技术报告│智能电器的研究与发展

“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”演讲报告图文版已在“电气技术”微信（微信号：dianqijishu）上陆续发布，请感兴趣的读者扫描下方二维码，进行关注阅读。

演讲人王建华（西安交通大学原党委书记、西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室主任）

（本文根据“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”演讲PPT编辑而成）

一、智能电器的研究背景及意义

1.1智能电器的研究背景

经济和社会的发展和需求，对电力能源的安全可靠优质服务提出越来越高的要求。

为了发展清洁能源、应对气候变化、保障能源安全、促进经济增长，智能电网成为国际电力工业发展的新趋势。

近年来，我国智能电网建设加速发展，以及”物联网“、“大数据”和 “能源互联网”等概念的兴起，进一步推动了智能电器的产业发展和技术革新。

1.2智能电器的研究意义

智能电网技术的基本特征是信息化、自动化和和互动化，最终实现电力资源的配置优化。

智能电器是智能电网中能量流和信息流的控制节点，居于十分重要的位置。为了满足智能电网的需要，同时也是满足电力设备自身性能提高的要求，提高电器的智能化水平成为必然。

智能电器就是将信息技术融合到传统电器之中，在开放和互联的信息模式基础上，进一步提高电器的性能指标以及自身的可靠性和安全性，为智能电网的运行控制提供更加完善和丰富的数字化信息，进而提高系统的整体性能。

二、智能电器的内涵和技术特征

2.1智能电器的内涵

功能实现：感知、判断与智能操作；设备状态：状态监测与寿命评估；系统互动：强大的交互能力，与电网实现友好互动。

2.2智能电器的主要技术特征

特征1：参量获取和处理数字化

能够实地获取各种运行和状态参量并进行数字化处理、存储和传递。主要包括电力系统运行和控制中所需的电压、电流、功率、频率等各种电参量，以及反映电力设备自身状态的电、热、磁、光、位移、速度、振动、放电等物理量。

特征2：自我监测与诊断能力

具有自我监测与诊断能力，可以随时监测各种涉及设备状况和安全运行所必须的物理量，同时对这些物理量进行计算和分析，掌握设备的运行状况以及故障点与发生原因，据此评估设备的劣化趋势和剩余寿命，并适时地进行预警。

特征3：自适应控制能力

在智能感知基础上，采用优化控制技术，根据实际工况对操作过程进行自适应调节，使得所实现的控制过程和状态是最优的，从而进一步提高电器性能指标，并在实现节能降耗和节约材料。

特征4：信息交互能力与环境友好

具备数字化信息接口，其内部信息能够高效地进行传播与交互，实现信息高度共享，进而能够主动地与其他设备进行协调互动，实现系统整体优化。在运行过程中，不产生影响智能电网稳定运行的干扰，环境友好。

三、智能电器关键技术的研究与进展

3.1智能感知与诊断技术

（1）新型电流传感理论与技术

研究背景：线路电流的检测是电力系统运行状况监测的一项重要内容，更是各种继电保护设备赖以工作的基础；

电力系统电流的测量具有一定的特殊性，通常被测对象的电压等级高、负载电流大，要求传感器的量程宽、测量精度高，且具有较快的动态跟踪能力；

传统电流互感器的绝缘结构复杂、充油易爆炸、铁芯易饱和、体积大耗费材料多，存在明显的不足。

国际上该问题研究动态：（研究的三个阶段）单个磁传感器的输出与电流建立简单的对应关系；用尽可能多的磁传感器环绕于电流周围，应用安培环路定律建立磁场与电流的对应关系；用合理的传感器拓扑，通过对多传感器输出信息进行数据处理，在排除干扰的同时建立磁场与电流的对应关系。

研究内容：核心问题是不同的阵列拓扑下磁场与产生它的电流之间的映射关系，以及磁场－电流反演算法。a)在论证测量系统具有线性叠加性质的基础上，引入空间DFT方法，建立了适用于交流和直流、不同母排形状、任意数量母排的阵列测量稳态电流数学模型；b)分析了解的存在性与唯一性，给出存在唯一解的传感器数量和拓扑要求。

数字化光电互感器

光电互感器的优点：无磁饱和、频率响应范围宽、精度高、暂态特性好，可测量谐波和脉冲暂态电压电流；无油设计；高压侧信号通过光纤直接传输到二次设备，绝缘结构简化，降低使用成本；不存在PT二次回路短路或CT二次开路，提高了安全性和可靠性；体积小、重量轻、无污染、无噪声、具有优异的环保性能；能适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要。

光电互感器原理：光电互感器是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压、电流测量的新型测量装置；可分为无源型和有源型两种类型；无源型电流互感器是以法拉第磁光效应为原理设计；有源型电流互感器是以罗柯夫斯基空心线圈为基础，综合利用传统电磁感应原理和光学传输方法解决高压侧供电和隔离而设计制造的装置。

有源式光电互感器的组成：

a）采集器主要功能：电流/电压信号转换，经采样、A/D转换后，由光纤数字传输。它包括：A/D转换及并串转换电路；光电源/线圈取能电路；EO转换/光纤接口。

b)合并器主要功能：接收来各自采集器的光信号，汇总后按照IEC61850的规约对外，提供采集信号；以光能量的方式，为采集器提供工作能源；接收同步光信号，实现采集器之间的采样同步功能。

c)合并器主要结构部件：电源、数据处理电路、激光电源。

（2）绝缘状态感知

研制高精密交流泄漏电流传感器，该传感器对开关电器交流泄漏电流信号的提取精度达到1μA，测量范围达1μA～2mA。

（3）非接触温度测量

利用红外测温探头输出的电压信号与被测物体温度及环境温度之间的变化规律，研究环境温度补偿的关键技术，解决环境温度对被测物体温度输出信号的影响。

（4）主要现场信号分析

应用基于滑动时间窗的短时能量分析方法，研究了开关电器合闸同期性的检测方法。

研究基于人工神经网络的智能电器诊断方法。对传统RBF神经网络算法进行改进，并应用于智能电器的状态诊断。

3.2智能操作技术

（1）低压电器智能操作

利用电磁斥力提高开关电器刚分速度。斥力分闸永磁操作机构如图所示，依靠电磁斥力，可达到提高触头分闸速度、降低触头材料损耗的目的；在分闸末期时，工作气隙达到最大，电磁力降到最低，机械碰撞强度也达到最小，从而提高了操作机构的可靠性。

利用变电流实现吸力与反力特性配合。闭合阶段在线圈上通过较大电流，以产生较大的吸力，逐渐减小输入电压脉冲的占空比，使线圈中的电流逐渐减小；吸持阶段保持线圈电压较低，使电流维持在保持电流的水平。

（2）永磁操作技术

真空断路器永磁机构：电磁铁与永久磁铁有机地结合在一起；输出力特性很接近真空断路器的负载特性, 可直接与真空灭弧室相连；体积较小、零部件少、结构简单，动作可靠性高，动作速度快，时间精确，因此非常适合智能操作的操作机构。

基于燃弧模式可控的真空断路器分闸理论与技术，能够有效地解决高电压大电流开断易于失败的难题。

（3）高压电器智能操作

基于操作特性等因素对电器介质恢复过程的影响规律，采用不同的分闸速度特性和同步控制等方法，实现了高压电器的智能操作。

高压断路器电机操动机构MD for HV circuit breaker

MD高压断路器操动机构

3.3智能电器的可重构设计技术

（1）智能电器专用集成电路可重构设计平台

基于智能电器的功能需求，建立智能电器通用拓扑结构，为智能电器的设计提供了系统解决方案。

开发基于智能电器专用集成电路的可重构设计平台，建立实现智能操作、状态检测、保护、自诊断等关键算法库，开发智能电器专用集成电路故障诊断测试系统。

软装配技术、可重构技术：目前成套电器生产为非标化生产，产品的设计和生产效率低；产品适应性差；产品功能集程度低。

“软装配”技术是一种利用计算机在线编程方法实现的标准化生产技术。它是成套电器在完成标准化硬件装配之后，实现不同功能要求的二次装配技术。

利用“软装配”技术生产成套电器时，设计、安装可按照统一规格进行，再利用计算机在现场编程方法在现场进行功能装配。标准化生产过程降低了成本，且能方便、灵活地实现各种功能。

（2）智能电器专用集成电路设计

根据任务性质，专用集成电路内部划分为四级空间、时间并行结构，正确的时空并行划分，有效地提高了系统数据处理能力。

专用集成电路内部由若干IP核构成，采用总线连接各个模块。基于IP的专用集成电路很大程度上减轻设计的复杂度和设计所需要的时间,片内总线使连接关系、数据组织更加规范。

（3）智能电器专用集成电路的应用

采用设计开发的专用集成电路开发了多种智能电器产品，包括中压继电保护单元、智能接触器等。

3.4智能电器的电磁兼容

（1）研究背景：随着强电弱电系统一体化的趋势，在强、弱电系统共存的有限空间内，产生于一次回路切换操作的暂态干扰，一方面以传导形式的干扰作用于前端传感器，同时以电弧辐射源的近场耦合方式直接作用于弱电单元。

（2）研究思路：电磁兼容性能的预测－工程应用基础研究

（3）研究内容

干扰源的测量研究：建立了简化的断路器分断过程试验电路，对分断过程中的高频暂态电流以及空间暂态电、磁场进行了实际测量，研究发现，电弧暂态过程的各电磁量频谱密切相关，且集中分布于若干主导频率。

信号完整性和电源完整性的建模研究：信号完整性和电源完整性是智能电器EMC性能分析中的核心问题。将实验测量技术应用于该问题的仿真建模，对关键信号连线进行仿真，避免智能电器关键连线被干扰。在电源完整性方面，通过测试与彷真计算找到最佳的解耦电容放置处，使电源网络的谐振区远离器件的工作频率。

3.5新型智能电器

（1）电弧故障断路器（AFCI）

研究背景：电气火灾年均起数约占火灾年均总起数的26%，防止漏电或者电弧故障引起的火灾，引起人们日益重视；传统断路器不能保护家庭用电中的低压电弧故障，仅2A—10A的电弧电流就可以产生2000℃—4000℃的局部高温，0.5A的电弧电流就足以引起火灾，这些小电流是不足以引起过流过载保护电路断开电路；必须对智能电器进行功能拓展，监测故障电弧，开发电弧故障断路器(AFCI)。

国内外研究现状：美国在《国家电力规范（NEC）》210.12部分中增加了一款规定，要求在家庭电路中安装AFCI，新增的这款规定自2002年生效；在AFCI研究方面GE公司，德州仪器公司，伊顿公司，法国施耐德公司、德国西门子公司进行较长时间的研究，并开发、生产了AFCI产品；在国内，对电弧检测和保护的研究相对起步较晚，无论是理论还是实际转换成的产品，都落后于国外。

研究情况：设计低压故障电弧实验电路；检测并利用频谱、短时能量等数学手段分析故障电弧电流、电压信号以区别正常工作的电流、电压信号；开发新型保护设备—电弧故障断路器（AFCI）。

（2）选相投切高压真空断路器（智能操作）

额定工作电压：126kV-363kV；额定开断电流：40kA；故障电流开断：多断口串联型，快速斥力机构，电流过零前2ms触头打开，电流过零时刻触头达到最大开距；合闸选相，最大限度减少直流分量或涌流；空载变压器投切，根据变压器剩磁选择关合相角，最大限度减小涌流。

（3）直流开断技术（智能操作）

主要需求和发展方向：多端高压直流输电网络、城市直流配电网、太阳能电力系统、船舶直流电力系统、牵引变电站系统（轨道交通）。

主要技术难点：直流电流没有自然过零点、开断过程中需要耗散数十兆焦甚至更大的能量、直流短路电流上升速度提高8-10倍、短路故障切除时间开断缩短20-30倍。

主要技术路线：制造电流零点（根据工况判断决定动作电流）、电流快速转移、超导限流+快速开断、断口绝缘介质快速恢复、电能吸收与耗散（机械开关的直流无弧开断）。

例1：基于人工过零的模块式高压真空直流开断方案

例2：桥式电流转移开断方案

例3：高压直流快速开关

（4）网络环境下的电器控制（以高压电器为例）

（5）智能电器构成的网络母线保护

（6）网络技术对电器产品的影响

网络化技术在智能化电器产品中的重要性：网络是构成电力自动化系统，实现“四遥”或“五遥”的基本环节和纽带；网络是电器智能化功能延伸的基础。

较为理想的网络要求是：采用对等方式组成网络，可方便实现各节点间的直接数据交换；有效数据的传递速度要大于1Mbps；传递延迟时间小于5ms；应采用短帧传输，最大传输数据量应加以限制；适应用电力系统数据频繁交换的特点。目前由网络所能体现出的特有智能化功能还很少。

（7）智能电器技术发展方向

四、总结与展望

智能电器的发展趋势

随着二十余年的研究开发，智能电器已经在理论与关键技术的研究上取得长足的进步，并产生大量研究成果和众多的新型智能电器产品。

未来随着能源结构的调整和电网形式的不断变化，以及各种技术的快速进步，智能电器一定会在更大的领域和空间得到充分发展和应用。