智能化電氣自動化控制仿真研究

王麗麗

(煙臺市福山區技工學校 電子工程系， 山東 煙臺 265500)

0 引言

快速發展的社會經濟及生產水平促使電力行業的電氣自動化水平不斷提高，作為現代科學信息時代的產物，人工智能技術在各個領域內得到越來越廣泛的應用，為現代工業的自動化和智能化發展提供了技術支撐，隨著人工智能技術的不斷發展與完善，其在日常生產生活中的使用價值得以充分展現。作為一項全新的科學，人工智能技術具有廣泛的使用價值，其優越性主要表現在收集、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，可使控制及生產流程的合理性得到有效提高，為自動化的實現奠定堅實基礎。通過充分有效的利用智能技術新成果，改進電氣設備系統，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穩定性，為自動控制領域的發展持續注入動力。

1 系統設計分析

1.1 系統設計分析

為實現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，結合控制單元及開關保護柜，在此基礎上實現對報警信號及信息的有效控制以及信號準確高效的轉換過程，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，通過對相關數據的調度與使用，實現所轄電網電廠管理水平的有效提高，為保證電網的安全穩定運行提供支撐。采用模塊化結構確保電氣自動化控制系統不同功能模塊的均勻分布及相互平衡，基于數據信號的轉化實現測量和報警功能，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時，為有效滿足多樣化的用戶需求，需對后續的系統規模擴張需求進行充分考慮；為保證系統的穩定性和兼容性，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部實現，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 系統優勢分析

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建立，采用圖像及語言的自動化識別與采集技術等，機器據此做出智能化反應。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采用智能化技術進行優化設計后，系統優勢主要表現在：(1)提高了自動化控制水平，人力資源投入明顯降低，傳統電氣控制系統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中線路數據及故障時，需工作人員相互配合完成，通過智能化技術的運用實現了自動化的數據分析和線路診斷功能，且對操作人員的專業要求不高，并可自動調節系統中電氣設備的運行參數，智能化技術基本不受外界環境的影響，其所檢測到的實時參數可供相關模塊直接使用、處理，在節約人力成本的同時提升了工作效率，操作人員提高該系統可實現對現場電氣設備的遠程監控功能，并能夠對一些設備參數進行調整和控制。(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通過綜合運用現代通信技術和工業計算機，實現了對電力系統運行狀態及相關參數的實時監控過程，采集到的電力設備數據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)有效提高了系統控制的效率和靈活性，傳統電氣控制系統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能夠對復雜控制系統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運行時出現的故障和問題，顯著提高了控制系統的問題解決效率、整體運行的可靠性和靈活性。(4)系統操作具備較好的一致性，利用正反饋和負反饋機制，對監測到的數據進行準確判斷，提高了對數據信息的評估效率，采用預先編寫好的計算機程序實現系統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 系統功能設計

電氣自動化控制系統的主要功能包括：能夠智能化地對電力系統中運行的電力設備的工作參數進行實時監測，根據監測到的數據對設備的工作狀態進行正確評估，并能夠準確判斷出出現故障的位置，根據預設好的程序對常見故障和問題進行處理，同時向工作人員反饋。系統主要功能模塊設計如下。

2.1 智能化監控模塊

監控模塊架構示意圖,如圖1所示。

圖1 監控模塊總體架構

通過綜合運用監控技術和智能化技術，能夠使自動化監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的監控，在確保系統安全穩定運行的同時，通過實時監測與傳遞電力系統中相關監測數據信號，幫助系統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連接了終端設備和控制平臺，系統中設置了相應的數據終端收集處理設備，針對終端儀表內的數據通過使用數字化技術手段實現了高效準確的收集與傳送過程，據此及時完成對電氣設備的相應操作，彌補了傳統人工數據控制的不足，提高了監管和控制電氣設備的自動化水平，從而提升自動化控制質量及效率。數據信息收集是實現控制功能的基礎和關鍵，根據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及周圍環境等的收集過程，包括故障信息，系統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據信息，在監測電氣設備實時參數的同時，對其運行狀態進行全面檢查，完成對出現故障的類型和位置的判斷，同時向系統主機反饋監測結果，協助工作人員及時解決出現的問題與故障。此種智能化診斷過程需基于前期的準備工作實現，即需預先在系統數據庫中存儲各設備正常運行狀態下的數據參數，并設定允許的誤差范圍，控制系統開始運行中，先實時采集當前系統及電氣設備的運行參數，再將其同數據庫中的數據進行對比，根據有效的誤差范圍判斷各部分是否正常運行，若不一致的數據超過誤差范圍則判定其存在故障或問題，判斷數據來源，據此定位發生故障的設備[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，該模塊根據設備運行狀態的實時動態反饋信息，通過實時監控和智能診斷，及時找出設備運行中出現的問題與異常，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，以確保電力系統安全。為避免出現嚴重系統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行的控制操作程序，針對可能出現的問題做好預案，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，由智能化監控模塊傳輸控制處理指令，并督促控制模塊執行，為有效避免出現信息丟失、傳輸延時等問題的出現，需根據實際應用時的傳輸距離、類型等選用控制系統的傳輸設備與傳輸方法，如視頻電纜、光纜等，確保系統各項工作能夠有效協調。系統控制與監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、信息在數據庫中的傳輸、系統不能自動處理問題到報警信息的轉換，幫助工作人員通過系統實現對相關工作的高質量協調過程。收集信息及處理后的信息均存儲到數據庫中，以供工作人員后續調用[5]。

通訊系統是確保信息資源傳輸效率及精準性的關鍵，考慮到控制系統包含較多的終端節點，為有效提高通訊質量和效率，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勢，并可自由選擇路由功能，自動上報電網運行信息，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

使用消息方式創建主線程與通信線程間的聯系，系統運行時，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視范圍中，通信線程在發現出現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視線程。主戰通信過程中會對各從站進行輪詢，從站根據接收到的來自主戰的數據信息，向從主戰返回數據，在此基礎上形成了分布式的計算機監控系統[6]。

3 系統實現

3.1 控制系統總體框架

本文電氣自動化控制系統的功能架構示意圖，如圖4所示。

圖4 電氣自動化控制系統功能架構

該控制系統使用智能化方式完成相關數據的實時獲取后，將其向系統控制主機傳遞，無需人工記錄，由控制主機進一步處理接收到的數據后，將相應的控制指令向待調整的電氣設備中自動發送，電氣設備據此執行相應的控制操作，顯著提高了系統自動化控制效率。無法獨自處理的信息，會及時轉換為報警信息，提示管理人員采取相應的措施。智能監控模塊在控制系統運行過程中均保持實時監控狀態，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在實現智能控制過程時，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(主要針對系統設備故障，使用Mamdani和Sugeno 實現)、交流傳動(面向整個系統的運行過程，使用人工智能完成)的控制方式。(2)神經網絡控制(模擬人腦神經元的活動方式)，其實質屬于一個多輸入單輸出的動態過程。其模型,如圖6所示。

圖6 神經元模型示意圖

3.3 系統測試

針對某一小型電廠的電氣控制系統，采用專家系統控制算法完成優化設計，測試本文自動化控制系統的有效性，測試結果表明該系統有效實現了對系統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在整個測試期間(180天)大體正常運行，實現了智能監控與異常報警功能，對于偶爾出現數據波動情況及時發出了預警信息，以變壓器油中氣體波動情況為例，針對數據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據

出現波動的設備數據測量值在誤差范圍內，無需采取處理措施，持續監控即可，該系統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展和普及應用，電氣控制系統不斷完善，控制對象以及所需處理問題的復雜程度越來越高，傳統電氣自動化控制系統大多存在實時性差、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總體架構的設計，詳細闡述了系統的主要功能模塊及實現路徑，最后針對某小型電廠的電氣控制系統采用專家控制算法完成改造，測試結果表明本文系統控制效率、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。