太阳能电站分布式控制系统的研究与应用

1、太阳能电站分布式控制系统的研究与应用 卷第期年月 微电子学与计算机 （） 印帅 万定生，陈 坚，刘德友，卞新高 （河海大学，江苏南京） 摘要：根据发展趋势，提出了一种塔式太阳能热发电站分布式控制系统的总体方案以及其各子单元应实现的控制功能，并设计了分布式控制系统的网络结构和主要控制单元的控制策略该成果已应用于塔式太阳能热发电站的控制系统中 关键词：太阳能塔式电站；【葛；系统结构；监控网络中图分类号： 文献标识码： 文章编号：（）一 ， 分， （ 哪酊，） ：删 即：，】帕铋璐 招删 ，锄胛。签蚴咄铆 锄 茁帆 协雎 ， 、，锄既 。仃 ：（）他日；町，（）；姒甜“ 引言控制系统总体方案 塔式太

2、阳能电站一般由光热部分（）和热电部分（胛）组成，光热部分主要包括定日镜场、塔和吸热器、储能系统及其各类控制系统；热电部分主要包括朗肯循环各环节、发电装置及其各类控制系统 在复杂工业过程控制中，现已被广泛采用，（焉的体系常分为四级结构：现场设备级、过程控制级、中央控制级和经营管理级根据发展趋势，图给出了一种塔式太阳能热发电站的分布 计算机分布式控制系统（舶咖，），在国内各个行业已有着非常广泛的 应用，但在新兴工业中应用的较少随着能源日趋枯竭和环境污染的加重，太阳能发电这种环保、无污染的发电方式得到很大的重视，塔式太阳能热发电系统是一个复杂的热力系统，具有强非线性、大延迟、大惯性的特点，并且太阳能

3、辐照具有很强的不确定性，镜场规模庞大，又易受外界环境影响，控制难度较大因此，除了在热力系统设计中，设置储热装置等常规热发电站没有的设备外，在控制系统的硬件配置、网络通讯和控制策略等方面也有独特的要求文中介绍了分布式控制系统在塔式太阳能电 式控制系统的层次结构该系统分为四层，每层之间 通过网络通讯交换控制数据 在现场控制层是流量、温度、速度等参数的检测和执行机构，其中在定日镜单元的底层还包括每台定日镜的现地太阳跟踪控制器以实现最大限度的捕捉太阳辐射能系统第二层主要实现定日镜场的调 站中的研究与应用，并针对其中的关键单元提出了 相应的控制策略 收稿日期： 基金项目：国家“”计划项目（） 微电子学与

4、计算机 年 度和根据各子系统的运行状况对其进行控制，以保证安全、高效运行系统第三层包括工程师站和操作员站其中，工程师站用以实现控制系统组态和整个电站的优化协调控制，操作员站用于电站运行、监测和维护该系统第四层为企业管理控制站，与企业管理网络相连，实现企业的信息化管理层次化的设计充分体现了“控制分散、管理集中”的思想，这是的重要特点。 信息管理层 集中监控层 过程控制层 现场控制层 图塔式太阳能电站分布式控制系统层次结构 主要控制单元的控制策略 定日镜场控制单元 定日镜场各定日镜的监控因其台数多、单台数据量较少可以考虑分组集中监控，底层每组台定日镜以总线协议构成子网， 各个子网通过各自的镜场网络

5、中继器（协议转换器） 再以工业或）协议与主控室定日镜 监控计算机进行数据通信经过计算，层 网络速率为或，或层速率为，可以实现主控室定日镜监控计算机与镜场所有定日镜每秒进行一 次数据交换，保证监控过程的实时性监控计算机向各定日镜控制器发出的控制功能命令（时间校准、返 回初始位置、调试点跟踪、预备点跟踪、接收靶跟踪、实时状态查询），定日镜控制器向监控计算机发送的状态数据，以反映定日镜当前工作状态，包括当前运动状态、绝对位置、跟踪点信息、故障信号及种类等 定日镜控制器主要接收来自定日镜监控计算机的控制命令和实时数据调用命令，完成定日镜所规定的各种运动控制，并向监控计算机发送数据通信协议所规定的各项实

6、时运行数据镜场网络协议转换器只用于数据通信的或）协议和底层默协议的转换和数据传递过程中相关的数据缓存、数据包的分割和组合，不进行运动控制 的功能运算定日镜监控计算机主要功能是计算出可用总光功率、处理主控计算机发出的指令（定日镜场工作状态要求、系统运行所需总光能量）、根据指令按照镜场调度原则计算每一台可用定日镜应实现的工作状态，并将实时太阳光线入射角度等数据和相应的控制命令发送到每一台定日镜【吸热与储热系统控制单元 热力（吸热与储热）控制系统主要是控制和协调各种运行模式的条件、运行模式的实现以及运行模式间的切换的过程，是实现电站分布式控制的基础和关键吸热器与热循环的控制调节系统包括各类模块的现场

7、调节设备及为控制吸热器压强和温度而设计的吸热器控制系统，吸热器及热循环调节系统由热循环逻辑控制，并直接和镜场控制系统、热流分布及气象测量系统等进行基本功能信息的交互，最终完成对吸热与储热系统的控制，热流分布及气象测量系统主要由辐照测量系统和气象采集系统进行调节 吸热器控制系统分三个控制回路：蒸汽包水位控制回路、过热蒸汽温度控制回路、吸热器启动时的压力控制回路吸热器水位是影响吸热器安全运行的重要因素采用串级三冲量水位控制策略来控制吸热器汽包水位，吸热器表面的热流分布及辐照测 量则用于计算投射到吸热器表面的热功率，来实时 调节给水流量主蒸汽温度直接关系到塔式太阳能热发电系统的安全性与经济性，现提出

8、采用带导前微分的主蒸汽温度控制策略控制主蒸汽温度，可以 缩短延迟时间，等效改善控制对象的动态特性；减小 偏差，改善控制品质；并可以有很强的克服内扰的能力 对于储热系统的控制，当吸热器吸收的辐射能不足以驱动汽轮机发电时，可以切换吸热器供气到储热单元对汽轮机供汽和发电，这时供气压力和温度采用调节供汽阀门开度和中间储热介质阀门开度来控制，这是一个典型的控制系统可采用串联前补偿的解耦控制策略来控制供汽的压力和温度，可能实现温度和压力控制的完全解耦，达到超调小、调节时间短等优良的控制品质发电与电气系统控制单元 本系统发电机组的状态监测主要包括：定子三相电流、三相电压监测；转子电流、电压监测；定子、转子温

9、度监测；定子、转子绝缘监测；轴电流监测；振动监测；发电机有功功率、无功功率、功率因素；频率监测状态监测基本与常规火电厂发电机组控制单 元类似控制系统结构与功能 太阳能电站分布式控制系统分为厂站控制级及现地控制级两层，由两级共同协作完成控制功能控制方式包括现地控制方式、厂站控制方式由多台计 算机在现场分别控制各子单元控制回路，同时在上 位机集中获取数据、集中管理的自动控制系统各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息处于底层的现地控制级由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到厂站控制级计算机厂站控制级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计

10、算、统计报表、故障诊断、显示报警等 在分布式控制系统中，按功能地区把微处理机安装在镜场、吸热器、储热器等测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集 中分布式控制系统在结构上更加灵活、也使整个太 阳能电站布局更为合理和成本更低监控网络总体结构 监控网络按照基于现场总线的分布式系统为原则电站控制网采用传输速率大于或等于的工业以太网，传输介质采用光纤，其通讯协议采用通用、先进且成熟可靠的产品该层网络为双冗余热备 在（、以下将采用现场总线用以连接远程及现地智能监测设备现场总线宜采用开放、通用的协议；传输介质须采用光纤为了提高系统的可利用率，现场总线均采用双冗余结构传输速率须大于

11、【系统热力设备、电力设备对应的监控计算机根据设备的具体需要配置，并考虑了以监控计算机之间互为冗余的方式提高系统运行的可靠性 通信协议的制定既保证了足够的信息量及其扩展的需求，又考虑了数据交换实时性要求现地控制级结构 电站现地控制单元节点配置如下：定日镜场现地；吸热器现地；储能系统；发电装置现地 ；辅助加热器和辅助锅炉蹬现地控制单元应 尽可能采用智能化结构，即所有的板均应设置有自已独立的和配置有双电源，以保证各模板能完成独立的工作，达到提高系统可靠性的目的这部分工作还需要与各课题协调，要求各课题分别负责的现地控制单元采用智能化结构形式 厂站控制级功能 厂站层节点设备主要包括数据采集服务器、历史数

12、据服务器、操作员站、工程师站、报警工作站、报表工作站、查询工作站、出服务器、时钟装置软件功能 软件包括计算机的操作系统软件、支持软件、系统开发工具软件和专为分布式控制系统开发的应用软件组态及控制软件这部分软件是整个控制系统的核心，主要完成数据的采集、数据的处理、现场控制等操作 结束语 塔式太阳能热发电站的分布式控制系统是一个复杂的集散控制系统，其功能是将电站各控制单元 联合集中成一个整体，实现各单元的性能协调和优 化控制文中根据发展趋势，提出了一种塔式太阳能热发电站分布式控制系统的总体方案以及其各子单元应实现的控制功能，提出了监控网络的结 构该成果在南京州塔式太阳能热发电站的控 制系统中得到应

13、用参考文献： 李国欣我国发展空间太阳能电站的必要性和相关技术 基础分析太阳能学报，（）： 瑚够 。妇锄，（）： 韩璞火电厂计算机监控与监测北京：中国水利水 电出版社，：一 ，唧， 、订 “及 商 矧研 日 。 日，（）： “伽， 锄池、惯咖 妇（）：蹦咧锄 ，： 朱能飞电气监控在（葛中的应用电力自动化设 备，（）： 作者简介： 万定生男，（一），副教授研究方向为信息处理与信息系统 陈坚男，（一），硕士研究方向为计算机控制与信息处理 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：万定生， 陈坚， 刘德友， 卞新高， WAN Ding-sheng， CHEN Jian， LIU De-

14、you，BIAN Xin-gao河海大学,江苏,南京,210098微电子学与计算机MICROELECTRONICS & COMPUTER2008，25(9)0次 参考文献(6条) 1.李国欣.徐传继 我国发展空间太阳能电站的必要性和相关技术基础分析期刊论文-太阳能学报 1998(04) 2.Mills D Advances in solar thermal electricity technology 2004(76) 3.韩璞 火电厂计算机监控与监测 2005 4.Garela-Martin F J.Barenguer M.Valverde Heuristicknowledge-base heliostat field control fortheoptimization of t