为了构建适于电厂现场的锅炉燃烧优化系统(Boiler Combustion Optimization System，BCOS)。本文对BCOS的设计与开发进行了深入研究，从系统原理、架构设计、功能实现等方面给出了锅炉燃烧优控系统的完整开发方案以及与厂级监控信息系统(SIS)的集成方案。
二、系统设计
1、系统原理
燃烧优化系统的基本原理如下图所示：
DCS从锅炉系统测量并采集数据；建模工具充分利用 锅炉实时运行参数、并结合大量历史数据以及一系列的燃烧调整试验数据，以在线或离线的方式建 立锅炉燃烧特性预测模型；最后经过优化环节，采用不同的优化策略和优化算法，得到影响锅炉运 行经济性和环保性的各个控制参数的最优值，或直接送入DCS中原有的PID控制器形成闭环控制，或以推荐值的形式直接提交给当前运行人员作为手动调节的参考，可将此称之为开环运行指导。
2、系统架构
锅炉燃烧优化控制系统的体系架构，总体结构设计如下图所示。
将整个优化系统从宏观上分为数据层、中间层和应用层。按照功能又分为5个子系统，包括数据层的数据采集与预处理系统、数据库系统(包括数据库及 数据库管理系统)；中间层的燃烧特性建模系统、优化系统及数据挖掘系统；表示层的人机交互系统组成。各子系统的具体功能与详细设计说明如下：
（1）数据采集与预处理系统
目前热电厂机组均配备了DCS系统，机组的可控性得到大幅度提高。BCOS作为机组运行控制的优化决策层，有DCS作为机组运行控制的执行层，就能够很好地完成优化决策层下达的控制任务。
另外，现有的厂级监控信息系统(sis)基本都配备了实时／历史数据库，实现了更大范围和更快速度的数据采集，存储了包括机组DCS、ECS、NCS、 脱硫DCS、辅控、SCADA甚至烟气在线连续监测系统(CEMS)在内的几乎所有生产实时数据，这给 BCOS的建设提供了丰富的数据资源。
同时，机组运行优化系统作为SIS系统的重要组成部分，其中的性能计算模块(如炉效计算、辅机耗电计算)也将为BCOS提供必要的数据。MIS系统主要是以组织、交换和共享管理信息和数据为目的，同时也记录了电站生产过程的部分重要数据，如煤质分析数据等。
因此，BCOS所需的电站数据资源主要分布在DCS、SIS和MIS三个信息平台上，这些外部数据源包括了电站的实时数据库、关系型数据库以及文本文件等。由于SIS系统几乎涵盖了所需的全部实时数据，因此在进行实际配置时大部分的数据接口被安排在SIS侧，这样实施符合了电力系统安全防护规定，保证了电力生产的安全性。对于部分不能由实时采集获得的数据，将通过人机交互系统开放的Web页面以离线的方式手动补录。所有进入数据库系统的数据都需要经过基本的数据质量检验和预处理，滤除其中的不良数据，以保证后续建模及优化的正确性和有效性。对于经过数据检验发现的故障、异常、偏差将及时在应用层人机交互系统的实时监测模块中给出提示和预警信息。
（2）数据库系统
经过数据采集和预处理得到的原始数据被全部加载到数据库系统。如下图所示，BCOS的数据库系统是一个适合于大量数据存储和管理的计算机系统，它是数据库(DB)和数据库管理系统 (DBMS)的总称，为整个BCOS的运行提供了一个统一的数据中心平台。
数据库管理员(DBA)负责设计、建立、维护和管理数据库，BCOS的所有子系统(包括建模系统、人机交互系统等)作为DBMS 的使用者访问数据库中的数据。
借助SIS系统强大的实时数据库(以PI，Plant Information数据库为例)以及BCOS自身的关系数据库(以SQL Server最为常见)，数据库整合了大量的燃烧优化所必需的数据，包括生产过程中与燃烧调整相关的实时数据、机组在线性能计算结果、煤质分析数据等。同时，数据库系统还能够为BCOS 其他子系统提供结构化数据存储支持，包括已经建立的燃烧特性模型库、智能优化算法库、典型目标工况库以及实时寻优所获得的优化指导意见等，这些子库其实就是在BCOS数据库中设定了具体的存储区域而成为独立的库。
按照功能还可将BCOS数据库分为实时数据库、历史数据库和配置数据库(数据文件)，DBMS提供对这些数据库的存储、访问和维护等管理。通过人机界面的交互可以控制DBMS对数据库历史数据的抽取条件和周期进行配置，保证了数据获取的针对性和灵活性。
从上图可以看出，虽然系统的数据中心整合了来自众多数据源的数据，但是BCOS数据库系统的建设只需要新增一个关系数据库SQL Server就可以了，可以充分利用已有的SIS系统数据平台，大大节约了BCOS的建设成本。
（3）建模系统
建模系统的主要任务就是根据采集到实时数据或者事先进行的锅炉变工况燃烧调整试验所获得的数据，应用机器学习建模技术，建立锅炉的各种燃烧特性模型。
整个建模系统的流程如下图所示：
初始建模采用的是燃烧调整试验数据或者是典型工况样本，由于建模过程大都是通过离线方式进行的，获取的模型一般称为静态模型；
随着实时数据样本的增加和变化，模型经过在线自校正环节得到动态模型，此时还需要对该模型的正确性、有效性进行分析，并不断测试和修正，将此称之为在线建模过程。
为了保证动态模型在实际的运行过程中始终能够输出正常值，还增加了一个误差比较环节，当动态模型的输出值与实际值的偏差大于设定值时，模型会进行重新训练直到找出与锅炉实际工况相匹配的燃烧特性模型。
需要说明的是，建模工具属于交互式支持工具，能够对模型进行离线测试，其运行与否不影响燃烧优化系统的正常运行。
通过仿真测试的模型才可以进入燃烧特性模型库作为预测模型投入实际运行。
建模系统所得到的预测模型是整个BCOS的核心部分，当前实时运行数据会驱动模型对燃烧特性和燃烧发展趋势进行预测，该模型通常是由一组锅炉燃烧特性模型组成，能够对锅炉的重要燃烧参数进行估计，达到短期预测的效果。
另外，通过人机交互系统还可以手动触发建模系统下载特定时段的数据或者对近期燃烧调整试验样本进行补充学习，完成建模后对模型的输出进行测试，并选择是否更新模型库。
（4）优化系统
优化系统的运行流程如下图所示：
当优化目标选定后，程序将启动针对当前工况的优化进程：根据优化目标和当前工况，优化系统从模型库中调出特性模型并确定寻优区间，然后从算法库中调用优化算法开始执行寻优过程；对于优化所得的初步结果(包括优化工况及其模型输出值) 需要分别与当前工况以及既定的优化目标作比较，当两者的比较偏差都在设定范围内时，才会最终输出优化操作指导，否则还会通过调整优化目标或修正优化模型来继续启动新一轮的寻优过程。
优化算法库提供包括粒群优化算法(PSO)、遗传算法(GA)在内的多种优化算法，优化系统将根据模型对象的具体特点，选择最合适的优化算法。
优化算法的执行时间取决于具体工况的特点和优化目标的要求。以上过程都是由优化系统自动完成的，也可以通过人机交互系统进行手动录入待优化工况、设定优化目标、修改优化条件以及配置优化算法等操作。
同时，最终的优化操作建议不仅可以直接将各个控制参数的最优值作为设定值或者偏差送入原有的PID控制器实现闭环控制，还可以通过人机界面指导运行人员对燃烧控制进行调整，实现了开环指导功能。
（5）数据挖掘系统
数据挖掘技术(Data Mining)是指从数据库中提取先前未知的、具有应用价值的信息，并将该信息运用于制定重要决策的过程。
机组正常运行时产生的大量实时数据反映了机组的运行状况，蕴含 着大量的信息量，但是并没有得到深入有效地分析和利用。
数据挖掘系统以大量历史数据作为数据源，选择与燃烧及设备性能有关的数据记录，经过数据筛选及模式集成，删去与目标无关的属性， 挖掘与目标有关的属性，然后采用特定算法挖掘数据模样，以找到典型的目标工况和数据中存在的可能的燃烧规律及设备性能变化规律。在数据挖掘过程中，数据模样的挖掘是最为重要的。在该子系统中，采用基于关联规则的挖掘方法对同一时间的各类数据之间的联系进行分析，采用序列挖掘的方法对不同时间系列及不同工况下的同一类数据之间的联系进行分析，找到不同负荷下的最佳效率运行工况点，最后对数据模样进行评价，以指导燃烧调整及设备维护。
该技术在为大型火电厂机组设备状态检修及锅炉燃烧诊断与优化、提高燃烧效率等决策支持方面，提供了有效的解决方法，在电站锅炉燃烧优化中将有广泛的应用前景。
建模系统和优化系统作为BCOS的核心子系统，已经能够实现燃烧优化的基本目标。因此本文将数据挖掘系统作为BCOS的一个拓展子系统，它既是是电站锅炉燃烧优化技术的一个发展趋势，在BCOS系统设计阶段，已经为数据挖掘系统的后续开发预留了接口。
（6）人机交互系统
人机交互系统是BCOS与用户之间的交互界面，负责提供用户控制和使用整个燃烧优化系统的功能，具体而言，就是用户通过人机交互系统向BCOS输入必要的控制信息和数据，BcOS通过人机交互系统向用户发布运行情况、处理结果以及要求用户参与处理的请求。
人机交互系统应该为 BCOS中在所有需要人机交互的子系统(如数据库系统、建模系统、优化系统系统、数据挖掘系统等) 提供人机交互服务，包括提供有效的显示和对话形式、输入输出转换等，例如将燃烧特性模型的预测结果、优化系统的优化操作指导以及锅炉燃烧相关的实时数据等以文字、图像等方式呈现给用户，还可提供历史数据供用户进行查询分析，并允许部分经授权的用户对BCOS的系统参数进行设置。
总之，人机交互系统的任务就是能够让运行和管理人员实时监控BCOS的运行，并协调各子系统共同完成BCOS的各项功能。
三、系统的功能
1、燃烧相关参数实时监测
在线显示锅炉燃烧系统相关的实时参数，包括当前机组负荷、风门开度、给煤机转速(或给粉机转速)、炉膛出口氧量以及来自CEMS的尾 部烟气NOx含量等排放参数，使运行人员能够全面了解锅炉的燃烧状态，从而对BCOS 给出的优化调整进行正确的评判。显示的方式是多样的，有数值、棒图，也可以成组表格或以趋势图等其它形式显示。对于经过数据检验发现的故障、异常还会在此模块中给出报警提示。
2、燃烧优化操作指导
根据电厂运行要求和机组的实际状况(主要是当前负荷和煤种)，通过BCOS的建模系统对锅炉燃烧进行特性建模，然后在锅炉燃烧经济性、污染物排放以及厂用电消耗之间进行综合，实现锅炉燃烧综合性能的多目标优化。燃烧优化指导建议将给出操作变量(风量等、风煤比、二次风配比)的具体调整值以及优化前后的对比情况(包括优化调整操作和优化输出结果)，或进入控制器参与直接调节或指导运行人员手动设定调整，实现了提高锅炉效率、降低污染物排放、降低厂用电的目的。
3、燃烧特性模型的在线训练与更新
通过建模系统，在实时数据的驱动下对燃烧特性模型进行在线自校正，并不断更新模型库。当有新的试验数据载入时，静态模型和动态模型都会被及时更新。根据特性模型，专业人员可以通过人机界面随时对锅炉燃烧状态及其设备性能变化情况进行分析，实时掌握锅炉燃烧系统 的运行特性。
4、历史数据分析与挖掘
借助Pl实时／历史数据库强大的存储和查询能力，用户可以选择查询过去某一时刻(时段)的锅炉燃烧相关参数的历史值，并以表格或历史曲线等形式显示，特别是其中记录了每次优化操作建议实 施前后的参数对比情况，对其进行比较分析不仅可以检验优化调整的效果，以增强该系统使用人员的信心，而且还非常有助于BCOS自身系统的完善。
另外，借助于历史数据分析与挖掘功能，还可以为BCOS逐渐建立起当前锅炉完整的典型目标工况库，给运行人员提供操作参考。
四、系统的实施
BCOS的建设不仅要求对锅炉整体的运行调整和控制环节有清晰的认识，而且要求有较高的编程水平，一般需要现场的锅炉和热控专业人员配合系统开发人员来共同完成，具体的开发和实施主要可分为以下几步进行：
1、现场调研与资料收集
这是开发的准备阶段，将直接影响系统的成功实施。这一阶段，系统开发人员需要与电站的锅炉专工进行深入的交流，全面掌握现场运行的第一手资料，收集锅炉的基本设计资料(包括结构数据、设计说明书等)与运行特性数据，对所需DCS测点进行整理分析，同时还要根据现场运行人员的要求完成需求分析、冻结软件功能。
2、硬件布置与安装调试
由系统架构分析可知，BCOS除了与SIS系统共享数据中心平台之外，还需要配备独立的数台功能站，主要完成建模、优化、数据挖掘以及页面发布功能，另外，由于外部数据源的增加，还可能要增配接口机。这一阶段就是要完成这些硬件的安装以及BCOS系统网络布置调试工作，为数据采集和软件调试作准备。
3、数据采集与建模准备
主要是建立BCOS与各数据源之间的通信，完成燃烧调整试验，对试验数据进行分析以掌握锅炉燃烧特性，并将燃烧特性数据采集或录入系统，获得建模所需的初始数据。
4、程序编制与软件安装
从后台应用功能模块到前台WEB发布，BCOS程序全部在.NET平台下完成。对于已经成熟的建模、优化算法，特别是在Matlab环境下已编制完成的通用程序和源代码，可充分发挥Matlab应用程序接口(API)的强大功能(包括Matlab Compiler、Matlab引擎、Mat数据文件共享以及Excel Link 等)以实现现有算法程序与BCOS系统的无缝集成。程序编制是一个逐步调试的过程，一般花费时间较长，效率也比较低，有时还需要反复，因此需要特别的耐心。程序调试完毕即可在现场安装软件，经过数据接口的有效性检验以及系统的模型测试之后投入运行。
5、系统检查与完善
由于锅炉燃烧系统的复杂性，BCOS的开发实施是一项较为复杂、繁琐的过程，在系统开发完成投入运行后，仍需要不断的进行后续调整工作，系统开发人员还要定期与现场运行专业人员对系统的建模和优化结果进行检查，使该系统能够发挥最佳的优化指导作用。
五、系统与SIS的集成
SIS系统是为全厂实时生产过程提供综合优化服务的生产过程实时管理和监控信息系统，它以 DCS等控制系统为基础，以安全经济运行和提高电站整体效益为目的，一般都配套建设了实时／历史数据库(如PI数据库)。
目前，SIS系统已在火电厂中得到了普遍推广应用，由系统架构设计得知，BCOS系统的建设可充分利用电站现有的SIS系统平台。
1、SIS系统体系架构
浏览器／服务器(Browser／Server，B／S)结构模型已经成为电站信息应用系统的首选模型，它可以在ASP、ASP．Net架构内完成，但是应用于大容量、高刷新率的实时信息管理系统，还存在不少问题。基于XML Web Services的B／S／S三层体系结构在传统B／S／S体系的基础上加入了XML Web Services环节，不但大大提高了系统的可靠性和处理能力，整个系统也易于维护和扩展，实现了系统的网络化与分布式计算。
B／S结构使数据及应用可通过不同平台、不同网络存取，与平台无关，伸缩性大，为企业、行业提供了开放的基于标准的综合性服务计算环境，它将处理、储存、通讯能力移入网络，结合了主机／终端结构和C／S结构的优点，管理集中，只涉及网络服务器， 客户端通过下载获得升级功能；同时信息高度分散，通过HrrP、JAVA可访问联接任何URL资源和应用共享程度高，可伸缩扩展性强，具有高度开放性和灵活性，同时具备高速率和安全性，XML Web Servieces的引入，使用预编译的DLL消减了B／S对系统性能的影响，从而确保系统在硬件分散布置的情况下高效运行。
2、SIS系统功能
SIS系统的开发与应用是近年来电站信息化快速发展的重要标志性成果，建设SIS系统的目的是通过开展各种高级应用模块，以降低发电成本、提高电厂的生产管理水平和整体经济效益。
SIS 的主要任务体现在收集各单元机组的性能参数及设备状态信息、从厂级管理的高度对各机组运行工 况进行监视、分析和判断，并做出决策，指挥机组运行。
SIS系统功能模块的总体框架如上图所示，主要包括全厂生产过程实时监视、厂级性能计算和分析、运行优化与操作指导、全厂生产信息统计分析、负荷优化分配与调度、设备状态监测与故障诊断、设备寿命分析与管理等功能。当然，SIS功能不只限于此，它将根据全厂实时生产过程综合监控和管理的需要，在开发应用的实践中不断充实和完善。
3、BCOS与SIS系统的数据通信
数据采集是BCOS建设的基础，而绝大部分的数据又来源于SIS，因此需要对BCOS与SIS之间的数据通信环节进行研究。这里主要分析实时数据库接口(以PI为例)、关系型数据库接口以及OPC 通信方式。
（1）实时数据库接口
PI数据库是美国OSI公司开发的一款世界领先水平的实时广历史数据库，由于其功能强大、性能稳定，被很多电厂用来构建SIS系统数据平台。PI数据库提供了PI．API和PI．SDK供第三方软件基于其上进行数据通信和二次开发：
PI-API
PI-API(PI．Application Programming Interface)是为第三方软件与PI数据库通信而提供的应用程序接口，其中包含了众多能够被C等大部分开发语言调用的库函数，包括：批处理函数集(Batch Functions)、事件函数集(Event Log Functions)、消息函数集(Message Log Functions)、点配置函数集 (Point Dambase Functions)、快照函数集(Snapshot Functions)、时间函数集(Time Functions)和辅助函数 集(Utility Functions)等。PI-API为处于不同的软硬件环境的用户提供了一个统一访问PI数据的方法， 并方便了用户基于PI数据库进行二次开发，BCOS可以借助PI-API读写实时数据库中的数据。
PI-SDK
PI-SDK(PI-Software Development Kit)是一个支持访问PI数据库的软件开发包，它以Active-x的方式驻留在PI客户端程序。PI-SDK以一种面向对象的方式，实现了PI-API大部分的功能，同时添加了很多PI的新特性，大大降低了PI数据库的使用难度，提高了程序的开发效率。另外，PI-SDK 支持多线程编程，用户可以通过PI-SDK开发功能强大的多线程应用。
此外，借助PI数据库中的上层应用软件包(ServerApps)和高级计算引擎(ACE)，还可以将原始数 据转化为有用信息直接提供给BCOS，从而减少了开发时间，降低了维护成本。
（2）关系型数据库接口
BCOS所需的除实时数据之外的其他所有数据几乎都来自于关系型数据库，关系型数据库也是电站现有信息系统中普遍使用的数据库，常见的有Oracle、Microsoft SQL、Sybase等。由于关系型数据库的使用非常广泛，因此针对关系型数据库的接口技术相对来说也比较成熟。
BCOS系统的据采集模块通过OLE(Objects Linked and Embedded Dambase)DB for ODBC(Open Database Connectivity) 接口，可以与各种主流关系型数据库产品进行链接，保证了应用解决方案的开放性。OLE DB定义了一个COM接口的集合，封装了各种数据库管理系统服务，这些接口运行创建实现这些服务的软件组件。OLE DB组件包括数据提供者(存储和发布数据)、数据用户(使用数据)和服务组件(处理和传 输数据)。
（3）OPC通信方式
BCOS还支持过程控制中的对象链接和嵌入技术(OLE forProcess Control，opc)，作为一个工业标准，OPC协议包含了一整套的接口、属性和方法，为各种信息系统之间进行通信提供了公用的接口，可以支持网络上分布式应用程序之间以及不同平台上应用程序之间的通信，为实现BCOS与 SIS、DCS等系统之间完全的无缝链接提供了便利。由于OPC的标准化，PI实时数据库还提供了专门的针对OPC的接口部件，可以轻松的完成数据通信工作。另外，在操作指导环节，BCOS通过 OPC协议与控制系统发生通信，将优化操作指导以数据点值的形式反馈给控制系统。
4、BCOS与SIS系统的集成
由SiS系统的功能分解可以看出，BCOS不仅可以作为一个独立的系统而存在，也可以作为SIS系统“运行优化与操作指导”高级应用模块的子系统而与SIS系统进行集成。
在保证系统正常高效运行的前提下，SiS系统在设计之初就充分考虑了系统的可靠性和扩展性，所使用的先进技术都具 备了成熟的应用实例，并通过一系列严格测试，能充分满足电站当前的应用需求。SIS系统采用的 是模块化结构，符合组件软件的思想，每个模块保持了一定的功能独立性，并协同工作。而对于 BCOS，无论是系统的总体架构与数据流程，还是各子系统功能分工与相互衔接，在前面的设计中都 充分考虑到了这一点，也都完全遵从SIS系统的统一接口标准。因此，BCOS作为一个新的功能模 块集成到SIS系统时，三层B／S结构将依然适用。因此，在保障BCOS与SIS快速高效的数据通信 的前提下，两系统完全可以快速实现无缝集成，同时BCOS还可以方便地进行自主扩充和升级，从 而使电站已有信息资源得到长期利用和保护。
