基于DCS系統的變配電電氣設備控制方法

沈 軍，王 明，張柏榮

（榮盛石化股份有限公司，浙江 杭州 311247）

0 引 言

隨著科學技術的發展與進步，在人類的生產與生活中，自動化的應用越來越廣泛。尤其在電力生產、輸送方面，自動化程度有了顯著提高[1]。在電力工程項目中，變配電的作用非常重要，結合了變電結構與配電結構，成為了電力處理與輸送的核心部分。電氣設備是變配電系統穩定運行的重要因素，在電力處理、輸送的過程中，相關電氣設備的穩定性，直接決定了變配電系統的高效穩定運行。因此，對電氣設備的有效控制，可以提升輸電效率及其帶來的經濟效益。有研究學者將人工智能技術應用于自動化控制當中，有助于提高電氣工程自動化控制的質量與效果，優化電氣工程自動化控制系統[2]。但是在這種控制方法的應用下，電氣設備調控運行時間較長，抗干擾能力較低，影響實際應用中對電氣設備的控制。

分散控制系統（Distributed Control System，DCS）將微機作為系統運行的核心，結合計算機網絡技術、自動化控制技術、陰極射線管（Cathode Ray Tube，CRT）顯示技術以及通信網絡技術，將不同的技術集成化，融合在一起，成為一種分散式的控制系統。該系統憑借著豐富的功能，簡易的操作，在設備的控制中占據著重要的地位[3]。將DCS系統應用在變配電的電氣設備控制中，可以實現電氣設備的自動化控制，從而提高變配電系統運行的高效穩定性。

基于以上背景，本文基于DCS研究了一種變配電電氣設備的控制方法，希望可以提高變配電運行的穩定性與高效性，為電氣設備的自動化控制提供有效的技術基礎，提高輸電工程項目的經濟效益以及社會發展效益。

1 建立DSC控制體系

DCS系統具有自動化、多樣化、高效化以及系統化等特征，為許多設備的集成控制，提供了自動化的技術支持[4]。采用DCS系統，結合變配電站的電氣設備的聯鎖邏輯，將電氣設備的控制節點，融合在DCS系統中，進行分層、分散式的布置。將不同層次的終端設備與結構，應用于通信網絡管理設備，按照設計方式進行連接，由一側的總線結構進行監測、控制，精簡化連接線纜的同時，實現變配電站電氣設備的一體化、自動化的控制?；诖?，建立DCS系統的電氣設備的控制體系結構，整體是由現場的總線控制技術進行層次的連接與集成，實現電氣設備的一體化控制。體系由3個分散層構成?，F場儀器儀表層是控制體系中最基礎的結構層，主要任務是將變配電站的各個電氣設備的信號，轉換為電信號或者對應的數字信息，并對采集到的數據進行智能分析與處理，通過設備的開關量與模擬量與體系的第2層結構進行連接。第2層結構屬于體系的裝置控制層，該層作為體系的中間部分，對下層進行利用與管理，對上位側進行協調聯系。利用人工智能技術等先進算法，通過對信號數據的集中顯示、處理以及設備連接回路的控制等操作，提升控制體系的智能性與集成性[5]。體系的上位側結構主要是利用支持DCS控制的第三方的管理系統，對變配電站進行整體的監控以及電力生產、輸出的協調與評估。3層結構互相影響與協調，共同實現變配電站電氣設備的監測與控制，提高變配電的運行效率與輸電質量。

2 電氣設備控制參數的采集與處理

DCS系統實現自動化控制的核心部件是系統中的I/O卡件部分，卡件包括了系統的AI、PI、DI以及DO構件，是實現電氣設備運行狀態、節點數據信息采集與提取的主要結構。通過將變配電站中的電氣發變機組、機爐、用電系統等奠定裝置機組的信號進行采集，結合人工智能技術將不同計量單位的數據信號進行轉化處理，實現變配電站電氣設備的實時監測與調控[6]。變配電站的電氣設備主要由變壓器、避雷設備、GIS設備、斷路器、電容設備等構成。通過I/O卡件的模數轉換功能，對這些設備的開關量、模擬量等信號進行采集，建立電氣設備控制的初始數據集。由于采集到的各個信號的種類是多樣化的，現采用王中德變換計算，對采集的數據信號進行處理。設某一信號為a，計算采集的信號的時域信號γ(a)，表示為

式中：κc表示采集信號的頻域信號；T表示集合中所有的信號的特征屬性，c∈T。對上述信號特征，進行傅里葉變換，計算表示為

式中：ξ(c)表示王中德變換函數；p、q分別表示計算的變換向量，取值分別為0、1/2；a'表示采集信號的離散結果；L表示采集數據集合當中的信號長度。信號長度的取值范圍為3～5個基波周期，當計算的信號長度超出范圍時，表明信號的重構誤差過大，需按照式（2）重新計算。根據上述計算，可以將種類復雜的電氣設備信號進行變化、統一，為變配電電氣設備的控制奠定優良的數據基礎。

3 基于匹配追蹤算法的電氣設備自動化控制

在上述DSC控制體系，以及數據采集與處理模塊的基礎上，進行數據信號與控制指令的集成化計算。利用匹配追蹤算法，將不同裝置的信號特征，與電氣設備的運行狀態進行一一對應，得到有效的輸出結果。連接DCS系統的遠程I/O采集單元機柜，將得到的數據結果，通過通信網絡技術，傳輸到DCS系統的控制單元，根據數據信息，發出電氣設備的控制指令，以此來實現變配電電氣設備的自動化、集成化、一體化的監測與控制。將數據集中的信號，分解為加權系數，與加權和數，分解計算表示為

式中：gr表示計算的追蹤原子；G=(g1,g2,…,gr)，G是一個E×F的矩陣；φr表示矩陣G的加權系數。通過對電氣設備控制信號的追蹤計算，使加權和數的結果盡可能地接近電氣設備控制信號本身a，即使追蹤原子gr，與電氣設備控制信號，為最大內乘積的情況下，無限接近于信號值，最大內乘積計算，表示為

根據上述計算，可以得到與電氣設備控制信號最為匹配的追蹤原子值。將電氣設備控制信號值減去式（4）計算得到的最大內乘積，得到殘差δr，表示為

式中：β表示追蹤原子的幾何矩陣。根據式（5）的計算，再次進行該殘差值的最匹配的追蹤原子值，按照該方式進行迭代，當殘差足夠小，甚至等于零時，停止迭代，得到最優的變配電電氣設備控制結果。綜上所述，基于DCS系統的電氣設備的智能控制體系，利用系統中的集成電路設施，CPU、I/O回路以及A/D轉換器等結構，結合智能終端的數據采集處理計算，以及邏輯控制計算，將電氣設備數據與控制信號結合起來。通過現場總線技術，以通信網絡的方式，將各個接口連接，實現電氣設備一體化，自動化的監測與控制，為變配電站的穩定運行，提供了重要的控制技術支持。

4 試驗與監測

4.1 試驗準備

為檢測本文基于DCS系統設計的變配電站電氣設備控制方法的效果，設計了仿真模擬實驗。基于WindowsServer操作系統，搭建試驗平臺。在系統中加入SQL Server 2K數據庫，作為電氣設備相關數據信息的接受、處理與存儲模塊。系統的網絡采用工業以太網，為DCS系統提供可行的網絡環境。

4.2 試驗結果與分析

在上述試驗準備的基礎上，隨機選取5組變配電站電氣設備的信息數據集，作為本次試驗的試驗對象。分別應用本文設計的DCS系統的電氣設備控制方法，與傳統的系統的電氣設備控制方法，將5組數據集，輸入到Matlab軟件中，進行仿真模擬控制，分別記錄2種電氣設備控制方法，對每組訓練數據的自動監測調控過程中各個節點所用時間的平均值，結果如表1所示。

表1 變配電電氣設備的監測調控運行時間對比圖

由表1可知，對于5組隨機的變配電電氣設備數據集，本文設計控制方法，對設備調控過程的各個節點的響應時間，均低于傳統的控制方法，表明本文設計的基于DCS系統的變配電電氣設備的控制方法，具有實時性與高效性。

在設計方法具有高效性的基礎上，檢測設計方法的控制效果，對于隨機的一組電氣設備數據信息，輸入到Matlab程序中，在程序中隨機的輸入電氣設備運行的干擾信號，進行電氣設備的模擬控制，記錄2種控制方法下，10 h內電力的輸送效率，以此來檢測電氣設備的抗干擾能力，結果如圖1所示。

由圖1可知，在電氣設備運行的干擾信號的作用下，10 h內，本文設計電氣設備控制方法下的變配電站的電力輸送效率的平均值為90.31%，比對照組控制方法下的電力輸送效率的平均值80.27%高出了10.04%，表明本文設計方法的抗干擾能力較好，控制效果更加優良，為變配電站的電力系統運行，提供了有效的控制基礎，以此來提高電力系統的經濟效益與社會效益。

5 結 論

電力工程作為一項最基礎的民生建設項目，要求其運行過程具有穩定性與可靠性。通過加強電力系統中電氣設備的管理與控制，提高設備的工作效率，從而保證電力分配處理、輸送的安全性與穩定性。結合DCS自動化控制系統，實現變配電相關電氣設備的智能終端控制，提高了設備的自動化程度。