陳志杰

（廣東恒輝建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 511400）

1 電氣工程自動(dòng)化系統(tǒng)控制和智能化技術(shù)概述

1.1 電氣自動(dòng)控制技術(shù)

電氣自動(dòng)控制技術(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)布置多臺(tái)傳感器與控制器，提前編寫(xiě)控制程序，工作人員在程序內(nèi)導(dǎo)入控制方案，控制系統(tǒng)基于程序準(zhǔn)則，自動(dòng)實(shí)施控制方案，控制現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備有序運(yùn)行，由自動(dòng)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(huán)控制、順序控制等控制方式[1]。其中，閉環(huán)控制是提前設(shè)定電流、電壓等電氣量的整定值，通過(guò)傳感器持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為可識(shí)別數(shù)字量，對(duì)比分析測(cè)量值和整定值，根據(jù)二者偏差程度來(lái)下達(dá)參數(shù)調(diào)控指令，如圖1所示。順序控制是由控制系統(tǒng)按照方案內(nèi)容，順序向現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備下達(dá)各項(xiàng)控制指令，上道指令下達(dá)完畢后，通過(guò)檢測(cè)電氣設(shè)備與系統(tǒng)運(yùn)行工況，判斷指令是否得到貫徹執(zhí)行，確定無(wú)誤后，再下達(dá)下道指令，如圖2所示。從實(shí)際控制效果來(lái)看，自動(dòng)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力較差，如果電氣系統(tǒng)運(yùn)行方式、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件發(fā)生變化，或是其他預(yù)料外的突發(fā)狀況，控制系統(tǒng)仍會(huì)實(shí)施既定方案，無(wú)法自行做出相應(yīng)調(diào)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(huán)控制系統(tǒng)

圖2 順序控制系統(tǒng)

1.2 電氣工程智能化技術(shù)

電氣工程智能化技術(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)布置具備強(qiáng)大邏輯運(yùn)算能力的總控制器，搭建數(shù)學(xué)分析模型，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯推理等智能算法，模擬人類(lèi)思維方式來(lái)分析各項(xiàng)控制任務(wù)，輸出最佳控制決策。例如，在電氣系統(tǒng)出現(xiàn)短路、斷路等電氣故障后，在短時(shí)間內(nèi)控制繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定故障影響范圍，分析故障設(shè)備線路受損程度，必要情況下發(fā)送報(bào)警信號(hào)，引導(dǎo)工作人員及時(shí)更換不堪使用、嚴(yán)重?zé)龤У碾姎庠O(shè)備，避免因故障問(wèn)題而危及電氣系統(tǒng)運(yùn)行安全。相比于早期電氣自動(dòng)控制技術(shù)，電氣工程智能技術(shù)可替代人工完成決策型等復(fù)雜控制任務(wù)，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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”目標(biāo)，無(wú)需在工程現(xiàn)場(chǎng)駐留人員。

1.3 智能化系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前來(lái)看，雖然智能化技術(shù)在電氣工程自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，智能控制模式逐漸取代自動(dòng)控制模式，取得顯著應(yīng)用成果。然而，智能化技術(shù)尚處于起步發(fā)展階段，在實(shí)踐應(yīng)用期間暴露出諸多問(wèn)題有待解決，常見(jiàn)問(wèn)題包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可視化程度偏低、缺乏預(yù)測(cè)功能。因此，需要加強(qiáng)智能化技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化力度，以集成化、操作圖形化、狀態(tài)監(jiān)測(cè)作為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

（1）集成化。智能控制裝置采取模塊化結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)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(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避免在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)占據(jù)過(guò)多空間，集成化裝置包括復(fù)合傳感器、一體化測(cè)控保護(hù)裝置。以復(fù)合傳感器為例，在單臺(tái)傳感器上集成布置若干數(shù)量的元件，可同時(shí)采集電流、電壓等電氣量采樣數(shù)據(jù)，或是采集溫度、壓力等物理量采樣數(shù)據(jù)[2]。

（2）操作圖形化。運(yùn)用GIS 地理信息、BIM 等技術(shù)手段，在控制系統(tǒng)操作界面上顯示三維實(shí)景模型、電子地圖，取代早期圖件報(bào)表，幫助工作人員更加全面、準(zhǔn)確的了解電氣系統(tǒng)運(yùn)行情況，避免因信息掌握不全而做出錯(cuò)誤決策。例如，在故障處理環(huán)節(jié)，智能控制系統(tǒng)通過(guò)三維實(shí)景模型來(lái)顯示故障設(shè)備所處位置，利用顏色渲染范圍來(lái)清晰呈現(xiàn)故障影響范圍、故障設(shè)備內(nèi)部各元器件的受損程度。

（3）狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在系統(tǒng)內(nèi)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，持續(xù)收集電氣系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合故障案例，總結(jié)各類(lèi)電氣故障問(wèn)題的客觀發(fā)生規(guī)律。隨后，定期啟動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)程序，預(yù)測(cè)電氣系統(tǒng)、單臺(tái)電氣設(shè)備在未來(lái)一段時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程，提前預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障問(wèn)題，采取調(diào)節(jié)電氣參數(shù)、切換電氣運(yùn)行方式等防治措施，消除故障隱患。

2 電氣自動(dòng)控制工程中智能化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 減少控制誤差

早期自動(dòng)控制系統(tǒng)，要求工作人員根據(jù)電氣系統(tǒng)往期運(yùn)行情況、控制要求來(lái)著手制訂控制方案，控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)把方案內(nèi)容分解為多項(xiàng)指令并下達(dá)給現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備，控制效果取決于方案可行性，受人為因素影響。同時(shí)，在數(shù)據(jù)采樣環(huán)節(jié)，受采樣時(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)磁場(chǎng)等因素影響，也會(huì)產(chǎn)生一定的采樣誤差，最終演變?yōu)榭刂普`差[3]。通過(guò)應(yīng)用智能化技術(shù)，工作人員僅需在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定控制規(guī)則、控制任務(wù)要求，并導(dǎo)入電氣設(shè)備規(guī)格型號(hào)、系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息，系統(tǒng)自行制訂控制方案，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，篩除重復(fù)、失真信號(hào)與去除噪聲，消除采樣數(shù)據(jù)誤差后，再進(jìn)入邏輯分析流程，進(jìn)一步減少電氣工程控制誤差。

2.2 控制一致性強(qiáng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)需要提前確定控制對(duì)象，根據(jù)控制對(duì)象的工作性質(zhì)、運(yùn)行情況來(lái)編寫(xiě)控制程序與建立邏輯分析模型，而由于現(xiàn)代電氣工程電氣設(shè)備臺(tái)數(shù)眾多、種類(lèi)繁雜特征，實(shí)際工作負(fù)擔(dān)較重，在電氣設(shè)備更新迭代期間，需要重新編寫(xiě)控制程序。相比之下，智能控制系統(tǒng)具備良好的控制一致性，所編寫(xiě)控制程序適用于各種類(lèi)電氣設(shè)備，有利于減輕工作負(fù)擔(dān)、縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。以PLC 控制技術(shù)為例，以梯形圖作為控制程序，工作人員在梯形圖內(nèi)設(shè)置多項(xiàng)控制指令，后續(xù)在系統(tǒng)運(yùn)行期間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)掃描結(jié)果來(lái)選擇性輸出梯形圖內(nèi)的控制指令，無(wú)需編寫(xiě)多套控制程序。

2.3 自適應(yīng)能力強(qiáng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)本身不具備處理復(fù)雜問(wèn)題的能力，在電氣工程投運(yùn)使用期間，如果發(fā)生預(yù)料外狀況，既定控制方案缺乏適用性，且控制系統(tǒng)無(wú)法自行調(diào)整方案內(nèi)容，使得電氣運(yùn)行情況充滿不確定性。相比之下，智能控制系統(tǒng)具備強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力，可實(shí)時(shí)感知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與電氣系統(tǒng)工況條件，定期評(píng)定控制方案適用性，出現(xiàn)特殊情況后，自行修改方案內(nèi)容，無(wú)需人工介入。例如，在繼電保護(hù)環(huán)節(jié)，如果短路電流值低于繼電保護(hù)裝置整定值，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，智能控制系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整過(guò)電流整定值，避免出現(xiàn)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)問(wèn)題。

3 智能化技術(shù)在電氣工程自動(dòng)控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

3.1 智能控制

在智能控制場(chǎng)景，電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)依托智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模糊控制、專(zhuān)家控制兩項(xiàng)功能，完全替代工作人員控制電氣工程投運(yùn)使用過(guò)程，保證電氣系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（1）模糊控制。基于模糊推理理論和模糊語(yǔ)言來(lái)搭建控制程序，布置閉環(huán)結(jié)構(gòu)模糊控制器，根據(jù)所掌握的少量數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確描述被控設(shè)備運(yùn)行工況，推演分析各項(xiàng)要素間的內(nèi)在聯(lián)系，輸出控制指令。此項(xiàng)功能適用于無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型的控制對(duì)象，有效控制范圍涵蓋線性、非線性、單變量、多變量、定常、時(shí)變等類(lèi)型的電氣設(shè)備。

（2）專(zhuān)家控制。在系統(tǒng)內(nèi)建立專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，收集各類(lèi)型樣本案例，對(duì)海量案例進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，把專(zhuān)家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)融會(huì)貫通，形成完善的推理機(jī)制。隨后，在電氣工程投運(yùn)使用期間，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取特征值，選擇最為恰當(dāng)?shù)耐评硪?guī)則，將專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行排列組合，描述控制對(duì)象運(yùn)行情況、掌握控制問(wèn)題客觀發(fā)展規(guī)律，最終根據(jù)控制要求來(lái)采取最佳控制策略[4]。專(zhuān)家控制功能有著自動(dòng)適應(yīng)控制對(duì)象基本特性、根據(jù)環(huán)境改變做出自我調(diào)整的優(yōu)勢(shì)，適用于非線性環(huán)境，但也存在樣本數(shù)量大、機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)的局限性，多用于大型電氣工程。

此外，為最大程度發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，工作人員需要對(duì)早期電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)的全部控制程序進(jìn)行智能化升級(jí)改造，包括運(yùn)行環(huán)境測(cè)控程序、啟停控制程序、緊急停機(jī)控制程序、繼電保護(hù)控制程序、能耗分析程序等。以環(huán)境測(cè)控程序?yàn)槔?，在電氣工程現(xiàn)場(chǎng)布置溫濕度傳感器、除濕機(jī)、通風(fēng)空調(diào)等裝置，提前設(shè)定環(huán)境參數(shù)量的上下限值。電氣系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過(guò)傳感器持續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信號(hào)，判斷環(huán)境溫度與空氣濕度是否超標(biāo)，若檢測(cè)到運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化，應(yīng)立即將除濕機(jī)等配套裝置投入運(yùn)行，為電氣設(shè)備營(yíng)造恒定運(yùn)行環(huán)境。若除濕機(jī)等裝置失控，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境沒(méi)有在規(guī)定時(shí)間恢復(fù)正常，則啟動(dòng)緊急停機(jī)程序，切除供電電源，避免在惡劣環(huán)境影響下出現(xiàn)電氣設(shè)備燒毀、精密元件失靈等問(wèn)題。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代電氣工程有著建設(shè)規(guī)模龐大、涉及專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域眾多的特征，包含電路設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)，對(duì)設(shè)計(jì)人員專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)與理論知識(shí)結(jié)構(gòu)方面要求嚴(yán)格。在工程設(shè)計(jì)階段，受人為因素影響，難免出現(xiàn)多種多樣的問(wèn)題，設(shè)計(jì)周期、設(shè)計(jì)成果質(zhì)量處于不可控狀態(tài)。因此，需要在電氣工程優(yōu)化設(shè)計(jì)場(chǎng)景中做到對(duì)智能化技術(shù)的落地應(yīng)用，運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)等多項(xiàng)技術(shù)手段，輔助工作人員設(shè)計(jì)電氣設(shè)備系統(tǒng)，這對(duì)提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期、提高電氣系統(tǒng)運(yùn)行效率可起到積極正面影響。

（1）在電氣設(shè)備選型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提前制訂多套設(shè)備選型方案，構(gòu)建數(shù)學(xué)分析模型，在模型內(nèi)導(dǎo)入選型方案，生成虛擬的電氣系統(tǒng)，模擬推演各套電氣系統(tǒng)在多種假定工況下的運(yùn)行過(guò)程，根據(jù)模擬結(jié)果確定最終的設(shè)備選型方案，包括變壓器種類(lèi)、容量。

（2）在電氣線路布局設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，以強(qiáng)化系統(tǒng)抗干擾性能作為出發(fā)點(diǎn)，依托初步設(shè)計(jì)方案構(gòu)建三維信息模型，模擬開(kāi)展電氣系統(tǒng)通電運(yùn)行試驗(yàn)，計(jì)算模擬運(yùn)行期間的諧波量等參數(shù)，判斷電磁干擾程度是否超標(biāo)，確定超標(biāo)后，采取加裝濾波器、增加相鄰電氣線路間距值等改進(jìn)措施。

3.3 故障診斷

故障診斷依托智能化技術(shù)，在電氣工程自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)智能診斷、輔助維修兩項(xiàng)使用功能。

（1）智能診斷。建立專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，持續(xù)收集、分析各類(lèi)典型電氣故障的樣本案例，包括短路故障、接地故障、過(guò)流故障、超壓故障等，根據(jù)樣本案例來(lái)提取電氣故障的特征值。隨后，在電氣系統(tǒng)運(yùn)行期間，如果電氣設(shè)備出現(xiàn)冒煙、振動(dòng)等異常工況，或電氣量運(yùn)行參數(shù)超出上下限值，立即啟動(dòng)故障診斷程序，調(diào)取疑似故障設(shè)備在問(wèn)題出現(xiàn)前后一段時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從運(yùn)行數(shù)據(jù)中提取故障特征值，和樣本案例的特征值進(jìn)行比對(duì)分析，根據(jù)相似程度來(lái)確定故障類(lèi)型，并根據(jù)異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源鎖定故障位置、確定故障影響范圍，短時(shí)間內(nèi)出具真實(shí)準(zhǔn)確的故障診斷報(bào)告[5]。

（2）輔助維修。根據(jù)診斷報(bào)告，智能系統(tǒng)自動(dòng)制訂故障設(shè)備維修方案，開(kāi)展模擬試驗(yàn)來(lái)論證方案可行性，通過(guò)論證環(huán)節(jié)后，將方案提交維護(hù)人員，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)搶修工作開(kāi)展。同時(shí)，如果檢測(cè)到電氣故障為暫時(shí)性故障，智能控制系統(tǒng)自動(dòng)下達(dá)故障設(shè)備停機(jī)、重啟等指令，即可恢復(fù)設(shè)備正常運(yùn)行工況。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)場(chǎng)景，智能化技術(shù)可大幅強(qiáng)化自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息搜集能力，持續(xù)收集整理相關(guān)信息，根據(jù)分析結(jié)果準(zhǔn)確辨別電氣工程存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患、電氣設(shè)備潛在故障，生成風(fēng)險(xiǎn)清單，把風(fēng)險(xiǎn)清單反饋給工作人員處理，并把風(fēng)險(xiǎn)清單作為制訂、調(diào)整電氣控制方案的重要依據(jù)。例如，控制系統(tǒng)定期評(píng)估電氣設(shè)備、電氣線路的健康狀態(tài)，如果設(shè)備線路存在嚴(yán)重老化問(wèn)題，無(wú)法滿足電氣工程使用需要，則提醒工作人員更換全新設(shè)備線路，避免后續(xù)出現(xiàn)電氣火災(zāi)、系統(tǒng)整體癱瘓等安全事故。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，智能化技術(shù)的應(yīng)用推廣，為自動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)改造指明了正確方向，也是全面改善電氣工程運(yùn)行工況的必然選擇。工作人員須提高對(duì)智能化技術(shù)的重視程度，認(rèn)識(shí)到技術(shù)應(yīng)用價(jià)值，依托智能化技術(shù)對(duì)現(xiàn)有電氣工程自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，將智能化技術(shù)在智能控制、優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障診斷、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)等場(chǎng)景應(yīng)用，為我國(guó)電氣行業(yè)健康發(fā)展保駕護(hù)航。