电力系统中智能自动化发展趋势及新技术的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：刘正东（1989），男，汉族，山东滨州人，本科，高级工，主要研究方向为电力系统新技术应用。-88-电力系统中智能自动化发展趋势及新技术的应用 刘正东 曹 慧 朱慧娟 王 健 孙健平 中国空间技术研究院，北京 100094 摘要：摘要：现阶段我国的电网规模持续扩大，电力企业为保障供配电的安全性与稳定性，逐步加大了在自动化、智能化方面的探索，带动了行业发展。多年来我国电力系统的智能化建设取得了显著成就，改变了电力系统的运行模式，发挥了人工智能、物联网技术的优势。但我国电力系统智能自动化发展方面还存在一定问题，未来需持续探索智能化发展方向与路径。基于此，本文着重分析了电力系统自动、智能技术的发展及应用情况，可为实际工作提供技术指导与借鉴。关键词：关键词：电力系统；智能技术；应用 中图分类号：中图分类号：TM76 技术的进步为电力行业带来了更大的发展可能，原有的电力供应、配送及调度等难以满足现代化需求。许多电力企业在信息时代下尝试了自动化和智能化，将信息技术、物联网等技术应用到了电力系统中，提高了系统性能、完善了系统功能，用智能控制取代了人工控制，可减少人工操作失误带来的一系列安全风险。信息时代到来后，电力行业的自动化、智能化成为大势所趋，各电力企业需根据自身实际情况，合理应用新型技术，构建科学的智能化建设路径。1 电力系统中的人工智能技术 1.1 专家系统 电力系统自动化中，专家系统控制为重要技术，此技术能利用专家的专业知识、计算方式建立人工智能计算机操作程序，利用所建立的系统自动分析电力供应、配送过程中的各种复杂性问题，此分析过程可建立场景，达到精确分析、全面验证的目的。为保障专家系统良好的应用效果，相关人员需在计算机系统内导入优秀专家的理论，将这些理论转化为数据。图 1 专家系统结构图 专家系统的基本原理为：用户通过人机接口提出问题，推理引擎自动将此问题信息与知识库中的既有信息相对比，由专家系统最终给出匹配结果和结论，其具体过程如图 1 所示1。1.2 神经网络 神经网络的相关概念最早由国外专家提出，通过建立神经网络，能处理复杂性问题，具备自动存储、自主学习能力。神经网络控制具有非线性特点，能高效处理电力系统运行中的各类数据，从大量的数据中筛选出更有价值的内容，保障决策的科学性。神经网络为人工智能、数学、网络技术相融合的产物，能智能化分析与研究电力系统运行中的能源消耗、供配电服务情况。依据神经网络在电力系统中的应用情况，其基本构成要素为：（1）神经网络结构。以定额的神经元为基准，建立输入层、隐藏层、输出层，不同层在一定的关联关系下可形成完整的神经网络结构。（2）信息处理。在神经网络模型的构成中，网络形式有多种，如前馈式、反馈式、自组织式几种，每种形式的网络都有其特点，有关人员需根据实际情况来设计。根据电力系统中的神经网络应用情况，前馈式网络的应用范围广，效果相对理想，其原理为：采集标准样本，对这些样本进行给定输入、输出、调整学习处理，获取网络权值，将此权值套用在新实例中2。（3）搭建和应用模型。此要素下涉及了诸多工作：数据采集准备，此数据为训练、检验神经网络过程中所形成的，这些数据必须符合均匀性要求，相关人员在整合了数据后，应从中提取出目标问题，并给出解决特征；选定学习算法与设计结构，借助网络学习算法、神经网中国科技期刊数据库 工业 A-89-络各层神经元个数来得到训练与预测精度；训练，多次神经网络迭代；检验，对比期望与检验集的网络输出偏差。1.3 遗传算法 遗传算法的理论基础为生物进化规律，无论是数据处理还是决策分析环节，均利用了迭代算法。具体来说，电力系统中应用遗传算法时，需首先将故障描述为问题参数编码集构成的个体，子代由选择、交叉、突变生成，父代为父代与子代中选出适应力较强的集合形成下一代父代，在反复迭代下得到最优解。2 智能化变配电监控系统 2.1 系统拓扑结构分析 电力系统的智能自动化发展中，智能化变配电监控系统为一大表现，其中融入了人工智能等现代化技术，可建立不同要素之间的关联，实现动态化、智能化监控。在设计智能化变配电监控系统时，有关人员需按照低压配网智能化设计的要求，遵循分层、分布式设计思路，确保通行体系设计能符合行业规定，使每一层都能满足监控需求，促进远程控制，即使上层有故障，其余层也能正常工作。智能化变配电监控系统的分布式设计应按照主控站层、通信管理层、现场设备层的要求来形成拓扑结构。2.2 系统总体设计 2.2.1 系统概要设计 系统为多个功能模块构成的集成体，其内部有完善的工作流程与路径，其运行过程中能保持稳定性，提供多种功能。为保障监控系统可靠运行，相关人员在前期的设计中还需分析实际需求，从需求着手优化系统总体结构与局部。2.2.2 开发环境 智能化变配电监控系统，能实时监控变配电过程、设备，即使相关部位发现了异常情况，系统也能快速整合已有数据，完成数据分析、故障评估，在最短的时间内发送预警信息，提醒后台人员注意处理。正是由于电力系统中智能化变配电监控系统的功能要求，其用户访问量相对较少，但对系统稳定性、安全性有更高要求，相关人员设计系统时必须考虑功能、性能等需求，优化开发环境。2.2.3 系统功能模块设计 在设计智能化变配电监控系统时，有关人员需在现场合理配备现代化监控设备，由这些设备保持全面性监控，及时发现电力系统中的问题并进行相应的处理。系统具备多种功能，为保障系统投入使用后这些功能可正常使用，在系统内应保障功能模块的合理性，主要包含用户管理、功能操作、编辑配置、高级功能、工程配置等部分。以用户管理和功能操作模块为例，这两个模块为系统中的关键构成，对系统运行状态存在直接影响。在用户管理模块中应有用户登录、注销、设置权限等部分，监控系统运行中用户管理模块能统一管理、分配系统用户、操作权限。由于系统内的用户数量较多，这些用户分别位于不同层级，在不同层级中的用户，其操作权限也存在明显区别。依据用户岗位设置，主要有管理人员、运行人员、高级用户、开发人员，每一用户都需在系统设定的权限下完成各自的工作，保障操作的规范性3。系统管理员能自定义添加角色，给这些角色赋予各种操作权限。系统设计为单点登录模式，子模块提供用户自己注册审批功能，只有通过管理员的审批，才能成为该系统的合法用户，在系统内执行相应的操作。功能操作模块考虑了监控系统的监控需求，在这些需求下该模块应具备基本操作、系统维护、资料管理、图形监控等功能。3 智能巡检机器人 3.1 整体应用情况 现阶段电力行业的智能化发展中，智能巡检机器人也是一大表现，在变配电室内应用智能巡检机器人时，为获取完整和准确的信息，必须在机器人上搭载可见光摄像机、红外热像仪等专业设备，借助这些设备的自主导航、图像识别、红外带电检测、自动充电等功能，完成对变配电室内一切流程、要素的智能化监控，不再需要人工巡检，这一巡检过程中的人工投入量大大减少，巡检耗时短且操作便捷。现阶段技术进步的过程中，智能巡检机器人不仅能巡检设备外观，同样能进行设备的红外测温、表计自动抄录、高清图像对比，为变配电室有关人员的工作提供较大的便捷。当前智能巡检机器人技术虽有一定的发展，但相关技术尚处于发展的初期阶段，特别是自主导航、图像处理、超声波避障等方面，还存在诸多问题，未来需持续创新技术形式，以克服这些难题，发挥智能巡检机器人在巡检方面的功能优势。中国科技期刊数据库 工业 A-90-3.2 智能巡检机器人导航方式 利用智能巡检机器人完成巡检时，为保障机器人正常工作，相关人员在设计机器人时必须合理选定导航方式。机器人虽具有高度的智能化特征，但当其处于陌生环境时，必须完成定位、建图，选定路径规则。为保障机器人无论处于何种条件均能可靠运行，相关人员需利用现代化理论与技术完成机器人的导航定位设计。针对变配电室的智能巡检机器人，在设计中可采用的导航方式相对较多，主要为磁轨导航、激光导航、GPS 导航等几种，每种导航方式都有其适用条件，实际的设计中应考虑现实需求，优选导航技术。目前的市场上，智能巡检机器人大多采用的是激光导航，此种导航方式的操作简单，精度较高。如在机器人中采用激光导航方式，其导航过程为：利用旋转激光传感器检测环境中的路标，用 SLAM 技术得到变配电室环境地图，在三角几何计算后获取传感器在坐标体系中的位置、方向信息4。此导航方式下，在系统中需提前存储全部路标的坐标值，机器人进入导航阶段时，传感器自动对比检测路标与存储路标的数值，此数值为机器人的位置航向。3.3 检修区域设置 如在变配电室内采用的是智能巡检机器人，如该机器人为激光导航方式，其采集的数据精度与环境参照物有关。为减小设备检修区域的安措围栏对机器人运行的干扰，在运行维护阶段必须交由专人来进行操作，如这些人员要根据检修设备安措围栏范围大小，在机器人巡检路径上确定检修屏蔽区域，确保后续机器人进入巡检状态时能自动避开设备检修区，保持最佳的运行状态。现场检修设备的安措围栏位置可能与机器人监控后台所划定的检修区域范围有一定偏差，针对此现象，一般要在机器人的监控后台扩大检修区域范围，以避免这方面误差所导致的问题。如在实际的工作中采用上述检修方式，也同样存在一定的不足，具体表现为：某个设备在间隔检修期间，相邻 2 个或者3个间隔设备机器人无法正常执行巡检任务。为此，变配电室的后台监控中需关注这一方面。在新建变配电室时，专业人员需提前介入此项工作，开展一系列调研，尽可能保障安措围栏桩安装位置与机器人巡检设备路径相符合，降低一个间隔检修时安措围栏对其他间隔机器人巡检的干扰。针对已投入的变配电室，应用智能巡检机器人完成巡检任务时，相关人员在调试机器人时必须根据其巡视范围，合理选定巡检点位，在有条件的情况下尽量避免跨间隔、跨区域巡检其他间隔设备的情况。3.4 路径规划 变配电室利用智能巡检机器人完成巡检任务时，机器人的路径规划为重点和难点，如路径规划不合理，后续将无法保障巡检水平，可能发生其他问题。为此，任何情况下利用智能巡检机器人时，有关人员都必须根据巡检工作要求，合理设计巡检路径，可在专门的软件内利用相应的算法，获取最优路径。根据当下电力领域的巡检机器人应用情况，大部分机器人的转弯位置、掉头位置均在巡检地图上被设定固定点。依据巡检机器人的工作情况，在较窄道路上转弯或者掉头时出现跌落现象的几率较高，为此，在宽度较窄的道路上，严禁设置转弯或者掉头巡检点。一旦在未设置掉头或转弯点位的巡检路径中出现了阻碍物，巡检机器人将停止前行，直到电量完全耗尽，无法智能化倒退或者绕开障碍物继续巡检5。针对这些情况，为发挥智能巡检机器人的功能优势，相关人员在前期的工作中必须合理规划巡检路径，比如可采用双向巡检点布置方式。4.智能电网 电力系统中采用人工智能、物联网等新技术，有利于构建智能电网。从物联网角度分析，所建立的电力网络应具备物物相连、信息交互的特点，在绝大部分情况下可细分为认知控制层和通讯扩展层两个方面，各自与智能信号识别监控、物理实体相连接。在智能电网投入使用后，认知监控子层能通过智能收集装置自动采集电网的运行信号，而通讯扩展子层则可以利用光纤通信系统、配套的无线传感器技术实现电力系统中设备的实时监测、在线分析，以通过这些动态监控功能来保障电力系统的整体稳定性。即使智能电网监测到系统存在供配电异常情况，系统也能立即发送反馈信息，提醒相关人员进入现场排查隐患。电力系统的供电阶段，供电光缆网络、载波通信网络与其他无线技术等相互配合，能收集感知层所采集的供电信号、设施数据，并将这些数据传送给其他部分，使终端能进行安全分析、故障诊断，尽量在早期发现并处理问题。中国科技期刊数据库 工业 A-91-5 结束语 近年来我国电力智能化取得了一定的发展，在电力工作的方方面面都尝试了智能化方向。但因为相关技术还存在问题，电力智能化方面还存在诸多挑战，未来有关人员需继续研究电力系统中的自动和智能化技术，以构建科学且合理的技术体系，发挥智能化技术的优势。参考文献 1李剑峰,李岩.智能技术在电力系统自动化中的应用J.现代工业经济和信息化,2022,12(11):224-225.2 杨 斌,杨 世 海,李 波.能 源 互 联 网 环 境 下 电 力 系 统 配 电 网 智 能 规 划 模 型 J.自 动 化 与 仪 器 仪表,2022,10(11):73-77.3肖丰明,谭伟,曹德勤.基于人工智能的电力系统集控运行控制方法J.自动化应用,2022,12(11):135-137.4闫宏伟,陈贵凤,吴群,靖超,赵宏雷,李航明.电力系统自动化中的智能技术应用J.集成电路应用,2022,39(11):248-249.5 刘 紫 熠,李 祯 祥,王 玥,陈 晓 芳,王 季 孟.电 力 系 统 自 动 化 中 人 工 智 能 的 应 用 J.长 江 信 息 通信,2022,35(10):71-73.