智能化技术在电气工程自动控制系统中的应用

陈志杰

（广东恒辉建设集团股份有限公司，广东广州 511400）

1 电气工程自动化系统控制和智能化技术概述

1.1 电气自动控制技术

电气自动控制技术是在现场布置多台传感器与控制器，提前编写控制程序，工作人员在程序内导入控制方案，控制系统基于程序准则，自动实施控制方案，控制现场电气设备有序运行，由自动控制模式取代落后的人工控制模式。在电气工程中，主要采取闭环控制、顺序控制等控制方式[1]。其中，闭环控制是提前设定电流、电压等电气量的整定值，通过传感器持续采集现场监测信号，把信号转换为可识别数字量，对比分析测量值和整定值，根据二者偏差程度来下达参数调控指令，如图1所示。顺序控制是由控制系统按照方案内容，顺序向现场电气设备下达各项控制指令，上道指令下达完毕后，通过检测电气设备与系统运行工况，判断指令是否得到贯彻执行，确定无误后，再下达下道指令，如图2所示。从实际控制效果来看，自动控制系统的自适应能力较差，如果电气系统运行方式、现场环境条件发生变化，或是其他预料外的突发状况，控制系统仍会实施既定方案，无法自行做出相应调整，且需要工作人员修改控制方案，控制效果不够理想。

图1 闭环控制系统

图2 顺序控制系统

1.2 电气工程智能化技术

电气工程智能化技术是在现场布置具备强大逻辑运算能力的总控制器，搭建数学分析模型，运用人工神经网络、模糊逻辑推理等智能算法，模拟人类思维方式来分析各项控制任务，输出最佳控制决策。例如，在电气系统出现短路、断路等电气故障后，在短时间内控制继电保护装置动作，根据现场监测数据，确定故障影响范围，分析故障设备线路受损程度，必要情况下发送报警信号，引导工作人员及时更换不堪使用、严重烧毁的电气设备，避免因故障问题而危及电气系统运行安全。相比于早期电气自动控制技术，电气工程智能技术可替代人工完成决策型等复杂控制任务，控制效果较为理想。例如，在变电站、配电所等电气工程，依托智能控制系统可实现“无人值守”目标，无需在工程现场驻留人员。

1.3 智能化系统技术发展趋势

目前来看，虽然智能化技术在电气工程自动控制系统中得到广泛应用，智能控制模式逐渐取代自动控制模式，取得显著应用成果。然而，智能化技术尚处于起步发展阶段，在实践应用期间暴露出诸多问题有待解决，常见问题包括系统结构复杂、可视化程度偏低、缺乏预测功能。因此，需要加强智能化技术的创新优化力度，以集成化、操作图形化、状态监测作为未来发展趋势。

（1）集成化。智能控制装置采取模块化结构型式，根据电气工程控制需要，把诸多功能模块拼装成型，在保留完善控制功能的前提下，简化系统结构，避免在运行现场占据过多空间，集成化装置包括复合传感器、一体化测控保护装置。以复合传感器为例，在单台传感器上集成布置若干数量的元件，可同时采集电流、电压等电气量采样数据，或是采集温度、压力等物理量采样数据[2]。

（2）操作图形化。运用GIS 地理信息、BIM 等技术手段，在控制系统操作界面上显示三维实景模型、电子地图，取代早期图件报表，帮助工作人员更加全面、准确的了解电气系统运行情况，避免因信息掌握不全而做出错误决策。例如，在故障处理环节，智能控制系统通过三维实景模型来显示故障设备所处位置，利用颜色渲染范围来清晰呈现故障影响范围、故障设备内部各元器件的受损程度。

（3）状态监测。在系统内建立数据库，持续收集电气系统历史运行数据，结合故障案例，总结各类电气故障问题的客观发生规律。随后，定期启动状态预测程序，预测电气系统、单台电气设备在未来一段时间的运行过程，提前预测可能发生的故障问题，采取调节电气参数、切换电气运行方式等防治措施，消除故障隐患。

2 电气自动控制工程中智能化技术的应用优势

2.1 减少控制误差

早期自动控制系统，要求工作人员根据电气系统往期运行情况、控制要求来着手制订控制方案，控制系统负责把方案内容分解为多项指令并下达给现场电气设备，控制效果取决于方案可行性，受人为因素影响。同时，在数据采样环节，受采样时间、现场磁场等因素影响，也会产生一定的采样误差，最终演变为控制误差[3]。通过应用智能化技术，工作人员仅需在系统内设定控制规则、控制任务要求，并导入电气设备规格型号、系统布局结构等相关信息，系统自行制订控制方案，根据预测结果来论证方案可行性，控制决策精度不受人为因素影响。智能控制装置可对现场监测信号进行预处理，筛除重复、失真信号与去除噪声，消除采样数据误差后，再进入逻辑分析流程，进一步减少电气工程控制误差。

2.2 控制一致性强

自动控制系统需要提前确定控制对象，根据控制对象的工作性质、运行情况来编写控制程序与建立逻辑分析模型，而由于现代电气工程电气设备台数众多、种类繁杂特征，实际工作负担较重，在电气设备更新迭代期间，需要重新编写控制程序。相比之下，智能控制系统具备良好的控制一致性，所编写控制程序适用于各种类电气设备，有利于减轻工作负担、缩短系统开发周期。以PLC 控制技术为例，以梯形图作为控制程序，工作人员在梯形图内设置多项控制指令，后续在系统运行期间，根据现场信号扫描结果来选择性输出梯形图内的控制指令，无需编写多套控制程序。

2.3 自适应能力强

自动控制系统本身不具备处理复杂问题的能力，在电气工程投运使用期间，如果发生预料外状况，既定控制方案缺乏适用性，且控制系统无法自行调整方案内容，使得电气运行情况充满不确定性。相比之下，智能控制系统具备强大的环境适应能力，可实时感知现场环境与电气系统工况条件，定期评定控制方案适用性，出现特殊情况后，自行修改方案内容，无需人工介入。例如，在继电保护环节，如果短路电流值低于继电保护装置整定值，根据实时监测数据，智能控制系统可自动调整过电流整定值，避免出现继电保护装置误动、拒动问题。

3 智能化技术在电气工程自动控制系统中的具体应用

3.1 智能控制

在智能控制场景，电气自动控制系统依托智能化技术，实现模糊控制、专家控制两项功能，完全替代工作人员控制电气工程投运使用过程，保证电气系统安全平稳运行。

（1）模糊控制。基于模糊推理理论和模糊语言来搭建控制程序，布置闭环结构模糊控制器，根据所掌握的少量数据信息，准确描述被控设备运行工况，推演分析各项要素间的内在联系，输出控制指令。此项功能适用于无法建立数学模型的控制对象，有效控制范围涵盖线性、非线性、单变量、多变量、定常、时变等类型的电气设备。

（2）专家控制。在系统内建立专家知识库，收集各类型样本案例，对海量案例进行机器学习，把专家知识经验融会贯通，形成完善的推理机制。随后，在电气工程投运使用期间，从现场监测数据中提取特征值，选择最为恰当的推理规则，将专家知识库内相关数据进行排列组合，描述控制对象运行情况、掌握控制问题客观发展规律，最终根据控制要求来采取最佳控制策略[4]。专家控制功能有着自动适应控制对象基本特性、根据环境改变做出自我调整的优势，适用于非线性环境，但也存在样本数量大、机器学习训练时间长的局限性，多用于大型电气工程。

此外，为最大程度发挥技术优势，工作人员需要对早期电气自动控制系统的全部控制程序进行智能化升级改造，包括运行环境测控程序、启停控制程序、紧急停机控制程序、继电保护控制程序、能耗分析程序等。以环境测控程序为例，在电气工程现场布置温湿度传感器、除湿机、通风空调等装置，提前设定环境参数量的上下限值。电气系统运行期间，通过传感器持续采集现场监测信号，判断环境温度与空气湿度是否超标，若检测到运行环境发生变化，应立即将除湿机等配套装置投入运行，为电气设备营造恒定运行环境。若除湿机等装置失控，现场环境没有在规定时间恢复正常，则启动紧急停机程序，切除供电电源，避免在恶劣环境影响下出现电气设备烧毁、精密元件失灵等问题。

3.2 优化设计

现代电气工程有着建设规模庞大、涉及专业领域众多的特征，包含电路设计、电气设计等专业，对设计人员专业素养与理论知识结构方面要求严格。在工程设计阶段，受人为因素影响，难免出现多种多样的问题，设计周期、设计成果质量处于不可控状态。因此，需要在电气工程优化设计场景中做到对智能化技术的落地应用，运用人工智能、大数据等多项技术手段，辅助工作人员设计电气设备系统，这对提高设计质量、缩短研发设计周期、提高电气系统运行效率可起到积极正面影响。

（1）在电气设备选型设计环节，提前制订多套设备选型方案，构建数学分析模型，在模型内导入选型方案，生成虚拟的电气系统，模拟推演各套电气系统在多种假定工况下的运行过程，根据模拟结果确定最终的设备选型方案，包括变压器种类、容量。

（2）在电气线路布局设计环节，以强化系统抗干扰性能作为出发点，依托初步设计方案构建三维信息模型，模拟开展电气系统通电运行试验，计算模拟运行期间的谐波量等参数，判断电磁干扰程度是否超标，确定超标后，采取加装滤波器、增加相邻电气线路间距值等改进措施。

3.3 故障诊断

故障诊断依托智能化技术，在电气工程自动控制系统内增设智能诊断、辅助维修两项使用功能。

（1）智能诊断。建立专家知识库，持续收集、分析各类典型电气故障的样本案例，包括短路故障、接地故障、过流故障、超压故障等，根据样本案例来提取电气故障的特征值。随后，在电气系统运行期间，如果电气设备出现冒烟、振动等异常工况，或电气量运行参数超出上下限值，立即启动故障诊断程序，调取疑似故障设备在问题出现前后一段时间的运行数据，从运行数据中提取故障特征值，和样本案例的特征值进行比对分析，根据相似程度来确定故障类型，并根据异常监测数据来源锁定故障位置、确定故障影响范围，短时间内出具真实准确的故障诊断报告[5]。

（2）辅助维修。根据诊断报告，智能系统自动制订故障设备维修方案，开展模拟试验来论证方案可行性，通过论证环节后，将方案提交维护人员，用于指导现场抢修工作开展。同时，如果检测到电气故障为暂时性故障，智能控制系统自动下达故障设备停机、重启等指令，即可恢复设备正常运行工况。

3.4 风险预测

在风险预测场景，智能化技术可大幅强化自动控制系统的信息搜集能力，持续收集整理相关信息，根据分析结果准确辨别电气工程存在的风险隐患、电气设备潜在故障，生成风险清单，把风险清单反馈给工作人员处理，并把风险清单作为制订、调整电气控制方案的重要依据。例如，控制系统定期评估电气设备、电气线路的健康状态，如果设备线路存在严重老化问题，无法满足电气工程使用需要，则提醒工作人员更换全新设备线路，避免后续出现电气火灾、系统整体瘫痪等安全事故。

4 结束语

综上所述，智能化技术的应用推广，为自动控制系统升级改造指明了正确方向，也是全面改善电气工程运行工况的必然选择。工作人员须提高对智能化技术的重视程度，认识到技术应用价值，依托智能化技术对现有电气工程自动控制系统进行升级改造，将智能化技术在智能控制、优化设计、故障诊断、风险预测等场景应用，为我国电气行业健康发展保驾护航。