基于DCS系统的变配电电气设备控制方法

2022-12-02张柏荣

通信电源技术 2022年14期

沈军，王明，张柏荣

（荣盛石化股份有限公司，浙江杭州 311247）

0 引言

随着科学技术的发展与进步，在人类的生产与生活中，自动化的应用越来越广泛。尤其在电力生产、输送方面，自动化程度有了显著提高[1]。在电力工程项目中，变配电的作用非常重要，结合了变电结构与配电结构，成为了电力处理与输送的核心部分。电气设备是变配电系统稳定运行的重要因素，在电力处理、输送的过程中，相关电气设备的稳定性，直接决定了变配电系统的高效稳定运行。因此，对电气设备的有效控制，可以提升输电效率及其带来的经济效益。有研究学者将人工智能技术应用于自动化控制当中，有助于提高电气工程自动化控制的质量与效果，优化电气工程自动化控制系统[2]。但是在这种控制方法的应用下，电气设备调控运行时间较长，抗干扰能力较低，影响实际应用中对电气设备的控制。

分散控制系统（Distributed Control System，DCS）将微机作为系统运行的核心，结合计算机网络技术、自动化控制技术、阴极射线管（Cathode Ray Tube，CRT）显示技术以及通信网络技术，将不同的技术集成化，融合在一起，成为一种分散式的控制系统。该系统凭借着丰富的功能，简易的操作，在设备的控制中占据着重要的地位[3]。将DCS系统应用在变配电的电气设备控制中，可以实现电气设备的自动化控制，从而提高变配电系统运行的高效稳定性。

基于以上背景，本文基于DCS研究了一种变配电电气设备的控制方法，希望可以提高变配电运行的稳定性与高效性，为电气设备的自动化控制提供有效的技术基础，提高输电工程项目的经济效益以及社会发展效益。

1 建立DSC控制体系

DCS系统具有自动化、多样化、高效化以及系统化等特征，为许多设备的集成控制，提供了自动化的技术支持[4]。采用DCS系统，结合变配电站的电气设备的联锁逻辑，将电气设备的控制节点，融合在DCS系统中，进行分层、分散式的布置。将不同层次的终端设备与结构，应用于通信网络管理设备，按照设计方式进行连接，由一侧的总线结构进行监测、控制，精简化连接线缆的同时，实现变配电站电气设备的一体化、自动化的控制。基于此，建立DCS系统的电气设备的控制体系结构，整体是由现场的总线控制技术进行层次的连接与集成，实现电气设备的一体化控制。体系由3个分散层构成。现场仪器仪表层是控制体系中最基础的结构层，主要任务是将变配电站的各个电气设备的信号，转换为电信号或者对应的数字信息，并对采集到的数据进行智能分析与处理，通过设备的开关量与模拟量与体系的第2层结构进行连接。第2层结构属于体系的装置控制层，该层作为体系的中间部分，对下层进行利用与管理，对上位侧进行协调联系。利用人工智能技术等先进算法，通过对信号数据的集中显示、处理以及设备连接回路的控制等操作，提升控制体系的智能性与集成性[5]。体系的上位侧结构主要是利用支持DCS控制的第三方的管理系统，对变配电站进行整体的监控以及电力生产、输出的协调与评估。3层结构互相影响与协调，共同实现变配电站电气设备的监测与控制，提高变配电的运行效率与输电质量。

2 电气设备控制参数的采集与处理

DCS系统实现自动化控制的核心部件是系统中的I/O卡件部分，卡件包括了系统的AI、PI、DI以及DO构件，是实现电气设备运行状态、节点数据信息采集与提取的主要结构。通过将变配电站中的电气发变机组、机炉、用电系统等奠定装置机组的信号进行采集，结合人工智能技术将不同计量单位的数据信号进行转化处理，实现变配电站电气设备的实时监测与调控[6]。变配电站的电气设备主要由变压器、避雷设备、GIS设备、断路器、电容设备等构成。通过I/O卡件的模数转换功能，对这些设备的开关量、模拟量等信号进行采集，建立电气设备控制的初始数据集。由于采集到的各个信号的种类是多样化的，现采用王中德变换计算，对采集的数据信号进行处理。设某一信号为a，计算采集的信号的时域信号γ(a)，表示为

式中：κc表示采集信号的频域信号；T表示集合中所有的信号的特征属性，c∈T。对上述信号特征，进行傅里叶变换，计算表示为

式中：ξ(c)表示王中德变换函数；p、q分别表示计算的变换向量，取值分别为0、1/2；a'表示采集信号的离散结果；L表示采集数据集合当中的信号长度。信号长度的取值范围为3～5个基波周期，当计算的信号长度超出范围时，表明信号的重构误差过大，需按照式（2）重新计算。根据上述计算，可以将种类复杂的电气设备信号进行变化、统一，为变配电电气设备的控制奠定优良的数据基础。

3 基于匹配追踪算法的电气设备自动化控制

在上述DSC控制体系，以及数据采集与处理模块的基础上，进行数据信号与控制指令的集成化计算。利用匹配追踪算法，将不同装置的信号特征，与电气设备的运行状态进行一一对应，得到有效的输出结果。连接DCS系统的远程I/O采集单元机柜，将得到的数据结果，通过通信网络技术，传输到DCS系统的控制单元，根据数据信息，发出电气设备的控制指令，以此来实现变配电电气设备的自动化、集成化、一体化的监测与控制。将数据集中的信号，分解为加权系数，与加权和数，分解计算表示为

式中：gr表示计算的追踪原子；G=(g1,g2,…,gr)，G是一个E×F的矩阵；φr表示矩阵G的加权系数。通过对电气设备控制信号的追踪计算，使加权和数的结果尽可能地接近电气设备控制信号本身a，即使追踪原子gr，与电气设备控制信号，为最大内乘积的情况下，无限接近于信号值，最大内乘积计算，表示为

根据上述计算，可以得到与电气设备控制信号最为匹配的追踪原子值。将电气设备控制信号值减去式（4）计算得到的最大内乘积，得到残差δr，表示为

式中：β表示追踪原子的几何矩阵。根据式（5）的计算，再次进行该残差值的最匹配的追踪原子值，按照该方式进行迭代，当残差足够小，甚至等于零时，停止迭代，得到最优的变配电电气设备控制结果。综上所述，基于DCS系统的电气设备的智能控制体系，利用系统中的集成电路设施，CPU、I/O回路以及A/D转换器等结构，结合智能终端的数据采集处理计算，以及逻辑控制计算，将电气设备数据与控制信号结合起来。通过现场总线技术，以通信网络的方式，将各个接口连接，实现电气设备一体化，自动化的监测与控制，为变配电站的稳定运行，提供了重要的控制技术支持。

4 试验与监测

4.1 试验准备

为检测本文基于DCS系统设计的变配电站电气设备控制方法的效果，设计了仿真模拟实验。基于WindowsServer操作系统，搭建试验平台。在系统中加入SQL Server 2K数据库，作为电气设备相关数据信息的接受、处理与存储模块。系统的网络采用工业以太网，为DCS系统提供可行的网络环境。

4.2 试验结果与分析

在上述试验准备的基础上，随机选取5组变配电站电气设备的信息数据集，作为本次试验的试验对象。分别应用本文设计的DCS系统的电气设备控制方法，与传统的系统的电气设备控制方法，将5组数据集，输入到Matlab软件中，进行仿真模拟控制，分别记录2种电气设备控制方法，对每组训练数据的自动监测调控过程中各个节点所用时间的平均值，结果如表1所示。

表1 变配电电气设备的监测调控运行时间对比图

由表1可知，对于5组随机的变配电电气设备数据集，本文设计控制方法，对设备调控过程的各个节点的响应时间，均低于传统的控制方法，表明本文设计的基于DCS系统的变配电电气设备的控制方法，具有实时性与高效性。

在设计方法具有高效性的基础上，检测设计方法的控制效果，对于随机的一组电气设备数据信息，输入到Matlab程序中，在程序中随机的输入电气设备运行的干扰信号，进行电气设备的模拟控制，记录2种控制方法下，10 h内电力的输送效率，以此来检测电气设备的抗干扰能力，结果如图1所示。

由图1可知，在电气设备运行的干扰信号的作用下，10 h内，本文设计电气设备控制方法下的变配电站的电力输送效率的平均值为90.31%，比对照组控制方法下的电力输送效率的平均值80.27%高出了10.04%，表明本文设计方法的抗干扰能力较好，控制效果更加优良，为变配电站的电力系统运行，提供了有效的控制基础，以此来提高电力系统的经济效益与社会效益。