智能电器的研究与发展

2015-12-29 来源：电气技术

 

　　智能电器的研究背景及意义
 
1.智能电器的研究背景
 
数字化经济的发展和社会的需求，对电力能源的安全可靠、优质经济的要求越来越高。
 
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。
 
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优化配置。
 
智能电器是智能电网构成中非常重要的组成部分，为了适应智能电网的需要，同时也是电力设备自身性能提高的要求，发展智能电器成为必然。
 
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。
 
智能电器的内涵和技术特征
 
1.智能电器的内涵
 
智能电器完成基本职能过程中的智能感知、判断与执行功能;智能电器的智能状态监测与寿命评估功能;智能电器具有交互和互动能力，运行过程中对电网和环境友好。
 
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
 
智能电器能够实时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，这其中包括电力系统运行和控制中需要获取的电压、电流等各种电参量，以及反映电力设备自身状态的各种电、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
 
智能电器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、决策优化
 
智能电器在智能感知基础上，采用优化控制技术，能够根据实际工作的环境与工况对其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自身的性能指标，并在很大程度上节约原材料和减少运行能耗。
 
特征4：信息交互能力、环境友好
 
智能电器具备数字化接口，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。其在运行过程中，不产生影响智能电网稳定运行的干扰，设备的使用不影响自然环境。
 

　　智能电器关键技术的研究与进展

　　1.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

　　(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。

　　2.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。

 

　　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。

　　(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.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。

　　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

　　(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。

 

　　5.新型储能技术研究

　　储能装置的接入对电网的影响主要包括以下几个方面：确保大电网的安全性和可靠性;提高新能源的上网比例和接入电网的安全性;削峰填谷;增加供电可靠性，提高电能质量。

　　(1)新型液态金属电池概述

　　目前没有一种储能方式能满足电力系统与应用所希望的大规模、高容量、低成本、长寿命的这一需求，液态金属电池具有目前其他储能技术无法比拟的优势。

　　高倍率、大电流充放电能力，超强的过载能力：实验室测试证明其可允许的充放电电流密度约为0.4~1.2A/cm2。具备了超强过载能力，过充过放能力强，超出电流范围不会对电池造成危害。

　　成本低：电池成本很低，非常适合电网储能的需要。

　　运行寿命长：实验室测试结果表明，在1000个循环内电池容量仅损失3%，以每日充放电一次(1循环)估算，电池约可稳定运行19年。

　　(2)新型液态金属电池概述

　　液态金属电池与其他储能技术相比的优缺点如下：

　　(3)目前研究工作进展

　　电池的原理研究和单体电池的制作：研究不同的金属组成，设计了液态金属电池，并完成了单体电池的制作。

　　单体电池的测试：对单体电池进行了充放电的测试和循环寿命测试，目前电池单体的额定电流为20A(可提高到50A)，库仑效率超过95%，循环寿命已超过1000次,且电池的性能没有任何变化。

　　电池组的测试：电池组测试充放电效率95-99%，能量效率约为70%，已稳定运行200个循环。

　　充放电策略与实现技术：根据单体电池的性能，提出了一种恒流、恒压模式的充电策略，并开展了宽输入逆变器设计。

　　开展了液态金属电池参数在线监测理论与技术研究，研究设计并完成了电池的在线监测。

　　kW级储能演示系统的开发：完成了kW级演示储能系统的设计，包括电池组、控制管理单元、检测单元等。

 

　　(4)液态金属电池构建大规模储能系统设计方案

　　根据液态金属电池的电特性，设计了一种用来构建大规模储能系统的方案。

　　6.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  2~10A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)。

　　(2)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。

　　(3)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)。

 

　　(4)网络对电器产生的影响(以高压电器为例)

　　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。

　　网络母线保护：母线差动保护的不足;可利用每一进出线设备上智能化电器测出的数据直接判定出故障所处位置，从而实现智能保护;网络功能的实现必须有一定高速、可靠的网络通信系统支持，它是形成网络功能的核心和基础;协议形式要简单化(元件多样)。

　　总结与展望

　　智能电器的发展趋势：

　　1)智能电器继续向高性能、小型化、智能化、高可靠、绿色环保、系列简洁方向发展，以更好适应智能电网的发展需要。

　　2)应用新型电力电子器件和超导新材料，开发电网友好、环境友好的智能电器，节约原材料和降低运行功耗，减少对环境的污染。

　　3)融合多种传感器技术，适应大数据时代的发展需求，实现运行状态的数据汇聚、发掘利用和信息资源共享，为用户提供双向互动服务。

　　4)产品设计模式从单个智能电器元件设计转变为从系统发展和功能融合角度去考虑构建智能电器系统，提供整体解决方案，实现全局优化。

　　5)面向可再生能源领域的需求，研发适用于分布式发电系统的潮流随机变动、特殊保护方式的专用新型智能电器。

　　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。