智能化技术在电气工程自动化中的应用分析

智能化技术在电气工程自动化中的应用分析

雷爽

上海电子工程设计研究院有限公司 上海市 200000

摘要：随着智能化技术的快速发展,其在电气工程自动化中的应用日益广泛。物联网、人工智能、大数据分析等智能化技术在近年以来得到了突飞猛进的发展，并应用于配电系统的各个环节。除了传统的系统测控功能以外，智能化技术在供配电系统控制、能源管理、故障诊断等方面有,从而提高电气工程自动化的效率和安全性。尽管智能化技术应用中存在一定挑战,但其整体优势明显,是电气工程自动化发展的重要方向。

关键词：智能化技术;电气工程自动化;应用;效率;安全性

引言：科学技术的发展,智能化技术在电气工程自动化中的应用日益广泛。自动化技术是实现电气工程安全、高效、智能运行的关键。而智能化技术的引入,可以进一步提升电气工程自动化水平,助力电力系统稳定、高效运转。《能源发展"十四五"规划》提出要积极发展智能电网,推动配电和用电全过程智能化。本文首先概述电力系统及自动化技术,然后分析智能化技术在电气工程自动化的具体应用,最后讨论智能化技术应用中的优势与面临的挑战,以期为电气工程自动化的发展提供参考。

1电力系统及自动化概述

在电气工程自动化领域,电力系统及自动化是其核心组成部分。在传统的电力系统及自动化技术中,由于缺乏智能化技术,一些复杂的控制和管理任务需要人工操作,效率低下且容易出错。随着智能化技术的发展,它已成为提升电气工程自动化水平的关键技术。新能源发电，储能系统系统的接入为电网的智能化控制提供了广阔发展空间。为实现电力的高效、安全、稳定供应，智能化突显其必要性和不可或缺的的重要地位。

智能化技术可以应用于电气工程自动化的各个环节。在智能控制方面，神经网络、模糊控制等技术可以实现对电网及电力设备的智能监控和处理,提高系统稳定性和安全性[1]。在 在故障诊断方面,专家系统、故障树分析等可快速准确定位故障原因,为维修工作提供支持，可以利用大数据进行故障预判，减少非计划停电时间。在能源管理方面,通过智能调度技术的应用,可以实时监控电网运行状态,获取不同区域，不同时间段的能源数据，为各级管理层提供客观、可靠的决策依据。智能化技术使电气工程自动化更加智能化、精确化、优化化、柔性化。它大大减少了人工操作,降低了运营成本,增强了异常情况的处理能力,提升了电力供应的可靠性和稳定性。

2智能化技术在电气工程自动化中的应用

2.1智能控制

传统的自动化控制主要依赖简单的线性模型,难以应对大电网中的非线性特性和随机扰动,从而影响控制的精确性和鲁棒性。分布式电源的并网接入为电网的稳定性和可靠性带来了挑战，同时，分布式电源为实现效益最大化，也需要采用更为先进的智能化控制措施。智能控制技术以其自适应、自学习的能力,可以实现对复杂电力系统的高效控制。基于神经网络的自适应控制可以在线建立电网的精确数学模型,实现模型预测控制;利用遗传算法可以自动调优控制参数,追踪系统变化;基于模糊控制的知识库可以完成复杂的决策和推理;集成多种算法的混合智能控制,可以融合各技术的优势,大幅提高控制效果。这些智能控制策略还可以与预测技术相结合,预测电力负载变化、故障发生等,实现预测性维护与控制。在实际应用中,智能控制技术可以广泛应用于发电机组的输出控制、无功补偿的优化调节、变电站中的故障检测与隔离、配电网的负载平衡、直流调节等过程控制,还可与监控系统连接构建高效的监控回路。通过远程监控与智能控制,能够实现对电网运行状态的实时跟踪,大幅提高电力系统的稳定性与安全性。智能控制技术以其强大的自适应与学习能力,可以实现对复杂电力系统的精确建模与控制,其应用前景广阔。随着算法的发展与计算能力的提升,智能控制必将在电气工程自动化中发挥更大作用,推动电力系统向着更智能化的方向升级。

2.2故障诊断

传统的故障诊断主要依赖维修人员的经验判断与仪表测试,效率较低且易受主观影响。而智能化技术可以实现快速、精确的故障诊断与预测,大幅提高电气系统的可靠性。基于专家系统的故障诊断可以充分利用知识库中的故障案例及维修规则进行推理分析,快速定位异常原因。基于模型的故障诊断通过建立精确的设备模型,通过参数估计和状态检测来实现故障检测。基于数据驱动的深度学习算法可以从海量历史数据中自动提取故障特征,实现高效的模式识别[3]。此外,一些统计学习与时间序列分析方法,可以预测系统的健康度指标,实现故障的预测与预警。在实际应用中,这些智能诊断技术可以广泛应用于发电机组、电力电子设备、开关装置、电力电缆、继电保护等关键设备及系统的状态监测与故障预测,还可与现场设备的智能传感器连接构建智能诊断系统。通过及时发现潜在故障与隐患,能够指导设备的保养与维护,减少突发事故的发生,保证电气系统的持续可靠运行。智能化技术为电气工程自动化提供了强有力的故障诊断与预测手段,能够大幅提高系统可靠性与可用性。随着诊断算法的进步与数据积累,智能诊断将发挥更大效用,使电气系统向着更智能化方向升级。

2.3能源管理

能源管理是保证电力稳定供应的关键环节，新能源（如太阳能、风能、储能设备）的接入，为能源管理提出了新的要求。传统方式效率较低,难以应对大规模电网中的各种随机因素与复杂约束,无法实现电力的优化调度。随着智能化技术的发展,各类智能技术得以广泛应用,显著提高了能源的智能化水平。基于优化算法的经济调度可以自动生成最优的发电计划,降低成本。利用专家系统进行智能决策,处理各种异常情况;还可以应用云计算与大数据技术,从海量数据中挖掘有效信息,协助调度决策。这些智能技术可以与电网的监控系统和执行系统无缝对接,构建自动闭环系统,实现整个管理过程的智能化[4]。在实际运行中,智能化技术已广泛应用于电力调度、新能源利用、用户侧评估决策、生产运行情况等多个方面,通过实时监控电网状态并进行多时间尺度的优化配置,大幅提高了电力系统的经济性、安全性与稳定性,也使电力供应更加精细化和灵活化,为用户提供可靠的用电服务。

3智能化供配电系统的现状与挑战

3.1智能化技术发展的现状

绿色发展已经成为一个重要趋势。全面进行电网智能化结构变革，推进碳达峰、碳中已经成为各主要电力市场的首要目标。供配电系统在智能化技术的赋能下，近年来得到了长足的发展，主要体现在以下几个方面:

(1)硬件设施不断加强

除了传统的断路器测控装置外，智能电网中的主要设备纷纷开放自身的信号端口，增加传感器，以实现供智能电力系统的全方位感知，全透明化。国内外厂商也相继推出适应智能化数字电气产品，测控范围从常规电力参数，到触点温度、柜体温度，环境温度、机械寿命等。

以数字式中压开关为例，开关柜中的主要装置及电气元件，包括断路器、手车、接地开关、电缆头的温度，局部放电，同时，柜内及环境温度均会被监控。这些设备的数据通过基于以太网的数字通信网络进行连接，包括广泛应用于中压设备的EC61850、Modbus、TCP或OPCUA等。这些通信协议也可以在工业物联网（IoT）平台中通用。智能电子设备（IED），如智能操控机构、微机综合保护装置，不仅能执行控制和保护功能，而且可选择包括断路器状态的监测功能，为用户提供可供分析并用于规划断路器维护或功能测试计划的数据，而累计运行时间可以为连接的电机或变压器规划基于时间的维护计划[6]。

上述信息以及其它电网信息将通过物联网传输到云端，并使用数据分析从设备中提取有价值的信息。物联网的真正价值在于它能够使无关联的现有基础架构中的数据发挥价值。收集关于电力供应链每个环节的数据后，系统运营商可以使用强大的分析、仿真模型和假设场景更准确地预测从电网状态到天气条件的各种因素。电网中的物联网实际上是物联网的应用场景之一。

智能化配电系统对网络的要求与传统配电系统有所不同，它需要满足以下几个方面的需求：高的带宽（从铜缆的数Mbps到Gbps，到光纤Gbps~Tbps）、低延时（数毫秒以内）、可扩展性、安全性、可靠性。借助于现有通讯网络的技术，从国家到电力行业，从公共用户到工厂企业都建立了满足智能化电网要求的通讯网络。国内外主要的电气设备供货商和专业网络公司纷纷开发出具有云集成能力的网络管理和监控系统。

(2)软件系统百花齐放。

智能化配电系统软件技术包括：大数据分析、云计算，人工智能等各个方面。

智能化供配电系统涉及大量的数据，包括电力负荷、设备状态、天气数据等。大数据分析系统软件具备强大的大数据处理能力，能够处理和分析海量数据，并提供有用的信息。收集和管理正确的数据是实现数字化未来的前提。借助数字开关设备解决方案，用户不仅可以实现自动收集所有数据，还能存储和分析这些数据，从而进一步创造价值。

云计算是基于系统生产出海量数据而衍生出的信息处理技术，智能电网是云计算的应用场景之一。云计算的工作原理是利用远程或者非本地的分布式计算机进行数据储存以及计算等服务云计算技术是指通过网络提供伸缩、可管理的计算资源和能力，使用户能够按需获取和使用各种计算服务的一种新型计算模式。

目前，主要电气设备公司均在开发各自的数字化电网管理软件系统，例如ABB公司的ABB Ability、Grid Auto，施耐德电气的EcoStruxure Grid、EcoStruxure™ ADMS，西门子公司Spectrum Power 7均随着其电气设备供应市场。同时，网络技术公司也看到了巨大的市场空间，因特尔，华为，浪潮等公司均有针对性的为智能电网开发出云计算的工作平台[7]。

人工智能是智能电网发展的更高阶段。人工智能电网能够实时监测电力系统的运行状态，动态优化资源配置，提高能源利用效率，并积极响应电力需求变化。人工智能电网技术使电网系统有自我学、自我认知、自我优化、自行决策等功能。

3.2挑战

尽管智能化技术在电气工程自动化中有着广泛的应用前景,但其推广应用也面临一些挑战需要引起重视。

1、系统升级维护问题。电气工程自动化系统复杂庞大,不同层面的软硬件设备众多,系统升级难度大且维护成本高。随着智能算法和芯片技术的快速迭代更新,自动化系统也需要持续升级才能发挥智能技术优势,频繁的系统升级与迁移也会影响正常运行。此外,由于智能系统算法黑盒化严重,也给系统的可解释性与稳定性带来了风险。

2、设备间连接与兼容问题。电气系统中的设备往往来自不同厂商,存在接口不统一、通信协议不兼容等问题。直接在此基础上应用智能技术会遇到很多接入与兼容问题。因此,需要加快推进行业标准的制定,促进不同设备之间的信息互联与协同运行。

3、数据利用与分析能力问题。构建智能化系统需要大量数据积累与模型训练,但现有数据标注与收集不足,数据分析与计算能力有限,无法满足算法应用需求。如何提高数据的采集水平和分析利用能力是相关企业需要共同努力的方向。

4、系统安全性与可靠性问题。智能系统过于复杂容易引发未知风险,需要加强对智能技术应用的风险评估与管理,防止算法偏差、数据泄露等问题影响系统稳定运行。

结束语：

智能化技术在电气工程自动化领域具有广阔的应用前景。当前,智能化技术已经在电气工程自动化的多个环节发挥着重要作用,提高了电力系统的运营效率和安全性。随着人工智能、大数据、云计算等新兴技术的不断发展,智能化技术在电气工程自动化领域的应用范围还将继续扩大。展望未来,智能化技术将与电气工程自动化实现深度融合,构建智能电网,实现电力系统的自主控制和自主优化。同时,随着互联网、物联网等技术的运用,电力系统将变得更加开放、协同,与用户实现实时互动,大幅提升系统的柔性与友好性。但是,智能电网建设也面临网络安全、信息安全、技术标准等方面的挑战。相关部门需要加强顶层设计,完善电力系统网络安全防护体系,加快制定智能电网技术标准,以保障电网安全稳定运行。。

参考文献：

[1]巩冬梅,马源,张祎玮.智能化技术在电力系统电气工程自动化中的应用研究[J].科技创新与生产力,2023,44(11):111-114.

[2]韦增习,蒋婷,廖华等.智能化技术在电气工程自动化控制中的应用标准[J].大众标准化,2023,(19):38-40.

[3]宋男.电气工程及其自动化的智能化技术应用浅析[J].中国设备工程,2023,(18):36-38.

[4]李静,林富军,李雄飞.智能化技术在电气工程自动化中的应用研究[J].中国设备工程,2023,(13):31-33.

[5]张建玉.智能化技术特点及在电气工程自动化控制中的应用[J].造纸技术与应用,2023,51(02):42-44.

[6]ABB（中国）有限公司《开关设备的数字化转型白皮书》 2021-02

[7]中国南方电网有限责任公司《数字电网白皮书》 2020