智能化技术在电气工程中的应用

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智能化技术作为21世纪初信息革命的一项十分重要的成果，被广泛地应用在工业控制、电力系统以及其他工控领域当中。作为一项新的技术，对智能化的定义也没有达成一致，但对智能化技术的定义多数是:基于计算机和精密的传感技术，将工作现场采集到的信号进行智能化的分析，并得出相应的解决方案与对策的一种系统性的技术。本文以电气控制当中常见的断路器为例介绍智能化系统的硬件组成。

1智能化控制系统的硬件组成

断路器是线路保护的重要元件，通常为终端和支路开关。在电路正常工作的状态下，接通和切断电流;当电路发生故障时，断路器能够承受一段时间的故障电流，并在规定的时间内将线路切除，实际上，断路器取代了传统的熔断器与跳闸开关。传统的短路器是基于物理效应，通过机械系统的动作来实现线路的通断，所以有体积大、效率低的缺点。但是基于微计算机的智能化技术，不仅可以满足原始断路器的基本功能，而且可以实时地显示出线路上的电压、电流、功率等一系列参数。对保护动作的各种参数也可以进行设定和修改，并存储到后台计算机的存储器中，方便查询。与传统的断路器相比，它有更高的可靠性和更高的性价比，功能更强大，有较好的自适应性，可以满足现代输配电网的技术要求。

1.1单片机

单片机由于其紧凑的结构，耐用和抗干扰的特性，以及方便调试的特点，已经成为了工业控制和电气运行领域中的核心部件了。所以说，在高精度、高性能和多功能的仪表智能化改造和升级中，首先选择单片机作为控制器。最新一代的单片机已经可以将模数转换器、PWM转换、定时器、计数器、通信接口等集成在一起，更好地适应了工业现场的多个技术要求，有利于未来技术升级。

1.2智能控制集成电路

智能化断路器在工作中会涉及到一些比较复杂的功能，在这种情况下，如果所有的控制信号都由总控制器CPU发出，那么CPU的工作压力会明显增加，所以需要其他的集成电路来完成一些辅助功能和基本功能。这样，不但会减轻CPU的工作负担，而且可以增加系统的可靠性，当CPU出现故障时并不会影响智能断路器的最基本和核心的功能。

1.3智能集成传感器

断路器保护性能的好坏与控制信号的精确度有直接的关系，而控制信号的准确与否跟传感器的性能好坏和精度的高低有直接关系。智能集成传感器一般有三个基础功能:①过电压和欠电压保护;②三相电流保护功能;③漏电保护功能。智能集成传感器是将所有的传感器，比如温度、电流、电压以及其他传感设备集成在一个模块中，具有小型化、多功能化、集成化的优点，在设备的使用和升级方面相对于原来仅仅依靠单一传感器的设备而言，有较大的优势。

1.4智能电源

向智能系统供电的电源技术主要分为三类:专门电源供电、电流互感器供电、蓄电池供电。三种不同的供电方式分别在不同的情况下使用，相互配合，共同给智能系统供电。其中，专门电源供电和蓄电池供电是常规的供电方式，与一般的微机供电没有本质的区别。对于电流互感器供电而言，当电路接通的时候就可以直接工作了。但是，由于电路电流含有较多的谐波污染和干扰，电流互感器的供电对数字电路的精确度影响较大，并且受到电流大小的影响较大，会出现供电不稳的情况，所以电流互感器供电一般是用在另外两种方式无法正常供电的情况下。

1.5系统集成化技术

对于一个应用在电气智能化系统而言，大都是以微处理器为核心，囊括了智能传感器、控制电路部分、供电电源以及相应的动作执行机构。微处理器通过传感器传输的现场信号，经过解调和运算，发出相应的动作指令，通过控制电路将控制信号作用于机械动作部分。各个模块和部分相互协调和配合，共同达到所要求的技术指标。总体来讲，应用在电气控制方面的智能化硬件设备具备如下的特点。1)较好的扩展和升级性能。由于智能化的硬件设备大都实现了设备的模块化，比如:电源模块、信号采集模块和控制模块，当某一模块需要更新时，不需要更换其他与该模块相联系的单元和设备，同时也可以根据现场的应用条件选择不同档次、不同精度的设备，有利于节约成本。2)较强的运算能力。由于智能化设备大部分采用的是数字信号作为信息传递和控制的信号，通过现场总线传输到控制计算机中。基于数字信号的计算机的运算速度日渐加快，可以快速地输出较为精确的控制信号。3)强大的通信功能。如今的智能控制系统不但能支持标准的RS－485/422串行通信协议，还可以进行PROFIBUS和MPI通信，将每一个智能模块集成在一起，实现各个设备之间快速、准确的通信。

2智能算法在电气方面的应用

除了硬件系统的智能化以外，软件和算法的智能化则在电气控制领域有更广泛的应用。智能算法的种类很多，比较常见的是:神经网络算法、模糊控制算法和小波变换。这三种算法，各自都有比较广泛的应用场合。

2.1神经网络算法

神经网络算法是对生物神经工作方式的模拟和简化得出的算法，该算法的主要特征如下。1)信息的分布存储和对信号的并行处理。由于神经网络算法是由并行的神经元连接而成，可以分步存储和处理信息，神经元的连接方式和网络的复杂程度就决定了算法的运算精度和处理信号的能力。2)自我学习和更新能力。神经网络算法有一定的记忆和存储能力，在处理最新的信号时可以依据曾经的储存信息得出输入信号与输出信号的内在联系，同时对最新的信号输入和输出关系进行存储和记忆，具有很强的记忆、推测和自我学习能力。如今，神经网络算法在电气控制方面的应用主要体现在:电气故障诊断、传感器的输入信号处理、运行状态的识别和与其它智能算法的复合型运用上。

2.2模糊控制算法

模糊控制是以集合论、模糊逻辑和数学为理论基础的基于计算机技术的闭环控制策略。该算法的结构模式和一般的自动控制系统结构一样，都有输入输出信号、模糊控制器、执行部分、被控对象。模糊控制的特点就是利用工程人员的现场工作经验与操作规则建立模糊控制策略，实现对执行机构的有效控制。r(t)+-模糊化解模糊规则库模糊推理执行器被控对象y(t)输出反馈模糊控制器模糊控制算法原理图模糊控制算法具有如下的特点:可以在不了解控制对象的内部结构精确模型的情况下得出控制结果;可以将总结的模糊规则转变为数学公式呈现出来，简化计算机的控制过程;有比较好的鲁棒性，对工作现场的适应性较强。

2.3小波变换

作为智能算法的一种，小波变换是基于傅里叶变换和短时傅里叶变换的一种应用算法。小波变换的最大优势就在于能够对突变信号和非平稳信号进行较为精确的分析。在电气控制方面，由于发生故障时电流和电压信号往往在短时间内变化较为剧烈，小波变换可以对这种状态下的信号有较快和较好的模式识别性能，相对于其他算法可以有效提高故障判定的准确率。

3总结

在电气控制方面，智能化的硬件系统以及相应的智能算法由于其在准确性、可靠性、以及自适应性上的明显优势正在逐步取代原有的硬件设备和控制策略。另外，由于生产厂家和电力用户在经济上和使用习惯上的考虑，基于智能化的电气控制并没能完全改变传统设备和方法的主要地位，但对电气控制在智能化上面的改造和升级是不可逆转的趋势。

作者:廖立新 单位:厦门华炀智能化系统工程有限公司