智能設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀分析及前景展望

摘要：總結(jié)了在智能設(shè)備研制過程所涉及的各項關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展情況，然后通過梳理將現(xiàn)有智能設(shè)備劃分為開關(guān)、變電站自動化裝置和電力電子裝置三大類并分析了其發(fā)展現(xiàn)狀。最后指出在堅強(qiáng)智能電網(wǎng)成為我國電網(wǎng)發(fā)展趨勢的背景下，智能設(shè)備長期內(nèi)將存在改進(jìn)本體和增加附件兩種研制路線。

關(guān)鍵詞：堅強(qiáng)智能電網(wǎng)；智能設(shè)備；發(fā)展趨勢

1 引言

隨著建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的開展，迫切需要研制智能設(shè)備，使現(xiàn)有電氣設(shè)備具有自我檢測、自我診斷和自我控制功能，以適應(yīng)信息化、自動化、互動化的要求，從而使之成為智能電網(wǎng)的一個有機(jī)組成部分。眾所周之，所謂智能化就是指使對象具備準(zhǔn)確的感知功能、正確的思維與判斷功能以及行之有效的執(zhí)行功能而進(jìn)行的工作。設(shè)備智能化是一種理念、一種方法、一個發(fā)展和進(jìn)步的過程，其目的是使設(shè)備通過人工智能的部分或全部功能，尤其是應(yīng)用現(xiàn)代計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使產(chǎn)品達(dá)到最佳工況。目前市場上充斥著各種所謂的智能設(shè)備，在智能電網(wǎng)框架下如何研制智能設(shè)備，其發(fā)展方向如何，本文通過介紹智能設(shè)備所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，對現(xiàn)有智能設(shè)備進(jìn)行了分類，并對智能設(shè)備的發(fā)展方向進(jìn)行了瞻望。

2 智能設(shè)備涉及的關(guān)鍵技術(shù)

智能設(shè)備主要包括兩方面的關(guān)鍵內(nèi)容：自我檢測是智能設(shè)備的基礎(chǔ)；自我診斷是智能設(shè)備的核心。其所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個方面。

2．1 檢測與傳感技術(shù)

智能電網(wǎng)首先必須具備靈敏準(zhǔn)確的感知功能，這是實現(xiàn)智能化功能的前提。智能設(shè)備二次電路已全部有智能監(jiān)控單元取代，所需功率比傳統(tǒng)設(shè)備大大降低，不再需要互感器輸出較高的功率。因此，在智能設(shè)備中電量測量越來越多的應(yīng)用羅柯夫斯基(Rogowski)電流傳感器、霍爾電流／電壓傳感器、光學(xué)電流／電壓傳感器等新型電量傳感器，而近年來非電量傳感器在檢測溫度、油色譜、sF 氣體含量等參數(shù)上，尤其是在變壓器、電抗器的安全運行中發(fā)揮了越來越大的作用。

光學(xué)電流互感器(Optical Current Transformer，OCT)和光學(xué)電壓互感器(Optical Potential Transformer，OPT)是近年發(fā)展比較快的一類新型電量傳感器，它也是目前電氣工程領(lǐng)域前沿研究課題之一?，F(xiàn)在很多國家已研制出可用于測量高達(dá)500kV電壓的系列光學(xué)電壓互感器，但其穩(wěn)定性和可靠性還存在相當(dāng)大的問題。

因羅氏線圈本身和被測電流回路沒有電路的聯(lián)系，而是通過電磁場耦合，且鐵心沒有飽和問題，測量范圍寬，甚至可以測量含有大的直流分量的瞬態(tài)電流，因此羅氏線圈將在智能電網(wǎng)尤其是智能配電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

近年來，國外一些公司也開發(fā)了將電流測量和電壓測量組合到一起的組合傳感器，其電流測量多是采用羅氏線圈，而電壓測量有的采用電阻分壓器，有的采用電容分壓器。

2．2 通訊技術(shù)

信息化與自動化的實現(xiàn)離不開網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)是智能設(shè)備控制系統(tǒng)中不可缺少的內(nèi)容?，F(xiàn)有的變電站內(nèi)通信一般是依靠現(xiàn)場總線完成的，它通過連接運行現(xiàn)場各設(shè)備，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備和上級變電站綜合自動化系統(tǒng)間信息傳輸。

現(xiàn)場總線是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的通信網(wǎng)絡(luò)，具有開放性、互可操作性與互用性、現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等鮮明技術(shù)特點。它的結(jié)構(gòu)特點打破了傳統(tǒng)一對一的設(shè)備連接，可直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)分散控制。同時，為了實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的“即插即用”，IEC61850通過面向?qū)ο?、面向?yīng)用開放的自我描述，對數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模，使用分層的思路，采用與網(wǎng)絡(luò)獨立的抽象通信服務(wù)接口對電力系統(tǒng)的配置進(jìn)行管理，加強(qiáng)了設(shè)備間的互動性。

總線技術(shù)及數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，可以把現(xiàn)場輸、配電設(shè)備和用電設(shè)備通過智能設(shè)備連接成類似計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，實現(xiàn)對設(shè)備運行、用電質(zhì)量、供電質(zhì)量及供電系統(tǒng)的智能化、自動化管理，滿足智能電網(wǎng)的需求。

2．3 自診斷技術(shù)

功能完備的智能設(shè)備必須具備靈敏準(zhǔn)確的感知功能、正確的思維與判斷功能以及行之有效的執(zhí)行功能。感知功能是傳感器的任務(wù)，思維和判斷則是控制器的功能，其主要技術(shù)就是自診斷技術(shù)。目前自診斷技術(shù)的研究主要集中在專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及其它人工智能方法。

眾多自診斷技術(shù)其一致性在于模仿人在操作控制過程中的思維和邏輯推理，這也是設(shè)備實現(xiàn)智能化最為關(guān)鍵的步驟，直接決定了設(shè)備智能化程度的高低。目前，最具影響的就是專家系統(tǒng)，其在醫(yī)療方面已經(jīng)取得了顯著的成果。

專家系統(tǒng)的主體是一個基于知識的計算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部具有某個領(lǐng)域中大量專家水平的知識和經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決該領(lǐng)域的問題。其最具有吸引力、也是難度頗大的領(lǐng)域之一就是專家控制。專家控制可以看成是對一個“控制專家”在解決控制問題或進(jìn)行控制操作時的思路、方法、經(jīng)驗、策略的模擬。

2．4 電磁兼容技術(shù)

智能設(shè)備是傳統(tǒng)電氣設(shè)備與計算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、控制理論、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電力電子技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物。因此，從本質(zhì)上說是一種機(jī)電一體化設(shè)備，是一個“弱電”和“強(qiáng)電”相混合的系統(tǒng)，這也致使其電磁兼容性越來越成為系統(tǒng)設(shè)計、制造、調(diào)試中需要考慮的重要問題。

電力系統(tǒng)本身就是一個強(qiáng)大的電磁干擾源，在正常和異常狀態(tài)下都會產(chǎn)生多種形式的電磁干擾。例如開關(guān)操作、短路電流故障等產(chǎn)生的電磁暫態(tài)過程；供電網(wǎng)的電壓波動、電壓突降和中斷、電力系統(tǒng)諧波等。電磁干擾的抑制主要可采用抑制干擾源和切斷傳播途徑等方法。

2．5 可靠性技術(shù)

智能設(shè)備是一種高度自動化的機(jī)電一體化設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在系統(tǒng)中的作用十分重要，因此對智能設(shè)備的可靠性有很高的要求。元器件的可靠性、技術(shù)設(shè)計、工藝水平和技術(shù)管理等共同決定了電子產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。提高產(chǎn)品的可靠性，必須掌握產(chǎn)品的失效規(guī)律，只有對產(chǎn)品的失效規(guī)律進(jìn)行全面的了解，才能采取有效的措施來提高產(chǎn)品的可靠性 。

3 目前市場上的智能設(shè)備分類

國內(nèi)的智能設(shè)備發(fā)展已有l(wèi)0多年歷史，從開始時的引進(jìn)、仿制、消化吸收、改進(jìn)到現(xiàn)在的自主創(chuàng)新設(shè)計，已經(jīng)取得了很多成果。目前，市場上所謂的智能電氣類設(shè)備主要可以分為以下幾類。

3．1 開關(guān)類

其中最具代表性的是DW45系列智能化萬能式斷路器。它是我國第三代萬能式斷路器。與第二代萬能式斷路器DW15系列相比體積與用銅量明顯減少，分?jǐn)嗄芰εc可靠性明顯提高。更主要的是，該產(chǎn)品脫扣器采用微處理器技術(shù)，使DW45系列斷路器帶有智能化功能。

同時，國產(chǎn)框架斷路器(簡稱ACB)中的控制器具有過載長延時，短路短延時、短路瞬時，接地故障等四段保護(hù)和中性極保護(hù)，負(fù)載監(jiān)控保護(hù)、區(qū)域聯(lián)鎖選擇性保護(hù)、MCR保護(hù)、電機(jī)保護(hù)和自診斷、熱記憶、通信聯(lián)網(wǎng)功能，最近還將數(shù)字儀表和分析儀表的三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、有功電能、無功電能、諧波分析，錄波、故障記錄、需量電流、需量功率等多種功能進(jìn)入到控制器中，這些功能已超過國外同類產(chǎn)品。

3．2 變電站自動化類

我國變電站自動化系統(tǒng)從初始研發(fā)到超／特高壓變電站的普及應(yīng)用總共花了七八年時間。變電站自動化系統(tǒng)與上一代常規(guī)二次設(shè)備相比明顯具有占地面積小、功能強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點，2000年以后我國變電站自動化領(lǐng)域里的主要智能化電氣技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。究其原因，一是采用了國外最先進(jìn)的器件，并在原理設(shè)計和邏輯功能的軟件設(shè)計上結(jié)合了我國電力系統(tǒng)運行的實際要求，因而比進(jìn)口產(chǎn)品的性價比更高；二是西方發(fā)達(dá)國家的電力基本飽和，采用新技術(shù)、新裝備的興趣和空間有限，而我國是發(fā)展中國家，電網(wǎng)是發(fā)展中的電網(wǎng)，國內(nèi)市場大，變電站自動化技術(shù)一經(jīng)成熟后就在電網(wǎng)建設(shè)中及時推廣，并在大量應(yīng)用中技術(shù)水平又不斷得到提高；三是我國有一大批從事電力系統(tǒng)二次設(shè)備研發(fā)的科研院所、高等學(xué)校以及十多家專業(yè)廠家，總體研究力量和生產(chǎn)能力超過目前世界上任何一個國家。

3．3 電力電子類

電力電子器件本身具有控制電能的能力而不必依賴其它開關(guān)技術(shù)，因此，電力電子技術(shù)可以完全更理想和更徹底的實現(xiàn)電氣智能化。柔性 交流輸電系統(tǒng)(FACTS)是大功率電力電子器件在高壓領(lǐng)域直接完成設(shè)備智能化的典范，其包括靜止無功補(bǔ)償器(SVC)、靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)、高級靜止無功發(fā)生器(ASVG)、故障電流限制器(FCL)、有源電力濾波器(APF)、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)、磁閥式可控電抗器(MCR)等。

自2003年6月始，我國第一個TCSC工程(平果TCSC)在南方電網(wǎng)天廣線天生橋至平果段處平果側(cè)建成投運，可為“西電東送”增加約300MW 的輸電容量，同時，改善了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性水平及阻尼功率振蕩。成碧220kV可控串補(bǔ)國產(chǎn)化示范工程于2004年12月的成功投運，加強(qiáng)了隴南電網(wǎng)與主網(wǎng)的聯(lián)系，增強(qiáng)了豐水期送出碧口地區(qū)盈余電力的能力，有效解決了甘肅隴南電網(wǎng)存在的水電送出問題。這一系列電力電子類智能化設(shè)備在電網(wǎng)的應(yīng)用揭開了智能設(shè)備的新篇章，為智能電網(wǎng)的建設(shè)將發(fā)揮巨大作用。

4 智能設(shè)備的發(fā)展趨勢

早在30年前，人們就開始在配電系統(tǒng)實踐開關(guān)設(shè)備的智能化，其典型設(shè)備就是自動重合器與自動分段器。隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信息處理技術(shù)的發(fā)展，使得智能化設(shè)備沿著兩條路線發(fā)展。

其一是以解決現(xiàn)有電器設(shè)備的危害為主，通過采用微機(jī)技術(shù)和DSP技術(shù)等，生產(chǎn)智能控制器，附加與現(xiàn)有設(shè)備上，例如準(zhǔn)同期控制器、涌流抑制器、自動重合器和自動分段器等；

其二是以電力系統(tǒng)的需求為主，采用大功率電力電子技術(shù)等生產(chǎn)制造智能化本體電器設(shè)備解決電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定等問題，例如SVC、APF和UPQC等。

近來，建設(shè)智能電網(wǎng)的提出為智能設(shè)備的大力發(fā)展提供了前所未有的良好環(huán)境，在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍將是兩條路線并行發(fā)展。我們應(yīng)抓住機(jī)遇，無論采用哪種發(fā)展路線，都應(yīng)注重在以下方面取得突破：

(1)在配電和低壓智能設(shè)備領(lǐng)域，應(yīng)注重通訊功能和網(wǎng)絡(luò)化的實現(xiàn)，重視信息一體化采集和處理技術(shù)研究，這是智能配網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。

(2)在高壓和超高壓智能設(shè)備方面，應(yīng)加快光纖數(shù)字電力互感器及相關(guān)測控、保護(hù)技術(shù)的研究，這是現(xiàn)代二次回路及自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，是未來變電站自動化領(lǐng)域的制高點；該技術(shù)的發(fā)展主要取決于電磁兼容、絕緣、耐環(huán)境條件及有關(guān)新材料等關(guān)鍵技術(shù)的解決。

5 結(jié)語

我國目前智能設(shè)備的發(fā)展水平還是比較初級的。由于歷史原因，一次設(shè)備、二次設(shè)備研究及制造廠家相對分離，給智能設(shè)備一體化設(shè)計制造帶來很大的困難，造成了智能化產(chǎn)品性能及技術(shù)水平較低，難以滿足智能電網(wǎng)需求。實際上，國內(nèi)外設(shè)備智能化的理論水平差距并不大，且隨著國網(wǎng)公司對下屬研究院專業(yè)整合的深入開展及各個企業(yè)的積極參與，進(jìn)一步加大了對一二次設(shè)備一體化優(yōu)化設(shè)計研究力量的投入，相信我國在智能設(shè)備領(lǐng)域必將站在世界電網(wǎng)設(shè)備發(fā)展的前沿。

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作者簡介：石延輝(1981一)．男．河南郟縣人。工程師．研究方向為智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備。電能質(zhì)量治理及控制．分布式供電及微網(wǎng)技術(shù)。
李澍森(1954一)．男．湖北大冶人，教授級高工。研究方向為電能質(zhì)量治理及控制，分布式供電及徽網(wǎng)技術(shù)，智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備。
左文霞(1985一)．女．湖北仙桃人。工程師．研究方向為電能質(zhì)量控制。分布式供電及微網(wǎng)技術(shù)。
馮宇(1978一)．男，內(nèi)蒙古呼和浩特人。博士．研究方向為電能質(zhì)量控制。電力電子技術(shù)。