智能化電氣自動化控制仿真研究

王麗麗

(煙臺市福山區(qū)技工學校 電子工程系， 山東 煙臺 265500)

0 引言

快速發(fā)展的社會經(jīng)濟及生產(chǎn)水平促使電力行業(yè)的電氣自動化水平不斷提高，作為現(xiàn)代科學信息時代的產(chǎn)物，人工智能技術在各個領域內(nèi)得到越來越廣泛的應用，為現(xiàn)代工業(yè)的自動化和智能化發(fā)展提供了技術支撐，隨著人工智能技術的不斷發(fā)展與完善，其在日常生產(chǎn)生活中的使用價值得以充分展現(xiàn)。作為一項全新的科學，人工智能技術具有廣泛的使用價值，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在收集、反饋和處理信息的能力方面，將人工智能技術合理的應用到電氣自動化控制中，可使控制及生產(chǎn)流程的合理性得到有效提高，為自動化的實現(xiàn)奠定堅實基礎。通過充分有效的利用智能技術新成果，改進電氣設備系統(tǒng)，提升電氣設備智能化運行管理水平以及電氣自動化控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，為自動控制領域的發(fā)展持續(xù)注入動力。

1 系統(tǒng)設計分析

1.1 系統(tǒng)設計分析

為實現(xiàn)對保護功能及保護柜的集中控制，采用模塊化結構設計電氣自動化控制系統(tǒng)，結合控制單元及開關保護柜，在此基礎上實現(xiàn)對報警信號及信息的有效控制以及信號準確高效的轉(zhuǎn)換過程，將信號使用光纖方式傳輸至電控室計算機中。在實際的控制和管理過程中，通過對相關數(shù)據(jù)的調(diào)度與使用，實現(xiàn)所轄電網(wǎng)電廠管理水平的有效提高，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供支撐。采用模塊化結構確保電氣自動化控制系統(tǒng)不同功能模塊的均勻分布及相互平衡，基于數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)測量和報警功能，不同單元可不受其他單元的影響單獨運行，使不良干擾問題得以有效避免。實際在設計電氣自動化控制系統(tǒng)時，為有效滿足多樣化的用戶需求，需對后續(xù)的系統(tǒng)規(guī)模擴張需求進行充分考慮；為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性，分別通過開關室與主控室和主控室保護柜實現(xiàn)分布式接線和集中式接線，此開關設計和接線較為簡單，接線能夠在控制保護柜內(nèi)部實現(xiàn)，硬軟件設備構件靈活配置串行通訊結構、通信端口，提供用戶不同的選擇方案[1-2]。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢分析

作為計算機科學技術領域的重要分支，智能化技術即人工智能(AI)屬于一門前沿技術，主要基于計算機系統(tǒng)建立，采用圖像及語言的自動化識別與采集技術等，機器據(jù)此做出智能化反應。人工智能目前已廣泛應用于機器視覺、人臉識別等領域。本文對電氣自動化控制系統(tǒng)采用智能化技術進行優(yōu)化設計后，系統(tǒng)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：(1)提高了自動化控制水平，人力資源投入明顯降低，傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)對儀器設備的操作大多依賴人完成，特別是需要分析和診斷系統(tǒng)中線路數(shù)據(jù)及故障時，需工作人員相互配合完成，通過智能化技術的運用實現(xiàn)了自動化的數(shù)據(jù)分析和線路診斷功能，且對操作人員的專業(yè)要求不高，并可自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中電氣設備的運行參數(shù)，智能化技術基本不受外界環(huán)境的影響，其所檢測到的實時參數(shù)可供相關模塊直接使用、處理，在節(jié)約人力成本的同時提升了工作效率，操作人員提高該系統(tǒng)可實現(xiàn)對現(xiàn)場電氣設備的遠程監(jiān)控功能，并能夠?qū)σ恍┰O備參數(shù)進行調(diào)整和控制。(2)減小了控制誤差，提高了控制準確度，智能化的電氣自動化控制系統(tǒng)通過綜合運用現(xiàn)代通信技術和工業(yè)計算機，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)及相關參數(shù)的實時監(jiān)控過程，采集到的電力設備數(shù)據(jù)信息通過計算機完成精確的分析處理后，能夠及時掌握系統(tǒng)運行時存在的誤差，并在此基礎上對故障問題進行自動控制和反饋，此過程主要通過預設好的智能化控制程序完成，通常無需管理人員直接參與，避免了人為操作導致了控制誤差。(3)有效提高了系統(tǒng)控制的效率和靈活性，傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)主要適用于控制簡單的電氣工程問題，面對復雜控制對象時普遍缺乏實時性、靈活性，本文設計的智能化電氣自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)碗s控制系統(tǒng)進行有效的簡化處理，使其不受人工操作制約，采用相應的智能化算法和管理模型實現(xiàn)對電氣設備的有效控制過程，幫助工作人員快速準確的定位電力系統(tǒng)運行時出現(xiàn)的故障和問題，顯著提高了控制系統(tǒng)的問題解決效率、整體運行的可靠性和靈活性。(4)系統(tǒng)操作具備較好的一致性，利用正反饋和負反饋機制，對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行準確判斷，提高了對數(shù)據(jù)信息的評估效率，采用預先編寫好的計算機程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的電氣自動化操作與控制過程，包括對電氣設備的精確控制，提升了操作和控制過程的一致性。

2 系統(tǒng)功能設計

電氣自動化控制系統(tǒng)的主要功能包括：能夠智能化地對電力系統(tǒng)中運行的電力設備的工作參數(shù)進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)對設備的工作狀態(tài)進行正確評估，并能夠準確判斷出出現(xiàn)故障的位置，根據(jù)預設好的程序?qū)ΤＲ姽收虾蛦栴}進行處理，同時向工作人員反饋。系統(tǒng)主要功能模塊設計如下。

2.1 智能化監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊架構示意圖,如圖1所示。

圖1 監(jiān)控模塊總體架構

通過綜合運用監(jiān)控技術和智能化技術，能夠使自動化監(jiān)控電氣設備的能力得到有效提升，同時提高了獲取電氣設備運行狀態(tài)信息的實時性。借助人工智能強大的信息收集、反饋及處理能力實現(xiàn)了遠程的操作和精確控制功能，進而完成對各電氣設備運行狀態(tài)的監(jiān)控，在確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的同時，通過實時監(jiān)測與傳遞電力系統(tǒng)中相關監(jiān)測數(shù)據(jù)信號，幫助系統(tǒng)管理人員準確高效的掌握到有效信息[3]。

2.2 電氣故障智能診斷模塊

該診斷模塊工作流程,如圖2所示。

圖2 診斷模塊運行流程圖

基于智能技術的電氣自動化控制系統(tǒng)連接了終端設備和控制平臺，系統(tǒng)中設置了相應的數(shù)據(jù)終端收集處理設備，針對終端儀表內(nèi)的數(shù)據(jù)通過使用數(shù)字化技術手段實現(xiàn)了高效準確的收集與傳送過程，據(jù)此及時完成對電氣設備的相應操作，彌補了傳統(tǒng)人工數(shù)據(jù)控制的不足，提高了監(jiān)管和控制電氣設備的自動化水平，從而提升自動化控制質(zhì)量及效率。數(shù)據(jù)信息收集是實現(xiàn)控制功能的基礎和關鍵，根據(jù)實際需要選用相應的終端設備及軟件，完成對設備運行狀態(tài)及周圍環(huán)境等的收集過程，包括故障信息，系統(tǒng)的電氣故障診斷模塊進一步處理接收到的實時信息，結合收集到的相關數(shù)據(jù)信息，在監(jiān)測電氣設備實時參數(shù)的同時，對其運行狀態(tài)進行全面檢查，完成對出現(xiàn)故障的類型和位置的判斷，同時向系統(tǒng)主機反饋監(jiān)測結果，協(xié)助工作人員及時解決出現(xiàn)的問題與故障。此種智能化診斷過程需基于前期的準備工作實現(xiàn)，即需預先在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲各設備正常運行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)參數(shù)，并設定允許的誤差范圍，控制系統(tǒng)開始運行中，先實時采集當前系統(tǒng)及電氣設備的運行參數(shù)，再將其同數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)有效的誤差范圍判斷各部分是否正常運行，若不一致的數(shù)據(jù)超過誤差范圍則判定其存在故障或問題，判斷數(shù)據(jù)來源，據(jù)此定位發(fā)生故障的設備[4]。

2.3 電氣設備智能化控制模塊

作為電氣自動化控制的關鍵所在，該模塊根據(jù)設備運行狀態(tài)的實時動態(tài)反饋信息，通過實時監(jiān)控和智能診斷，及時找出設備運行中出現(xiàn)的問題與異常，采用智能化控制算法完成對常見故障的自動修復過程，同時發(fā)出報警提示信息，結合人工修復手段解決復雜的問題，以確保電力系統(tǒng)安全。為避免出現(xiàn)嚴重系統(tǒng)故障帶來不可預估的后果，該智能化控制模塊能夠預先模擬設備運行過程及即將執(zhí)行的控制操作程序，針對可能出現(xiàn)的問題做好預案，通過采用此種程序式的智能控制方法，顯著提升了問題處理能力，同時降低了人力成本和設備維護成本[5]。

2.4 信息傳輸與通訊模塊設計

系統(tǒng)中的信息雙向傳輸過程，通過終端設備及軟件的綜合應用完成信息接收與傳輸，由智能化監(jiān)控模塊傳輸控制處理指令，并督促控制模塊執(zhí)行，為有效避免出現(xiàn)信息丟失、傳輸延時等問題的出現(xiàn)，需根據(jù)實際應用時的傳輸距離、類型等選用控制系統(tǒng)的傳輸設備與傳輸方法，如視頻電纜、光纜等，確保系統(tǒng)各項工作能夠有效協(xié)調(diào)。系統(tǒng)控制與監(jiān)測的實施離不開信息分析過程，主要包括處理和分析從終端收集到的信息、信息在數(shù)據(jù)庫中的傳輸、系統(tǒng)不能自動處理問題到報警信息的轉(zhuǎn)換，幫助工作人員通過系統(tǒng)實現(xiàn)對相關工作的高質(zhì)量協(xié)調(diào)過程。收集信息及處理后的信息均存儲到數(shù)據(jù)庫中，以供工作人員后續(xù)調(diào)用[5]。

通訊系統(tǒng)是確保信息資源傳輸效率及精準性的關鍵，考慮到控制系統(tǒng)包含較多的終端節(jié)點，為有效提高通訊質(zhì)量和效率，結合運用有線和無線傳輸方式成為一種常用的有效通訊方式，需在充分考慮用電用戶實際情況的基礎上，完成最佳通訊方式的合理選擇，在較常見的基于電話線與專線的有線通訊方式中，電話線通訊具有連接便利、成本較低的優(yōu)勢，但存在通訊時效性、安全性及可靠性不高的問題；專線通訊方法比電話線具有更高的時效性、安全性、可靠性及使用成本，適用于要求高時效性的配電終端使用。在常用的無線通信方式中，普通電臺通訊的成本較低，常用于控制和管理電氣負荷中，但可靠性不足；高速智能傳電通訊方式具有安全可靠、傳輸速率和精準性較高的優(yōu)勢，并可自由選擇路由功能，自動上報電網(wǎng)運行信息，但成本較高，適用于要求高可靠性的配電終端使用。需根據(jù)實際情況進行搭配使用，為此本文設計了一種串行通信方式。其工作流程,如圖3所示。

圖3 串行通信主程序

使用消息方式創(chuàng)建主線程與通信線程間的聯(lián)系，系統(tǒng)運行時，串行口初始化操作由主線程負責完成，并將串口采用通信線程納入到監(jiān)視范圍中，通信線程在發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)通信事件后立即告知主線程(使用自定義消息完成)，主線程據(jù)此完成串行口讀寫處理；主線程結束消息接收后需撤銷串口監(jiān)視線程。主戰(zhàn)通信過程中會對各從站進行輪詢，從站根據(jù)接收到的來自主戰(zhàn)的數(shù)據(jù)信息，向從主戰(zhàn)返回數(shù)據(jù)，在此基礎上形成了分布式的計算機監(jiān)控系統(tǒng)[6]。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)總體框架

本文電氣自動化控制系統(tǒng)的功能架構示意圖，如圖4所示。

圖4 電氣自動化控制系統(tǒng)功能架構

該控制系統(tǒng)使用智能化方式完成相關數(shù)據(jù)的實時獲取后，將其向系統(tǒng)控制主機傳遞，無需人工記錄，由控制主機進一步處理接收到的數(shù)據(jù)后，將相應的控制指令向待調(diào)整的電氣設備中自動發(fā)送，電氣設備據(jù)此執(zhí)行相應的控制操作，顯著提高了系統(tǒng)自動化控制效率。無法獨自處理的信息，會及時轉(zhuǎn)換為報警信息，提示管理人員采取相應的措施。智能監(jiān)控模塊在控制系統(tǒng)運行過程中均保持實時監(jiān)控狀態(tài)，提高了控制過程的準確性[7]。

3.2 控制算法的應用分析

本文電氣自動化控制系統(tǒng)在實現(xiàn)智能控制過程時，可采用的控制算法主要包括：(1)基于模糊數(shù)學和控制理論的模糊邏輯控制(即模糊控制)，屬于一種非線性的自動控制算法，此種控制方式發(fā)展較為成熟，在智能化控制領域中應用較為普遍。其工作原理,如圖5所示。

圖5 模糊控制結構

主要由輸入模糊化、輸出精確化和模糊推理構成(即模糊器、解模糊器、模糊推理機)，針對電氣設備的運行過程采用直流傳動(主要針對系統(tǒng)設備故障，使用Mamdani和Sugeno 實現(xiàn))、交流傳動(面向整個系統(tǒng)的運行過程，使用人工智能完成)的控制方式。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡控制(模擬人腦神經(jīng)元的活動方式)，其實質(zhì)屬于一個多輸入單輸出的動態(tài)過程。其模型,如圖6所示。

圖6 神經(jīng)元模型示意圖

3.3 系統(tǒng)測試

針對某一小型電廠的電氣控制系統(tǒng)，采用專家系統(tǒng)控制算法完成優(yōu)化設計，測試本文自動化控制系統(tǒng)的有效性，測試結果表明該系統(tǒng)有效實現(xiàn)了對系統(tǒng)中各電力設備信息的實時收集過程，并在此基礎上完成了初步的故障智能診斷過程，電氣自動化控制系統(tǒng)在整個測試期間(180天)大體正常運行，實現(xiàn)了智能監(jiān)控與異常報警功能，對于偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動情況及時發(fā)出了預警信息，以變壓器油中氣體波動情況為例，針對數(shù)據(jù)波動信息的測試結果,如表1所示。

表1 變壓器油中氣體波動數(shù)據(jù)

出現(xiàn)波動的設備數(shù)據(jù)測量值在誤差范圍內(nèi)，無需采取處理措施，持續(xù)監(jiān)控即可，該系統(tǒng)能夠及時診斷出實際電氣故障，具有較高的準確率及工作效率。

4 總結

隨著電氣自動化技術的快速發(fā)展和普及應用，電氣控制系統(tǒng)不斷完善，控制對象以及所需處理問題的復雜程度越來越高，傳統(tǒng)電氣自動化控制系統(tǒng)大多存在實時性差、準確率及效率較低等不足，文中主要對電氣自動化控制系統(tǒng)進行了研究，依托智能技術完成了一種電氣自動化控制系統(tǒng)總體架構的設計，詳細闡述了系統(tǒng)的主要功能模塊及實現(xiàn)路徑，最后針對某小型電廠的電氣控制系統(tǒng)采用專家控制算法完成改造，測試結果表明本文系統(tǒng)控制效率、準確率、實時性等方面均能夠有效滿足實際使用需求，具有一定的實際應用價值。