电气工程中的自动化设备与控制系统研究

引言

在能源革命与智能制造浪潮的推动下，电气工程领域正加速向自动化、智能化转型。自动化设备与控制系统作为提升电力生产效率、保障系统安全稳定运行的核心要素，其技术革新对能源产业升级、工业数字化转型具有关键意义。

一、电气工程自动化基础理论

1.1 电气工程核心概念

电气工程以电能的生产、传输、转换和利用为核心，其体系架构涵盖发电、输电、变电、配电与用电五大环节。在发电领域，火力、水力、风力及太阳能等不同发电方式通过发电机将其他形式的能量转换为电能。输电环节依托高压输电线路，将电能以低损耗、高效率的方式远距离输送，变电过程通过变压器调整电压等级，保障电能适配不同用电需求。

1.2 自动化控制基础理论

自动化控制以反馈机制为核心，分为开环控制与闭环控制。开环控制依据预设指令执行任务，如洗衣机按固定程序完成洗涤流程，但缺乏对实际状态的反馈调整；闭环控制则通过传感器实时采集系统输出信号，与设定值对比后调整控制策略。控制算法是实现自动化控制的关键工具。

1.3 自动化设备与控制系统的关联逻辑

设备自动化为电气工程自动化系统提供了硬体支持，其中传感器起到的作用就是电气工程自动化系统中的感知器，感知电气系统中的电流、电压、温度等物理量；执行机构例如电机、电磁阀等设备就起到了与人的机体相类似的作用，根据电气工程自动化中的控制机构发出的指令，执行各种机器的动作。控制系统对自动化设备运行进行优化控制。通过分析电气系统传感器中的数据结果，形成电气工程自动化系统中的控制机构，并据此发送准确控制命令，对电气设备进行有效、安全的运行。对于工业自动化生产机器来说，其中电气设备运行都是由PLC 控制器进行统筹，通过 PLC 控制器内部的预设程序结合实时的监测程序对电气设备进行统筹，协调控制机器臂、机器传送设备等相互的有序运动，以求保证生产节奏与产品质量。

二、电气工程自动化设备类型与功

2.1 电力生产与传输自动化设备

在电力生产的输电环节，自动化装置是确保智能电能表、用电信息采集装置实现作为电力分配和使用的重点设备之一。智能电能表的广泛应用基于微电子技术和通讯技术，实现了双侧的计量和远程的抄表；同时也通过计量能进行分段的阶梯电费的电费计算方式。在智能电能表的基础上可以实现预付费的控制，在余量缺乏时就能预示报警，欠费可以自动拉闸断电，优化用户电费的收取力度和科学用电的能力。

2.2 智能电表与用电信息采集终端

智能电表与主站之间传输通道是用电信息采集终端，它统一采集辖区内智能电表的用电信息，利用 GPRS、光纤等通信通道将智能电表采集上来的海量用电信息进行汇总、整理和分析处理，形成负荷曲线、电能质量分析等数据结果，为电网调度和信息的下发提供数据支持。采集终端在居民小区每天会定时采集每一只智能电表的用电信息，并分析总结其用电高峰时间，从而能对辖区的配电网络进行整体规划、扩建、排布，使得电网负荷不超出某一区域，并对各节点实施分流，这样能避免局部过流和无规则的配电，这就能减少不必要的设备和无用的投资。

2.3 工业自动化生产线电气设备

实施智能制造的基础载体是工业自动化生产线电气设备。PLC 是生产线的“大脑”，通过编程实现对设备的逻辑控制。汽车生产制造生产线中，PLC 可以实现根据预设的程序协调冲压、焊接、涂装、总装等各个工序实现自动运行，合理控制机械手臂运动轨迹和动作次序，保证零部件装配精度。变频器通过改变电机电源频率控制电机的转速，从而实现电机转速的无级变速，应用在传送带、风机和水泵等。

三、电气工程自动化控制系统架构与技术

3.1 控制系统架构分类

电力自动化系统总体构架主要是集中型、分布式系统及现场总线控制系统。集中型构架是一种集中处理所有控制功能的控制器，在这台控制总机上的控制程序编码和指令发布完成对于所有设备的控制工作。许多小型工厂的配电系统都是这个构架，中央控制机是直接连接在断路器、继电器等设备上，简单实现一次启停操作和保护控制功能。但这种构架非常容易出现一下现象：当控制总机故障时，整个系统无法正常运行；而且系统扩展性非常差，没办法满足很多复杂系统的扩展需求。分布式控制系统（DCS）就是利用“分散控制、集中管理”来应对这种集中控制构架的缺点。这种构架是由许多单独控制站构成的系统。

3.2 关键支撑技术

感知层，电流、电压传感器采集电力数据，温度、压力传感器防护设备运行；工业以太网作为高带宽、低延迟特性，搭建控制设备相互高速通信基础；Modbus 通信协议作为可开放通信接口，支持厂商间控制设备互相控制，在工业自动化生产线上保证PLC、变频器等设备正常交互运行。感知层。云计算和边缘计算共同构建数据处理中心。云计算中心，控制中心有大量算力支持对历史负荷数据进行大数据挖掘负荷预测、设备寿命评估等工作；边缘计算负责将处理能力下放，交互至控制设备，在智能变电站中，边服务器实时处理电气量采集的传感器，将数据及时分析，完成故障判断、保护动作，响应时间毫秒级，减轻云端数据计算压力。

3.3 智能控制技术发展

利用人工智能算法渗透控制装置，改变控制方式，即机器学习算法对已积累的运行数据进行分析后优化控制的参数，比如基于强化学习算法的电网无功电压控制可依据负荷变化情况实现电容器的投退。在图像识别技术的帮助下，物联网实现设备联网与智能巡检，比如运用卷积神经网络技术搭建的无人机智能巡检技术，可实现对输电线路中的绝缘子断裂、线夹松弛等情况的自动识别。物联网建设可以构建设备互联互通的智能控制系统，而在智能家居建设中，手机APP 可以帮助人们通过手机 APP 就能实现灯光控制、家电遥控，在工业物联网建设中，设备的运行参数可以实时传输到云平台，而通过数字孪生技术构建的虚拟模型可以用来实现对设备出现的问题的故障预测以及远程控制。

结语

电气工程自动化设备与控制系统的研究与创新，是推动能源与工业领域变革的核心动力。尽管当前面临系统架构局限、技术融合不足等挑战，但随着人工智能、物联网等新兴技术的深度应用，以及产业协同创新的推进，未来将构建起更智能、可靠、高效的自动化体系，为能源可持续发展与制造业转型升级注入强劲动能，重塑电气工程领域发展新格局。

参考文献

[1] 饶勇.PLC 控制技术在电气自动化设备系统中的应用研究[J]. 中国机械,2023,(26):65-68.

[2]杨云.PLC 控制系统在电气自动化设备中的应用探讨[J].电子世界,2021,(22):64-65.