智能化技術在電氣工程自動控制系統中的應用

陳志杰

（廣東恒輝建設集團股份有限公司，廣東廣州 511400）

1 電氣工程自動化系統控制和智能化技術概述

1.1 電氣自動控制技術

電氣自動控制技術是在現場布置多臺傳感器與控制器，提前編寫控制程序，工作人員在程序內導入控制方案，控制系統基于程序準則，自動實施控制方案，控制現場電氣設備有序運行，由自動控制模式取代落后的人工控制模式。在電氣工程中，主要采取閉環控制、順序控制等控制方式[1]。其中，閉環控制是提前設定電流、電壓等電氣量的整定值，通過傳感器持續采集現場監測信號，把信號轉換為可識別數字量，對比分析測量值和整定值，根據二者偏差程度來下達參數調控指令，如圖1所示。順序控制是由控制系統按照方案內容，順序向現場電氣設備下達各項控制指令，上道指令下達完畢后，通過檢測電氣設備與系統運行工況，判斷指令是否得到貫徹執行，確定無誤后，再下達下道指令，如圖2所示。從實際控制效果來看，自動控制系統的自適應能力較差，如果電氣系統運行方式、現場環境條件發生變化，或是其他預料外的突發狀況，控制系統仍會實施既定方案，無法自行做出相應調整，且需要工作人員修改控制方案，控制效果不夠理想。

圖1 閉環控制系統

圖2 順序控制系統

1.2 電氣工程智能化技術

電氣工程智能化技術是在現場布置具備強大邏輯運算能力的總控制器，搭建數學分析模型，運用人工神經網絡、模糊邏輯推理等智能算法，模擬人類思維方式來分析各項控制任務，輸出最佳控制決策。例如，在電氣系統出現短路、斷路等電氣故障后，在短時間內控制繼電保護裝置動作，根據現場監測數據，確定故障影響范圍，分析故障設備線路受損程度，必要情況下發送報警信號，引導工作人員及時更換不堪使用、嚴重燒毀的電氣設備，避免因故障問題而危及電氣系統運行安全。相比于早期電氣自動控制技術，電氣工程智能技術可替代人工完成決策型等復雜控制任務，控制效果較為理想。例如，在變電站、配電所等電氣工程，依托智能控制系統可實現“無人值守”目標，無需在工程現場駐留人員。

1.3 智能化系統技術發展趨勢

目前來看，雖然智能化技術在電氣工程自動控制系統中得到廣泛應用，智能控制模式逐漸取代自動控制模式，取得顯著應用成果。然而，智能化技術尚處于起步發展階段，在實踐應用期間暴露出諸多問題有待解決，常見問題包括系統結構復雜、可視化程度偏低、缺乏預測功能。因此，需要加強智能化技術的創新優化力度，以集成化、操作圖形化、狀態監測作為未來發展趨勢。

（1）集成化。智能控制裝置采取模塊化結構型式，根據電氣工程控制需要，把諸多功能模塊拼裝成型，在保留完善控制功能的前提下，簡化系統結構，避免在運行現場占據過多空間，集成化裝置包括復合傳感器、一體化測控保護裝置。以復合傳感器為例，在單臺傳感器上集成布置若干數量的元件，可同時采集電流、電壓等電氣量采樣數據，或是采集溫度、壓力等物理量采樣數據[2]。

（2）操作圖形化。運用GIS 地理信息、BIM 等技術手段，在控制系統操作界面上顯示三維實景模型、電子地圖，取代早期圖件報表，幫助工作人員更加全面、準確的了解電氣系統運行情況，避免因信息掌握不全而做出錯誤決策。例如，在故障處理環節，智能控制系統通過三維實景模型來顯示故障設備所處位置，利用顏色渲染范圍來清晰呈現故障影響范圍、故障設備內部各元器件的受損程度。

（3）狀態監測。在系統內建立數據庫，持續收集電氣系統歷史運行數據，結合故障案例，總結各類電氣故障問題的客觀發生規律。隨后，定期啟動狀態預測程序，預測電氣系統、單臺電氣設備在未來一段時間的運行過程，提前預測可能發生的故障問題，采取調節電氣參數、切換電氣運行方式等防治措施，消除故障隱患。

2 電氣自動控制工程中智能化技術的應用優勢

2.1 減少控制誤差

早期自動控制系統，要求工作人員根據電氣系統往期運行情況、控制要求來著手制訂控制方案，控制系統負責把方案內容分解為多項指令并下達給現場電氣設備，控制效果取決于方案可行性，受人為因素影響。同時，在數據采樣環節，受采樣時間、現場磁場等因素影響，也會產生一定的采樣誤差，最終演變為控制誤差[3]。通過應用智能化技術，工作人員僅需在系統內設定控制規則、控制任務要求，并導入電氣設備規格型號、系統布局結構等相關信息，系統自行制訂控制方案，根據預測結果來論證方案可行性，控制決策精度不受人為因素影響。智能控制裝置可對現場監測信號進行預處理，篩除重復、失真信號與去除噪聲，消除采樣數據誤差后，再進入邏輯分析流程，進一步減少電氣工程控制誤差。

2.2 控制一致性強

自動控制系統需要提前確定控制對象，根據控制對象的工作性質、運行情況來編寫控制程序與建立邏輯分析模型，而由于現代電氣工程電氣設備臺數眾多、種類繁雜特征，實際工作負擔較重，在電氣設備更新迭代期間，需要重新編寫控制程序。相比之下，智能控制系統具備良好的控制一致性，所編寫控制程序適用于各種類電氣設備，有利于減輕工作負擔、縮短系統開發周期。以PLC 控制技術為例，以梯形圖作為控制程序，工作人員在梯形圖內設置多項控制指令，后續在系統運行期間，根據現場信號掃描結果來選擇性輸出梯形圖內的控制指令，無需編寫多套控制程序。

2.3 自適應能力強

自動控制系統本身不具備處理復雜問題的能力，在電氣工程投運使用期間，如果發生預料外狀況，既定控制方案缺乏適用性，且控制系統無法自行調整方案內容，使得電氣運行情況充滿不確定性。相比之下，智能控制系統具備強大的環境適應能力，可實時感知現場環境與電氣系統工況條件，定期評定控制方案適用性，出現特殊情況后，自行修改方案內容，無需人工介入。例如，在繼電保護環節，如果短路電流值低于繼電保護裝置整定值，根據實時監測數據，智能控制系統可自動調整過電流整定值，避免出現繼電保護裝置誤動、拒動問題。

3 智能化技術在電氣工程自動控制系統中的具體應用

3.1 智能控制

在智能控制場景，電氣自動控制系統依托智能化技術，實現模糊控制、專家控制兩項功能，完全替代工作人員控制電氣工程投運使用過程，保證電氣系統安全平穩運行。

（1）模糊控制?；谀：评砝碚摵湍：Z言來搭建控制程序，布置閉環結構模糊控制器，根據所掌握的少量數據信息，準確描述被控設備運行工況，推演分析各項要素間的內在聯系，輸出控制指令。此項功能適用于無法建立數學模型的控制對象，有效控制范圍涵蓋線性、非線性、單變量、多變量、定常、時變等類型的電氣設備。

（2）專家控制。在系統內建立專家知識庫，收集各類型樣本案例，對海量案例進行機器學習，把專家知識經驗融會貫通，形成完善的推理機制。隨后，在電氣工程投運使用期間，從現場監測數據中提取特征值，選擇最為恰當的推理規則，將專家知識庫內相關數據進行排列組合，描述控制對象運行情況、掌握控制問題客觀發展規律，最終根據控制要求來采取最佳控制策略[4]。專家控制功能有著自動適應控制對象基本特性、根據環境改變做出自我調整的優勢，適用于非線性環境，但也存在樣本數量大、機器學習訓練時間長的局限性，多用于大型電氣工程。

此外，為最大程度發揮技術優勢，工作人員需要對早期電氣自動控制系統的全部控制程序進行智能化升級改造，包括運行環境測控程序、啟?？刂瞥绦?、緊急停機控制程序、繼電保護控制程序、能耗分析程序等。以環境測控程序為例，在電氣工程現場布置溫濕度傳感器、除濕機、通風空調等裝置，提前設定環境參數量的上下限值。電氣系統運行期間，通過傳感器持續采集現場監測信號，判斷環境溫度與空氣濕度是否超標，若檢測到運行環境發生變化，應立即將除濕機等配套裝置投入運行，為電氣設備營造恒定運行環境。若除濕機等裝置失控，現場環境沒有在規定時間恢復正常，則啟動緊急停機程序，切除供電電源，避免在惡劣環境影響下出現電氣設備燒毀、精密元件失靈等問題。

3.2 優化設計

現代電氣工程有著建設規模龐大、涉及專業領域眾多的特征，包含電路設計、電氣設計等專業，對設計人員專業素養與理論知識結構方面要求嚴格。在工程設計階段，受人為因素影響，難免出現多種多樣的問題，設計周期、設計成果質量處于不可控狀態。因此，需要在電氣工程優化設計場景中做到對智能化技術的落地應用，運用人工智能、大數據等多項技術手段，輔助工作人員設計電氣設備系統，這對提高設計質量、縮短研發設計周期、提高電氣系統運行效率可起到積極正面影響。

（1）在電氣設備選型設計環節，提前制訂多套設備選型方案，構建數學分析模型，在模型內導入選型方案，生成虛擬的電氣系統，模擬推演各套電氣系統在多種假定工況下的運行過程，根據模擬結果確定最終的設備選型方案，包括變壓器種類、容量。

（2）在電氣線路布局設計環節，以強化系統抗干擾性能作為出發點，依托初步設計方案構建三維信息模型，模擬開展電氣系統通電運行試驗，計算模擬運行期間的諧波量等參數，判斷電磁干擾程度是否超標，確定超標后，采取加裝濾波器、增加相鄰電氣線路間距值等改進措施。

3.3 故障診斷

故障診斷依托智能化技術，在電氣工程自動控制系統內增設智能診斷、輔助維修兩項使用功能。

（1）智能診斷。建立專家知識庫，持續收集、分析各類典型電氣故障的樣本案例，包括短路故障、接地故障、過流故障、超壓故障等，根據樣本案例來提取電氣故障的特征值。隨后，在電氣系統運行期間，如果電氣設備出現冒煙、振動等異常工況，或電氣量運行參數超出上下限值，立即啟動故障診斷程序，調取疑似故障設備在問題出現前后一段時間的運行數據，從運行數據中提取故障特征值，和樣本案例的特征值進行比對分析，根據相似程度來確定故障類型，并根據異常監測數據來源鎖定故障位置、確定故障影響范圍，短時間內出具真實準確的故障診斷報告[5]。

（2）輔助維修。根據診斷報告，智能系統自動制訂故障設備維修方案，開展模擬試驗來論證方案可行性，通過論證環節后，將方案提交維護人員，用于指導現場搶修工作開展。同時，如果檢測到電氣故障為暫時性故障，智能控制系統自動下達故障設備停機、重啟等指令，即可恢復設備正常運行工況。

3.4 風險預測

在風險預測場景，智能化技術可大幅強化自動控制系統的信息搜集能力，持續收集整理相關信息，根據分析結果準確辨別電氣工程存在的風險隱患、電氣設備潛在故障，生成風險清單，把風險清單反饋給工作人員處理，并把風險清單作為制訂、調整電氣控制方案的重要依據。例如，控制系統定期評估電氣設備、電氣線路的健康狀態，如果設備線路存在嚴重老化問題，無法滿足電氣工程使用需要，則提醒工作人員更換全新設備線路，避免后續出現電氣火災、系統整體癱瘓等安全事故。

4 結束語

綜上所述，智能化技術的應用推廣，為自動控制系統升級改造指明了正確方向，也是全面改善電氣工程運行工況的必然選擇。工作人員須提高對智能化技術的重視程度，認識到技術應用價值，依托智能化技術對現有電氣工程自動控制系統進行升級改造，將智能化技術在智能控制、優化設計、故障診斷、風險預測等場景應用，為我國電氣行業健康發展保駕護航。