智能電器的研究背景及意義
 
1.智能電器的研究背景
 
數字化經濟的發展和社會的需求，對電力能源的安全可靠、優質經濟的要求越來越高。
 
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產業發展和技術革新。
 
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優化配置。
 
智能電器是智能電網構成中非常重要的組成部分，為了適應智能電網的需要，同時也是電力設備自身性能提高的要求，發展智能電器成為必然。
 
智能電器就是將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標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。
 
智能電器的內涵和技術特征
 
1.智能電器的內涵
 
智能電器完成基本職能過程中的智能感知、判斷與執行功能;智能電器的智能狀態監測與壽命評估功能;智能電器具有交互和互動能力，運行過程中對電網和環境友好。
 
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
 
智能電器能夠實時地獲取各種運行和狀態參量并進行數字化處理、存儲和傳遞，這其中包括電力系統運行和控制中需要獲取的電壓、電流等各種電參量，以及反映電力設備自身狀態的各種電、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
 
智能電器具有自我監測與診斷能力，可以隨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余壽命，并適時地進行預警。
 
特征3：自適應控制能力、決策優化
 
智能電器在智能感知基礎上，采用優化控制技術，能夠根據實際工作的環境與工況對其操作過程進行自適應調節，使得所實現的控制過程和狀態是最優的，從而進一步提高電器自身的性能指標，并在很大程度上節約原材料和減少運行能耗。
 
特征4：信息交互能力、環境友好
 
智能電器具備數字化接口，其內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。其在運行過程中，不產生影響智能電網穩定運行的干擾，設備的使用不影響自然環境。
 

　　智能電器關鍵技術的研究與進展

　　1.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，以產生較大的吸力，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

　　(3)高壓電器智能操作

　　基于操作特性等因素對電器介質恢復過程的影響規律，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。

　　2.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內容，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，且具有較快的動態跟蹤能力;傳統電流互感器的絕緣結構復雜、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。

　　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，在排除干擾的同時建立磁場與電流的對應關系。

　　研究內容：核心問題是不同的陣列拓撲下磁場與產生它的電流之間的映射關系，以及磁場-電流反演算法。

　　(2)絕緣狀態感知

　　研制高精密交流泄漏電流傳感器，該傳感器對開關電器交流泄漏電流信號的提取精度達到1μA，測量范圍達1μA-2mA。

　　(3)非接觸溫度測量

　　利用紅外測溫探頭輸出的電壓信號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號的影響。

　　(4)主要現場信號分析

　　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態診斷。

　　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臺

　　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臺，建立實現智能操作、狀態檢測、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

　　目前成套電器生產為非標化生產，產品的設計和生產效率低;產品適應性差;產品功能集程度低。

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

　　利用“軟裝配”技術生產成套電器時，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。標準化生產過程降低了成本，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，專用集成電路內部劃分為四級空間、時間并行結構，正確的時空并行劃分，有效地提高了系統數據處理能力。

　　專用集成電路內部由若干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復雜度和設計所需要的時間,片內總線使連接關系、數據組織更加規范。

　　(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產品，包括中壓繼電保護單元、智能接觸器等。

　　4.智能電器的電磁兼容

　　(1)研究背景

　　隨著強電弱電系統一體化的趨勢，在強、弱電系統共存的有限空間內，產生于一次回路切換操作的暫態干擾，一方面以傳導形式的干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。

　　(3)研究內容

　　干擾源的測量研究：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態電流以及空間暫態電、磁場進行了實際測量，研究發現，電弧暫態過程的各電磁量頻譜密切相關，且集中分布于若干主導頻率。

　　信號完整性和電源完整性的建模研究：信號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。將實驗測量技術應用于該問題的仿真建模，對關鍵信號連線進行仿真，避免智能電器關鍵連線被干擾。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。

　　5.新型儲能技術研究

　　儲能裝置的接入對電網的影響主要包括以下幾個方面：確保大電網的安全性和可靠性;提高新能源的上網比例和接入電網的安全性;削峰填谷;增加供電可靠性，提高電能質量。

　　(1)新型液態金屬電池概述

　　目前沒有一種儲能方式能滿足電力系統與應用所希望的大規模、高容量、低成本、長壽命的這一需求，液態金屬電池具有目前其他儲能技術無法比擬的優勢。

　　高倍率、大電流充放電能力，超強的過載能力：實驗室測試證明其可允許的充放電電流密度約為0.4~1.2A/cm2。具備了超強過載能力，過充過放能力強，超出電流范圍不會對電池造成危害。

　　成本低：電池成本很低，非常適合電網儲能的需要。

　　運行壽命長：實驗室測試結果表明，在1000個循環內電池容量僅損失3%，以每日充放電一次(1循環)估算，電池約可穩定運行19年。

　　(2)新型液態金屬電池概述

　　液態金屬電池與其他儲能技術相比的優缺點如下：

　　(3)目前研究工作進展

　　電池的原理研究和單體電池的制作：研究不同的金屬組成，設計了液態金屬電池，并完成了單體電池的制作。

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

　　電池組的測試：電池組測試充放電效率95-99%，能量效率約為70%，已穩定運行200個循環。

　　充放電策略與實現技術：根據單體電池的性能，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計。

　　開展了液態金屬電池參數在線監測理論與技術研究，研究設計并完成了電池的在線監測。

　　kW級儲能演示系統的開發：完成了kW級演示儲能系統的設計，包括電池組、控制管理單元、檢測單元等。

　　(4)液態金屬電池構建大規模儲能系統設計方案

　　根據液態金屬電池的電特性，設計了一種用來構建大規模儲能系統的方案。

　　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  2~10A的電弧電流就可以產生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)。

　　(2)國內外研究現狀

　　美國在《國家電力規范 (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、生產了AFCI產品;在國內，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產品，都落后于國外。

　　(3)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、電壓信號以區別正常工作的電流、電壓信號;開發新型保護設備—電弧故障斷路器(AFCI)。

　　(4)網絡對電器產生的影響(以高壓電器為例)

　　網絡化技術在智能化電器產品中的重要性：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;適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。

　　網絡母線保護：母線差動保護的不足;可利用每一進出線設備上智能化電器測出的數據直接判定出故障所處位置，從而實現智能保護;網絡功能的實現必須有一定高速、可靠的網絡通信系統支持，它是形成網絡功能的核心和基礎;協議形式要簡單化(元件多樣)。

　　總結與展望

　　智能電器的發展趨勢：

　　1)智能電器繼續向高性能、小型化、智能化、高可靠、綠色環保、系列簡潔方向發展，以更好適應智能電網的發展需要。

　　2)應用新型電力電子器件和超導新材料，開發電網友好、環境友好的智能電器，節約原材料和降低運行功耗，減少對環境的污染。

　　3)融合多種傳感器技術，適應大數據時代的發展需求，實現運行狀態的數據匯聚、發掘利用和信息資源共享，為用戶提供雙向互動服務。

　　4)產品設計模式從單個智能電器元件設計轉變為從系統發展和功能融合角度去考慮構建智能電器系統，提供整體解決方案，實現全局優化。

　　5)面向可再生能源領域的需求，研發適用于分布式發電系統的潮流隨機變動、特殊保護方式的專用新型智能電器。

　　隨著二十余年的研究開發，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，并產生大量研究成果和眾多的新型智能電器產品。

　　未來隨著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。