智能電器的研究背景及意義
 
1.智能電器的研究背景
 
數(shù)字化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的需求，對(duì)電力能源的安全可靠、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)的要求越來越高。
 
為了發(fā)展清潔能源、應(yīng)對(duì)氣候變化、保障能源安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，智能電網(wǎng)成為國(guó)際電力工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。
 
近年來，我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)加速發(fā)展，以及”物聯(lián)網(wǎng)“、“大數(shù)據(jù)”和“能源互聯(lián)網(wǎng)”等概念的興起，進(jìn)一步推動(dòng)了智能電器的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)革新。
 
2.智能電器的研究意義
 
智能電網(wǎng)技術(shù)的基本特征是信息化、自動(dòng)化和和互動(dòng)化，最終實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。
 
智能電器是智能電網(wǎng)構(gòu)成中非常重要的組成部分，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)的需要，同時(shí)也是電力設(shè)備自身性能提高的要求，發(fā)展智能電器成為必然。
 
智能電器就是將信息技術(shù)融合到傳統(tǒng)電器之中，在開放和互聯(lián)的信息模式基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高電器的性能指標(biāo)以及自身的可靠性和安全性，為智能電網(wǎng)的運(yùn)行控制提供更加完善和豐富的數(shù)字化信息，進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體性能。
 
智能電器的內(nèi)涵和技術(shù)特征
 
1.智能電器的內(nèi)涵
 
智能電器完成基本職能過程中的智能感知、判斷與執(zhí)行功能;智能電器的智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)與壽命評(píng)估功能;智能電器具有交互和互動(dòng)能力，運(yùn)行過程中對(duì)電網(wǎng)和環(huán)境友好。
 
2.智能電器的主要技術(shù)特征
 
特征1：參量獲取和處理數(shù)字化
 
智能電器能夠?qū)崟r(shí)地獲取各種運(yùn)行和狀態(tài)參量并進(jìn)行數(shù)字化處理、存儲(chǔ)和傳遞，這其中包括電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制中需要獲取的電壓、電流等各種電參量，以及反映電力設(shè)備自身狀態(tài)的各種電、熱、磁、光、位移、速度、振動(dòng)、放電等物理量。
 
特征2：自我監(jiān)測(cè)與診斷能力
 
智能電器具有自我監(jiān)測(cè)與診斷能力，可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)各種涉及設(shè)備狀況和安全運(yùn)行所必須的物理量，同時(shí)對(duì)這些物理量進(jìn)行計(jì)算和分析，掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況以及故障點(diǎn)與發(fā)生原因，據(jù)此評(píng)估設(shè)備的劣化趨勢(shì)和剩余壽命，并適時(shí)地進(jìn)行預(yù)警。
 
特征3：自適應(yīng)控制能力、決策優(yōu)化
 
智能電器在智能感知基礎(chǔ)上，采用優(yōu)化控制技術(shù)，能夠根據(jù)實(shí)際工作的環(huán)境與工況對(duì)其操作過程進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使得所實(shí)現(xiàn)的控制過程和狀態(tài)是最優(yōu)的，從而進(jìn)一步提高電器自身的性能指標(biāo)，并在很大程度上節(jié)約原材料和減少運(yùn)行能耗。
 
特征4：信息交互能力、環(huán)境友好
 
智能電器具備數(shù)字化接口，其內(nèi)部信息能夠高效地進(jìn)行傳播與交互，實(shí)現(xiàn)信息高度共享，進(jìn)而能夠主動(dòng)地與其他設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體優(yōu)化。其在運(yùn)行過程中，不產(chǎn)生影響智能電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的干擾，設(shè)備的使用不影響自然環(huán)境。
 

　　智能電器關(guān)鍵技術(shù)的研究與進(jìn)展

　　1.智能操作技術(shù)

　　(1)低壓電器智能操作

　　利用電磁斥力提高開關(guān)電器剛分速度。斥力分閘永磁操作機(jī)構(gòu)如圖所示，依靠電磁斥力，可達(dá)到提高觸頭分閘速度、降低觸頭材料損耗的目的;在分閘末期時(shí)，工作氣隙達(dá)到最大，電磁力降到最低，機(jī)械碰撞強(qiáng)度也達(dá)到最小，從而提高了操作機(jī)構(gòu)的可靠性。

　　利用變電流實(shí)現(xiàn)吸力與反力特性配合。閉合階段在線圈上通過較大電流，以產(chǎn)生較大的吸力，逐漸減小輸入電壓脈沖的占空比，使線圈中的電流逐漸減小;吸持階段保持線圈電壓較低，使電流維持在保持電流的水平。

　　(2)永磁操作技術(shù)

　　(3)高壓電器智能操作

　　基于操作特性等因素對(duì)電器介質(zhì)恢復(fù)過程的影響規(guī)律，采用不同的分閘速度特性和同步控制等方法，實(shí)現(xiàn)了高壓電器的智能操作。

　　2.智能感知與診斷技術(shù)

　　(1)新型電流傳感理論與技術(shù)

　　研究背景：線路電流的檢測(cè)是電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，更是各種繼電保護(hù)設(shè)備賴以工作的基礎(chǔ);電力系統(tǒng)電流的測(cè)量具有一定的特殊性，通常被測(cè)對(duì)象的電壓等級(jí)高、負(fù)載電流大，要求傳感器的量程寬、測(cè)量精度高，且具有較快的動(dòng)態(tài)跟蹤能力;傳統(tǒng)電流互感器的絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、充油易爆炸、鐵芯易飽和、體積大耗費(fèi)材料多，存在明顯的不足。

　　研究的三個(gè)階段：?jiǎn)蝹€(gè)磁傳感器的輸出與電流建立簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系;用盡可能多的磁傳感器環(huán)繞于電流周圍，應(yīng)用安培環(huán)路定律建立磁場(chǎng)與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系;用合理的傳感器拓?fù)洌ㄟ^對(duì)多傳感器輸出信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在排除干擾的同時(shí)建立磁場(chǎng)與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　研究?jī)?nèi)容：核心問題是不同的陣列拓?fù)湎麓艌?chǎng)與產(chǎn)生它的電流之間的映射關(guān)系，以及磁場(chǎng)-電流反演算法。

　　(2)絕緣狀態(tài)感知

　　研制高精密交流泄漏電流傳感器，該傳感器對(duì)開關(guān)電器交流泄漏電流信號(hào)的提取精度達(dá)到1μA，測(cè)量范圍達(dá)1μA-2mA。

　　(3)非接觸溫度測(cè)量

　　利用紅外測(cè)溫探頭輸出的電壓信號(hào)與被測(cè)物體溫度及環(huán)境溫度之間的變化規(guī)律，研究環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，解決環(huán)境溫度對(duì)被測(cè)物體溫度輸出信號(hào)的影響。

　　(4)主要現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)分析

　　應(yīng)用基于滑動(dòng)時(shí)間窗的短時(shí)能量分析方法，研究了開關(guān)電器合閘同期性的檢測(cè)方法。

　　研究基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能電器診斷方法。對(duì)傳統(tǒng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用于智能電器的狀態(tài)診斷。

　　3.智能電器的可重構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

　　(1)智能電器專用集成電路可重構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)

　　基于智能電器的功能需求，建立智能電器通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為智能電器的設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)解決方案。

　　開發(fā)基于智能電器專用集成電路的可重構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立實(shí)現(xiàn)智能操作、狀態(tài)檢測(cè)、保護(hù)、自診斷等關(guān)鍵算法庫(kù)，開發(fā)智能電器專用集成電路故障診斷測(cè)試系統(tǒng)。

　　軟裝配技術(shù)、可重構(gòu)技術(shù)

　　目前成套電器生產(chǎn)為非標(biāo)化生產(chǎn)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率低;產(chǎn)品適應(yīng)性差;產(chǎn)品功能集程度低。

　　“軟裝配”技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)在線編程方法實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)技術(shù)。它是成套電器在完成標(biāo)準(zhǔn)化硬件裝配之后，實(shí)現(xiàn)不同功能要求的二次裝配技術(shù)。

　　利用“軟裝配”技術(shù)生產(chǎn)成套電器時(shí)，設(shè)計(jì)、安裝可按照統(tǒng)一規(guī)格進(jìn)行，再利用計(jì)算機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)編程方法在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行功能裝配。標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)過程降低了成本，且能方便、靈活地實(shí)現(xiàn)各種功能。

　　(2)智能電器專用集成電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)任務(wù)性質(zhì)，專用集成電路內(nèi)部劃分為四級(jí)空間、時(shí)間并行結(jié)構(gòu)，正確的時(shí)空并行劃分，有效地提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力。

　　專用集成電路內(nèi)部由若干IP核構(gòu)成，采用總線連接各個(gè)模塊。基于IP的專用集成電路很大程度上減輕設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間,片內(nèi)總線使連接關(guān)系、數(shù)據(jù)組織更加規(guī)范。

　　(3)智能電器專用集成電路的應(yīng)用

　　采用設(shè)計(jì)開發(fā)的專用集成電路開發(fā)了多種智能電器產(chǎn)品，包括中壓繼電保護(hù)單元、智能接觸器等。

　　4.智能電器的電磁兼容

　　(1)研究背景

　　隨著強(qiáng)電弱電系統(tǒng)一體化的趨勢(shì)，在強(qiáng)、弱電系統(tǒng)共存的有限空間內(nèi)，產(chǎn)生于一次回路切換操作的暫態(tài)干擾，一方面以傳導(dǎo)形式的干擾作用于前端傳感器，同時(shí)以電弧輻射源的近場(chǎng)耦合方式直接作用于弱電單元。

　　(3)研究?jī)?nèi)容

　　干擾源的測(cè)量研究：建立了簡(jiǎn)化的斷路器分?jǐn)噙^程試驗(yàn)電路，對(duì)分?jǐn)噙^程中的高頻暫態(tài)電流以及空間暫態(tài)電、磁場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，研究發(fā)現(xiàn)，電弧暫態(tài)過程的各電磁量頻譜密切相關(guān)，且集中分布于若干主導(dǎo)頻率。

　　信號(hào)完整性和電源完整性的建模研究：信號(hào)完整性和電源完整性是智能電器EMC性能分析中的核心問題。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于該問題的仿真建模，對(duì)關(guān)鍵信號(hào)連線進(jìn)行仿真，避免智能電器關(guān)鍵連線被干擾。在電源完整性方面，通過測(cè)試與彷真計(jì)算找到最佳的解耦電容放置處，使電源網(wǎng)絡(luò)的諧振區(qū)遠(yuǎn)離器件的工作頻率。

　　5.新型儲(chǔ)能技術(shù)研究

　　儲(chǔ)能裝置的接入對(duì)電網(wǎng)的影響主要包括以下幾個(gè)方面：確保大電網(wǎng)的安全性和可靠性;提高新能源的上網(wǎng)比例和接入電網(wǎng)的安全性;削峰填谷;增加供電可靠性，提高電能質(zhì)量。

　　(1)新型液態(tài)金屬電池概述

　　目前沒有一種儲(chǔ)能方式能滿足電力系統(tǒng)與應(yīng)用所希望的大規(guī)模、高容量、低成本、長(zhǎng)壽命的這一需求，液態(tài)金屬電池具有目前其他儲(chǔ)能技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　高倍率、大電流充放電能力，超強(qiáng)的過載能力：實(shí)驗(yàn)室測(cè)試證明其可允許的充放電電流密度約為0.4~1.2A/cm2。具備了超強(qiáng)過載能力，過充過放能力強(qiáng)，超出電流范圍不會(huì)對(duì)電池造成危害。

　　成本低：電池成本很低，非常適合電網(wǎng)儲(chǔ)能的需要。

　　運(yùn)行壽命長(zhǎng)：實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，在1000個(gè)循環(huán)內(nèi)電池容量?jī)H損失3%，以每日充放電一次(1循環(huán))估算，電池約可穩(wěn)定運(yùn)行19年。

　　(2)新型液態(tài)金屬電池概述

　　液態(tài)金屬電池與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

　　(3)目前研究工作進(jìn)展

　　電池的原理研究和單體電池的制作：研究不同的金屬組成，設(shè)計(jì)了液態(tài)金屬電池，并完成了單體電池的制作。

　　單體電池的測(cè)試：對(duì)單體電池進(jìn)行了充放電的測(cè)試和循環(huán)壽命測(cè)試，目前電池單體的額定電流為20A(可提高到50A)，庫(kù)侖效率超過95%，循環(huán)壽命已超過1000次,且電池的性能沒有任何變化。

　　電池組的測(cè)試：電池組測(cè)試充放電效率95-99%，能量效率約為70%，已穩(wěn)定運(yùn)行200個(gè)循環(huán)。

　　充放電策略與實(shí)現(xiàn)技術(shù)：根據(jù)單體電池的性能，提出了一種恒流、恒壓模式的充電策略，并開展了寬輸入逆變器設(shè)計(jì)。

　　開展了液態(tài)金屬電池參數(shù)在線監(jiān)測(cè)理論與技術(shù)研究，研究設(shè)計(jì)并完成了電池的在線監(jiān)測(cè)。

　　kW級(jí)儲(chǔ)能演示系統(tǒng)的開發(fā)：完成了kW級(jí)演示儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括電池組、控制管理單元、檢測(cè)單元等。

　　(4)液態(tài)金屬電池構(gòu)建大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　根據(jù)液態(tài)金屬電池的電特性，設(shè)計(jì)了一種用來構(gòu)建大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案。

　　6.新型智能電器

　　(1)電弧故障斷路器(AFCI)研究背景

　　電氣火災(zāi)年均起數(shù)約占火災(zāi)年均總起數(shù)的26%，防止漏電或者電弧故障引起的火災(zāi)，引起人們?nèi)找嬷匾?傳統(tǒng)斷路器不能保護(hù)家庭用電中的低壓電弧故障，僅  2~10A的電弧電流就可以產(chǎn)生2000~4000℃的局部高溫，0.5A的電弧電流就足以引起火災(zāi)，這些小電流是不足以引起過流過載保護(hù)電路斷開電路;  必須對(duì)智能電器進(jìn)行功能拓展，監(jiān)測(cè)故障電弧，開發(fā)電弧故障斷路器(AFCI)。

　　(2)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　美國(guó)在《國(guó)家電力規(guī)范 (NEC)》210.12部分中增加了一款規(guī)定,  要求在家庭電路中安裝AFCI，新增的這款規(guī)定自2002年生效;在AFCI研究方面GE公司，德州儀器公司，伊頓公司，法國(guó)施耐德公司、德國(guó)西門子公司進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的研究，并開發(fā)、生產(chǎn)了AFCI產(chǎn)品;在國(guó)內(nèi)，對(duì)電弧檢測(cè)和保護(hù)的研究相對(duì)起步較晚，無論是理論還是實(shí)際轉(zhuǎn)換成的產(chǎn)品，都落后于國(guó)外。

　　(3)研究情況

　　設(shè)計(jì)低壓故障電弧實(shí)驗(yàn)電路;檢測(cè)并利用頻譜、短時(shí)能量等數(shù)學(xué)手段分析故障電弧電流、電壓信號(hào)以區(qū)別正常工作的電流、電壓信號(hào);開發(fā)新型保護(hù)設(shè)備—電弧故障斷路器(AFCI)。

　　(4)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電器產(chǎn)生的影響(以高壓電器為例)

　　網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)在智能化電器產(chǎn)品中的重要性：網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成電力自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“四遙”或“五遙”的基本環(huán)節(jié)和紐帶;網(wǎng)絡(luò)是電器智能化功能延伸的基礎(chǔ)。

　　較為理想的網(wǎng)絡(luò)要求是：采用對(duì)等方式組成網(wǎng)絡(luò)，可方便實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間的直接數(shù)據(jù)交換;有效數(shù)據(jù)的傳遞速度要大于1Mbps;傳遞延遲時(shí)間小于5ms;應(yīng)采用短幀傳輸，最大傳輸數(shù)據(jù)量應(yīng)加以限制;適應(yīng)用電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)頻繁交換的特點(diǎn)。

　　目前由網(wǎng)絡(luò)所能體現(xiàn)出的特有智能化功能還很少。

　　網(wǎng)絡(luò)母線保護(hù)：母線差動(dòng)保護(hù)的不足;可利用每一進(jìn)出線設(shè)備上智能化電器測(cè)出的數(shù)據(jù)直接判定出故障所處位置，從而實(shí)現(xiàn)智能保護(hù);網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)必須有一定高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)支持，它是形成網(wǎng)絡(luò)功能的核心和基礎(chǔ);協(xié)議形式要簡(jiǎn)單化(元件多樣)。

　　總結(jié)與展望

　　智能電器的發(fā)展趨勢(shì)：

　　1)智能電器繼續(xù)向高性能、小型化、智能化、高可靠、綠色環(huán)保、系列簡(jiǎn)潔方向發(fā)展，以更好適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展需要。

　　2)應(yīng)用新型電力電子器件和超導(dǎo)新材料，開發(fā)電網(wǎng)友好、環(huán)境友好的智能電器，節(jié)約原材料和降低運(yùn)行功耗，減少對(duì)環(huán)境的污染。

　　3)融合多種傳感器技術(shù)，適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)匯聚、發(fā)掘利用和信息資源共享，為用戶提供雙向互動(dòng)服務(wù)。

　　4)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式從單個(gè)智能電器元件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺南到y(tǒng)發(fā)展和功能融合角度去考慮構(gòu)建智能電器系統(tǒng)，提供整體解決方案，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。

　　5)面向可再生能源領(lǐng)域的需求，研發(fā)適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)的潮流隨機(jī)變動(dòng)、特殊保護(hù)方式的專用新型智能電器。

　　隨著二十余年的研究開發(fā)，智能電器已經(jīng)在理論與關(guān)鍵技術(shù)的研究上取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，并產(chǎn)生大量研究成果和眾多的新型智能電器產(chǎn)品。

　　未來隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和電網(wǎng)形式的不斷變化，以及各種技術(shù)的快速進(jìn)步，智能電器一定會(huì)在更大的領(lǐng)域和空間得到充分發(fā)展和應(yīng)用。