智能化電氣設備的設計與應用

車海洋

（江蘇杭鋼精密鋁業(yè)有限公司，江蘇 溧陽 213300）

0 引 言

隨著我國PLC、單片機等技術廣泛應用于電氣設備，電氣設備的智能化水平得到了質(zhì)的飛躍。智能化電氣設備不僅給人們的日常生活帶來了極大便利，而且通過采用數(shù)學算法、PLC等技術，在方便相關技術人員進行管理的同時，設備自身可以分析診斷故障，以便技術人員快速正確地做出相關處理，降低故障帶來的經(jīng)濟損失。可以說，智能化是電氣設備的必然發(fā)展趨勢。

1 智能電氣設備的設計要求

電氣設備的智能化主要是電氣設備的控制系統(tǒng)采用CPU、單片機等作為芯片，實現(xiàn)對設備的監(jiān)測、控制、故障診斷等操作。電氣設備的操作簡單、管理方便，同時可以將多個電氣設備進行集中管理。智能化電氣設備在電力系統(tǒng)中的應用最為突出。由于電力系統(tǒng)中的各個電氣設備是在高壓環(huán)境下工作，為了電氣設備正常穩(wěn)定工作，需要對電氣設備進行保護，而智能化電氣設備的特點很好地滿足了需求。例如，繼電保護裝置、變壓器主保護裝置、遠程監(jiān)控、輸電線路故障診斷系統(tǒng)等，都屬于智能化電氣設備。

智能化電氣設備的設計主要由現(xiàn)場信息采集、數(shù)據(jù)處理、指令輸出等部分組成。其中，現(xiàn)場信息采集模塊主要是對現(xiàn)場電氣設備的運行工況信息進行實時采集，并傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理部分主要是對采集的信息數(shù)據(jù)根據(jù)需求進行處理分析，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場電氣設備運行狀況進行實時監(jiān)控的目的。指令輸出主要是操作人員根據(jù)現(xiàn)場情況結(jié)合實際需要通過控制系統(tǒng)對現(xiàn)場進行操作。

2 智能化電氣設備的特點

智能化電氣設備可以通過一個統(tǒng)一的平臺對現(xiàn)場的電氣設備進行實時監(jiān)測和控制。因此，智能化電氣設備主要具有以下特點。

2.1 統(tǒng)一的支撐平臺

智能化電氣設備可以劃分為支撐平臺和應用軟件兩部分。其中，支撐平臺主要是指網(wǎng)絡系統(tǒng)、控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫、報表系統(tǒng)等；應用軟件主要是指操作軟件、現(xiàn)場指令執(zhí)行系統(tǒng)、指令傳輸系統(tǒng)等。隨著集成電路技術的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)可以支撐平臺和應用軟件進行模塊化設計，將電氣設備所有平臺進行集中化，有效地實現(xiàn)了統(tǒng)一操作界面、維護修改和管理等功能。

2.2 系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享

設計時，電氣設備控制系統(tǒng)的設計采用了國際標準，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)系統(tǒng)之間的共享，同時數(shù)據(jù)庫允許一些特定的軟件進行訪問，如EXCEL、TXT等。

2.3 基于商用數(shù)據(jù)庫設計的系統(tǒng)

目前，大多數(shù)智能化電氣設備的控制系統(tǒng)在設計時為了提高系統(tǒng)的開放性，設計的數(shù)據(jù)庫多采用較為常用的商用數(shù)據(jù)庫。商用數(shù)據(jù)庫不僅具有國際標準接口，而且與其他系統(tǒng)具有良好的兼容性。

2.4 基于實時信息和圖形的系統(tǒng)

智能化電氣設備現(xiàn)場的信息采集模塊可以對電氣設備的運行工況進行實時監(jiān)測，并將信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。控制系統(tǒng)的處理器進行處理分析后，將現(xiàn)場的信息和圖像在軟件中給予顯示處理。

3 智能電氣設備的設計

3.1 操作系統(tǒng)設計

隨著微處理器（CPU）功能的不斷強大，絕大多數(shù)情況下，微處理器控制系統(tǒng)中接有多個子系統(tǒng)，即微處理器需要同時處理多個任務。CPU在處理多個任務時，需要采用合適的任務調(diào)度方式。目前，任務調(diào)度方式主要包括占先式、時間片輪轉(zhuǎn)、搶占式以及非占先式。占先式的調(diào)度方式在操作系統(tǒng)中應用最為廣泛。此方式可以使芯片根據(jù)任務的優(yōu)先等級調(diào)度任務，使多個任務能夠得到及時處理，從而保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性[1]。

3.2 任務的劃分和設計

系統(tǒng)在處理任務時需要根據(jù)優(yōu)先級調(diào)度任務。同樣，在任務劃分和設計時，需要對任務的優(yōu)先級進行設定。智能化電氣設備任務劃分和設計如圖1所示。所有任務在CPU中等待處理時，都處于等待狀態(tài)。當被其他任務、中斷等喚醒后，它將會轉(zhuǎn)換成就緒狀態(tài)。就緒狀態(tài)是指任務已經(jīng)準備就緒，隨時可以運行。由于進行了任務的優(yōu)先級設計，任務從就緒狀態(tài)到運行狀態(tài)還需要經(jīng)過系統(tǒng)的優(yōu)先級審核，而任務將會依據(jù)優(yōu)先級的高低依次進入運行狀態(tài)。

圖1 智能電氣任務的劃分和設計

3.3 嵌入式實時操作系統(tǒng)設計

智能化電氣設備的實時性主要依靠系統(tǒng)采用占先式的優(yōu)先級調(diào)度方式實現(xiàn)，而傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)無法實現(xiàn)，這也是采用CPU的嵌入式與傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。雖然優(yōu)先級高的任務具有較高的優(yōu)先等級，但是優(yōu)先級只有任務需要時才會被激活。因此，操作系統(tǒng)在處理任務時優(yōu)先級任務所需要占用的時間非常少。嵌入式操作系統(tǒng)信息傳輸過程中無法對優(yōu)先級任務進行識別，導致信息在操作系統(tǒng)傳輸中具有不確定性。因此，在嵌入式系統(tǒng)中將優(yōu)先級較高的任務設計成優(yōu)先通過，即與CPU任務優(yōu)先級設計一樣，這樣不但可以有效減少信息傳輸?shù)牟淮_定性，而且只有需要時才激活優(yōu)先級傳輸。優(yōu)先級傳輸所占用的時間較少，可降低傳輸網(wǎng)絡中一些不必要的響應[2]。

集中在嵌入式操作系統(tǒng)中的所有子系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸和交換時，都采用優(yōu)先級設定時，當擁有優(yōu)先級較高的任務需要進行傳輸交換時，無論此時是否在進行傳輸任務都會中斷，并立即激活優(yōu)先級別最高的傳輸任務，從而降低信息傳輸過程中的不確定性，有效實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時性。

4 智能電氣設備在建筑中的應用

隨著我國城市智能化建筑和小區(qū)的建設增多，人們對電氣設備的智能化要求也越來越高。因此，智能化電氣設備已經(jīng)在建筑中全面應用，尤其是在建筑電氣工程、電氣設備故障檢測分析、電氣設備優(yōu)化等方面發(fā)揮了重大作用。它不僅提高了電氣設備的自動化、智能化管理水平，而且為電氣設備的精細化管理、故障檢修、優(yōu)化等提供了便利。

4.1 在建筑電氣工程方面的應用

隨著自動化和智能化技術的不斷發(fā)展，電氣設備的功能不斷拓展，導致電氣設備的操作越來越復雜。但是，電氣設備是由高精細化設備組成，要求對設備進行精細化管理。在建筑電氣工程中，電氣系統(tǒng)的復雜性，往往會在這部分頻繁出現(xiàn)故障。為了實現(xiàn)電氣設備的精細化管理，減少設備的故障發(fā)生頻率，需融合計算機技術、集成電路技術、智能化技術、自動化技術等先進技術，對建筑電氣工程的電氣設備進行控制管理，從而實現(xiàn)精細化管理[3]。

4.2 在建筑電氣設備故障檢測分析方面的應用

電氣設備采用了遙感技術、傳感技術等智能化技術，一旦發(fā)生故障，通過智能技術可以及時進行故障檢測分析，快速檢測故障發(fā)生的位置以及原因，以幫助技術人員快速準確找到故障，并為設備的維修提供指導。這不僅可以減少電氣設備的維修時間，降低電氣設備因故障而停止工作的時間，而且提高了電氣設備的可靠運行時間和企業(yè)的經(jīng)濟效益。

4.3 在建筑電氣設備優(yōu)化方面的應用

智能化技術在電氣設備優(yōu)化方面還存在一定優(yōu)勢。首先，在智能電氣設備優(yōu)化遺傳算法方面有一定的優(yōu)勢。其次，智能化電氣設備的專家系統(tǒng)可以對電氣設備運行進行有效控制。通常，為了取得更好效果，將智能化電氣設備的專家系統(tǒng)與遺傳算法結(jié)合使用。通過神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯等方法，對電氣設備進行優(yōu)化，這也是一種比較科學的方法。通過主機的甄別和擴展，可以有效提高運算速度，進而提高電氣設備的可靠性和穩(wěn)定性[4]。

5 結(jié) 論

我國的智能化電氣設備已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍和提升。這些已經(jīng)和電腦技術相聯(lián)系的電氣設備，較普通電器更靈敏，大大便利了人們的生活。電氣設備智能化是專用操作系統(tǒng)設計運行的結(jié)果，因此我國科學家在不斷更新和探究更加有效的智能化設計，以便計算機網(wǎng)絡滲透各個領域，全面實現(xiàn)各領域的智能化管理。

參考文獻：

[1] 潘永蓮.智能建筑電氣設備集成優(yōu)化技術在浙商財富中心的應用[J].浙江建筑，2015，（2）：54-56，64.

[2] 黎 曉.對智能建筑電氣設備的設計與安裝要點分析[J].大科技，2015，（1）：261-262.

[3] 王 嘉.結(jié)合工程實例論述智能建筑電氣設備的設計及安裝[J].建材與裝飾，2012，（11）：20-21.

[4] 賈國柱.智能建筑中電氣設備的安裝技術研究[J].城市建設理論研究（電子版），2014，（31）：1648.