技術報告│智能電器的研究與發展

“2016第三屆軌道交通供電系統技術大會”演講報告圖文版已在“電氣技術”微信（微信号：dianqijishu）上陸續發布，請感興趣的讀者掃描下方二維碼，進行關注閱讀。

演講人王建華（西安交通大學原黨委書記、西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室主任）

（本文根據“2016第三屆軌道交通供電系統技術大會”演講PPT編輯而成）

一、智能電器的研究背景及意義

1.1智能電器的研究背景

經濟和社會的發展和需求，對電力能源的安全可靠優質服務提出越來越高的要求。

為了發展清潔能源、應對氣候變化、保障能源安全、促進經濟增長，智能電網成為國際電力工業發展的新趨勢。

近年來，我國智能電網建設加速發展，以及”物聯網“、“大數據”和 “能源互聯網”等概念的興起，進一步推動了智能電器的産業發展和技術革新。

1.2智能電器的研究意義

智能電網技術的基本特征是信息化、自動化和和互動化，最終實現電力資源的配置優化。

智能電器是智能電網中能量流和信息流的控制節點，居于十分重要的位置。為了滿足智能電網的需要，同時也是滿足電力設備自身性能提高的要求，提高電器的智能化水平成為必然。

智能電器就是将信息技術融合到傳統電器之中，在開放和互聯的信息模式基礎上，進一步提高電器的性能指标以及自身的可靠性和安全性，為智能電網的運行控制提供更加完善和豐富的數字化信息，進而提高系統的整體性能。

二、智能電器的内涵和技術特征

2.1智能電器的内涵

功能實現：感知、判斷與智能操作；設備狀态：狀态監測與壽命評估；系統互動：強大的交互能力，與電網實現友好互動。

2.2智能電器的主要技術特征

特征1：參量獲取和處理數字化

能夠實地獲取各種運行和狀态參量并進行數字化處理、存儲和傳遞。主要包括電力系統運行和控制中所需的電壓、電流、功率、頻率等各種電參量，以及反映電力設備自身狀态的電、熱、磁、光、位移、速度、振動、放電等物理量。

特征2：自我監測與診斷能力

具有自我監測與診斷能力，可以随時監測各種涉及設備狀況和安全運行所必須的物理量，同時對這些物理量進行計算和分析，掌握設備的運行狀況以及故障點與發生原因，據此評估設備的劣化趨勢和剩餘壽命，并适時地進行預警。

特征3：自适應控制能力

在智能感知基礎上，采用優化控制技術，根據實際工況對操作過程進行自适應調節，使得所實現的控制過程和狀态是最優的，從而進一步提高電器性能指标，并在實現節能降耗和節約材料。

特征4：信息交互能力與環境友好

具備數字化信息接口，其内部信息能夠高效地進行傳播與交互，實現信息高度共享，進而能夠主動地與其他設備進行協調互動，實現系統整體優化。在運行過程中，不産生影響智能電網穩定運行的幹擾，環境友好。

三、智能電器關鍵技術的研究與進展

3.1智能感知與診斷技術

（1）新型電流傳感理論與技術

研究背景：線路電流的檢測是電力系統運行狀況監測的一項重要内容，更是各種繼電保護設備賴以工作的基礎；

電力系統電流的測量具有一定的特殊性，通常被測對象的電壓等級高、負載電流大，要求傳感器的量程寬、測量精度高，且具有較快的動态跟蹤能力；

傳統電流互感器的絕緣結構複雜、充油易爆炸、鐵芯易飽和、體積大耗費材料多，存在明顯的不足。

國際上該問題研究動态：（研究的三個階段）單個磁傳感器的輸出與電流建立簡單的對應關系；用盡可能多的磁傳感器環繞于電流周圍，應用安培環路定律建立磁場與電流的對應關系；用合理的傳感器拓撲，通過對多傳感器輸出信息進行數據處理，在排除幹擾的同時建立磁場與電流的對應關系。

研究内容：核心問題是不同的陣列拓撲下磁場與産生它的電流之間的映射關系，以及磁場－電流反演算法。a)在論證測量系統具有線性疊加性質的基礎上，引入空間DFT方法，建立了适用于交流和直流、不同母排形狀、任意數量母排的陣列測量穩态電流數學模型；b)分析了解的存在性與唯一性，給出存在唯一解的傳感器數量和拓撲要求。

數字化光電互感器

光電互感器的優點：無磁飽和、頻率響應範圍寬、精度高、暫态特性好，可測量諧波和脈沖暫态電壓電流；無油設計；高壓側信号通過光纖直接傳輸到二次設備，絕緣結構簡化，降低使用成本；不存在PT二次回路短路或CT二次開路，提高了安全性和可靠性；體積小、重量輕、無污染、無噪聲、具有優異的環保性能；能适應電力系統數字化、智能化和網絡化的需要。

光電互感器原理：光電互感器是利用光電子技術和光纖傳感技術來實現電力系統電壓、電流測量的新型測量裝置；可分為無源型和有源型兩種類型；無源型電流互感器是以法拉第磁光效應為原理設計；有源型電流互感器是以羅柯夫斯基空心線圈為基礎，綜合利用傳統電磁感應原理和光學傳輸方法解決高壓側供電和隔離而設計制造的裝置。

有源式光電互感器的組成：

a）采集器主要功能：電流/電壓信号轉換，經采樣、A/D轉換後，由光纖數字傳輸。它包括：A/D轉換及并串轉換電路；光電源/線圈取能電路；EO轉換/光纖接口。

b)合并器主要功能：接收來各自采集器的光信号，彙總後按照IEC61850的規約對外，提供采集信号；以光能量的方式，為采集器提供工作能源；接收同步光信号，實現采集器之間的采樣同步功能。

c)合并器主要結構部件：電源、數據處理電路、激光電源。

（2）絕緣狀态感知

研制高精密交流洩漏電流傳感器，該傳感器對開關電器交流洩漏電流信号的提取精度達到1μA，測量範圍達1μA～2mA。

（3）非接觸溫度測量

利用紅外測溫探頭輸出的電壓信号與被測物體溫度及環境溫度之間的變化規律，研究環境溫度補償的關鍵技術，解決環境溫度對被測物體溫度輸出信号的影響。

（4）主要現場信号分析

應用基于滑動時間窗的短時能量分析方法，研究了開關電器合閘同期性的檢測方法。

研究基于人工神經網絡的智能電器診斷方法。對傳統RBF神經網絡算法進行改進，并應用于智能電器的狀态診斷。

3.2智能操作技術

（1）低壓電器智能操作

利用電磁斥力提高開關電器剛分速度。斥力分閘永磁操作機構如圖所示，依靠電磁斥力，可達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，工作氣隙達到最大，電磁力降到最低，機械碰撞強度也達到最小，從而提高了操作機構的可靠性。

利用變電流實現吸力與反力特性配合。閉合階段在線圈上通過較大電流，以産生較大的吸力，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

真空斷路器永磁機構：電磁鐵與永久磁鐵有機地結合在一起；輸出力特性很接近真空斷路器的負載特性, 可直接與真空滅弧室相連；體積較小、零部件少、結構簡單，動作可靠性高，動作速度快，時間精确，因此非常适合智能操作的操作機構。

基于燃弧模式可控的真空斷路器分閘理論與技術，能夠有效地解決高電壓大電流開斷易于失敗的難題。

（3）高壓電器智能操作

基于操作特性等因素對電器介質恢複過程的影響規律，采用不同的分閘速度特性和同步控制等方法，實現了高壓電器的智能操作。

高壓斷路器電機操動機構MD for HV circuit breaker

MD高壓斷路器操動機構

3.3智能電器的可重構設計技術

（1）智能電器專用集成電路可重構設計平台

基于智能電器的功能需求，建立智能電器通用拓撲結構，為智能電器的設計提供了系統解決方案。

開發基于智能電器專用集成電路的可重構設計平台，建立實現智能操作、狀态檢測、保護、自診斷等關鍵算法庫，開發智能電器專用集成電路故障診斷測試系統。

軟裝配技術、可重構技術：目前成套電器生産為非标化生産，産品的設計和生産效率低；産品适應性差；産品功能集程度低。

“軟裝配”技術是一種利用計算機在線編程方法實現的标準化生産技術。它是成套電器在完成标準化硬件裝配之後，實現不同功能要求的二次裝配技術。

利用“軟裝配”技術生産成套電器時，設計、安裝可按照統一規格進行，再利用計算機在現場編程方法在現場進行功能裝配。标準化生産過程降低了成本，且能方便、靈活地實現各種功能。

（2）智能電器專用集成電路設計

根據任務性質，專用集成電路内部劃分為四級空間、時間并行結構，正确的時空并行劃分，有效地提高了系統數據處理能力。

專用集成電路内部由若幹IP核構成，采用總線連接各個模塊。基于IP的專用集成電路很大程度上減輕設計的複雜度和設計所需要的時間,片内總線使連接關系、數據組織更加規範。

（3）智能電器專用集成電路的應用

采用設計開發的專用集成電路開發了多種智能電器産品，包括中壓繼電保護單元、智能接觸器等。

3.4智能電器的電磁兼容

（1）研究背景：随着強電弱電系統一體化的趨勢，在強、弱電系統共存的有限空間内，産生于一次回路切換操作的暫态幹擾，一方面以傳導形式的幹擾作用于前端傳感器，同時以電弧輻射源的近場耦合方式直接作用于弱電單元。

（2）研究思路：電磁兼容性能的預測－工程應用基礎研究

（3）研究内容

幹擾源的測量研究：建立了簡化的斷路器分斷過程試驗電路，對分斷過程中的高頻暫态電流以及空間暫态電、磁場進行了實際測量，研究發現，電弧暫态過程的各電磁量頻譜密切相關，且集中分布于若幹主導頻率。

信号完整性和電源完整性的建模研究：信号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。将實驗測量技術應用于該問題的仿真建模，對關鍵信号連線進行仿真，避免智能電器關鍵連線被幹擾。在電源完整性方面，通過測試與彷真計算找到最佳的解耦電容放置處，使電源網絡的諧振區遠離器件的工作頻率。

3.5新型智能電器

（1）電弧故障斷路器（AFCI）

研究背景：電氣火災年均起數約占火災年均總起數的26%，防止漏電或者電弧故障引起的火災，引起人們日益重視；傳統斷路器不能保護家庭用電中的低壓電弧故障，僅2A—10A的電弧電流就可以産生2000℃—4000℃的局部高溫，0.5A的電弧電流就足以引起火災，這些小電流是不足以引起過流過載保護電路斷開電路；必須對智能電器進行功能拓展，監測故障電弧，開發電弧故障斷路器(AFCI)。

國内外研究現狀：美國在《國家電力規範（NEC）》210.12部分中增加了一款規定，要求在家庭電路中安裝AFCI，新增的這款規定自2002年生效；在AFCI研究方面GE公司，德州儀器公司，伊頓公司，法國施耐德公司、德國西門子公司進行較長時間的研究，并開發、生産了AFCI産品；在國内，對電弧檢測和保護的研究相對起步較晚，無論是理論還是實際轉換成的産品，都落後于國外。

研究情況：設計低壓故障電弧實驗電路；檢測并利用頻譜、短時能量等數學手段分析故障電弧電流、電壓信号以區别正常工作的電流、電壓信号；開發新型保護設備—電弧故障斷路器（AFCI）。

（2）選相投切高壓真空斷路器（智能操作）

額定工作電壓：126kV-363kV；額定開斷電流：40kA；故障電流開斷：多斷口串聯型，快速斥力機構，電流過零前2ms觸頭打開，電流過零時刻觸頭達到最大開距；合閘選相，最大限度減少直流分量或湧流；空載變壓器投切，根據變壓器剩磁選擇關合相角，最大限度減小湧流。

（3）直流開斷技術（智能操作）

主要需求和發展方向：多端高壓直流輸電網絡、城市直流配電網、太陽能電力系統、船舶直流電力系統、牽引變電站系統（軌道交通）。

主要技術難點：直流電流沒有自然過零點、開斷過程中需要耗散數十兆焦甚至更大的能量、直流短路電流上升速度提高8-10倍、短路故障切除時間開斷縮短20-30倍。

主要技術路線：制造電流零點（根據工況判斷決定動作電流）、電流快速轉移、超導限流+快速開斷、斷口絕緣介質快速恢複、電能吸收與耗散（機械開關的直流無弧開斷）。

例1：基于人工過零的模塊式高壓真空直流開斷方案

例2：橋式電流轉移開斷方案

例3：高壓直流快速開關

（4）網絡環境下的電器控制（以高壓電器為例）

（5）智能電器構成的網絡母線保護

（6）網絡技術對電器産品的影響

網絡化技術在智能化電器産品中的重要性：網絡是構成電力自動化系統，實現“四遙”或“五遙”的基本環節和紐帶；網絡是電器智能化功能延伸的基礎。

較為理想的網絡要求是：采用對等方式組成網絡，可方便實現各節點間的直接數據交換；有效數據的傳遞速度要大于1Mbps；傳遞延遲時間小于5ms；應采用短幀傳輸，最大傳輸數據量應加以限制；适應用電力系統數據頻繁交換的特點。目前由網絡所能體現出的特有智能化功能還很少。

（7）智能電器技術發展方向

四、總結與展望

智能電器的發展趨勢

随着二十餘年的研究開發，智能電器已經在理論與關鍵技術的研究上取得長足的進步，并産生大量研究成果和衆多的新型智能電器産品。

未來随着能源結構的調整和電網形式的不斷變化，以及各種技術的快速進步，智能電器一定會在更大的領域和空間得到充分發展和應用。