一种智能电气自动化控制系统的设计方案与实现

　　摘要：采用智能化技术构建了一种智能电气自动化控制系统设计方案。先用专家智能控制算法获取电气设备的实时运行参数，再将其同数据库数据进行对比，若对比结果不一致则启动数字化专家经验处理方法，并向控制台反馈。对于系统难以独立解决的问题会及时发出预警提示，提醒工作人员及时解决问题。

　　关键词：电气自动化控制系统； 智能化技术； 数据采集； 模糊逻辑控制； 实现路径；

　　Abstract:This article uses intelligent technology to construct an intelligent electrical automation control system. First, it uses expert intelligent control algorithms to obtain real-time operating parameters of electrical equipment, and then compares them with data in database. If the comparison result is inconsistent, it starts digital expert experience processing method, and feedbacks to the console. For problems that are difficult for the system to solve independently, early warning will be issued to remind staff to solve the problems in a timely manner.

　　Keyword:electrical automation control system; intelligent technology; data collection; fuzzy logic control; implementation path;

　　0 引言

　　快速发展的社会经济及生产水平促使电力行业的电气自动化水平不断提高，作为现代科学信息时代的产物，人工智能技术在各个领域内得到越来越广泛的应用，为现代工业的自动化和智能化发展提供了技术支撑，随着人工智能技术的不断发展与完善，其在日常生产生活中的使用价值得以充分展现。作为一项全新的科学，人工智能技术具有广泛的使用价值，其优越性主要表现在收集、反馈和处理信息的能力方面，将人工智能技术合理的应用到电气自动化控制中，可使控制及生产流程的合理性得到有效提高，为自动化的实现奠定坚实基础。通过充分有效的利用智能技术新成果，改进电气设备系统，提升电气设备智能化运行管理水平以及电气自动化控制系统稳定性，为自动控制领域的发展持续注入动力。

　　1 系统设计分析

　　1.1 系统设计分析

　　为实现对保护功能及保护柜的集中控制，采用模块化结构设计电气自动化控制系统，结合控制单元及开关保护柜，在此基础上实现对报警信号及信息的有效控制以及信号准确高效的转换过程，将信号使用光纤方式传输至电控室计算机中。在实际的控制和管理过程中，通过对相关数据的调度与使用，实现所辖电网电厂管理水平的有效提高，为保证电网的安全稳定运行提供支撑。采用模块化结构确保电气自动化控制系统不同功能模块的均匀分布及相互平衡，基于数据信号的转化实现测量和报警功能，不同单元可不受其他单元的影响单独运行，使不良干扰问题得以有效避免。实际在设计电气自动化控制系统时，为有效满足多样化的用户需求，需对后续的系统规模扩张需求进行充分考虑；为保证系统的稳定性和兼容性，分别通过开关室与主控室和主控室保护柜实现分布式接线和集中式接线，此开关设计和接线较为简单，接线能够在控制保护柜内部实现，硬软件设备构件灵活配置串行通讯结构、通信端口，提供用户不同的选择方案[1,2].

　　1.2 系统优势分析

　　作为计算机科学技术领域的重要分支，智能化技术即人工智能（AI）属于一门前沿技术，主要基于计算机系统建立，采用图像及语言的自动化识别与采集技术等，机器据此做出智能化反应。人工智能目前已广泛应用于机器视觉、人脸识别等领域。本文对电气自动化控制系统采用智能化技术进行优化设计后，系统优势主要表现在：（1）提高了自动化控制水平，人力资源投入明显降低，传统电气控制系统对仪器设备的操作大多依赖人完成，特别是需要分析和诊断系统中线路数据及故障时，需工作人员相互配合完成，通过智能化技术的运用实现了自动化的数据分析和线路诊断功能，且对操作人员的专业要求不高，并可自动调节系统中电气设备的运行参数，智能化技术基本不受外界环境的影响，其所检测到的实时参数可供相关模块直接使用、处理，在节约人力成本的同时提升了工作效率，操作人员提高该系统可实现对现场电气设备的远程监控功能，并能够对一些设备参数进行调整和控制。（2）减小了控制误差，提高了控制准确度，智能化的电气自动化控制系统通过综合运用现代通信技术和工业计算机，实现了对电力系统运行状态及相关参数的实时监控过程，采集到的电力设备数据信息通过计算机完成精确的分析处理后，能够及时掌握系统运行时存在的误差，并在此基础上对故障问题进行自动控制和反馈，此过程主要通过预设好的智能化控制程序完成，通常无需管理人员直接参与，避免了人为操作导致了控制误差。（3）有效提高了系统控制的效率和灵活性，传统电气控制系统主要适用于控制简单的电气工程问题，面对复杂控制对象时普遍缺乏实时性、灵活性，本文设计的智能化电气自动化控制系统能够对复杂控制系统进行有效的简化处理，使其不受人工操作制约，采用相应的智能化算法和管理模型实现对电气设备的有效控制过程，帮助工作人员快速准确的定位电力系统运行时出现的故障和问题，显著提高了控制系统的问题解决效率、整体运行的可靠性和灵活性。（4）系统操作具备较好的一致性，利用正反馈和负反馈机制，对监测到的数据进行准确判断，提高了对数据信息的评估效率，采用预先编写好的计算机程序实现系统的电气自动化操作与控制过程，包括对电气设备的精确控制，提升了操作和控制过程的一致性。

　　2 系统功能设计

　　电气自动化控制系统的主要功能包括：能够智能化地对电力系统中运行的电力设备的工作参数进行实时监测，根据监测到的数据对设备的工作状态进行正确评估，并能够准确判断出出现故障的位置，根据预设好的程序对常见故障和问题进行处理，同时向工作人员反馈。系统主要功能模块设计如下。

　　2.1 智能化监控模块

　　监控模块架构示意图，如图1所示。

　　图1 监控模块总体架构  

　　通过综合运用监控技术和智能化技术，能够使自动化监控电气设备的能力得到有效提升，同时提高了获取电气设备运行状态信息的实时性。借助人工智能强大的信息收集、反馈及处理能力实现了远程的操作和精确控制功能，进而完成对各电气设备运行状态的监控，在确保系统安全稳定运行的同时，通过实时监测与传递电力系统中相关监测数据信号，帮助系统管理人员准确高效的掌握到有效信息[3].

　　2.2 电气故障智能诊断模块

　　该诊断模块工作流程，如图2所示。

　　图2 诊断模块运行流程图  

　　基于智能技术的电气自动化控制系统连接了终端设备和控制平台，系统中设置了相应的数据终端收集处理设备，针对终端仪表内的数据通过使用数字化技术手段实现了高效准确的收集与传送过程，据此及时完成对电气设备的相应操作，弥补了传统人工数据控制的不足，提高了监管和控制电气设备的自动化水平，从而提升自动化控制质量及效率。数据信息收集是实现控制功能的基础和关键，根据实际需要选用相应的终端设备及软件，完成对设备运行状态及周围环境等的收集过程，包括故障信息，系统的电气故障诊断模块进一步处理接收到的实时信息，结合收集到的相关数据信息，在监测电气设备实时参数的同时，对其运行状态进行全面检查，完成对出现故障的类型和位置的判断，同时向系统主机反馈监测结果，协助工作人员及时解决出现的问题与故障。此种智能化诊断过程需基于前期的准备工作实现，即需预先在系统数据库中存储各设备正常运行状态下的数据参数，并设定允许的误差范围，控制系统开始运行中，先实时采集当前系统及电气设备的运行参数，再将其同数据库中的数据进行对比，根据有效的误差范围判断各部分是否正常运行，若不一致的数据超过误差范围则判定其存在故障或问题，判断数据来源，据此定位发生故障的设备[4].

　　2.3 电气设备智能化控制模块

　　作为电气自动化控制的关键所在，该模块根据设备运行状态的实时动态反馈信息，通过实时监控和智能诊断，及时找出设备运行中出现的问题与异常，采用智能化控制算法完成对常见故障的自动修复过程，同时发出报警提示信息，结合人工修复手段解决复杂的问题，以确保电力系统安全。为避免出现严重系统故障带来不可预估的后果，该智能化控制模块能够预先模拟设备运行过程及即将执行的控制操作程序，针对可能出现的问题做好预案，通过采用此种程序式的智能控制方法，显著提升了问题处理能力，同时降低了人力成本和设备维护成本[5].

　　2.4 信息传输与通讯模块设计

　　系统中的信息双向传输过程，通过终端设备及软件的综合应用完成信息接收与传输，由智能化监控模块传输控制处理指令，并督促控制模块执行，为有效避免出现信息丢失、传输延时等问题的出现，需根据实际应用时的传输距离、类型等选用控制系统的传输设备与传输方法，如视频电缆、光缆等，确保系统各项工作能够有效协调。系统控制与监测的实施离不开信息分析过程，主要包括处理和分析从终端收集到的信息、信息在数据库中的传输、系统不能自动处理问题到报警信息的转换，帮助工作人员通过系统实现对相关工作的高质量协调过程。收集信息及处理后的信息均存储到数据库中，以供工作人员后续调用[5].

　　通讯系统是确保信息资源传输效率及精准性的关键，考虑到控制系统包含较多的终端节点，为有效提高通讯质量和效率，结合运用有线和无线传输方式成为一种常用的有效通讯方式，需在充分考虑用电用户实际情况的基础上，完成最佳通讯方式的合理选择，在较常见的基于电话线与专线的有线通讯方式中，电话线通讯具有连接便利、成本较低的优势，但存在通讯时效性、安全性及可靠性不高的问题；专线通讯方法比电话线具有更高的时效性、安全性、可靠性及使用成本，适用于要求高时效性的配电终端使用。在常用的无线通信方式中，普通电台通讯的成本较低，常用于控制和管理电气负荷中，但可靠性不足；高速智能传电通讯方式具有安全可靠、传输速率和精准性较高的优势，并可自由选择路由功能，自动上报电网运行信息，但成本较高，适用于要求高可靠性的配电终端使用。需根据实际情况进行搭配使用，为此本文设计了一种串行通信方式。其工作流程，如图3所示。

　　图3 串行通信主程序 

　　使用消息方式创建主线程与通信线程间的联系，系统运行时，串行口初始化操作由主线程负责完成，并将串口采用通信线程纳入到监视范围中，通信线程在发现出现通信事件后立即告知主线程（使用自定义消息完成），主线程据此完成串行口读写处理；主线程结束消息接收后需撤销串口监视线程。主战通信过程中会对各从站进行轮询，从站根据接收到的来自主战的数据信息，向从主战返回数据，在此基础上形成了分布式的计算机监控系统[6].

　　3 系统实现

　　3.1 控制系统总体框架

　　本文电气自动化控制系统的功能架构示意图，如图4所示。

　　图4 电气自动化控制系统功能架构 

　　该控制系统使用智能化方式完成相关数据的实时获取后，将其向系统控制主机传递，无需人工记录，由控制主机进一步处理接收到的数据后，将相应的控制指令向待调整的电气设备中自动发送，电气设备据此执行相应的控制操作，显著提高了系统自动化控制效率。无法独自处理的信息，会及时转换为报警信息，提示管理人员采取相应的措施。智能监控模块在控制系统运行过程中均保持实时监控状态，提高了控制过程的准确性[7].

　　3.2 控制算法的应用分析

　　本文电气自动化控制系统在实现智能控制过程时，可采用的控制算法主要包括：（1）基于模糊数学和控制理论的模糊逻辑控制（即模糊控制），属于一种非线性的自动控制算法，此种控制方式发展较为成熟，在智能化控制领域中应用较为普遍。其工作原理，如图5所示。

　　图5 模糊控制结构 

　　主要由输入模糊化、输出精确化和模糊推理构成（即模糊器、解模糊器、模糊推理机），针对电气设备的运行过程采用直流传动（主要针对系统设备故障，使用Mamdani和Sugeno 实现）、交流传动（面向整个系统的运行过程，使用人工智能完成）的控制方式。（2）神经网络控制（模拟人脑神经元的活动方式），其实质属于一个多输入单输出的动态过程。其模型，如图6所示。

　　图6 神经元模型示意图 

　　神经网络的优势主要表现在自学习、并行处理和控制能力，将其应用于电气自动化控制系统中，用于采集和处理信息和数据（存储于某一神经元中），可确保相关数据信息的准确性，据此完成对故障与问题的实时诊断，假设，f表示激活函数，xi表示输入信号，θ表示阈值，ωi表示信号对应的权系数，神经元模型表达式为y=f（∑ni=1ωixi?θ）。（3）专家系统控制，属于一种智能化计算机控制程序，主要通过模拟专家经验实现，具体使用数字化的方式将某一领域的专家经验以及专业知识等存储到数据库中，信息的自由调出使用过程则通过使用自学习和自推导的方式完成，进而实现对电气设备的有效控制过程。随着自学习过程的持续进行，专家系统控制经验也会得到不断丰富，提高持续更新数据库实现系统控制能力的有效提高。具有较强的环境适应能力，可有效满足控制系统对不同工作环境下电气设备的控制需求[8].

　　3.3 系统测试

　　针对某一小型电厂的电气控制系统，采用专家系统控制算法完成优化设计，测试本文自动化控制系统的有效性，测试结果表明该系统有效实现了对系统中各电力设备信息的实时收集过程，并在此基础上完成了初步的故障智能诊断过程，电气自动化控制系统在整个测试期间（180天）大体正常运行，实现了智能监控与异常报警功能，对于偶尔出现数据波动情况及时发出了预警信息，以变压器油中气体波动情况为例，针对数据波动信息的测试结果，如表1所示。

　　表1 变压器油中气体波动数据

　　出现波动的设备数据测量值在误差范围内，无需采取处理措施，持续监控即可，该系统能够及时诊断出实际电气故障，具有较高的准确率及工作效率。

　　4 总结

　　随着电气自动化技术的快速发展和普及应用，电气控制系统不断完善，控制对象以及所需处理问题的复杂程度越来越高，传统电气自动化控制系统大多存在实时性差、准确率及效率较低等不足，文中主要对电气自动化控制系统进行了研究，依托智能技术完成了一种电气自动化控制系统总体架构的设计，详细阐述了系统的主要功能模块及实现路径，最后针对某小型电厂的电气控制系统采用专家控制算法完成改造，测试结果表明本文系统控制效率、准确率、实时性等方面均能够有效满足实际使用需求，具有一定的实际应用价值。

　　参考文献

　　[1] 周莉。电气自动化工程控制系统的现状及其发展[J].绿色环保建材，2020（5）：227-230.

　　[2] 翟让。人工智能技术在电气自动化控制中的应用[J].通信电源技术，2018（11）：147-148.

　　[3] 王语思，田亚军。人工智能技术在电气自动化控制中的应用研究[J].电脑与电信，2018（4）：82-83.

　　[4] 曲鸣飞，赵丹。基于混沌算法的电气自动化设备电力控制系统设计[J].电力与能源，2017（4）：428-430.

　　[5] 郑火胜。智能化技术在电气工程自动化控制中的应用分析[J].价值工程，2017（23）：153-154.

　　[6] 任昊翔。关于对电气自动化控制中人工智能技术应用的思考[J].现代经济信息，2019（3）：376-377.

　　[7] 邓建飞，李永平。电气自动化控制技术在电力企业中的具体应用分析[J].信息与电脑（理论版），2017（10）：74-76.

　　[8] 马立才。变电站电气自动化控制系统分析及其应用[J].电气技术与经济，2019（1）：13-14.