沈 軍，王 明，張柏榮

（榮盛石化股份有限公司，浙江 杭州 311247）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，在人類的生產(chǎn)與生活中，自動(dòng)化的應(yīng)用越來越廣泛。尤其在電力生產(chǎn)、輸送方面，自動(dòng)化程度有了顯著提高[1]。在電力工程項(xiàng)目中，變配電的作用非常重要，結(jié)合了變電結(jié)構(gòu)與配電結(jié)構(gòu)，成為了電力處理與輸送的核心部分。電氣設(shè)備是變配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，在電力處理、輸送的過程中，相關(guān)電氣設(shè)備的穩(wěn)定性，直接決定了變配電系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)電氣設(shè)備的有效控制，可以提升輸電效率及其帶來的經(jīng)濟(jì)效益。有研究學(xué)者將人工智能技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)化控制當(dāng)中，有助于提高電氣工程自動(dòng)化控制的質(zhì)量與效果，優(yōu)化電氣工程自動(dòng)化控制系統(tǒng)[2]。但是在這種控制方法的應(yīng)用下，電氣設(shè)備調(diào)控運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，抗干擾能力較低，影響實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電氣設(shè)備的控制。

分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）將微機(jī)作為系統(tǒng)運(yùn)行的核心，結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、陰極射線管（Cathode Ray Tube，CRT）顯示技術(shù)以及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將不同的技術(shù)集成化，融合在一起，成為一種分散式的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)憑借著豐富的功能，簡(jiǎn)易的操作，在設(shè)備的控制中占據(jù)著重要的地位[3]。將DCS系統(tǒng)應(yīng)用在變配電的電氣設(shè)備控制中，可以實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制，從而提高變配電系統(tǒng)運(yùn)行的高效穩(wěn)定性。

基于以上背景，本文基于DCS研究了一種變配電電氣設(shè)備的控制方法，希望可以提高變配電運(yùn)行的穩(wěn)定性與高效性，為電氣設(shè)備的自動(dòng)化控制提供有效的技術(shù)基礎(chǔ)，提高輸電工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)發(fā)展效益。

1 建立DSC控制體系

DCS系統(tǒng)具有自動(dòng)化、多樣化、高效化以及系統(tǒng)化等特征，為許多設(shè)備的集成控制，提供了自動(dòng)化的技術(shù)支持[4]。采用DCS系統(tǒng)，結(jié)合變配電站的電氣設(shè)備的聯(lián)鎖邏輯，將電氣設(shè)備的控制節(jié)點(diǎn)，融合在DCS系統(tǒng)中，進(jìn)行分層、分散式的布置。將不同層次的終端設(shè)備與結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，按照設(shè)計(jì)方式進(jìn)行連接，由一側(cè)的總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，精簡(jiǎn)化連接線纜的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)變配電站電氣設(shè)備的一體化、自動(dòng)化的控制?；诖?，建立DCS系統(tǒng)的電氣設(shè)備的控制體系結(jié)構(gòu)，整體是由現(xiàn)場(chǎng)的總線控制技術(shù)進(jìn)行層次的連接與集成，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的一體化控制。體系由3個(gè)分散層構(gòu)成?，F(xiàn)場(chǎng)儀器儀表層是控制體系中最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)層，主要任務(wù)是將變配電站的各個(gè)電氣設(shè)備的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或者對(duì)應(yīng)的數(shù)字信息，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析與處理，通過設(shè)備的開關(guān)量與模擬量與體系的第2層結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。第2層結(jié)構(gòu)屬于體系的裝置控制層，該層作為體系的中間部分，對(duì)下層進(jìn)行利用與管理，對(duì)上位側(cè)進(jìn)行協(xié)調(diào)聯(lián)系。利用人工智能技術(shù)等先進(jìn)算法，通過對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的集中顯示、處理以及設(shè)備連接回路的控制等操作，提升控制體系的智能性與集成性[5]。體系的上位側(cè)結(jié)構(gòu)主要是利用支持DCS控制的第三方的管理系統(tǒng)，對(duì)變配電站進(jìn)行整體的監(jiān)控以及電力生產(chǎn)、輸出的協(xié)調(diào)與評(píng)估。3層結(jié)構(gòu)互相影響與協(xié)調(diào)，共同實(shí)現(xiàn)變配電站電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，提高變配電的運(yùn)行效率與輸電質(zhì)量。

2 電氣設(shè)備控制參數(shù)的采集與處理

DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的核心部件是系統(tǒng)中的I/O卡件部分，卡件包括了系統(tǒng)的AI、PI、DI以及DO構(gòu)件，是實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息采集與提取的主要結(jié)構(gòu)。通過將變配電站中的電氣發(fā)變機(jī)組、機(jī)爐、用電系統(tǒng)等奠定裝置機(jī)組的信號(hào)進(jìn)行采集，結(jié)合人工智能技術(shù)將不同計(jì)量單位的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，實(shí)現(xiàn)變配電站電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控[6]。變配電站的電氣設(shè)備主要由變壓器、避雷設(shè)備、GIS設(shè)備、斷路器、電容設(shè)備等構(gòu)成。通過I/O卡件的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，對(duì)這些設(shè)備的開關(guān)量、模擬量等信號(hào)進(jìn)行采集，建立電氣設(shè)備控制的初始數(shù)據(jù)集。由于采集到的各個(gè)信號(hào)的種類是多樣化的，現(xiàn)采用王中德變換計(jì)算，對(duì)采集的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理。設(shè)某一信號(hào)為a，計(jì)算采集的信號(hào)的時(shí)域信號(hào)γ(a)，表示為

式中：κc表示采集信號(hào)的頻域信號(hào)；T表示集合中所有的信號(hào)的特征屬性，c∈T。對(duì)上述信號(hào)特征，進(jìn)行傅里葉變換，計(jì)算表示為

式中：ξ(c)表示王中德變換函數(shù)；p、q分別表示計(jì)算的變換向量，取值分別為0、1/2；a'表示采集信號(hào)的離散結(jié)果；L表示采集數(shù)據(jù)集合當(dāng)中的信號(hào)長(zhǎng)度。信號(hào)長(zhǎng)度的取值范圍為3～5個(gè)基波周期，當(dāng)計(jì)算的信號(hào)長(zhǎng)度超出范圍時(shí)，表明信號(hào)的重構(gòu)誤差過大，需按照式（2）重新計(jì)算。根據(jù)上述計(jì)算，可以將種類復(fù)雜的電氣設(shè)備信號(hào)進(jìn)行變化、統(tǒng)一，為變配電電氣設(shè)備的控制奠定優(yōu)良的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 基于匹配追蹤算法的電氣設(shè)備自動(dòng)化控制

在上述DSC控制體系，以及數(shù)據(jù)采集與處理模塊的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)與控制指令的集成化計(jì)算。利用匹配追蹤算法，將不同裝置的信號(hào)特征，與電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，得到有效的輸出結(jié)果。連接DCS系統(tǒng)的遠(yuǎn)程I/O采集單元機(jī)柜，將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，通過通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)的控制單元，根據(jù)數(shù)據(jù)信息，發(fā)出電氣設(shè)備的控制指令，以此來實(shí)現(xiàn)變配電電氣設(shè)備的自動(dòng)化、集成化、一體化的監(jiān)測(cè)與控制。將數(shù)據(jù)集中的信號(hào)，分解為加權(quán)系數(shù)，與加權(quán)和數(shù)，分解計(jì)算表示為

式中：gr表示計(jì)算的追蹤原子；G=(g1,g2,…,gr)，G是一個(gè)E×F的矩陣；φr表示矩陣G的加權(quán)系數(shù)。通過對(duì)電氣設(shè)備控制信號(hào)的追蹤計(jì)算，使加權(quán)和數(shù)的結(jié)果盡可能地接近電氣設(shè)備控制信號(hào)本身a，即使追蹤原子gr，與電氣設(shè)備控制信號(hào)，為最大內(nèi)乘積的情況下，無限接近于信號(hào)值，最大內(nèi)乘積計(jì)算，表示為

根據(jù)上述計(jì)算，可以得到與電氣設(shè)備控制信號(hào)最為匹配的追蹤原子值。將電氣設(shè)備控制信號(hào)值減去式（4）計(jì)算得到的最大內(nèi)乘積，得到殘差δr，表示為

式中：β表示追蹤原子的幾何矩陣。根據(jù)式（5）的計(jì)算，再次進(jìn)行該殘差值的最匹配的追蹤原子值，按照該方式進(jìn)行迭代，當(dāng)殘差足夠小，甚至等于零時(shí)，停止迭代，得到最優(yōu)的變配電電氣設(shè)備控制結(jié)果。綜上所述，基于DCS系統(tǒng)的電氣設(shè)備的智能控制體系，利用系統(tǒng)中的集成電路設(shè)施，CPU、I/O回路以及A/D轉(zhuǎn)換器等結(jié)構(gòu)，結(jié)合智能終端的數(shù)據(jù)采集處理計(jì)算，以及邏輯控制計(jì)算，將電氣設(shè)備數(shù)據(jù)與控制信號(hào)結(jié)合起來。通過現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，以通信網(wǎng)絡(luò)的方式，將各個(gè)接口連接，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備一體化，自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)與控制，為變配電站的穩(wěn)定運(yùn)行，提供了重要的控制技術(shù)支持。

4 試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為檢測(cè)本文基于DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變配電站電氣設(shè)備控制方法的效果，設(shè)計(jì)了仿真模擬實(shí)驗(yàn)。基于WindowsServer操作系統(tǒng)，搭建試驗(yàn)平臺(tái)。在系統(tǒng)中加入SQL Server 2K數(shù)據(jù)庫(kù)，作為電氣設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)信息的接受、處理與存儲(chǔ)模塊。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，為DCS系統(tǒng)提供可行的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述試驗(yàn)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，隨機(jī)選取5組變配電站電氣設(shè)備的信息數(shù)據(jù)集，作為本次試驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象。分別應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的DCS系統(tǒng)的電氣設(shè)備控制方法，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)的電氣設(shè)備控制方法，將5組數(shù)據(jù)集，輸入到Matlab軟件中，進(jìn)行仿真模擬控制，分別記錄2種電氣設(shè)備控制方法，對(duì)每組訓(xùn)練數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)控過程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)所用時(shí)間的平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 變配電電氣設(shè)備的監(jiān)測(cè)調(diào)控運(yùn)行時(shí)間對(duì)比圖

由表1可知，對(duì)于5組隨機(jī)的變配電電氣設(shè)備數(shù)據(jù)集，本文設(shè)計(jì)控制方法，對(duì)設(shè)備調(diào)控過程的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間，均低于傳統(tǒng)的控制方法，表明本文設(shè)計(jì)的基于DCS系統(tǒng)的變配電電氣設(shè)備的控制方法，具有實(shí)時(shí)性與高效性。

在設(shè)計(jì)方法具有高效性的基礎(chǔ)上，檢測(cè)設(shè)計(jì)方法的控制效果，對(duì)于隨機(jī)的一組電氣設(shè)備數(shù)據(jù)信息，輸入到Matlab程序中，在程序中隨機(jī)的輸入電氣設(shè)備運(yùn)行的干擾信號(hào)，進(jìn)行電氣設(shè)備的模擬控制，記錄2種控制方法下，10 h內(nèi)電力的輸送效率，以此來檢測(cè)電氣設(shè)備的抗干擾能力，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在電氣設(shè)備運(yùn)行的干擾信號(hào)的作用下，10 h內(nèi)，本文設(shè)計(jì)電氣設(shè)備控制方法下的變配電站的電力輸送效率的平均值為90.31%，比對(duì)照組控制方法下的電力輸送效率的平均值80.27%高出了10.04%，表明本文設(shè)計(jì)方法的抗干擾能力較好，控制效果更加優(yōu)良，為變配電站的電力系統(tǒng)運(yùn)行，提供了有效的控制基礎(chǔ)，以此來提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

5 結(jié) 論

電力工程作為一項(xiàng)最基礎(chǔ)的民生建設(shè)項(xiàng)目，要求其運(yùn)行過程具有穩(wěn)定性與可靠性。通過加強(qiáng)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的管理與控制，提高設(shè)備的工作效率，從而保證電力分配處理、輸送的安全性與穩(wěn)定性。結(jié)合DCS自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變配電相關(guān)電氣設(shè)備的智能終端控制，提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度。