智能電器最新技術(shù)研究及應(yīng)用發(fā)展前景

王建華 張國(guó)鋼 耿英三 宋政湘

(電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué)) 西安 710049)

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智能電器最新技術(shù)研究及應(yīng)用發(fā)展前景

王建華 張國(guó)鋼 耿英三 宋政湘

(電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué)) 西安 710049)

智能電器具有智能感知、判斷與執(zhí)行功能，是構(gòu)建智能電網(wǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。介紹了智能電器的概念、內(nèi)涵和主要技術(shù)特征，總結(jié)了高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化、新型電流傳感技術(shù)和混合式電力開(kāi)斷等當(dāng)前熱點(diǎn)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，結(jié)合智能電網(wǎng)發(fā)展中新能源接入、分布式發(fā)電、交直流輸配電方式多元化等發(fā)展趨勢(shì)以及節(jié)能節(jié)材、環(huán)境友好等需求，分析了智能電器領(lǐng)域的發(fā)展前景和趨勢(shì)，總結(jié)了新型傳感器、模式識(shí)別與故障診斷、高壓大容量混合開(kāi)斷、智能操作機(jī)構(gòu)和電磁兼容可靠性等需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵理論和技術(shù)內(nèi)容，指出利用新材料、新器件、新原理，突破信息獲取、處理、傳遞等核心技術(shù)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)信息融合和知識(shí)利用，是智能電器發(fā)展的關(guān)鍵。

智能電器 智能電網(wǎng) 新能源 發(fā)展前景 綜述

0 引言

隨著數(shù)字化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)需求的增加，對(duì)電力能源安全可靠、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)的要求越來(lái)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)[1]。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。開(kāi)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(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趨勢(shì)[2，3]。

智能電器是將信息技術(shù)融合到傳統(tǒng)電器中，以數(shù)字化信息的獲取、處理、利用和傳遞為基礎(chǔ)，在開(kāi)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)及自身的可靠性和安全性，同時(shí)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，以提高系統(tǒng)的整體性能[4，5]。

國(guó)內(nèi)智能電器的發(fā)展已有二十余年的歷史，從開(kāi)始的引進(jìn)、仿制、消化吸收到自主創(chuàng)新，其技術(shù)水平已逐步與國(guó)外企業(yè)平齊，有些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)甚至超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。近年來(lái)，我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的加速以及“物聯(lián)網(wǎng)”、“大數(shù)據(jù)”、“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。

1 智能電器的內(nèi)涵和技術(shù)特征

本文中的智能電器主要指智能開(kāi)關(guān)電器，其基本功能是控制和保護(hù)。智能電器是構(gòu)建智能電網(wǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的角色，控制能量流的同時(shí)控制信息流，是強(qiáng)弱電技術(shù)的結(jié)合部。

1.1 智能電器的內(nèi)涵

智能電器的內(nèi)涵主要包括3方面：①完成基本職能過(guò)程中的智能感知、判斷與執(zhí)行功能；②智能電器的智能狀態(tài)監(jiān)測(cè)與壽命評(píng)估功能；③具有交互能力，運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)和環(huán)境友好。隨著技術(shù)進(jìn)步及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，智能電器的內(nèi)涵和外延仍在不斷發(fā)展變化。

1.2 智能電器的主要技術(shù)特征

智能電器應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)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)中的各種運(yùn)行和狀態(tài)參數(shù)，并被加以有效利用。智能電器具有強(qiáng)大的自我診斷和自適應(yīng)的控制能力，同時(shí)所有信息可以高度共享。

智能電器的智能感知、判斷與執(zhí)行功能的實(shí)現(xiàn)，需要借助于傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)與控制技術(shù)的融合。智能電器具備以下4方面特征。

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，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。

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，以此評(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。

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(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使得所實(shí)現(xiàn)的控制過(guò)程和狀態(tài)最優(yōu)，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。

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(guò)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。

2 智能電器的研究熱點(diǎn)與進(jìn)展

2.1 高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能化

智能變電站是構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要支撐節(jié)點(diǎn)。智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備是智能變電站的核心設(shè)備，其通過(guò)裝設(shè)各類(lèi)傳感器，采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行就地處理，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制和故障診斷等功能。此外，其具有高速網(wǎng)絡(luò)交互接口，能夠?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行提供信息支撐。

2.1.1 智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的信息化建模

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是變電站自動(dòng)化領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用涉及發(fā)電、輸變電、配用電和調(diào)度等領(lǐng)域，已成為智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)和功能(服務(wù))進(jìn)行抽象，建立智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的信息模型，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參量的測(cè)量信息流、狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)信息流和操作控制信息流的集成，是智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的重要研究?jī)?nèi)容[6]。

自IEC61850標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái)，在智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的數(shù)字化方面取得了很大發(fā)展。國(guó)際上ABB、GE、AREVA、SIEMENS、TOSHIBA等公司開(kāi)發(fā)了集數(shù)字化測(cè)量、控制、監(jiān)測(cè)于一體的新型開(kāi)關(guān)設(shè)備[7，8]。當(dāng)前，智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的產(chǎn)品解決方案主要是通過(guò)在一次設(shè)備附近裝設(shè)智能電子裝置(IED)，其具備與一次設(shè)備的電纜接口和光纖以太網(wǎng)接口，完成信息格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)一次設(shè)備和后臺(tái)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(或其他IED)的信息交互功能[9，10]。典型產(chǎn)品如ABB公司的PASS、SIEMENS公司的HIS/SICAM、TOSHIBA公司的H-GIS產(chǎn)品。

隨著2009年國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)的開(kāi)展，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，加快了智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的研制進(jìn)度。2012年國(guó)家科技部批準(zhǔn)，由中國(guó)電力科學(xué)研究院作為承擔(dān)單位，西開(kāi)電氣、平高電氣、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)作為參與單位，啟動(dòng)863課題“高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)”的研究，提出了高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能組件設(shè)計(jì)和質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)，建立了智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。目前已研制出252kV智能GIS、550kV智能GIS、800kV智能斷路器，并獲得試點(diǎn)應(yīng)用。

IEC 61850作為變電站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要偏重于繼電保護(hù)、測(cè)量與監(jiān)視等領(lǐng)域的應(yīng)用[11]。雖然IEC 61850中定義了液體介質(zhì)絕緣SIML、氣體介質(zhì)絕緣SIMG、電弧監(jiān)視與診斷SARC和局部放電SPDC等專(zhuān)門(mén)的邏輯節(jié)點(diǎn)，但仍無(wú)法滿(mǎn)足高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)集成平臺(tái)的需要。我國(guó)電網(wǎng)企業(yè)基于DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)，制訂了變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)建模及通信規(guī)范、變電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范，其內(nèi)容涵蓋變壓器、GIS、斷路器、電流互感器、電壓互感器等重要電力設(shè)備的常用監(jiān)測(cè)參量[12]。另外，國(guó)內(nèi)也已具備智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的一次設(shè)備與二次設(shè)備的一體化試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2.1.2 智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、診斷技術(shù)

運(yùn)行數(shù)據(jù)表明SF6氣體泄漏、內(nèi)部絕緣缺陷、操作機(jī)構(gòu)故障、導(dǎo)電回路異常發(fā)熱及二次控制回路失靈是高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的主要故障類(lèi)型。智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備通過(guò)裝設(shè)局部放電、SF6氣體狀態(tài)、機(jī)械特性、主回路溫度等監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身運(yùn)行狀態(tài)的感知和診斷，并適時(shí)地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口向后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出狀態(tài)或告警信息[13，14]。依據(jù)狀態(tài)信息對(duì)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)地評(píng)價(jià)，從而制定合理的檢修策略。例如，TOSHIBA公司研制的C-GIS中采用了電暈、壓力、氣體、泄漏電流等多種傳感器監(jiān)測(cè)絕緣性能；利用光纖溫度傳感器檢測(cè)導(dǎo)電性能。SIEMENS公司開(kāi)發(fā)的SICAM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SF6斷路器及隔離開(kāi)關(guān)的數(shù)字化控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。

1)局部放電監(jiān)測(cè)

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障以絕緣故障為主，由于在制造及安裝過(guò)程中，內(nèi)部缺陷、導(dǎo)體之間接觸不良等使內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生畸變而產(chǎn)生局部放電。可以通過(guò)監(jiān)測(cè)放電粒子特性或放電產(chǎn)生的物理及化學(xué)變化發(fā)現(xiàn)局部放電故障，一般分為電檢測(cè)法和非電檢測(cè)法。電檢測(cè)法包括耦合電容法、外部電極法、絕緣子內(nèi)部預(yù)埋電極法和超高頻法等。非電檢測(cè)法包括超聲波檢測(cè)法、光檢測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法等。

2)SF6氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)

SF6氣體是高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備主要采用的絕緣和滅弧介質(zhì)，其壓力、密度、溫度和水分等對(duì)產(chǎn)品的絕緣性能有重要影響，采集這些參量，歸算后可對(duì)是否存在氣體泄漏、水分超標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。另外，若運(yùn)行設(shè)備存在放電、過(guò)熱等故障，SF6氣體發(fā)生分解并與設(shè)備內(nèi)部其他物質(zhì)反應(yīng)，生成多種產(chǎn)物，主要有SOF2、SO2F2、SO2、H2S、CO、CF4和HF等，這些氣體分解物與其缺陷存在很高的關(guān)聯(lián)度。目前的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段已可有效地檢出SO2、H2S和CO等組分。

3)機(jī)械特性監(jiān)測(cè)

國(guó)際上高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)評(píng)估及故障診斷技術(shù)的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代，研究重點(diǎn)主要集中在對(duì)動(dòng)觸頭行程、分合閘線(xiàn)圈電流、輔助觸點(diǎn)狀態(tài)及振動(dòng)信號(hào)等機(jī)械狀態(tài)參量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，依靠人工參照基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析其劣化趨勢(shì)?；谡駝?dòng)信號(hào)的分析可實(shí)現(xiàn)潛伏性機(jī)械故障檢測(cè)，目前已提出了一些較為實(shí)用的振動(dòng)信號(hào)處理方法，并逐漸應(yīng)用到實(shí)際的斷路器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中，如ACI方法、歐氏距離法、積分參數(shù)法、信號(hào)熵法、短時(shí)能量法和小波-分形理論等。

4)主回路溫度監(jiān)測(cè)

電力開(kāi)關(guān)設(shè)備在高電壓、大電流的狀態(tài)下運(yùn)行，主回路導(dǎo)體的溫度與其電接觸狀況有著極其密切的聯(lián)系，可作為診斷依據(jù)。對(duì)于全封閉式氣體絕緣高壓帶電設(shè)備，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，發(fā)熱點(diǎn)處于設(shè)備內(nèi)部，導(dǎo)體與殼體之間充有SF6氣體，不易直接測(cè)量。紅外測(cè)溫有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在紅外輻射測(cè)溫和紅外熱診斷方面開(kāi)展了大量研究。

鑒于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)用環(huán)境的特殊性，上述技術(shù)在環(huán)境適應(yīng)性、測(cè)量準(zhǔn)確度、長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性、接口的標(biāo)準(zhǔn)化等方面尚需進(jìn)一步研究。

2.1.3 智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備壽命評(píng)估技術(shù)

高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的壽命主要指機(jī)械壽命和電壽命。觸頭行程及斷路器的分/合閘速度是斷路器機(jī)械特性的集中體現(xiàn)，可以有效地反映出其劣化趨勢(shì)。斷路器觸頭磨損是影響斷路器電壽命的重要因素，對(duì)其剩余壽命評(píng)估有著重要的參考價(jià)值，但觸頭電磨損不能直接獲得，因而成為研究難點(diǎn)[15]。

1)電壽命模型

研究表明，斷路器電壽命主要取決于斷路器觸頭電磨損的狀況。國(guó)外對(duì)斷路器觸頭的研究較早，主要集中在材料對(duì)觸頭電壽命的影響以及電弧對(duì)觸頭的侵蝕方面。由于各類(lèi)斷路器的滅弧原理不同，斷路器的電壽命變化規(guī)律也不同。為了便于工程應(yīng)用，可以將燃弧時(shí)間、觸頭及噴嘴的結(jié)構(gòu)與材料等因素對(duì)滅弧室燒蝕的影響用累計(jì)的方式加以簡(jiǎn)化，如累計(jì)開(kāi)斷電流法、累計(jì)電弧能量法、累計(jì)開(kāi)斷電流加權(quán)法等，從而得到估算電壽命的近似公式。法國(guó)高能試驗(yàn)室(EDF)和意大利工程指導(dǎo)公司(ENEL)針對(duì)SF6斷路器提出的等效開(kāi)斷次數(shù)與相對(duì)開(kāi)斷電流的關(guān)系曲線(xiàn)是一種有效的工程方法。

2)綜合診斷技術(shù)

智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的故障診斷技術(shù)主要有基于知識(shí)的方法和基于信號(hào)處理的方法。前者利用領(lǐng)域?qū)＜覇l(fā)性經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和故障特征進(jìn)行演繹推理，或者基于先驗(yàn)知識(shí)和相應(yīng)算法對(duì)診斷對(duì)象自適應(yīng)調(diào)整后獲取診斷結(jié)果?；谥R(shí)的方法不需要建立待診斷對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，易于工程應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外研究人員先后采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)理論、粗糙集理論、模糊集理論、云模型等研究和建立了高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)。

2.2 新型電流傳感技術(shù)

電流測(cè)量是電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)、電能計(jì)量、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和分析等功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。隨著智能電器領(lǐng)域的發(fā)展，電流測(cè)量環(huán)節(jié)已經(jīng)成為電器智能化、小型化的瓶頸，基于空心線(xiàn)圈、磁光學(xué)、磁陣列等原理的電流互感器具備絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)范圍大且以數(shù)字量方式直接輸出等優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)的電磁式電流互感器提出了挑戰(zhàn)。

2.2.1 空心線(xiàn)圈電流互感器

空心線(xiàn)圈電流互感器技術(shù)相對(duì)成熟，在工業(yè)界得到了較多應(yīng)用?？招木€(xiàn)圈電流互感器主要由Rogowski線(xiàn)圈、數(shù)字采集和傳輸?shù)炔糠纸M成[16]。高壓系統(tǒng)中一般采用光纖傳輸信號(hào)和激光供能，易于實(shí)現(xiàn)高低電位隔離?？招木€(xiàn)圈與高精度分流器組合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流和諧波電流的同時(shí)測(cè)量，也是目前高壓電子式直流電流互感器的主要方案。

國(guó)際上ABB公司等率先在其智能組合電器(PASS)、SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)(GIS)、智能化開(kāi)關(guān)柜產(chǎn)品中使用了空心線(xiàn)圈電流互感器。國(guó)內(nèi)南京南瑞繼保電氣有限公司、西安西電高壓開(kāi)關(guān)有限責(zé)任公司等企業(yè)也分別研制了500 kV直流電子式電流互感器和±800 kV直流電子式電流互感器[17]。

從現(xiàn)階段工程應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況分析，空心線(xiàn)圈電流互感器的主要故障類(lèi)型為采集器故障、光纖故障及電磁干擾影響等。隔離開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的快速暫態(tài)過(guò)電壓(VFTO)對(duì)此類(lèi)互感器正常工作易產(chǎn)生較大影響，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致采集器硬件損傷。

2.2.2 光學(xué)電流互感器

光學(xué)電流互感器基于法拉第(Faraday)磁光效應(yīng)和薩格納克(Sagnac)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電流感測(cè)，主要有磁光玻璃式電流互感器和全光纖電流互感器兩種類(lèi)型。后者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)量和繼電保護(hù)的需求，目前在不同電壓等級(jí)的智能變電站試點(diǎn)項(xiàng)目中得到了應(yīng)用[18]。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量關(guān)于光學(xué)電流互感器的研究。重慶大學(xué)研究了不同參數(shù)下光學(xué)電流傳感器的響應(yīng)波形及幅值、頻率特性[19]。北京航空航天大學(xué)提出變溫條件下對(duì)平均波長(zhǎng)影響的自補(bǔ)償方案，有效減少了傳感光纖中平均波長(zhǎng)的漂移程度[20]。北京郵電大學(xué)采用歸零方波調(diào)制相位調(diào)制器，以正弦波信號(hào)作為本振信號(hào)進(jìn)行模擬相干解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了大電流閉環(huán)檢測(cè)[21]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)光學(xué)電流互感器的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性的問(wèn)題進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明樣機(jī)的綜合誤差滿(mǎn)足工程計(jì)量檢定要求[22]。

雖然光學(xué)電流互感器的優(yōu)點(diǎn)很多，但目前還處于工程應(yīng)用初期，成本較高，長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步考驗(yàn)。

2.2.3 磁陣列電流傳感器

磁傳感器陣列電流測(cè)量方法是利用多個(gè)磁敏元件測(cè)量電流周?chē)拇艌?chǎng)，利用數(shù)值方法反算電流，具有體積小、測(cè)量范圍大、功耗小、響應(yīng)快、交直流通用等優(yōu)點(diǎn)，是一種全新的電流測(cè)量方法。

西安交通大學(xué)對(duì)交流和直流的多母線(xiàn)平行導(dǎo)體系統(tǒng)進(jìn)行了研究，建立了以求解系數(shù)矩陣條件數(shù)最小值為目標(biāo)函數(shù)的磁傳感器陣列拓?fù)鋬?yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)電流的求解[23]；提出一種基于5%平帶寬(FBW)概念和基波電流與磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系的時(shí)域瞬態(tài)電流計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)電流的快速求解[24]。上述研究解決了磁傳感器陣列電流測(cè)量方法的基礎(chǔ)理論問(wèn)題，推動(dòng)了該方法的工程應(yīng)用。

北京航空航天大學(xué)提出了一種智能化巨磁阻直流電流互感器的實(shí)現(xiàn)方法，利用在高壓側(cè)電路中嵌入自校準(zhǔn)模塊，實(shí)現(xiàn)巨磁阻傳感器輸入輸出特性的在線(xiàn)校準(zhǔn)[25]。中國(guó)科學(xué)院電工研究所提出了基于最小二乘支持向量機(jī)與粒子群參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的多傳感器信息融合算法對(duì)被測(cè)電流進(jìn)行估算，對(duì)巨磁阻傳感器的非線(xiàn)性和溫度漂移取得了較好的補(bǔ)償效果[26]。華中科技大學(xué)從工程實(shí)際出發(fā)，采用印刷電路板技術(shù)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)陣式霍爾電流傳感器[27]。海軍工程大學(xué)構(gòu)建了外部平行導(dǎo)線(xiàn)對(duì)霍爾電流傳感器的影響模型和測(cè)量誤差計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了一種12點(diǎn)陣矩形陣列霍爾電流傳感器，額定電流達(dá)到10 kA[28]。

2.3 混合式電力開(kāi)斷技術(shù)

智能電網(wǎng)是一個(gè)互動(dòng)系統(tǒng)，要求智能電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)變化、用戶(hù)需求和環(huán)境改變具有最佳的反應(yīng)和快速適應(yīng)能力，而電力電子技術(shù)是支撐電網(wǎng)迅速反應(yīng)并采取相應(yīng)措施的有力手段[29]。當(dāng)前，電力電子器件已通過(guò)多種不同方式融入到智能電器中，高壓大功率電力電子器件已經(jīng)能夠作為主斷路器，承擔(dān)短路電流的開(kāi)斷功能。特別是在直流開(kāi)斷、短路電流限制等方面，電力電子器件更具優(yōu)勢(shì)。

2.3.1 高壓直流開(kāi)斷

直流斷路器是高壓直流輸電系統(tǒng)、軌道交通牽引配電系統(tǒng)、艦船直流電力系統(tǒng)、電信設(shè)備配電系統(tǒng)和直流微電網(wǎng)等的關(guān)鍵設(shè)備，其性能對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。與交流電流相比，直流電流由于沒(méi)有“自然過(guò)零點(diǎn)”而難以開(kāi)斷，特別是在高電壓、大電流條件下，這一問(wèn)題更加嚴(yán)峻[30]。

直流開(kāi)斷目前主要采用3種方式：①快速拉長(zhǎng)電弧，直至其在一定電弧電壓下不能持續(xù)，從而實(shí)現(xiàn)電路開(kāi)斷；②由電感、電容組成振蕩電路，利用電容放電形成電流零點(diǎn)，再利用傳統(tǒng)的交流開(kāi)斷方式切斷電路；③基于可關(guān)斷電力電子器件構(gòu)成混合式斷路器，機(jī)械開(kāi)關(guān)快速打開(kāi)，將故障電流轉(zhuǎn)換至電力電子開(kāi)關(guān)，再由其開(kāi)斷電路[31]。方式①適用于中壓、低壓直流斷路器。目前商業(yè)化的高壓直流斷路器主要采用方式②?；谌斯み^(guò)零的原理，俄羅斯較早研制了額定3.3 kV/3 kA直流真空限流斷路器。目前，我國(guó)研制出55 kV高壓直流斷路器單元樣機(jī)，成功開(kāi)斷16 kA電流，開(kāi)斷時(shí)間小于5 ms。采用方式③的混合型直流斷路器的通流能力強(qiáng)、分?jǐn)嗄芰Ω?，有望成為直流開(kāi)斷技術(shù)的重要發(fā)展方向?；趶?qiáng)迫換流型直流開(kāi)關(guān)原理，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)提出了多種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫換流開(kāi)斷的電路方案[32-34]。ABB公司最新研發(fā)的混合式高壓直流斷路器的設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到額定電壓320 kV、額定電流2 kA、電流開(kāi)斷能力9 kA[35]。

2.3.2 短路電流限制

隨著用電負(fù)荷不斷增加，電力系統(tǒng)中的短路電流水平不斷提高。在我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，電網(wǎng)的短路電流水平直逼甚至超過(guò)電力規(guī)程所規(guī)定的最大允許水平[36]。因此，采取有效的短路限流措施限制電力系統(tǒng)的短路容量，已成為目前我國(guó)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力建設(shè)、發(fā)展的迫切問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外研究較多的是超導(dǎo)限流器和固態(tài)限流器。超導(dǎo)限流器可在高電壓下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、限流一體化，能夠在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)限制故障電流。然而受到失超恢復(fù)時(shí)間、臨界值整定困難等材料特性及成本因素的限制，超導(dǎo)限流器在高壓、大電流條件下的應(yīng)用尚有若干難題需解決。

固態(tài)故障限流器利用電力電子器件進(jìn)行電路拓?fù)淇刂?，其反?yīng)迅速、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略靈活，易于同時(shí)實(shí)現(xiàn)正常工作時(shí)調(diào)節(jié)線(xiàn)路潮流、故障時(shí)限制故障電流的功能，非常適合于柔性輸電的應(yīng)用場(chǎng)合[37]。但是，受到電力電子元件的特性限制，目前主要適用于4～15 kV及以下的中低壓配電系統(tǒng)。

機(jī)械開(kāi)關(guān)具有極低的導(dǎo)通電阻(μΩ級(jí))，通過(guò)智能控制將其與液態(tài)金屬、串聯(lián)諧振等限流技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成的混合式故障限流器具有不可替代的特殊性能，成為新的研究熱點(diǎn)[38-41]。

3 智能電器的發(fā)展前景

到2014年底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量136 019萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)8.7%。發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘坎粩嗯噬?，將長(zhǎng)期保持對(duì)開(kāi)關(guān)電器產(chǎn)品的旺盛需求。依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，72.5～1 100 kV高壓設(shè)備在運(yùn)量472 241臺(tái)(組/間隔)，同比增加3.6%[42]。低壓電器的年銷(xiāo)售已超過(guò)600億，以智能化、模塊化、可通信為特征的智能電器逐步成為市場(chǎng)主流[43]。

總體來(lái)看，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量已躍居世界第一，但人均用電量仍相對(duì)較低，僅為部分發(fā)達(dá)國(guó)家的1/4～1/5，還有很大的增長(zhǎng)空間。另一方面，雖然我國(guó)電器行業(yè)在關(guān)鍵設(shè)備和核心技術(shù)上取得了一定突破，但國(guó)外企業(yè)仍占據(jù)高端產(chǎn)品的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，智能電器領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。

3.1 影響智能電器發(fā)展的因素

3.1.1 能源結(jié)構(gòu)和供能形式的變化

大規(guī)模接納可再生能源電力和智能化成為電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)和方向[44]。新能源發(fā)電在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)超高速增長(zhǎng)，對(duì)智能電器的發(fā)展提出了新的需求。例如在德國(guó)，光伏發(fā)電功率達(dá)到22 GW，峰值時(shí)約占其正午用電負(fù)荷的50%。國(guó)家能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃提出要大力發(fā)展分布式能源，出臺(tái)多項(xiàng)政策支持分布式能源的發(fā)展。國(guó)家電網(wǎng)公司也發(fā)布了《支持分布式光伏發(fā)電站建設(shè)及光伏發(fā)電并網(wǎng)的有關(guān)意見(jiàn)》，并公布了分布式光伏電站接入電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)迎來(lái)了一個(gè)新能源大發(fā)展的時(shí)期。

智能電網(wǎng)要充分發(fā)揮分布式清潔能源的作用，分布式發(fā)電是一種有效途徑。其將相對(duì)小型的發(fā)電裝置分散布置在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)或附近，極好地適應(yīng)了分散的電力需求和資源分布，與大電網(wǎng)互為備用改善了供電可靠性。新能源的快速發(fā)展為電器產(chǎn)品智能化提供了發(fā)展契機(jī)。與此同時(shí)，也改變了“電源到負(fù)荷”的單向潮流供電方式，對(duì)傳統(tǒng)的控制保護(hù)技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。因此，需要開(kāi)發(fā)適用于清潔能源的“發(fā)、輸、儲(chǔ)、配、用”各環(huán)節(jié)的新型智能電器。

3.1.2 交流/直流輸配電方式的多元化

隨著電力用戶(hù)對(duì)用電需求、電能質(zhì)量及供電可靠性等要求的不斷提高，現(xiàn)有交流電網(wǎng)將面臨間隙性電源接入、負(fù)荷和用電需求多樣化、潮流均衡協(xié)調(diào)控制復(fù)雜化及電能供應(yīng)穩(wěn)定性、高效性、經(jīng)濟(jì)性等方面的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單一交流輸配電模式難以滿(mǎn)足快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)其提出的更加環(huán)保、更加安全可靠、更加優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)，支持分布式電源接入，以及用戶(hù)與電網(wǎng)雙向互動(dòng)等諸多要求。

研究表明，基于直流的配電網(wǎng)在輸送容量、可控性及提高供電質(zhì)量等方面具有比交流配電網(wǎng)更好的性能，可有效提高電能質(zhì)量，降低電能損耗和運(yùn)行成本[45]，而且光伏發(fā)電、燃料電池、電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池及超級(jí)電容器等各種儲(chǔ)能裝置基本上都是直流，目前都必須通過(guò)換流環(huán)節(jié)才能并入交流電網(wǎng)。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源之間的矛盾，充分發(fā)揮新能源的價(jià)值和效益，發(fā)展交/直流多元化輸配電方式的混合電網(wǎng)將是必然趨勢(shì)。

3.1.3 能源的優(yōu)化利用與環(huán)境因素

智能電網(wǎng)將物理的電網(wǎng)和數(shù)字的電網(wǎng)融為一體，實(shí)現(xiàn)基于廣域的、多種能源形式發(fā)電的優(yōu)化配置，保障能源安全、提高能效，支持可再生能源入網(wǎng)。智能開(kāi)關(guān)電器作為智能電網(wǎng)中最重要的控制和保護(hù)設(shè)備，也是獲取信息的終端平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，獲取電力系統(tǒng)中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)對(duì)電能資源進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)配和高效地管理，以及實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)的雙向交動(dòng)，才能達(dá)到需求與供應(yīng)的平衡，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

全球變暖帶來(lái)的影響愈演愈烈，世界各國(guó)都在積極采取措施控制溫室效應(yīng)。目前公認(rèn)的6種重點(diǎn)控制的氣體中，SF6溫室效應(yīng)系數(shù)是CO2的23 900倍，屬于溫室效應(yīng)最強(qiáng)的一種。SF6氣體具有很強(qiáng)的電負(fù)性，滅弧和絕緣性能優(yōu)良，其產(chǎn)量的80%以上用于以電力開(kāi)關(guān)設(shè)備為代表的輸配電設(shè)備領(lǐng)域。研究新型開(kāi)斷原理和智能控制技術(shù)，節(jié)約原材料和運(yùn)行過(guò)程的功耗，減少SF6等溫室效應(yīng)氣體的使用和碳排放，也是智能電器發(fā)展所面臨的問(wèn)題。

3.1.4 新材料、微納制造技術(shù)的發(fā)展

隨著新材料、功率半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，新型電力電子器件的研究和應(yīng)用成為活躍主題[46，47]。與傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體器件相比，SiC半導(dǎo)體器件具有工作溫度高(最高可達(dá)600℃)、工作電壓高、通態(tài)壓降低、開(kāi)關(guān)速度高、工作壽命長(zhǎng)、抗輻照能力強(qiáng)等突出的優(yōu)點(diǎn)[48，49]。預(yù)計(jì)SiC電力電子器件將主要用于1 200 V以上的高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來(lái)，微納制造技術(shù)從基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)建模、材料、加工工藝、封裝集成等多個(gè)方面都取得了不同程度的突破。國(guó)內(nèi)在MEMS研發(fā)方面也已形成較為完整的體系，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段[50，51]。微納器件具有體積小、重量輕、集成度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，為智能電器領(lǐng)域探索新型感測(cè)原理、開(kāi)發(fā)新功能和制造新型傳感器件提供了有力支撐。

3.2 智能電器的主要發(fā)展趨勢(shì)

智能電器的發(fā)展應(yīng)適應(yīng)當(dāng)前電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，支持新興清潔能源利用，強(qiáng)調(diào)設(shè)備與智能電網(wǎng)的信息交互、友好互動(dòng)和電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的技術(shù)理念，并符合綠色低碳、節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。

其主要發(fā)展趨勢(shì)為：

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(kāi)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)掘利用及信息資源共享，為用戶(hù)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(zhuān)用新型智能電器。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，利用新材料、新器件、新原理，在信息獲取、處理、傳遞等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)突破，從系統(tǒng)角度進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息融合和知識(shí)利用，是智能電器發(fā)展的關(guān)鍵。

4 需進(jìn)一步研究的關(guān)鍵理論與技術(shù)問(wèn)題

4.1 新型傳感原理與信號(hào)傳輸技術(shù)

智能電器的智能判斷與執(zhí)行功能的實(shí)現(xiàn)是建立在智能感知的基礎(chǔ)之上。因此，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)獲取的準(zhǔn)確度、成本、方便性及信號(hào)分析的準(zhǔn)確性是實(shí)現(xiàn)智能電器亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的電量、非電量測(cè)量方法存在種種局限或不足。研究新型敏感材料、探索新穎感知方法及敏感元件的陣列化與復(fù)合化將成為智能電器領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。

智能電網(wǎng)要求全網(wǎng)信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)智能設(shè)備之間的信息傳輸技術(shù)提出了更高的要求。借鑒RFID、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)、M2M等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究新型的高效數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)并建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)智能電器的“即插即用”以及與其他智能設(shè)備的數(shù)據(jù)共享，才能有效地對(duì)智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施資源進(jìn)行整合、利用。

4.2 基于大數(shù)據(jù)的模式識(shí)別與故障診斷技術(shù)

智能電器對(duì)狀態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確性與采用信息量相關(guān)，信息量大、信息豐富，則識(shí)別相對(duì)準(zhǔn)確。然而，各類(lèi)傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集正在以難以想象的速度增長(zhǎng)，給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。此外，所獲取的多領(lǐng)域數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性、實(shí)時(shí)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，需要在不同層次進(jìn)行建模與分析，設(shè)計(jì)優(yōu)化的模式識(shí)別算法，才能實(shí)現(xiàn)高效利用。

智能電器依賴(lài)對(duì)系統(tǒng)和自身狀態(tài)特別是不同類(lèi)型故障的識(shí)別、分析、判斷，再通過(guò)執(zhí)行模塊實(shí)施自適應(yīng)的操作。盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)電力設(shè)備和電網(wǎng)故障識(shí)別技術(shù)已做了不少研究，但如何快速、準(zhǔn)確、可靠地識(shí)別故障問(wèn)題仍沒(méi)有徹底解決[52]。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，這些問(wèn)題將更加突出，故障識(shí)別技術(shù)還將繼續(xù)成為需要深入研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

4.3 基于電力電子器件的高壓大容量開(kāi)斷技術(shù)

直流輸電在大電網(wǎng)互聯(lián)、遠(yuǎn)距離輸電和新能源接入等方面具有很大的發(fā)展?jié)摿?。目前研制輸電?jí)別的直流斷路器仍十分困難，特別是500 kV以上的高壓大容量直流開(kāi)關(guān)的研發(fā)距離工業(yè)應(yīng)用還有很大距離。采用智能控制技術(shù)，基于電力電子器件的混合式直流斷路器是一種有前景的解決方案。

隨著電力電子器件廣泛應(yīng)用于智能電器的電能變換和操作機(jī)構(gòu)控制中，其工作壽命與可靠性將影響到整個(gè)智能電器的正常運(yùn)行。目前難以有效地評(píng)估電力電子器件長(zhǎng)期工作的可靠性。特別是智能開(kāi)關(guān)設(shè)備中的電力電子器件，通常采用短時(shí)工作制。如何針對(duì)短時(shí)脈沖工作方式下電力電子器件的失效機(jī)理進(jìn)行分析，考慮負(fù)載隨機(jī)變化等因素的影響，實(shí)現(xiàn)其壽命預(yù)測(cè)具有重要意義。

4.4 新型智能操作機(jī)構(gòu)及其控制技術(shù)

操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作特性與開(kāi)關(guān)電器觸頭的運(yùn)動(dòng)特性直接相關(guān)，是實(shí)現(xiàn)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備智能操作的重要執(zhí)行部件。通常要求其能夠快速響應(yīng)控制單元發(fā)出的控制命令，動(dòng)作速度和時(shí)間可控，特性穩(wěn)定，受環(huán)境溫度、電源電壓變化的影響小，并且具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口，易于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電磁、彈簧、氣動(dòng)、液壓機(jī)構(gòu)很難滿(mǎn)足上述要求。

目前，永磁機(jī)構(gòu)、永磁電機(jī)直驅(qū)式操動(dòng)機(jī)構(gòu)等成為研究熱點(diǎn)，利用數(shù)字信號(hào)處理芯片或?qū)Ｓ眉呻娐穼?shí)現(xiàn)高速控制也是當(dāng)前的重要研究?jī)?nèi)容[53，54]。對(duì)于智能電器而言，核心硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)重用可極大加速新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)智能電器專(zhuān)用集成電路也是提高智能電器性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.5 復(fù)雜電磁環(huán)境下的智能電器可靠性

智能高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中電子裝置與一次設(shè)備高度融合，使得其中的電磁兼容問(wèn)題顯得尤為突出。高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的電磁騷擾作用于其外殼上的傳感器、連接電纜和外殼附近的智能組件，會(huì)在傳感器和智能組件端口上產(chǎn)生電磁騷擾[55]。此外，對(duì)于電流互感器、電壓互感器等，由于和一次系統(tǒng)有直接的電氣連接或電磁耦合，瞬態(tài)電磁過(guò)程也會(huì)經(jīng)傳導(dǎo)耦合對(duì)電子裝置產(chǎn)生電磁騷擾。

目前，國(guó)內(nèi)外已對(duì)傳統(tǒng)變電站內(nèi)電磁兼容問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，制訂相關(guān)的國(guó)際導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)。但對(duì)智能變電站特別是高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備傳感器及智能組件的電磁兼容問(wèn)題研究卻較少。另外，這些智能電子裝置對(duì)雷電、地磁暴、核爆等環(huán)境和人為因素引起的瞬態(tài)電磁場(chǎng)特別敏感。因此，復(fù)雜電磁環(huán)境下的智能電器可靠性將長(zhǎng)期受到關(guān)注。

5 結(jié)論

介紹了智能電網(wǎng)的概念，并根據(jù)其發(fā)展需要和電力開(kāi)關(guān)設(shè)備自身發(fā)展的趨勢(shì)，歸納了智能電器的主要特征和發(fā)展方向，總結(jié)了需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵理論和技術(shù)問(wèn)題。指出新能源利用、分布式發(fā)電、輸配電方式多元化和環(huán)境友好等因素是當(dāng)前智能電器發(fā)展的推動(dòng)力，強(qiáng)調(diào)利用新材料、新器件、新原理突破的信息獲取、處理、傳遞等核心技術(shù)環(huán)節(jié)，從系統(tǒng)角度進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息融合和知識(shí)利用，是智能電器發(fā)展的關(guān)鍵。

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The Latest Technology Research and Application Prospects of the Intelligent Electrical Apparatus

WangJianhuaZhangGuogangGengYingsanSongZhengxiang

(State Key Lab of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China)

The intelligent electrical apparatus，which has the functions of intelligent perception，judgment，and operation，is the material basis for the construction of the smart grid.The basic concept，connotation，and related techniques of the intelligent electrical apparatus，and the cutting-edge research developments，e.g.the intelligent HV switchgear，the new current sensor technology，and the hybrid power breaking are introduced and summarized in this paper respectively.Considering both the factors，e.g.new energy access，distributed generation，and AC/DC combined power transmission and distribution in the development of the smart grid，and the requirements，e.g.energy-saving，material saving，and environment friendliness，the development prospects and trends of the intelligent electrical apparatus are discussed.The theoretical and technical problems about the intelligent electrical apparatus are also summed up，which includes new sensor technology，pattern recognition and fault diagnosis technology，HV large capacity hybrid breaking technology，intelligent operating mechanism，and EMC reliability.The key to the development of the intelligent electrical apparatus is to make breakthroughs in the core technologies such as information acquisition，processing，and transmission so as to realize the information fusion and knowledge utilization by using new materials，devices，and principles.

Intelligent electrical apparatus，smart grid，new energy，prospects，summary

國(guó)家自然科學(xué)基金(51323012)資助項(xiàng)目。

2015-03-25 改稿日期2015-03-28

TM56

王建華 男，1954年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娖髦悄芑碚撆c技術(shù)、高壓真空開(kāi)斷技術(shù)及電器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真。(通信作者)

張國(guó)鋼 男，1976年生，副教授，研究方向?yàn)橹悄茈娖骼碚撆c工程、電弧等離子體與電接觸、新能源電力裝備。