电力系统中智能化技术的应用

作者:查重猫     发表时间:2020-11-16 21:08:21   浏览次数:39



  摘要:电力系统是用电设备协调工作的关键所在,电力系统智能化是其发展方向。根据对目前电力系统智能化技术的分析,提出软件智能化和硬件智能化两大方面。软件智能化包括了智能化编译与开发环境,先进的控制算法集成,友好的人机交互界面。硬件智能化包括特种IC芯片的设计与制造,智能算法的电路化,基于通信技术的万物互联。采用智能化技术高效地运行电力系统,对于节约能源、保护环境和用电设备意义重大。

  关键词:智能技术;电力系统;软件;硬件

  引言

  电力系统是由电能的产生、变换、传送、分配和消费的各种设备,按照一定的需求组成的有机系统的总称[1,2],也是大型机电系统的重要组成部分,电力系统的稳定可靠运行对机电系统的安全运行十分重要[3]。随着化石能源日益紧缺,深化绿色低碳环保工程发展,加快可再生能源的开发己经迫眉睫[4]。电力系统中的智能化技术主要包括两大类:软件智能化和硬件智能化。目前,在软件智能化方面主要集中在更加高效的集成开发环境研发,先进的智能控制技术、智能诊断技术、智能评价与决策技术等的设计与实现,友好的人机交互界面开发等。在硬件智能化方面主要集中在针对某种功能与应用的特种IC研制,先进控制算法的电路实现和万物互联的实现。随着物联网、大数据、云计算和人工智能的迅速发展,电力系统的智能化也会有极大的提高。

  1智能化软件

  1.1先进控制算法的软件实现

  目前已有许多较为成熟的先进控制算法,如神经网络算法、滑膜变结构控制算法、先进的PID控制算法、模糊自适应控制算法等。每一种算法都有其最基础的数学模型,但应用到电力系统中则需要使用计算机等数字技术。目前较常用的可集成控制算法的芯片包括ARM、DSP、STM32、PLC等。运用一门计算机语言,完成先进控制算法的代码化,实现可重复运行,是算法迈向软件智能化的必要过程。目前,算法工程师主要使用的计算机编程语言包括C、C#、C++、JAVA、Python、MATLAB等。其中C为面向过程的编程语言,在协处理器、微控制器中应用最广。MATLAB作为一种功能齐全,代码运行高效的矩阵运算环境,已在电力系统、电子系统及其仿真应用中广泛使用。代码的实现依赖于其集成编译与开发环境,常用的C、C#、C++开发环境为VisualStudioC++,该环境可方便地实现C语言的编写,并可设计可在Windows上直接运行的可执行程序。JAVA语言常用eclipse开发环境,通过各种插件技术实现人机界面的设计开发。Python和MATLAB均有其设计环境,用户可根据需要下载安装响应版本。

  1.2人机交互界面

  友好的人机交互界面设计是智能化电力系统中不可或缺的组成部分,交互界面作为人机对话的主要接口,方便了操作人员与智能控制系统的沟通。目前,人机交互界面的设计环境已有许多,如与西门子PLC相关的WINCC界面开发环境,与STM32相关的STemWin界面开发环境[5],与Windows相关的VisualStudio界面开发环境,与JAVA语言相关的AndroidStudio和eclipse界面开发环境,基于MATLAB的GUI界面开发环境等。1.3多任务并行处理多任务并行处理是电力系统智能化的重要基础手段。多任务并行处理依赖于操作系统,常用的系统有Windows、Linux、FreRTOS、UCOS等。其中FreRTOS和UCOS体积小巧,程序简洁,常应用在嵌入式处理器和单片机中。嵌入式Windows系统较家用Windows系统体积更小,主要应用于工业控制计算机,如数控机床控制系统。搭载了操作系统后,开发者可方便地设计人机界面、增强处理器的处理性能。

  2智能化硬件

  2.1特种IC芯片

  特种IC芯片是指能够完成某种特定功能的处理单元。由于智能的控制算法常通常以代码的形式形成软件或可执行程序,而软件的运行需一定的CPU和运行内存,且其运行需要足够的时间。特种IC芯片可将算法硬件化,这样便解放CPU,使得算法能够独立运算,从而减少CPU运算时间,同时降低功耗。某些特殊电路亦可设计为特种IC芯片,如功率放大电路、运算放大电路、三极管组合电路等。如图1所示的基于D2822A的功率放大电路[6]。

  2.2智能算法电路

  每一种算法都有其基本的数学模型,将算法的数学模型使用电子电路技术来实现,即可将算法的运算使用电路中的电压、电流、功率等电参数来模拟,算法电路化可降低程序的复杂度,提高计算时间,并不影响最终的结果。如华为通信技术公司推出了包含了神经网络处理单元(NPU)的麒麟处理器,这使得芯片对图像的处理速度加快,同时又降低了能耗。在电力系统智能故障诊断研究中,已实现了多种先进诊断算法的智能识别和判断。基于这些智能算法设计出相应的IC芯片或电路,可应用于局部电力系统的故障诊断与排除中。如可将诊断设备安装在电力系统的重要位置,在发生故障时及时切断电路,保护用电设备。

  2.3物联网技术

  物联网将末端设备和服务器进行连接,末端设备包括各种类型的传感器、移动设备、工业系统、家庭智能设施、监控系统、车辆等,通过各种无线或有线的通讯网络实现互联互通。物联网包括了三相关键技术:传感器技术,把模拟信号转换成数字信号处理;RFID标签技术,融合无线射频技术和嵌入式技术,应用于自动识别、物品物流管理等;嵌入式系统技术,综合计算机、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术。在电力系统中,可将许多用电设备进行物联,如电参数监测设备、电力系统诊断设备、电力系统保护设备等,使得电力系统更加智能高效地运行。随着5G技术的普及,通信技术的持续改进,为电力系统智能化发展提供坚实基础。

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  3结束语

  电力系统是由各种电设备组成的有机系统。电力系统中的智能化技术包括了软件智能化和硬件智能化。软件智能和硬件智能均在持续发展,电力系统的先进控制系统、智能故障诊断方法等仍有待进一步研究,最终实现硬件化。随着科技的发展,电力系统将向着更加智能高效的方向迈进。——论文作者:杨帆

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