智能設備的發(fā)展現狀分析及前景展望

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

關(guān)鍵詞：堅強智能電網(wǎng)；智能設備；發(fā)展趨勢

1 引言

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

2 智能設備涉及的關(guān)鍵技術(shù)

智能設備主要包括兩方面的關(guān)鍵內容：自我檢測是智能設備的基礎；自我診斷是智能設備的核心。其所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)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確的感知功能，這是實(shí)現智能化功能的前提。智能設備二次電路已全部有智能監控單元取代，所需功率比傳統設備大大降低，不再需要互感器輸出較高的功率。因此，在智能設備中電量測量越來(lái)越多的應用羅柯夫斯基(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(lái)非電量傳感器在檢測溫度、油色譜、sF 氣體含量等參數上，尤其是在變壓器、電抗器的安全運行中發(fā)揮了越來(lái)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(lèi)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在很多國家已研制出可用于測量高達500kV電壓的系列光學(xué)電壓互感器，但其穩定性和可靠性還存在相當大的問(wèn)題。

因羅氏線(xiàn)圈本身和被測電流回路沒(méi)有電路的聯(lián)系，而是通過(guò)電磁場(chǎng)耦合，且鐵心沒(méi)有飽和問(wèn)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(xiàn)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(lái)越大的作用。

近年來(lái)，國外一些公司也開(kāi)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(xiàn)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(dòng)化的實(shí)現離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò )和通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )與通信技術(shù)是智能設備控制系統中不可缺少的內容?，F有的變電站內通信一般是依靠現場(chǎng)總線(xiàn)完成的，它通過(guò)連接運行現場(chǎng)各設備，實(shí)現現場(chǎng)設備和上級變電站綜合自動(dòng)化系統間信息傳輸。

現場(chǎng)總線(xiàn)是用于現場(chǎng)儀表與控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點(diǎn)、多站的通信網(wǎng)絡(luò )，具有開(kāi)放性、互可操作性與互用性、現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性、系統結構的高度分散性以及對現場(chǎng)環(huán)境的適應性等鮮明技術(shù)特點(diǎn)。它的結構特點(diǎn)打破了傳統一對一的設備連接，可直接在現場(chǎng)完成，實(shí)現分散控制。同時(shí)，為了實(shí)現現場(chǎng)設備的“即插即用”，IEC61850通過(guò)面向對象、面向應用開(kāi)放的自我描述，對數據對象統一建模，使用分層的思路，采用與網(wǎng)絡(luò )獨立的抽象通信服務(wù)接口對電力系統的配置進(jìn)行管理，加強了設備間的互動(dòng)性。

總線(xiàn)技術(shù)及數字化通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用，可以把現場(chǎng)輸、配電設備和用電設備通過(guò)智能設備連接成類(lèi)似計算機通信網(wǎng)絡(luò )的系統，實(shí)現對設備運行、用電質(zhì)量、供電質(zhì)量及供電系統的智能化、自動(dòng)化管理，滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的需求。

2．3 自診斷技術(shù)

功能完備的智能設備必須具備靈敏準確的感知功能、正確的思維與判斷功能以及行之有效的執行功能。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(zhuān)家系統、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(guò)程中的思維和邏輯推理，這也是設備實(shí)現智能化最為關(guān)鍵的步驟，直接決定了設備智能化程度的高低。目前，最具影響的就是專(zhuān)家系統，其在醫療方面已經(jīng)取得了顯著(zhù)的成果。

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

2．4 電磁兼容技術(shù)

智能設備是傳統電氣設備與計算機技術(shù)、數據處理技術(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)等相結合的產(chǎn)物。因此，從本質(zhì)上說(shuō)是一種機電一體化設備，是一個(gè)“弱電”和“強電”相混合的系統，這也致使其電磁兼容性越來(lái)越成為系統設計、制造、調試中需要考慮的重要問(wèn)題。

電力系統本身就是一個(gè)強大的電磁干擾源，在正常和異常狀態(tài)下都會(huì )產(chǎn)生多種形式的電磁干擾。例如開(kāi)關(guān)操作、短路電流故障等產(chǎn)生的電磁暫態(tài)過(guò)程；供電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、電壓突降和中斷、電力系統諧波等。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)

智能設備是一種高度自動(dòng)化的機電一體化設備，由于其結構復雜，在系統中的作用十分重要，因此對智能設備的可靠性有很高的要求。元器件的可靠性、技術(shù)設計、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。提高產(chǎn)品的可靠性，必須掌握產(chǎn)品的失效規律，只有對產(chǎn)品的失效規律進(jìn)行全面的了解，才能采取有效的措施來(lái)提高產(chǎn)品的可靠性 。

3 目前市場(chǎng)上的智能設備分類(lèi)

國內的智能設備發(fā)展已有l0多年歷史，從開(kāi)始時(shí)的引進(jìn)、仿制、消化吸收、改進(jìn)到現在的自主創(chuàng )新設計，已經(jīng)取得了很多成果。目前，市場(chǎng)上所謂的智能電氣類(lèi)設備主要可以分為以下幾類(lèi)。

3．1 開(kāi)關(guān)類(lèi)

其中最具代表性的是DW45系列智能化萬(wàn)能式斷路器。它是我國第三代萬(wàn)能式斷路器。與第二代萬(wàn)能式斷路器DW15系列相比體積與用銅量明顯減少，分斷能力與可靠性明顯提高。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(shí)，國產(chǎn)框架斷路器(簡(jiǎn)稱(chēng)ACB)中的控制器具有過(guò)載長(cháng)延時(shí)，短路短延時(shí)、短路瞬時(shí)，接地故障等四段保護和中性極保護，負載監控保護、區域聯(lián)鎖選擇性保護、MCR保護、電機保護和自診斷、熱記憶、通信聯(lián)網(wǎng)功能，最近還將數字儀表和分析儀表的三相電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數、頻率、有功電能、無(wú)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(guò)國外同類(lèi)產(chǎn)品。

3．2 變電站自動(dòng)化類(lèi)

我國變電站自動(dòng)化系統從初始研發(fā)到超／特高壓變電站的普及應用總共花了七八年時(shí)間。變電站自動(dòng)化系統與上一代常規二次設備相比明顯具有占地面積小、功能強、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，2000年以后我國變電站自動(dòng)化領(lǐng)域里的主要智能化電氣技術(shù)已經(jīng)達到國際先進(jìn)水平。究其原因，一是采用了國外最先進(jìn)的器件，并在原理設計和邏輯功能的軟件設計上結合了我國電力系統運行的實(shí)際要求，因而比進(jìn)口產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比更高；二是西方發(fā)達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)，國內市場(chǎng)大，變電站自動(dòng)化技術(shù)一經(jīng)成熟后就在電網(wǎng)建設中及時(shí)推廣，并在大量應用中技術(shù)水平又不斷得到提高；三是我國有一大批從事電力系統二次設備研發(fā)的科研院所、高等學(xué)校以及十多家專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家，總體研究力量和生產(chǎn)能力超過(guò)目前世界上任何一個(gè)國家。

3．3 電力電子類(lèi)

電力電子器件本身具有控制電能的能力而不必依賴(lài)其它開(kāi)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(shí)現電氣智能化。柔性 交流輸電系統(FACTS)是大功率電力電子器件在高壓領(lǐng)域直接完成設備智能化的典范，其包括靜止無(wú)功補償器(SVC)、靜止同步補償器(STATCOM)、高級靜止無(wú)功發(fā)生器(ASVG)、故障電流限制器(FCL)、有源電力濾波器(APF)、統一電能質(zhì)量調節器(UPQC)、磁閥式可控電抗器(MCR)等。

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

4 智能設備的發(fā)展趨勢

早在30年前，人們就開(kāi)始在配電系統實(shí)踐開(kāi)關(guān)設備的智能化，其典型設備就是自動(dòng)重合器與自動(dòng)分段器。隨著(zhù)計算機技術(shù)和數字信息處理技術(shù)的發(fā)展，使得智能化設備沿著(zhù)兩條路線(xiàn)發(fā)展。

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

其二是以電力系統的需求為主，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備解決電力系統安全、穩定等問(wèn)題，例如SVC、APF和UPQC等。

近來(lái)，建設智能電網(wǎng)的提出為智能設備的大力發(fā)展提供了前所未有的良好環(huán)境，在相當長(cháng)的一段時(shí)間內仍將是兩條路線(xiàn)并行發(fā)展。我們應抓住機遇，無(wú)論采用哪種發(fā)展路線(xiàn)，都應注重在以下方面取得突破：

(1)在配電和低壓智能設備領(lǐng)域，應注重通訊功能和網(wǎng)絡(luò )化的實(shí)現，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備方面，應加快光纖數字電力互感器及相關(guān)測控、保護技術(shù)的研究，這是現代二次回路及自動(dòng)化系統的發(fā)展趨勢，是未來(lái)變電站自動(dòng)化領(lǐng)域的制高點(diǎn)；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 結語(yǔ)

我國目前智能設備的發(fā)展水平還是比較初級的。由于歷史原因，一次設備、二次設備研究及制造廠(chǎng)家相對分離，給智能設備一體化設計制造帶來(lái)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(mǎn)足智能電網(wǎng)需求。實(shí)際上，國內外設備智能化的理論水平差距并不大，且隨著(zhù)國網(wǎng)公司對下屬研究院專(zhuān)業(yè)整合的深入開(kāi)展及各個(gè)企業(yè)的積極參與，進(jìn)一步加大了對一二次設備一體化優(yōu)化設計研究力量的投入，相信我國在智能設備領(lǐng)域必將站在世界電網(wǎng)設備發(fā)展的前沿。

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