工业过程测控新技术与系统北京市重点实验室

团队概况

大机组状态监测与优化控制创新团队（CMCPP）核心教授：
    刘吉臻，教授，博士导师。IEE Fellow，中国动力工程学会副理事长，中国电机工程学会常务理事，中国自动化学会理事，全国热工自动化标准化委员会主任委员，教育部科学技术学部委员，国家电网公司科技委委员。
    长期从事于热工过程建模与控制、复杂系统智能优化控制、发电厂信息化等方面的研究。近年来承担及完成国家自然科学基金项目、国家863重点项目、教育部博士点专项基金项目、北京市科技项目、国家电力公司重大科技项目及其他各类项目30余项。获国家科技进步二等奖一项、省部级二等奖一项、三等奖一项。申请国家发明专利1项；出版了国内第一部火电机组协调控制专著：《协调控制与给水全程控制》，中国电力出版社（1995）。发表学术论文160余篇，被SCI检索11篇、EI检索78篇。
    标志性研究成果“火电厂厂级运行性能在线诊断及优化控制系统”提出了具有二级安全性、三级可靠性的发电厂信息系统网络模型；运用数据挖掘、数据融合等现代信息处理方法，实现了对巨型数据库中海量实时数据信息的凝练；基于设备劣化分析理论方法，提出了电厂设备预警的概念并予以工程应用；提出并实现了厂级优化控制策略；研制开发了具有自主知识产权的监控信息系统，已推广应用到50余个发电企业，处于国内领先地位。

    研究平台：
    本团队依托“电站设备状态监测与控制教育部重点实验室”教育部重点实验室以及工业过程测控新技术与系统北京市重点实验室。重点实验室围绕大型发电机组的可靠和高效运行，建设开放的电站监控信息系统平台，开展电站设备状态分析与失效预防、大机组运行关键技术、大机组优化控制、高参数大容量火力发电共性问题等应用基础研究，对前沿发电技术与设备进行高端探索，为确保国家电源安全和提高我国发电机组的运行水平、控制水平奠定科学基础、提供技术保障。

    实验室拥有国内领先的电站监控信息系统研究平台。该平台利用先进的计算机网络及数据库技术，实现不同发电厂、不同机组运行数据的海量存储与快速检索。在该平台上建立了典型火电机组运行数据仓库（300MW、600MW机组多年以上连续运行数据，包含主要过程变量，秒级存储间隔）及典型机组全工况机理分析模型，具有开放的软、硬件结构，可通过Web远方登陆访问以获得运行数据。电站监控信息系统研究平台为实验室提供了丰富的数据资源与运算环境，为数据挖掘算法研究、设备状态分析评估研究、机组运行优化研究等提供了基础条件。

    本团队致力于将当前最新理论与应用研究成果转化为生产实用技术，解决自动化工程实践中出现的重点难点问题，为提高生产过程自动化水平服务。几年来，在学术带头人刘吉臻教授带领下，本团队承担并完成了国家、省部级重点研究项目及工程应用研究项目50余项，取得了丰硕的理论与应用研究成果，其中部分成果已达到国际先进水平。

    大机组状态监测与优化控制创新团队（CMCPP）以华北电力大学控制科学与工程学院、能源与动力工程学院及教育部，北京市重点实验室为依托，组织跨学科、跨专业的研究队伍，具有完成综合型研究课题与承担大型工程项目的能力。工作室现有研究人员14人，其中具有高级职称的9人，具有博士学位的 6人。在中心从事研究与论文工作的博士研究生20人，硕士研究生50余人。

研究方向

1. 工业IT系统
主要研究面向工业过程的信息系统。涉及到工业过程信息系统的平台技术，实时/历史数据库技术，信息系统安全技术。
子课题包括：
(1) 基于JAVA或者J2EE技术的矢量图形发布平台
(2) 计算引擎和报表引擎技术
(3) 海量实时/历史数据库系统
(4) 集成数据接口的网络单向隔离器技术
工业IT系统是数据存储与展示的基础。这个研究方向需要紧扣当前IT技术发展方向，满足数据存储、处理、发布、展示的核心需求，面向最终用户，提供系统性的解决方案。最终成果为自主知识产权的软件著作权，专利技术，硬件产品等。
核心技术在于：
(1) 实用化的IT平台技术。充分响应用户需求，满足国人使用习惯，适应电站管理体制的研发方向。
(2) 数据压缩与存储技术的核心算法。在充分分析、掌握电站实时数据特性的基础上，研究独特的数据压缩方案，提供数据压缩与存储的专家式配置特点，形成核心的专有技术。
(3) 网络单向隔离器嵌入数据接口技术。嵌入式（ARM+LINUX）系统，适应各类实时/历史数据库海量数据单向隔离，嵌入通用的数据接口（OPC），将网络隔离和数据接口机融为一体。

2. 数据挖掘与数据融合
以SIS平台为基础，利用信息融合相关理论和方法，从海量历史数据中提取有用的或感兴趣的相关信息。
理论方面研究包括：统计分析、相关分析、信号处理及滤波技术。
工程方面研究针对：火电机组运行信息统计、设备性能分析及故障诊断、运行优化指导。

3. 复杂系统建模与仿真
针对火电机组主力机型特别是超超临界机组，新型发电方式包括循环流化床、燃气蒸汽联合循环、垃圾及生物质能等，建立其能够为控制算法设计及控制系统优化直接提供支持的，具有简化形式复现性好的动态模型，并建立高精度全仿真系统。
(1) 超超临界机组控制用模型的建立
研究机理建模与试验建模相结合方法，建立超超临界机组输入输出变量之间的多变量非线性模型。利用扰动实验或运行操作数据，实现模型参数的校正。
对超超临界机组控制模型进行简化，形成典型工作点下的线性模型。研究典型变量间的动态关系，为进一步设计控制器打下基础。
(2) 超超临界机组高精度、全激励仿真系统
建立一个高精度、全激励超超临界机组仿真研究平台。该平台主要用于超超临界机组新型控制系统的开发、分析和验证，同时也能够用于操作人员培训、电厂运行事故分析、电厂经济运行分析及研究。
主要研究子课题包括：高精度、全激励仿真支撑软件的开发；超超临界机组主要设备高精度数学模型库的研究开发；用于超超临界机组控制系统研究的仿真系统开发。
该方向最终成果为取得软件著作权一项，并成功将成果产业化。

4. 优化控制
(1) 机炉协调控制
研究超超临界机组协调控制系统的目标优化方法、协调控制策略、运行方式切换及故障处理模式。为了满足超超临界机组控制需求，课题组拟在以下方面进行深入研究：多模型协调控制器设计；机组蓄能利用新方法；控制器参数校正方法。
其他技术措施还包括：机炉平衡信号的选择、模糊前馈控制、非线性环节的利用、汽机压力校正等。
(2) 煤质补偿
针对国内燃煤锅炉运行中煤种变化多样，与设计煤种差别很大，造成控制通道增益波动大的特点，本课题研究直接利用燃料指令增益代替BTU 校正的方法。燃料指令增益是指燃料指令对机组负荷的比例系数，它受燃料发热量和机组效率影响。采用滤波方法可以较好解决上述问题，即通过设计滤波器消除干扰影响，保留静态关系，并具有合适的迟延。计算得到的燃料指令增益可直接用于控制通道的系数修正。
(3) 子系统优化
协调子系统包括燃料、送风、引风、给水、汽温、汽机调门等。它们均接受协调主控系统送来的控制指令，并完成相应的子系统控制任务。子系统的优化包括鲁棒性设计、预测控制方法等。
(4) 燃水比控制
分别研究以燃料为主和以给水量为主调整燃水比的适用特点和控制策略，研究喷水减温和燃水比的协调控制，解决汽温控制难点问题。

5. 热力系统节能分析与节能控制
主要研究面向大机组的热经济性分析与节能控制。涉及到高精度、变工况热力系统节能分析技术，以及节能分析与优化控制的集成技术。
子课题包括：
(1) 热经济性计算的核心技术以及实用化。重点在热经济状态方程计算方式上有本质突破，并解决使用过程中存在的问题。
(2) 热经济性分析技术。热经济性计算结果的可重复性分析，再现，结合盘煤、静态成本计算、运行考核结果的综合分析。
(3) 其他严重影响机组运行经济性的独立环节的热经济性分析。例如冷端优化，吹灰优化，重大辅机优化运行，除灰优化，风煤动态配比优化，减温水量异常分析，制粉系统辅机运行优化等方向。
(4) 热经济性分析与优化控制的集成。研究热经济性分析嵌入DCS的方案，热经济分析和控制方案的联合设计（重点在协调控制系统重要参数目标设定值，汽温控制系统联合设计）热经济性分析是当前电站数据分析以及其他高级应用的基础。该方向的最终成果为自主知识产权的专利技术，软件著作权等。主要目标为：
(1) 热经济性计算与分析技术申请专利权，并申请著作权。
(2) 结合数据，提出一整套电厂热经济性分析专家知识库，用于诊断大机组运行能损问题。瞄准的目标是建立集团级热经济运行诊断中心。
(3) 提出节能控制概念，并形成典型的设计方案。

6. 基于现场总线的网络控制技术
主要研究符合未来电站控制技术发展方向的基于现场总线的控制技术，子课题包括：
(1) 研究基于现场总线的控制系统设计方案。从系统体系，结构，采用的核心技术和标准。
(2) 研究数字化执行机构和数字化传感器技术。利用当前蓬勃发展的嵌入式技术（ARM或其他核心器件，嵌入式Linux）设计数字化控制产品，满足市场上主流的总线标准。
(3) 研究在数字化控制产品嵌入诊断算法的技术。团队在控制设备故障诊断，控制系统诊断上多年的积累可以尝试在数字化控制产品上得以实现。
基于现场总线的数字化控制技术是未来电站控制的方向。该研究方向的最终成果为数字化执行机构和数字化传感器装置，并成功转化为工业产品。
(4) 研究网络控制技术在电站控制实践中的应用。

团队主要成员

刘吉臻，男，生于1951年8月，博士，教授，博士生导师。1989年至1990年，1994年至1995年两次在加拿大皇后大学做高级访问学者。教育部科学技术学部委员；国家电力监管委员会电力安全专家委员会委员；中国动力工程学会副理事长；中国电机工程学会常务理事；中国自动化学会理事；热工自动化标准化委员会主任委员；国际电气工程师协会资深会员（FIEE）。清华大学、武汉大学兼职教授。

刘吉臻教授长期从事热工自动化领域教学科研工作。近年来主持了国家863重点项目1项，863面上项目1项，国家自然科学基金面上项目2项，教育部博士点基金项目2项，科技部中小企业创新基金1项，并承担了多项电力企业和北京市重点研究开发项目，取得了一系列重要理论和应用成果。在大机组建模与控制方面，出版了我国第一部大机组协调控制系统著作；大机组非线性建模与控制算法的研究成果获得中国电力科技进步二等奖；最早完成了火电厂厂级监控信息系统（SIS）课题的研究，获得中国电力科技进步一等奖和国家科技进步二等奖。发表学术论文100余篇，其中被SCI/EI检索的论文60余篇。在高等工程教育实践与创新人才培养研究方面，提出了“四模块”实验与工程实践教学体系，获得国家教学成果二等奖。1990年起享受国务院政府特殊津贴，1997年入选国家人事部首批百千万跨世纪人才。本项目的负责人，全面负责项目的规划、组织、协调与实施。

牛玉广，博士，教授，博士生导师。电站设备状态监测与控制教育部重点实验室副主任。

曾德良，博士，教授。工业过程测控新技术与系统北京市重点实验室主任。

常太华，教授，教研室主任，检测技术与自动化装置教研室主任。

田亮，博士，副教授。

房方，博士，副教授，控制与计算机工程副院长。

赵文杰 ，博士， 副教授。

黄孝彬，博士，副教授。

赵征，博士， 讲师。

邱天，博士，讲师。

研究基地

 CMCPP创新团队主要依托两个重点实验室为研究基地，即一个教育部重点实验室，一个北京市重点实验室。

    “电站设备状态监测与控制教育部重点实验室”的建设于2006年12月通过教育部验收。目前该实验室挂靠在华北电力大学能源与动力工程学院。该重点实验室的主要研究方向有：大型旋转机械振动监测与故障诊断、电站热过程的状态监测与控制、高温材料特性及状态评估、基于网络的电站设备状态监控与优化控制。

    按照最早的设计，实验室建立了电站监控信息系统研究平台，尝试以该平台整合跨学科的学术研究。电站设备状态监控中心作为一个平台，当初就是被设计成为这样一个角色。这是一个跨学科，多研究方向，有紧密联系的松散型学术组织，可以为建设创新团队打下良好的基础。

    2008年11月，以刘吉臻教授为负责人的北京市重点实验室：工业过程测控新技术与系统实验室申报成功。该实验室主要包括如下四个研究方向：
方向一：燃烧过程快速检测。研究内容包括：电容层析成像（ECT）检测方法、风粉等两相流浓度及流量快速测量、炉内火焰温度场测量及燃烧诊断。
方向二：热力过程参数软测量。研究内容包括基于多信息源信息融合及软测量方法、生产过程状态重构、运行状态在线评估、参数劣化分析、状态异常变化预警预报。
方向三：基于网络的工业过程状态监测与控制。研究内容包括建立网络控制系统模型、稳定性分析、先进控制理论应用、设计方法，开发新一代监控信息系统。
方向四：测控系统信息安全。研究内容包括发电厂监控信息系统模型结构、安全策略及功能分区，研发测控系统安全产品。

    从研究方向上看，该实验室适合于建设以刘吉臻教授为核心的创新团队，且易于向边缘学科或者交叉学科扩展。更重要的是，这些研究方向更广泛地覆盖了拟建立的创新团队中的核心成员。因此，确立以“工业过程测控新技术与系统北京市重点实验室”为创新团队的科研基地是合理的。另外，创新团队也需要几个科研基地作为办公，实验，学术讨论，日常管理的平台。北京市重点实验室作为创新团队的科研基地，必须尽快建立实验室的组织结构，并同时理顺创新团队组织形式和实验室组织结构的关系。当然，教育部重点实验室可以继续作为创新团队强大的实验平台。北京市重点实验室作为创新团队的科研基地，在建设时，也需要考虑避免重复建设。