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★南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司門冉，方正，章禔，丁陽剛

★江陰蘇龍熱電有限公司沈麟

關(guān)鍵詞：供熱調(diào)度；AGC；一次調(diào)頻；網(wǎng)源協(xié)同

1　前言

大多數(shù)熱電廠在信息系統(tǒng)綜合供熱機(jī)組（下稱，熱源）數(shù)據(jù)和熱網(wǎng)數(shù)據(jù)，電廠熱網(wǎng)操作員通過信息系統(tǒng)監(jiān)視熱網(wǎng)負(fù)荷和用熱參數(shù)變化情況，并電話通知機(jī)組運行人員調(diào)整供熱量^[1]。在這種調(diào)度方式下，熱網(wǎng)操作員與機(jī)組操作員信息不能實時互通，這就導(dǎo)致熱網(wǎng)負(fù)荷調(diào)整與熱源一次調(diào)頻和自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）相互干擾，供熱量調(diào)整與熱源一次調(diào)頻和AGC過程不協(xié)調(diào)，影響在網(wǎng)機(jī)組運行性能，甚至受到電網(wǎng)考核^[2]。

2　熱網(wǎng)與熱源分析

2.1　熱網(wǎng)分析

典型熱網(wǎng)系統(tǒng)為多參數(shù)（不同用熱溫度和用熱壓力）、多熱源、多管線、多熱用戶、強耦合、大滯后的復(fù)雜熱力系統(tǒng)^[2]。我們對多個熱網(wǎng)運行情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)系統(tǒng)具有以下特性：

（1）熱網(wǎng)總用熱量與熱用戶特性和時間有關(guān)；

（2）熱網(wǎng)參數(shù)波動與熱用戶和規(guī)模構(gòu)成有關(guān)；

（3）同一供熱參數(shù)的不同管線之間存在耦合；

（4）大型熱網(wǎng)具有較大慣性，參數(shù)調(diào)整緩慢；

（5）具備蓄熱能力，具有短時間段平衡能力；

（6）管線末端熱用戶用熱參數(shù)調(diào)整比較緩慢；

（7）熱網(wǎng)動態(tài)特性的變化與熱用戶變化相關(guān)。

熱網(wǎng)運行控制的主要目標(biāo)是保證總供熱量和總用熱量相匹配，盡量保證熱用戶用熱參數(shù)并盡可能減少熱網(wǎng)管損。

2.2　熱源分析

通常熱源供熱參數(shù)需與熱網(wǎng)用熱參數(shù)匹配。供熱方式一般較復(fù)雜，主要包括：汽機(jī)抽汽減溫減壓后經(jīng)蒸汽匹配器或分汽缸供熱、采用背壓機(jī)組排汽供熱以及采用供熱鍋爐直接供熱等。為提高供熱可靠性以及靈活性，多采用多熱源并行或冗余供熱。當(dāng)熱網(wǎng)用熱量變化后，熱源供熱量、燃料量或發(fā)電負(fù)荷等也相應(yīng)做出調(diào)整，實現(xiàn)熱源供熱與熱網(wǎng)用熱相對平衡。電網(wǎng)對大型熱源（機(jī)組超過135MW）有明確的AGC和一次調(diào)頻考核，對小型熱源（機(jī)組小于135MW），一般沒有考核要求。

3  網(wǎng)源協(xié)同控制研究及應(yīng)用

網(wǎng)源協(xié)同控制依托供熱實時調(diào)度系統(tǒng)（下稱，調(diào)度系統(tǒng)）實現(xiàn)，重點在于根據(jù)熱網(wǎng)、熱源機(jī)組的不同特性，利用熱網(wǎng)蓄熱優(yōu)化提高熱源機(jī)組ACG和一次調(diào)頻性能。

3.1　供熱調(diào)度系統(tǒng)

3.1.1整體功能設(shè)計

調(diào)度系統(tǒng)旨在綜合協(xié)調(diào)調(diào)度熱源機(jī)組供熱，實現(xiàn)熱源供熱和熱網(wǎng)用熱平衡及控制熱用戶用熱參數(shù)，是實現(xiàn)網(wǎng)源協(xié)同控制的基礎(chǔ)。調(diào)度系統(tǒng)主要包括以下功能：

（1）實時采集和分析各熱源機(jī)組實際運行數(shù)據(jù)；

（2）實時采集和分析熱網(wǎng)管線熱用戶用熱數(shù)據(jù)；

（3）安全高效使用調(diào)度系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)；

（4）根據(jù)熱網(wǎng)情況對熱源機(jī)組供熱量進(jìn)行預(yù)測；

（5）根據(jù)熱源機(jī)組整體情況實時發(fā)出供熱指令；

（6）目標(biāo)總供熱量在各熱源之間進(jìn)行平衡分配；

（7）熱源系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)和網(wǎng)源協(xié)同控制功能整體實現(xiàn)。

3.1.2　整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)供熱調(diào)度和網(wǎng)源協(xié)同控制功能要求設(shè)計整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基于調(diào)度系統(tǒng)的網(wǎng)源協(xié)同控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

說明：①和②為供熱調(diào)度操作站，③為供熱調(diào)度工程師站，④為熱網(wǎng)服務(wù)器，⑤和⑥為供熱調(diào)度系統(tǒng)交換機(jī)，⑦和⑧為雙向隔離裝置，⑨和⑩為供熱調(diào)度控制機(jī)柜，?、?、?和?為熱源系統(tǒng)控制機(jī)柜，?為熱網(wǎng)系統(tǒng)交換機(jī)。

調(diào)度系統(tǒng)與網(wǎng)源協(xié)同控制整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計符合控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)度系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)和熱網(wǎng)系統(tǒng)邊界明確并在網(wǎng)絡(luò)邊界設(shè)計網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)裝置，以滿足等保要求，還接入全廠時鐘信號，調(diào)度系統(tǒng)時間與全廠時間一致。

3.1.3　數(shù)據(jù)通訊

（1）熱網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊

熱力公司或供熱公司配置熱網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，用以實現(xiàn)熱網(wǎng)數(shù)據(jù)采集分析、熱網(wǎng)設(shè)備管理以及付費管理等。

調(diào)度系統(tǒng)可從熱網(wǎng)信息管理系統(tǒng)采集熱網(wǎng)數(shù)據(jù)。調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集周期應(yīng)小于熱網(wǎng)信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集周期，必要時還可縮小熱網(wǎng)信息管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集周期。為提高數(shù)據(jù)應(yīng)用效率，重要熱網(wǎng)數(shù)據(jù)，如管線供熱壓力、供熱溫度、供熱流量以及儀表狀態(tài)等，可通訊至調(diào)度系統(tǒng)下位機(jī)。

若熱網(wǎng)規(guī)模不大，熱網(wǎng)用戶與熱源機(jī)組距離較近，可從熱網(wǎng)儀表系統(tǒng)采集熱網(wǎng)數(shù)據(jù)。無論采用何種數(shù)據(jù)采集方式，均需采用安全可靠的通訊協(xié)議并保證通訊實時性和效率。主要采集數(shù)據(jù)包括管線總表數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、流量及儀表狀態(tài)等，以及每條管線上熱用戶用熱壓力、用熱溫度、用熱流量及儀表狀態(tài)等。

（2）熱源數(shù)據(jù)通訊

調(diào)度系統(tǒng)與熱源系統(tǒng)采用安全可靠的通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，具體可采用485通訊方式或硬接線。采用485通訊協(xié)議能夠保證通訊安全和實時性，在通訊異常時會保持前一時刻正常數(shù)值，能滿足調(diào)度系統(tǒng)各項功能實現(xiàn)。

調(diào)度系統(tǒng)從熱源系統(tǒng)采集表征熱源運行狀況的數(shù)據(jù)，包括鍋爐主蒸汽流量、給煤量、供熱流量、主蒸汽壓力、數(shù)字電液控制系統(tǒng)（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）閥位指令、負(fù)荷限值、供熱限值、AGC以及供熱設(shè)備（壓力調(diào)節(jié)閥、溫度調(diào)節(jié)閥以及流量調(diào)節(jié)閥等）運行狀態(tài)等。調(diào)度系統(tǒng)向熱源發(fā)送的數(shù)據(jù)主要包括供熱量目標(biāo)值（供熱流量目標(biāo)值或供熱壓力目標(biāo)值）和供熱溫度目標(biāo)值等。

（3）雙向通訊檢測

調(diào)度系統(tǒng)與熱網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計通訊檢測功能，在熱網(wǎng)系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)通訊發(fā)生異常后，調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠及時切除調(diào)度功能并在熱源和調(diào)度系統(tǒng)發(fā)出報警，避免數(shù)據(jù)通訊異常對熱源運行帶來不利影響。

在熱源控制系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)分別設(shè)計通訊檢測功能，熱源控制系統(tǒng)或調(diào)度系統(tǒng)任一檢測出通訊異常后，調(diào)度系統(tǒng)能夠及時切除自動調(diào)度功能并在熱源控制系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)發(fā)出報警，避免通訊異常對熱源運行帶來不利影響。

3.1.4　調(diào)度系統(tǒng)功能

調(diào)度系統(tǒng)功能主要包括熱源機(jī)組供熱總量實時計算以及熱源機(jī)組供熱調(diào)度指令分配等。

（1）熱源供熱總量目標(biāo)值計算

在調(diào)度系統(tǒng)中對熱網(wǎng)用熱量數(shù)據(jù)和熱源供熱量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)，建立熱網(wǎng)用熱量-熱源供熱量機(jī)理與數(shù)據(jù)模型。為解決熱網(wǎng)特性變化導(dǎo)致的模型劣化問題，采用數(shù)字孿生技術(shù)，在調(diào)度系統(tǒng)運行過程中對模型運行情況進(jìn)行實時評估。當(dāng)評估模型偏差過大時，使用已有數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正或更新。

為保證末端和重要用戶用熱，使用末端和重要熱用戶用熱參數(shù)實時值對模型計算的熱源供熱總量初值進(jìn)行修正，得出熱源供熱總量目標(biāo)值。熱源供熱總量目標(biāo)值實時計算過程如圖2所示。

圖2 熱源供熱總量目標(biāo)值實時計算

（2）熱源供熱總量目標(biāo)值分配

在調(diào)度系統(tǒng)中，采用合理的分配機(jī)制并綜合考慮熱源供熱的能力和調(diào)節(jié)熱網(wǎng)的能力，將熱源供熱總量目標(biāo)值分配至各熱源，并采用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)分配機(jī)制，以保證供熱經(jīng)濟(jì)性。熱源供熱總量目標(biāo)值分配如圖3所示。

圖3 熱源供熱總量目標(biāo)值分配

在實際應(yīng)用中，還應(yīng)對熱源供熱目標(biāo)初值進(jìn)行處理，綜合考慮熱源供熱限制（如供熱上限、安全限值等）。當(dāng)熱源供熱受限時（異常退出運行或供熱量達(dá)限值），為保證各熱源供熱目標(biāo)值總和與熱源供熱總量目標(biāo)值的平衡，調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計供熱總量平衡功能。

3.2　網(wǎng)源協(xié)同控制

3.2.1　熱網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)特性分析

針對具體熱網(wǎng)動態(tài)特性分析是實現(xiàn)網(wǎng)源協(xié)同控制功能的基礎(chǔ)。典型供熱系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 某熱電廠熱網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

對某電廠大型熱網(wǎng)分析，其末端熱用戶與熱源距離超過10km，熱源供熱參數(shù)發(fā)生變化后，末端用戶處蒸汽參數(shù)經(jīng)30min左右才變化；單個或多個熱用戶的用熱量（總計5%以內(nèi)）變化后，短時間內(nèi)對整個熱網(wǎng)參數(shù)干擾較小，不影響其他熱用戶用熱。熱網(wǎng)操作員監(jiān)視到熱網(wǎng)用熱量變化后，進(jìn)行熱源供熱量調(diào)整后，整個熱網(wǎng)熱用戶用熱情況幾乎不受影響。綜合熱網(wǎng)運行工況分析，熱網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)時間在5~30min，具體動態(tài)響應(yīng)時間與熱網(wǎng)用熱規(guī)模和運行狀況相關(guān)^[1-4]。

3.2.2　熱源系統(tǒng)動態(tài)特性分析

熱源系統(tǒng)最終能量來源為蒸汽鍋爐，熱源響應(yīng)外部能量（供熱量變化、一次調(diào)頻動作和AGC負(fù)荷變化）變化，短時間可依靠鍋爐蓄熱量，最終需要鍋爐熱量輸入改變來實現(xiàn)。供熱汽輪機(jī)、供熱流量/壓力調(diào)節(jié)閥、供熱溫度調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)速度較快（與具體設(shè)備有關(guān)），大多在5~30s左右^[5,6]。

蒸汽鍋爐主要包括循環(huán)流化床鍋爐、煤粉鍋爐、燃?xì)猓簹饣蛱烊粴猓╁仩t和余熱鍋爐（聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組）等。其中，燃?xì)忮仩t或余熱鍋爐動態(tài)響應(yīng)時間在1~2min左右；循環(huán)流化床鍋爐動態(tài)響應(yīng)時間在51~5min左右。蒸汽鍋爐具體動態(tài)響應(yīng)時間與其實際狀況和承擔(dān)功能有關(guān)^[7,8]。

3.2.3　控制原理

在建立供熱調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，搭建網(wǎng)源協(xié)同控制功能，以減小供熱量變化對熱源一次調(diào)頻和AGC調(diào)節(jié)的影響。

大型熱源接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)，受電網(wǎng)“兩個細(xì)則”的技術(shù)考核，本文主要研究一次調(diào)頻和AGC。根據(jù)“兩個細(xì)則”，一次調(diào)頻考核過程在1分鐘內(nèi)結(jié)束，AGC考核過程在數(shù)分鐘內(nèi)結(jié)束^[9]。

在調(diào)度系統(tǒng)分配至熱源的供熱目標(biāo)值改變時，若判斷供熱目標(biāo)值變化方向與AGC調(diào)節(jié)方向相同時，閉鎖供熱目標(biāo)值變化，避免供熱量變化影響AGC調(diào)節(jié)。若判斷供熱目標(biāo)值變化方向與AGC調(diào)節(jié)方向相反，不閉鎖供熱目標(biāo)值變化，供熱調(diào)度在一定程度上可提升AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)。進(jìn)一步地，根據(jù)熱網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)時間、熱源設(shè)備動態(tài)響應(yīng)時間和“兩個細(xì)則”技術(shù)考核時間的不同，可在一定時間內(nèi)利用熱網(wǎng)蓄熱優(yōu)化熱源一次調(diào)頻和AGC性能^[7-9]。

3.2.4　一次調(diào)頻優(yōu)化

網(wǎng)源協(xié)同一次調(diào)頻優(yōu)化是在傳統(tǒng)一次調(diào)頻基礎(chǔ)上增加供熱參與一次調(diào)頻功能。根據(jù)供熱和負(fù)荷數(shù)據(jù)分析建立一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速偏差-供熱模型，一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速偏差通過硬接線接入到調(diào)度系統(tǒng)。一次調(diào)頻動作后，直接改變供熱設(shè)備操作指令（如流量調(diào)節(jié)閥開度）來提高一次調(diào)頻響應(yīng)速度。網(wǎng)源協(xié)同一次調(diào)頻優(yōu)化整體調(diào)節(jié)過程如圖5所述。

圖5 網(wǎng)源協(xié)同一次調(diào)頻優(yōu)化原理

在實際應(yīng)用中，供熱調(diào)節(jié)參與一次調(diào)頻優(yōu)化的調(diào)節(jié)量要與DEH調(diào)門修正值和CCS（Coordination Control System）修正值相配合。供熱參與一次調(diào)頻優(yōu)化的狀態(tài)不同，DEH調(diào)門修正值和CCS修正值也不同。一次調(diào)頻動作后，供熱參與一次調(diào)頻的速度應(yīng)當(dāng)盡可能快。一次調(diào)頻結(jié)束后，熱源正常接收供熱量目標(biāo)值，供熱量調(diào)整速度應(yīng)當(dāng)放慢。

3.2.5　AGC控制優(yōu)化

在網(wǎng)源系統(tǒng)整體特性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)熱源額定功率，設(shè)計網(wǎng)源協(xié)同AGC控制優(yōu)化功能。通過數(shù)據(jù)分析建立機(jī)組功率-供熱量函數(shù)關(guān)系，通過改變供熱設(shè)備供熱目標(biāo)（如供熱流量目標(biāo)值）來提高熱源AGC性能。網(wǎng)源協(xié)同AGC控制優(yōu)化整體調(diào)節(jié)過程如圖6所述。

圖6 網(wǎng)源協(xié)同AGC控制優(yōu)化

在實際應(yīng)用中，供熱調(diào)節(jié)參與AGC優(yōu)化調(diào)節(jié)量應(yīng)與CCS調(diào)節(jié)相配合，供熱參與AGC優(yōu)化受供熱限值限制，且在AGC目標(biāo)負(fù)荷變化后的前一段負(fù)荷（達(dá)到AGC變負(fù)荷量的50%）內(nèi)起作用，并逐步減弱作用。熱源負(fù)荷達(dá)到AGC目標(biāo)值后，正常接收供熱量目標(biāo)值，供熱量調(diào)整速度應(yīng)當(dāng)放慢。機(jī)組供熱參與AGC優(yōu)化與參與一次調(diào)頻優(yōu)化同時投入時，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先參與一次調(diào)頻優(yōu)化。

3.3　系統(tǒng)應(yīng)用分析

根據(jù)以上研究和設(shè)計，在某熱電廠設(shè)計實現(xiàn)了供熱調(diào)度系統(tǒng)和網(wǎng)源協(xié)同功能。在實際應(yīng)用中，使用熱網(wǎng)用熱量-熱源供熱量模型計算得出的熱源供熱量目標(biāo)初值與熱源實際供熱量偏差在1.5%～5.0%，熱網(wǎng)用熱量變化不大時，偏差在1.5%以內(nèi)，可滿足工程實際應(yīng)用的要求。投入網(wǎng)源協(xié)同機(jī)組的一次調(diào)頻和AGC性能優(yōu)于未投入功能的機(jī)組。

4　總結(jié)

隨著電網(wǎng)機(jī)組性能的提升和智能技術(shù)發(fā)展，熱源和熱源系統(tǒng)協(xié)同控制將會在實際電力生產(chǎn)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。基于供熱實時調(diào)度的網(wǎng)源協(xié)同優(yōu)化控制綜合信息技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)和數(shù)據(jù)建模技術(shù)并與控制系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，在提高熱網(wǎng)系統(tǒng)運行的自動化水平和智能化運行水平的同時，還能夠提升熱電機(jī)組一次調(diào)頻和AGC調(diào)節(jié)性能。

作者簡介：

門　冉（1989-），男，河南南陽人，中級工程師，碩士，現(xiàn)就職于南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，主要從事電廠優(yōu)化控制、熱網(wǎng)智能化及燃機(jī)智能化技術(shù)方面的研究。

方　正（1973-），男，江蘇南京人，中級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，主要從事控制系統(tǒng)及智能化產(chǎn)品管理方面的工作。

章　禔（1989-），男，江蘇常州人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，主要從事熱網(wǎng)智能化及燃機(jī)智能化產(chǎn)品管理方面的工作。

沈　麟（1980-），男，江蘇江陰人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于江陰蘇龍熱電有限公司，主要從事火電廠熱控方面的工作。

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摘自《自動化博覽》2024年9月刊