電氣工程及其自動化的智能化技術應用

鄧 紅

（羅定市引水工程管理服務中心，廣東羅定 527200）

如今是物聯網、大數據、云計算的時代，電氣自動化技術同樣突飛猛進，智能化技術的應用不但提高了電氣設備的可靠性，還可以替代人工完成高風險工作，避免人員傷亡。自動化技術是一項綜合技術，綜合了計算機技術、信息技術、自動控制技術等多種技術，不僅推動了工農業發展，也提升了電氣工程的成熟度。

1 自動化與智能化解析

1.1 自動化

自動化是指無人參與情況下，電氣設備自動完成預期的操作或過程。傳統電氣工程是通過大量繼電器實現自動化目標的，但這種自動化技術在現代社會逐步暴露出各種不足，例如系統復雜、調試維護不便、可靠性差、占用空間大等，已很難滿足現代電氣工程的需要。

1.2 智能化

智能化是指電氣設備模仿人腦來識別判斷問題，進而實現自主操作控制。智能化技術在傳統技術條件下是很難實現的，隨著計算機技術、精密傳感技術乃至衛星定位技術的應用，智能化技術成為可能。目前，電氣工程應用智能化技術，已能夠自動探測、分析、判斷故障風險，在故障發生前就能采取措施，使故障在早期即被扼殺，從而保障設備安全運行。

2 電氣工程自動化的智能化技術作用分析

2.1 實現高效控制

電氣工程高效運行的關鍵是準確、正確的控制，為實現這一目標，自動化的智能化技術發揮著極其重要的作用。傳統電氣技術要實現準確控制難度極大，尤其是控制效率無法滿足要求。采用自動化的智能化技術能脫離傳統控制技術的局限，實現電氣控制效率的飛躍。

2.2 降低控制成本

傳統電氣控制難以充分發揮設備效能，為了保證設備運行穩定，需要投入大量人力、物力和財力，大量資金的投入無疑將大幅度提升電氣設備運行成本。然而資源的高投入并不能保證高效利用，進而導致電氣工程經濟效益差。傳統技術難以改變高投入、低效益的不利局面，并且用電安全性并未因此提升，而自動化的智能化技術能為用戶提供優質個性化服務，控制效率高，用戶用得稱心如意，人力投入少，穩定性佳，資源利用率高，經濟效益好，因而能有效控制電氣工程運行成本。

2.3 維護保養便利

電氣工程是一個極為復雜的系統，內部運行問題、人為操作失誤乃至環境因素都會影響系統運行的穩定性，進而出現故障，而常規維護方法幾乎難以做到快速的故障定位，掌握的信息也不全面，如此很難快速、及時排除故障。應用自動化的智能化技術以后，系統能隨時監控運行狀態，并及時提供故障信息，同時還能即時做出有效的反應，使得電氣設備維護人員能做出科學合理判斷和維護。

3 電氣工程自動化的智能化技術應用

3.1 電氣設備故障在線監測與智能診斷

電氣設備在長期運行過程中絕緣會逐漸劣化，當缺陷發展到一定階段就會演化為故障，這個過程中電氣量和非電氣量都會產生變化的“跡象”，通過對變化“跡象”的綜合分析，能夠預測電氣設備的可靠性乃至剩余壽命。以電力變壓器為例，主要故障以有載調壓開關、繞組和套管為主，在線監測有載調壓開關、變壓器油、繞組絕緣老化、套管絕緣是必須的，且這些故障發生顯然與變壓器運行負荷及狀態有關，所以也必須監測，還要監測局部放電等參數。

故障診斷要能判別是否是故障，是故障的話要分析故障的類型、原因乃至嚴重程度，另外還要對故障進行定位。智能診斷原理有閾值診斷、模糊診斷、時域波形診斷、頻率特性診斷、指紋診斷、專家診斷等。閾值診斷就是電氣量和非電氣量達到設定閾值后判斷故障，例如變壓器負荷溫度到達乃至超過閾值即可判斷為過熱故障。

由于很多故障“跡象”并非清晰可辨或非此即彼，在此情況下可以進行模糊診斷，即根據以往經驗和故障統計規律設定一些規則，這些規則并非建立在確切數據基礎上，而是包含一定的不確定性和模糊性，由此推斷故障。例如繞組振動的監測可以推斷繞組故障，或鐵芯故障，又或者過載故障。時域波形診斷是基于電氣量或非電氣量隨時間而變化的規律，根據時域標準曲線特征分辨故障，例如開關操作電流在不同工作階段有著明顯變化，通過識別這種變化能夠判斷故障以及發生故障的階段。

有頻率特性的電氣設備故障可采用頻率特性診斷，例如變壓器繞組發生變形后，其繞組頻率因為電感、電容的變化而致頻率特性發生改變，利用這一原理可以判斷發生了繞組變形故障。監測電氣設備的一些特征量，由這些特征量形成的譜圖有特定特征，異常狀態的譜圖特征與正常狀態的譜圖特征顯然不同，兩相對照即可判斷故障，這種推斷故障的方法稱為指紋診斷。例如變壓器局部放電監測中，由放電次數、放電量、放電相位角等參數形成的譜圖指紋信息，可以作為判斷局部放電故障的依據。專家診斷是依據專家經驗、學識判斷故障，這種情況需要建立專家庫，將專家經驗進行綜合，利用人工智能技術進行推理。

3.2 智能開關設備的應用

開關設備用于電氣工程中設備或線路的控制、保護、投退，屬于電氣工程中極其重要的設備。智能開關設備是開關設備的智能化，將傳統人工操控或繼電器控制的開關設備變成有一定智能的開關設備。最典型的智能開關設備應該是智能斷路器了，這種設備設有數字通信接口，內部有電子設備進行控制，監測開關狀態的有傳感器，使開關自動操作的有執行器。

智能斷路器不但能根據相關指令或監測狀態自動分合閘，還能根據設備運行狀態提供智能診斷功能，為設備檢修、維護保養提供依據。在智能斷路器面板上有可供操控、觀察運行狀態的人機界面，內部監測開關機構的位移傳感器，能監測開關分合閘位移，信號處理單元能將傳感器探測的數據進行處理，形成分合閘速度、時間、開距、超程等信息。霍爾傳感器能探測斷路器分合閘電磁鐵、儲能電機的電流，處理單元處理形成分合閘電流波形。

智能斷路器上的通信接口支持多種通信協議，能將監測的數據上傳和下載，便于操控和掌握斷路器運行狀態。還有一種被稱作“智能軟開關”的智能開關類設備，這種設備用于取代常規常開聯絡開關，在開與關之間柔性化，實現精細的功率控制，能使配電網消納更多的分布式電源，降低電網損耗和不穩定性，提升線路負載平衡性和自愈性。

3.3 電氣設備的智能控制

傳統上，電氣設備采用人工控制方式，需要大量人力資源，另一方面受人的注意力和精力影響，控制精度和穩定性相對粗糙，這對于需要精細控制和長時間穩定控制的工作而言較為困難，智能控制的應用可以將人從這類工作中解放出來，控制更精細穩定，也能節省人力資源。以泵站控制為例，智能控制取代人工控制，減少了人工疏失，降低事故率，精細調節泵組流量，經濟性顯著提升，并且自動記錄水泵運行狀態，維護管理也更加方便高效。

泵組由水泵和電機組成，此外還有閘門、輔機、變壓器等設備。泵站智能控制內容包括水泵啟停、保護控制以及閘門升降控制等，為了提高泵站經濟性，還要對泵站運行方式進行優化。泵站現地控制可采用PLC（可編程控制器）進行控制，數據采自水位傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等，PLC 負責數據的處理和泵組控制，通過以太網與上位機進行通信。上位機或操作員工作站負責采集泵站數據和監控泵站運行。

泵站運行控制采用模糊控制方式，這種控制方式與前述模糊診斷同出一理，基于不確定性和人工經驗。模糊控制原理如下：首先，將精確數字量轉化為模糊集合，例如水位分為最低水位和最高水位（精確數據），模糊化后轉變為很低水位、偏低水位、中水位、偏高水位、較高水位、很高水位。

建立模糊規則和進行模糊推理。模糊規則類似這樣：取水水位很低且不漲，泵組全停；取水水位很低但穩定上漲，開1臺水泵；取水水位偏低且穩定上漲，開2臺水泵……水位很高且穩定，開4臺水泵。模糊推理通過模仿人的推理方法實現，例如滿足條件1和條件2，那么采取程序A。最后，去模糊化。經過模糊推理得到的仍然是模糊集，無法執行，必須轉化為精確的控制量才能執行，這個過程稱為去模糊化或解模糊。利用PLC 可以實現模糊控制。

3.4 智能保護系統的應用

保護系統是避免電氣設備因故障損壞、損失的有效手段，例如電動機發生短路、過載、過壓時必須及時處理，否則電動機可能燒毀，進而造成直接經濟損失，如果是重要的電動機損壞可能引起生產停頓，所造成的損失還會更大，為此電氣設備一般要設置保護裝置。

傳統保護裝置主要采用熔斷器、熱繼電器、有保護功能的斷路器，這些保護裝置體積較大，反應不夠靈敏，參數整定也不方便。后來發展出電子型保護裝置，體積有所減小，反應速度加快，但也存在易受干擾影響、電子線路復雜、維護要求高等問題。

后來出現的微機保護裝置，反應速度、準確度有明顯改善，加上可以聯網，遠程監控、遠程診斷成為可能。在智能保護系統中，硬件是智能化的基礎，軟件是智能化的關鍵。智能保護裝置硬件由電源模塊、CPU 模塊、開關量I/O 模塊、信號檢測模塊、控制回路模塊、通信模塊等組成，承擔著采樣、測量、信息采集、邏輯計算、出口控制等功能。能否準確、穩定地實現智能保護功能取決于軟件性能。

以電動機智能保護軟件為例，軟件由主程序和定時器中斷處理模塊構成。主程序用來調用各功能模塊，進行分析和判斷，實現所需的保護功能。設備上電后先要自檢，通過自檢再對系統初始化。電動機送電前，保護裝置要先檢測電動機絕緣性能，判斷電動機是否存在漏電問題。如果電動機絕緣性能良好，再為其送電，否則啟動回路閉鎖，電動機無法啟動，同時顯示屏上顯示故障代碼。

電動機送電后，啟動定時器中斷，顯示屏上顯示電動機運行時的電壓、電流等數據。保護功能包括短路保護、過熱保護、過電壓保護、低電壓保護、堵轉保護、零序電流保護、負序電流保護、頻繁啟動保護等多種功能。定時器中斷處理模塊用于在線監測電動機運行情況，并完成數據采集、數據處理、故障診斷、執行保護動作等功能。例如判斷短路故障、斷相啟動速斷保護，判斷接地故障啟動零序電流保護，判斷堵轉故障、過熱故障啟動定時限保護，判斷過電壓故障啟動過電壓保護，等等。軟件進行處理時，可以采用均方根值算法計算電壓、電流有效值及正/負序、零序電流有效值。

由于電動機工作環境可能比較差，存在多種干擾而影響系統正常工作，系統除配置各種硬件抗干擾措施，還設置軟件抗干擾措施，例如開關量I/O 抗干擾、“軟件陷阱”抗干擾、人工復位、自動復位、運行監視等。

3.5 智能化系統的綜合應用

在智能建筑、智能化生產企業、智能化水電廠等場合，各種電氣設備的智能化實現了綜合應用。例如智能建筑中，智能化系統包含綜合布線系統、樓宇自動控制系統、計算機網絡系統、網絡集成系統、信息轉換系統、視頻監控系統、門禁系統、安防系統、通風空調系統、消防系統等。綜合布線系統將建筑內話音及數據通信設備、交換設備等各種信息化設備連成一個系統，保證系統通信的暢通。該系統主干采用阻燃型光纜，子系統為UTP，終端為RJ45。系統布線通道采用光電纜橋架、金屬線槽和金屬管。系統滿足語音、數據、多媒體等多種信息傳輸，配線之間相互兼容，并可擴充、可發展。

樓宇自動控制系統對建筑內各類機電設備進行監控管理，采用分布式控制結構集中管理。控制網絡采用現場總線系統，與數據網絡及互聯網相連，實現遠程監控。通過對各類機電設備信息的測量、采集、監控，可確保這些設備安全、穩定的運行。各類信息上傳至中央控制室或物業管理中心，在良好的人機交互界面上進行監視、管理和操作。監控中心與現控點之間可以實現點對點的雙向通信和控制。系統分為若干子系統，如熱源系統、冷源系統、給排水系統、空調系統、送排風系統、變配電系統、電梯系統、智能照明系統等。

各類系統通過集成網關開放的網關接口集成起來，各子系統數據可以存儲到中央數據庫中，并映射到虛擬控制器內，以實現圖形繪制、PID 控制、數字控制、邏輯順序控制等各種控制功能。為適應節能減排要求，系統以優化策略運行，滿足各季節節能需要。

4 結語

電氣設備猶如驅動現代社會運行的“神經系統”和“循環系統”，其運行效率關系到社會發展和安定，電氣工程自動化的智能化技術能保障電氣設備更加高效、可靠地運行，因此電氣專業人員應加強這方面的研究和交流，以促進智能化技術的應用，推動電氣工程又好又快地發展。