的過程；

4）根據運行工況確定約束條件，由步驟1)、2)、3)的機組模型求得系統模型階躍響應系數，檢測實際輸出并計算誤差：；

求解當前預測校正值：，；

計算下一時刻的控制增量δu及控制量u：，；

求取下一時刻的輸出預測值：；

采用變時域的思想選取合適的預測時域p1、p2（p1＞p2），控制系統的魯棒性變差時，選取預測時域p1確保系統安全穩定，然而控制精度嚴重不滿足要求時，縮短預測時域到p2提升控制效果，預測時域實時選擇，提高系統的自動化水準；

5)增加建立監督環節，將機組協調控制系統分解為雙層結構，即上層穩態優化層和下層動態控制層，上層穩態優化層以步驟4)變時域動態矩陣控制算法為核心，滿足約束條件的前提下集中優化計算得δut，δub，δne，δpt，并將其作用到下層動態控制層，通過汽機主控和鍋爐主控pid回路，確保機組的給水量、給煤量、總風量、進汽量及負荷等能迅速精準的響應，提升系統的總體動態特性。

當電網頻率波動超出±0.033hz死區，退出agc指令，協調控制快速響應一次調頻動作。若出現通信故障或者預測輸出異常值時，協調控制系統切換原有pid回路，確保生產運行的安全穩定。

所述發電煤耗b?n是指耗用的標準煤量與統計期內的發電量之比，即每千瓦時電量所耗標準煤量。

步驟4）中變時域選取的具體操作為：

4a）預測時域選取p2，使系統快速響應；

4b）選取適當的λ、ζ后，計算k時刻預測誤差的變化速率h，若|h|＜λ，迭代計算k+1時刻的變化速率h；

4c）為防止頻繁切換的擾動，持續50個采樣周期出現|h|＞λ，預測時域選取p1，確保系統穩定；

4d）考慮回程死區ζ，持續50個采樣周期出現|h|＜λ-ζ，恢復預測時域為p2；

4e）循環重復第二步，并初始化閾值λ。

預測誤差的變化速率h是預測目標函數關于p的偏導數，以h的絕對值為依據，選擇適當的閾值λ及死區ζ(λ、ζ均大于0且λ＞ζ)。

本發明具有以下有益效果：

1、本發明的步驟2）、3）利用遺傳算法辨識機組模型參數，并根據煤質校正系數η變動選取不同煤質下的模型參數，充分考慮煤質變化的擾動，增強系統的適應性和魯棒性，避免模型失配。

2、相對傳統負荷指令前饋+pid反饋控制策略來說，變時域動態矩陣控制算法增加機組負荷的預測功能，實現確保系統穩定的前提下提升控制效果。增設監督環節將控制框架分層，考慮電網頻率、系統異常等擾動，實現電網安全穩定運行，并促進負荷變動時的機組協調控制能力。

附圖說明

圖1為本發明中遺傳算法辨識機爐模型參數的流程圖；

圖2為本發明中動態矩陣控制算法的流程圖；

圖3為本發明中帶監督環節的機爐協調系統控制框圖。

具體實施方式

以下結合附圖及具體實施例，對本發明作進一步的詳細描述。

本發明所述的一種超臨界燃煤機組協調控制系統中的負荷預測方法包括以下步驟：

1）根據推導所得兩輸入兩輸出的機爐模型，系統模型需要辨識的參數有k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8、k9、k10、k11、k12、k13、k14、τ。

2）選取統計時段td的歷史數據，將當前每千瓦時耗煤量b?n與設計發電煤耗b?s之比，即為煤質校正系數η。假設統計期內的發電量為w?（kw·h），耗用煤量為bb（t），則機組發電標準煤耗量b?n（g/kw·h）為

依據η的大小來確定燃煤品質，當η＞1時視為時段td1的煤質較差，當η＜1時視為時段td2的煤質較好；

數據采集與監視控制系統分別接收時段td1和時段td2內機組的運行參數，包含機組負荷、主汽壓力、鍋爐給煤量、汽機調門開度的設定值及實際值，將這兩段數據作為不同煤質模型參數辨識的數據。

3）根據步驟1）得到需要辨識的模型參數，由步驟2）獲得不同煤質的辨識數據，使用遺傳算法辨識系統模型參數（如圖1所示）：

3a）此系統辨識可分為兩個模型參數辨識，一個關于δpt，另一個關于δne，其表達式分別是

，

實數編碼兩個染色體為θ1=[k1,k2,k3,k4,k5,k6,τ]，θ2=[k7,k8,k9,k10,k11,k12,k13,k14]，設種群大小為n，進化代數gen初值為1，隨機初始化種群。

3b）以目標函數q(x,i)為基礎，將適應度函數f(x,i)選取為

，

上式中，c為正常數，y*(k)表示第i個體的模型輸出，y(k)是指第i個體的實際輸出。令20＜n＜100且f(x,i)＞γ為滿足辨識終止條件，判斷步驟3a）的初始化種群是否滿足終止條件。如果滿足得到辨識模型參數，如果不滿足則繼續下一步。

3c）將種群個體適應度值降序排列，依據線性函數映射選擇概率為

再使用此概率完成輪盤挑選并直接復制本代精英到下一代。

3d）優良元素不參與隨機交叉運算，其余的交叉概率z1＜z2。父代個體d=[d1,d2,…,dn]，e=[e1,e2,…,en]，則子代d’和e’為

如果出現越界現象，由下式產生新個體為

在上式中，β為0~1之間的隨機數。

3e)變異范圍分三層，變異概率為0＝pm1＜pm2＜pm3。假設父代個體為d＝(d1,d2,…,dn)，變異區間為[dl,dr]，變異后子代個體為

d'(i)＝d(i)+pmi×(rand(1)-0.5)×(dr(i)-dl(i))

若變異后的dk’超出解空間，則

計算種群個體適應度，完成gen＝gen+1，以此判斷是否滿足條件。

3f）當不滿足終止條件時，循環步驟3c）、3d）、3e）通過選擇、交叉、變異操作完成新種群，直到滿足。當滿足條件后，輸出得到機組的模型參數。

需要說明的是，分別用不同煤質數據進行辨識，從而得到不同煤質的模型參數，由步驟2）實現變參數模型。

4）根據運行工況，確定負荷變化率、主汽壓力變化率、給煤量、汽機調門開度等約束條件，由步驟1)、2)、3)得到模型階躍響應系數，通過變時域動態矩陣算法計算負荷輸出（如圖3所示）。

4a）初始時刻k=1，初始化yn、δu、u、p、m，設定期望值w以及結束預測時刻l。

4b)檢測實際輸出y，求即刻輸出預測值及輸出誤差為：

yf(k)＝yn(k)+αδu(k)，e(k)＝y(k)-yf(k)

4c)即刻控制增量、控制量：δu(k)＝d[w(k)-yn(k)]，u(k)＝u(k-1)+δu(k)，

上式，l＝[θlθ]1×2m,θ＝[1,0,...,0]，誤差權矩陣q，控制權矩陣r。

4d)求當前預測校正值：

ycor(k+1)＝yf(k)+he(k+1)，yn(k+1)＝s0ycor(k+1)

其中，校正后預測輸出ycor、預測輸出yf、預測初始值yn、誤差e、期望值w的預測時域為p。基于變時域的思想，判別預測時域是否需要改變，具體操作如下：

預測時域(p2＜p1)選取p2，使系統快速響應；選取適當的λ、ζ后，計算k時刻預測誤差的變化速率h，若|h|＜λ，迭代計算k+1時刻的變化速率h；為防止頻繁切換的擾動，持續50個采樣周期出現|h|＞λ，預測時域選取p1，確保系統穩定；考慮回程死區ζ，持續50個采樣周期出現|h|＜λ-ζ，恢復預測時域為p2。

其中，預測誤差變化率h是預測目標函數關于p的偏導數，以h的絕對值為依據，選擇適當的閾值λ及死區ζ(λ、ζ均大于0且λ＞ζ)。

結束即刻輸出預測，循環步驟4b）、4c）、4d）進行隨后時刻的預測。

變時域動態矩陣算法預測機組負荷時，既提高了系統的控制效果，并兼顧了運行的安全穩定性。

5）如圖3所示，增加建立監督環節，將協調控制系統分為雙層結構，即上層穩態優化層和下層動態控制層。上層以步驟4)變時域動態矩陣控制算法為核心，集中計算得δut，δub，δne，δpt；將其作為下層輸入，通過汽機主控和鍋爐主控pid回路，使得機組的給水量、給煤量、總風量、進汽量及負荷等能迅速精準的響應，提升系統總體動態特性。

同時，當電網頻率波動超出±0.033hz死區，退出agc指令，協調控制快速響應一次調頻動作。若出現通信故障或者預測輸出異常值時，協調控制系統切換原有pid回路，確保整體魯棒性。本發明在用以變時域動態矩陣算法為核心，搭建監督環節，提升了整體控制效果，同時各項運行參數滿足機組安全生產的要求，這也是本發明的一個優勢所在。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，本領域的一般技術人員將認識到，使用本發明的方案還可以實現許多可選的實施例。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。