智能電網(wǎng)與智能電器

王建華 耿英三 宋政湘

（西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049）

1 智能電網(wǎng)的概念

電網(wǎng)是現(xiàn)代經(jīng)濟社會的命脈，是國家能源安全的基礎(chǔ)組成部分。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，如何提高電網(wǎng)的安全性和可靠性、建設(shè)綠色能源已經(jīng)成為電力企業(yè)迫切需要研究和解決的重大課題。

為應(yīng)對上述需求，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)開展了以智能電網(wǎng)為核心的研究工作。美國與歐洲已開展相關(guān)研究，并上升到國家戰(zhàn)略層面，研究內(nèi)容包括電力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的升級優(yōu)化、分布式能源和可再生能源的發(fā)展與接入等。美國能源部和電網(wǎng)智能化聯(lián)盟、美國電科院EPRI、歐盟、法國電力公司、ABB公司等是國外主要的研究和實踐單位，它們的工作主要集中在配電和用戶側(cè)。國內(nèi)也開展了智能電網(wǎng)的相關(guān)研究，并在輸電、配用電、新型能源、數(shù)字化變電站和智能化電力設(shè)備等多個方面取得一批具有國際先進水平的科技成果，為智能電網(wǎng)的開展打下了良好的基礎(chǔ)。

智能電網(wǎng)是電網(wǎng)自動化技術(shù)的進一步發(fā)展和提升，是以傳統(tǒng)的電網(wǎng)為平臺，以統(tǒng)一的信息平臺為紐帶，集成現(xiàn)代控制理論、傳感技術(shù)和信息技術(shù)，兼容多種能源，具有自我調(diào)節(jié)和適應(yīng)能力的新型電網(wǎng)。

智能電網(wǎng)涵蓋以下領(lǐng)域及相關(guān)技術(shù)[1]：

（1）發(fā)電領(lǐng)域：主要包括大規(guī)?？稍偕茉础⒎植际侥茉?、光伏發(fā)電等電源的接入和協(xié)調(diào)運行技術(shù)。

（2）輸電領(lǐng)域：包括大電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)、電力電子技術(shù)、輸電線路運行維護技術(shù)、輸電線路狀態(tài)檢修技術(shù)和設(shè)備全壽命周期管理技術(shù)等。

（3）調(diào)度領(lǐng)域：包括大電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析與控制技術(shù)、經(jīng)濟運行技術(shù)、綜合預(yù)警和輔助決策技術(shù)、安全防御技術(shù)等。

（4）變電領(lǐng)域：主要包括變電站信息采集技術(shù)、智能傳感技術(shù)、實時監(jiān)測與狀態(tài)診斷技術(shù)、自適應(yīng)保護技術(shù)、廣域保護技術(shù)、智能電力設(shè)備技術(shù)等。

（5）配電領(lǐng)域：主要包括配電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行與控制、電能質(zhì)量控制、智能配網(wǎng)設(shè)備研究、大規(guī)模儲能、電動汽車變電站等技術(shù)。

（6）用電領(lǐng)域：主要包括高級量測技術(shù)、雙向互動營銷技術(shù)、用戶儲能技術(shù)、用電仿真技術(shù)等。

開關(guān)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，同時也是電力設(shè)備自身性能提高的要求，發(fā)展“智能電器”已經(jīng)成為當(dāng)前的一種趨勢。智能電器就是將信息技術(shù)完美地融合到傳統(tǒng)電器之中，以數(shù)字化信息的利用為基礎(chǔ)，進一步提高電器的性能指標(biāo)以及自身的可靠性和安全性，同時為智能電網(wǎng)提供更加完全和豐富的數(shù)字化信息，進而提高系統(tǒng)的整體性能。

因此，對于智能電網(wǎng)而言，其構(gòu)建的物質(zhì)基礎(chǔ)是智能電器，智能電器在智能電網(wǎng)中扮演著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的角色，它既控制能量流，同時控制信息流，是強弱電技術(shù)的結(jié)合部。

2 智能電器的概念與特征

智能電器應(yīng)當(dāng)滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的基本需要，能夠以數(shù)字方式全面提供系統(tǒng)中的各種信息、狀態(tài)，也能夠以數(shù)字化的方式被加以有效控制。智能電器[2-4]具有強大的自我診斷能力和自適應(yīng)的控制能力，同時所有信息可以高度共享。智能電器應(yīng)當(dāng)具備以下四方面的特征：

（1）參量獲取和處理數(shù)字化。智能電器所有功能的實現(xiàn)基于數(shù)字化的信息，因此智能電器必須能夠?qū)崟r獲取各種參量并加以數(shù)字化，這其中包括電力系統(tǒng)運行和控制中需要獲取的各種電參量，以及能夠反映電力設(shè)備自身狀態(tài)的各種電、熱、磁、光、位移、速度、振動、放電等等物理量。另外，各種參量都以數(shù)字化形式提供，信息的后續(xù)傳播與處理也都以數(shù)字化形式進行。

（2）自我監(jiān)測與診斷能力。智能電器具有自我監(jiān)測與診斷能力，它可以隨時監(jiān)測各種涉及設(shè)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(shè)備的運行狀況以及故障點與發(fā)生原因。

（3）自適應(yīng)控制能力。傳統(tǒng)電力設(shè)備一旦安裝就位，其功能參數(shù)就固化下來。智能電器依靠數(shù)字技術(shù)，能夠根據(jù)實際工作的環(huán)境與工況對操作過程進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使得所實現(xiàn)的控制過程和狀態(tài)是最優(yōu)的，這不但可以進一步提高電器自身的指標(biāo)和性能，還可以在很大程度上節(jié)約原材料和運行所消耗的能源。

（4）信息交互能力。智能電器的重要特征在于它的信息能夠以數(shù)字化的方式廣泛而便利的進行傳播與交互。數(shù)字化信息傳播的重要方式是網(wǎng)絡(luò)連接，任何一臺智能電器都可以通過網(wǎng)絡(luò)獲取任何連接于網(wǎng)絡(luò)中的其他電器設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，這樣有效地實現(xiàn)了信息的高度共享，也為實現(xiàn)智能電網(wǎng)的構(gòu)建打下了基礎(chǔ)。

3 智能電器的關(guān)鍵理論與技術(shù)

根據(jù)智能電器的基本特征，可以歸納出所涉及的六個方面的理論與技術(shù)問題：①信息感知理論與技術(shù)；②設(shè)備診斷理論與技術(shù)；③智能操作理論與技術(shù)；④網(wǎng)絡(luò)化信息交互技術(shù)；⑤專用集成電路研究；⑥電磁兼容問題。

3.1 信息感知理論與技術(shù)

智能電器各種功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵是現(xiàn)場各種參量采集與數(shù)字化，因此，首先要確定要感知的特征參量，并必須研究以數(shù)字化為基礎(chǔ)的參量感知理論與技術(shù)。

線路的電量監(jiān)測始終是電力設(shè)備獲取信息的基本內(nèi)容，傳統(tǒng)測量方法在適應(yīng)數(shù)字化測量和控制方面還有很多不足。新型的電量傳感技術(shù)包括數(shù)字化光電互感器的研究，這類傳感器采用羅科夫斯基線圈、磁傳感器或其他原理的傳感器件，將信號數(shù)字化并通過光纖進行傳導(dǎo)，信號的收集采用合成器通過總線系統(tǒng)進行傳遞，各類終端設(shè)備可以方便地獲取數(shù)字化的信號。

電器的絕緣狀態(tài)是自診斷的重要內(nèi)容之一。一般來說，主要需要測量絕緣泄漏電流和局部放電。因此研究更加敏感和有效的傳感技術(shù)，并且加以小型化和數(shù)字化是重要的研究課題。

表征電器狀態(tài)的特征參量還有很多，例如溫度、力、速度、振動等，這些特殊參量的傳感方法同樣值得進行大力研究。

3.2 智能診斷理論與技術(shù)

以數(shù)字化、智能化技術(shù)為基礎(chǔ)，對電器的狀態(tài)進行自我檢測與故障診斷，是提高電器可靠性、保障系統(tǒng)安全運行的重要途徑之一。電器運行狀態(tài)往往受多種因素共同影響，即便是獲取了各種狀態(tài)信號，如何判斷裝備的優(yōu)劣狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)具體的故障位置、故障性質(zhì)以及產(chǎn)生的原因仍是一件十分復(fù)雜的工作。

電器性能的劣化主要集中在絕緣特性和機械特性方面，這些特性的劣化規(guī)律是實現(xiàn)故障診斷的基礎(chǔ)，需要通過大量實驗與理論分析進行研究，特別是有必要研究多種因素同作用下的劣化規(guī)律，例如電、熱、力、輻射（核電站）等多種因素的共同作用下其運行狀態(tài)的變化規(guī)律。

所獲得的電器運行狀態(tài)的特征量和故障產(chǎn)生點、故障性質(zhì)等之間具有比較復(fù)雜的關(guān)系，進行智能診斷主要需要解決信號處理問題、故障識別問題以及故障診斷的智能方法。

3.3 智能操作理論與技術(shù)

開關(guān)電器屬于一類運動型電力裝備，在實現(xiàn)功能過程中其主要部件發(fā)生運動。傳統(tǒng)開關(guān)電器一旦安裝到位，它的操作運動過程就固化下來，無論環(huán)境和工況如何，運動特性是不變的。研究證明，開關(guān)電器的觸頭系統(tǒng)運動特性對開關(guān)的關(guān)合與分?jǐn)喙δ苡忻黠@影響，不同工況存在著最佳的運動特性。因此研究不同工況下的開關(guān)最佳運動特性，及基于數(shù)字化的實現(xiàn)方法和技術(shù)，這就是開關(guān)電器的智能操作。智能操作具體研究內(nèi)容包含兩個方面，即開關(guān)電弧理論和智能操作方法。

電弧燃燒和熄滅過程是影響開關(guān)電器性能的最重要的過程，研究各種工況下電弧的燃弧過程與觸頭運動之間的關(guān)系，分析和確定最有利于開斷的最佳的運動過程，為智能操作提供理論依據(jù)，是這項研究的主要目的。

當(dāng)獲得不同工況下的最佳觸頭運動過程后，通過數(shù)字化技術(shù)和研究新型的操動機構(gòu)，對電器進行智能控制，實現(xiàn)最佳操作過程。

3.4 網(wǎng)絡(luò)化信息交互技術(shù)

信息交互網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成智能電網(wǎng)的基本環(huán)節(jié)和紐帶，也是智能電器各種功能延伸的重要基礎(chǔ)。當(dāng)電器通過信息網(wǎng)絡(luò)連接起來后，從原理上講它可以獲得整個網(wǎng)絡(luò)上連接的所有電力設(shè)備的各種信息，任何一臺開關(guān)電器的保護不但可以根據(jù)自身回路的工作狀況決定操作，還可以根據(jù)相關(guān)線路的狀況綜合分析判斷和控制，從而大大提高整個系統(tǒng)的智能化水平。

目前的各種通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并非專門為電力系統(tǒng)用途而設(shè)計，還有很多方面不能滿足系統(tǒng)的要求，需要根據(jù)電力系統(tǒng)在不同應(yīng)用環(huán)境下的需求研究和開發(fā)專門的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信協(xié)議，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)約，以適應(yīng)未來智能電網(wǎng)的開發(fā)和各種用電系統(tǒng)的需要。

在配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，當(dāng)電器獲得整個系統(tǒng)的各種信息后，就有可能形成新的更加有效的保護方法。

3.5 專用集成電路研究

智能電器的信息檢測、控制、通信整體上講是一個復(fù)雜的信息系統(tǒng)，為了提高可靠性，降低生產(chǎn)成本，形成標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的體系，必須加強專用集成電路的研究與開發(fā)，以支撐整個體系的發(fā)展。

隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的進步以及微電子機械系統(tǒng)（MEMS）的研究和微納制造技術(shù)的發(fā)展，集信號傳感、處理、輸出（驅(qū)動）為一體的芯片開發(fā)已經(jīng)成為可能，因此研究和開發(fā)用于電力設(shè)備的具有信號傳感采集、信號處理和信號輸出的專用芯片SOC具有很大的價值，這將大大降低數(shù)字化電力設(shè)備開發(fā)的難度，提升標(biāo)準(zhǔn)化程度，簡化系統(tǒng)構(gòu)成。

3.6 電磁兼容問題

智能電器是典型的強、弱電密切耦合系統(tǒng)，弱電部分的電磁兼容性（EMC）已經(jīng)成為十分突出的瓶頸問題。目前廣泛采用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范總體來說還不能完全適應(yīng)電力系統(tǒng)環(huán)境下的弱電系統(tǒng)應(yīng)用，特別是電力設(shè)備在操作控制過程中，存在開關(guān)暫態(tài)干擾，雷電浪涌，高頻局部放電，靜電放電等現(xiàn)象，電磁干擾的強度和形態(tài)與一般環(huán)境還是有很大不同，有必要進行專門的研究，并逐步形成有針對性的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以利于指導(dǎo)智能電器的開發(fā)與考核驗證。

4 智能電器的發(fā)展前景

智能電器是構(gòu)建智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。智能電器的本質(zhì)是將當(dāng)前不斷發(fā)展的信息技術(shù)全面融合到傳統(tǒng)的電器中，一方面大幅度改進電器自身的功能和指標(biāo)，另一方面使得每一臺電器都真正工作于一個整體系統(tǒng)之中。因此，智能電器相互之間是互知的，其在系統(tǒng)中的功能是柔性的和可重構(gòu)的。

以智能電器為基礎(chǔ)構(gòu)成的智能電網(wǎng)，人們可以更加科學(xué)合理地利用能源，可以使得每一臺用電器都處于最佳的工作狀態(tài)下。因此，智能電器對于各類基于控制的節(jié)能技術(shù)形成極為有力的支撐。

智能電器具有比傳統(tǒng)電力設(shè)備更加可靠和安全的特點，它們隨時監(jiān)測著自身的每一處敏感位置，隨時報告裝備的劣化程度，使得維護工作可以在最合適和最經(jīng)濟的時候進行。作為一個由智能電器構(gòu)成的智能電網(wǎng)，當(dāng)局部發(fā)生故障時，它可以進行智能調(diào)整和系統(tǒng)重構(gòu)，使得系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常工作。

在智能電器的支撐下，智能電網(wǎng)的建設(shè)將更為便捷。由于智能電器的開放性，許多新的功能將能夠不斷開發(fā)和利用，這些發(fā)展不但能夠提高普通電力系統(tǒng)和工業(yè)用電系統(tǒng)的性能，還能夠?qū)υS多特種用電系統(tǒng)的發(fā)展起到積極的促進作用。

5 結(jié)論

本文介紹了智能電網(wǎng)的概念，并根據(jù)其發(fā)展需要和電力設(shè)備自身發(fā)展的趨勢，歸納了智能電器的主要特征，以及涉及的主要理論和技術(shù)問題，指出了智能電器的應(yīng)用發(fā)展方向。總體來說，智能電器是信息技術(shù)與電工技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，它是對傳統(tǒng)電器的重大變革和創(chuàng)新，是智能電網(wǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

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