电气工程及其自动化的智能化技术应用

2023-01-20邓红

今日自动化 2022年10期

邓红

（罗定市引水工程管理服务中心，广东罗定 527200）

如今是物联网、大数据、云计算的时代，电气自动化技术同样突飞猛进，智能化技术的应用不但提高了电气设备的可靠性，还可以替代人工完成高风险工作，避免人员伤亡。自动化技术是一项综合技术，综合了计算机技术、信息技术、自动控制技术等多种技术，不仅推动了工农业发展，也提升了电气工程的成熟度。

1 自动化与智能化解析

1.1 自动化

自动化是指无人参与情况下，电气设备自动完成预期的操作或过程。传统电气工程是通过大量继电器实现自动化目标的，但这种自动化技术在现代社会逐步暴露出各种不足，例如系统复杂、调试维护不便、可靠性差、占用空间大等，已很难满足现代电气工程的需要。

1.2 智能化

智能化是指电气设备模仿人脑来识别判断问题，进而实现自主操作控制。智能化技术在传统技术条件下是很难实现的，随着计算机技术、精密传感技术乃至卫星定位技术的应用，智能化技术成为可能。目前，电气工程应用智能化技术，已能够自动探测、分析、判断故障风险，在故障发生前就能采取措施，使故障在早期即被扼杀，从而保障设备安全运行。

2 电气工程自动化的智能化技术作用分析

2.1 实现高效控制

电气工程高效运行的关键是准确、正确的控制，为实现这一目标，自动化的智能化技术发挥着极其重要的作用。传统电气技术要实现准确控制难度极大，尤其是控制效率无法满足要求。采用自动化的智能化技术能脱离传统控制技术的局限，实现电气控制效率的飞跃。

2.2 降低控制成本

传统电气控制难以充分发挥设备效能，为了保证设备运行稳定，需要投入大量人力、物力和财力，大量资金的投入无疑将大幅度提升电气设备运行成本。然而资源的高投入并不能保证高效利用，进而导致电气工程经济效益差。传统技术难以改变高投入、低效益的不利局面，并且用电安全性并未因此提升，而自动化的智能化技术能为用户提供优质个性化服务，控制效率高，用户用得称心如意，人力投入少，稳定性佳，资源利用率高，经济效益好，因而能有效控制电气工程运行成本。

2.3 维护保养便利

电气工程是一个极为复杂的系统，内部运行问题、人为操作失误乃至环境因素都会影响系统运行的稳定性，进而出现故障，而常规维护方法几乎难以做到快速的故障定位，掌握的信息也不全面，如此很难快速、及时排除故障。应用自动化的智能化技术以后，系统能随时监控运行状态，并及时提供故障信息，同时还能即时做出有效的反应，使得电气设备维护人员能做出科学合理判断和维护。

3 电气工程自动化的智能化技术应用

3.1 电气设备故障在线监测与智能诊断

电气设备在长期运行过程中绝缘会逐渐劣化，当缺陷发展到一定阶段就会演化为故障，这个过程中电气量和非电气量都会产生变化的“迹象”，通过对变化“迹象”的综合分析，能够预测电气设备的可靠性乃至剩余寿命。以电力变压器为例，主要故障以有载调压开关、绕组和套管为主，在线监测有载调压开关、变压器油、绕组绝缘老化、套管绝缘是必须的，且这些故障发生显然与变压器运行负荷及状态有关，所以也必须监测，还要监测局部放电等参数。

故障诊断要能判别是否是故障，是故障的话要分析故障的类型、原因乃至严重程度，另外还要对故障进行定位。智能诊断原理有阈值诊断、模糊诊断、时域波形诊断、频率特性诊断、指纹诊断、专家诊断等。阈值诊断就是电气量和非电气量达到设定阈值后判断故障，例如变压器负荷温度到达乃至超过阈值即可判断为过热故障。

由于很多故障“迹象”并非清晰可辨或非此即彼，在此情况下可以进行模糊诊断，即根据以往经验和故障统计规律设定一些规则，这些规则并非建立在确切数据基础上，而是包含一定的不确定性和模糊性，由此推断故障。例如绕组振动的监测可以推断绕组故障，或铁芯故障，又或者过载故障。时域波形诊断是基于电气量或非电气量随时间而变化的规律，根据时域标准曲线特征分辨故障，例如开关操作电流在不同工作阶段有着明显变化，通过识别这种变化能够判断故障以及发生故障的阶段。

有频率特性的电气设备故障可采用频率特性诊断，例如变压器绕组发生变形后，其绕组频率因为电感、电容的变化而致频率特性发生改变，利用这一原理可以判断发生了绕组变形故障。监测电气设备的一些特征量，由这些特征量形成的谱图有特定特征，异常状态的谱图特征与正常状态的谱图特征显然不同，两相对照即可判断故障，这种推断故障的方法称为指纹诊断。例如变压器局部放电监测中，由放电次数、放电量、放电相位角等参数形成的谱图指纹信息，可以作为判断局部放电故障的依据。专家诊断是依据专家经验、学识判断故障，这种情况需要建立专家库，将专家经验进行综合，利用人工智能技术进行推理。

3.2 智能开关设备的应用

开关设备用于电气工程中设备或线路的控制、保护、投退，属于电气工程中极其重要的设备。智能开关设备是开关设备的智能化，将传统人工操控或继电器控制的开关设备变成有一定智能的开关设备。最典型的智能开关设备应该是智能断路器了，这种设备设有数字通信接口，内部有电子设备进行控制，监测开关状态的有传感器，使开关自动操作的有执行器。

智能断路器不但能根据相关指令或监测状态自动分合闸，还能根据设备运行状态提供智能诊断功能，为设备检修、维护保养提供依据。在智能断路器面板上有可供操控、观察运行状态的人机界面，内部监测开关机构的位移传感器，能监测开关分合闸位移，信号处理单元能将传感器探测的数据进行处理，形成分合闸速度、时间、开距、超程等信息。霍尔传感器能探测断路器分合闸电磁铁、储能电机的电流，处理单元处理形成分合闸电流波形。

智能断路器上的通信接口支持多种通信协议，能将监测的数据上传和下载，便于操控和掌握断路器运行状态。还有一种被称作“智能软开关”的智能开关类设备，这种设备用于取代常规常开联络开关，在开与关之间柔性化，实现精细的功率控制，能使配电网消纳更多的分布式电源，降低电网损耗和不稳定性，提升线路负载平衡性和自愈性。

3.3 电气设备的智能控制

传统上，电气设备采用人工控制方式，需要大量人力资源，另一方面受人的注意力和精力影响，控制精度和稳定性相对粗糙，这对于需要精细控制和长时间稳定控制的工作而言较为困难，智能控制的应用可以将人从这类工作中解放出来，控制更精细稳定，也能节省人力资源。以泵站控制为例，智能控制取代人工控制，减少了人工疏失，降低事故率，精细调节泵组流量，经济性显著提升，并且自动记录水泵运行状态，维护管理也更加方便高效。

泵组由水泵和电机组成，此外还有闸门、辅机、变压器等设备。泵站智能控制内容包括水泵启停、保护控制以及闸门升降控制等，为了提高泵站经济性，还要对泵站运行方式进行优化。泵站现地控制可采用PLC（可编程控制器）进行控制，数据采自水位传感器、流量传感器、压力传感器、温度传感器等，PLC 负责数据的处理和泵组控制，通过以太网与上位机进行通信。上位机或操作员工作站负责采集泵站数据和监控泵站运行。

泵站运行控制采用模糊控制方式，这种控制方式与前述模糊诊断同出一理，基于不确定性和人工经验。模糊控制原理如下：首先，将精确数字量转化为模糊集合，例如水位分为最低水位和最高水位（精确数据），模糊化后转变为很低水位、偏低水位、中水位、偏高水位、较高水位、很高水位。

建立模糊规则和进行模糊推理。模糊规则类似这样：取水水位很低且不涨，泵组全停；取水水位很低但稳定上涨，开1台水泵；取水水位偏低且稳定上涨，开2台水泵……水位很高且稳定，开4台水泵。模糊推理通过模仿人的推理方法实现，例如满足条件1和条件2，那么采取程序A。最后，去模糊化。经过模糊推理得到的仍然是模糊集，无法执行，必须转化为精确的控制量才能执行，这个过程称为去模糊化或解模糊。利用PLC 可以实现模糊控制。

3.4 智能保护系统的应用

保护系统是避免电气设备因故障损坏、损失的有效手段，例如电动机发生短路、过载、过压时必须及时处理，否则电动机可能烧毁，进而造成直接经济损失，如果是重要的电动机损坏可能引起生产停顿，所造成的损失还会更大，为此电气设备一般要设置保护装置。

传统保护装置主要采用熔断器、热继电器、有保护功能的断路器，这些保护装置体积较大，反应不够灵敏，参数整定也不方便。后来发展出电子型保护装置，体积有所减小，反应速度加快，但也存在易受干扰影响、电子线路复杂、维护要求高等问题。

后来出现的微机保护装置，反应速度、准确度有明显改善，加上可以联网，远程监控、远程诊断成为可能。在智能保护系统中，硬件是智能化的基础，软件是智能化的关键。智能保护装置硬件由电源模块、CPU 模块、开关量I/O 模块、信号检测模块、控制回路模块、通信模块等组成，承担着采样、测量、信息采集、逻辑计算、出口控制等功能。能否准确、稳定地实现智能保护功能取决于软件性能。

以电动机智能保护软件为例，软件由主程序和定时器中断处理模块构成。主程序用来调用各功能模块，进行分析和判断，实现所需的保护功能。设备上电后先要自检，通过自检再对系统初始化。电动机送电前，保护装置要先检测电动机绝缘性能，判断电动机是否存在漏电问题。如果电动机绝缘性能良好，再为其送电，否则启动回路闭锁，电动机无法启动，同时显示屏上显示故障代码。

电动机送电后，启动定时器中断，显示屏上显示电动机运行时的电压、电流等数据。保护功能包括短路保护、过热保护、过电压保护、低电压保护、堵转保护、零序电流保护、负序电流保护、频繁启动保护等多种功能。定时器中断处理模块用于在线监测电动机运行情况，并完成数据采集、数据处理、故障诊断、执行保护动作等功能。例如判断短路故障、断相启动速断保护，判断接地故障启动零序电流保护，判断堵转故障、过热故障启动定时限保护，判断过电压故障启动过电压保护，等等。软件进行处理时，可以采用均方根值算法计算电压、电流有效值及正/负序、零序电流有效值。

由于电动机工作环境可能比较差，存在多种干扰而影响系统正常工作，系统除配置各种硬件抗干扰措施，还设置软件抗干扰措施，例如开关量I/O 抗干扰、“软件陷阱”抗干扰、人工复位、自动复位、运行监视等。

3.5 智能化系统的综合应用

在智能建筑、智能化生产企业、智能化水电厂等场合，各种电气设备的智能化实现了综合应用。例如智能建筑中，智能化系统包含综合布线系统、楼宇自动控制系统、计算机网络系统、网络集成系统、信息转换系统、视频监控系统、门禁系统、安防系统、通风空调系统、消防系统等。综合布线系统将建筑内话音及数据通信设备、交换设备等各种信息化设备连成一个系统，保证系统通信的畅通。该系统主干采用阻燃型光缆，子系统为UTP，终端为RJ45。系统布线通道采用光电缆桥架、金属线槽和金属管。系统满足语音、数据、多媒体等多种信息传输，配线之间相互兼容，并可扩充、可发展。

楼宇自动控制系统对建筑内各类机电设备进行监控管理，采用分布式控制结构集中管理。控制网络采用现场总线系统，与数据网络及互联网相连，实现远程监控。通过对各类机电设备信息的测量、采集、监控，可确保这些设备安全、稳定的运行。各类信息上传至中央控制室或物业管理中心，在良好的人机交互界面上进行监视、管理和操作。监控中心与现控点之间可以实现点对点的双向通信和控制。系统分为若干子系统，如热源系统、冷源系统、给排水系统、空调系统、送排风系统、变配电系统、电梯系统、智能照明系统等。

各类系统通过集成网关开放的网关接口集成起来，各子系统数据可以存储到中央数据库中，并映射到虚拟控制器内，以实现图形绘制、PID 控制、数字控制、逻辑顺序控制等各种控制功能。为适应节能减排要求，系统以优化策略运行，满足各季节节能需要。