智能設備的發(fā)展現(xiàn)狀分析及前景展望

摘要：總結了在智能設備研制過程所涉及的各項關鍵技術的進展情況，然后通過梳理將現(xiàn)有智能設備劃分為開關、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，智能設備長期內(nèi)將存在改進本體和增加附件兩種研制路線。

關鍵詞：堅強智能電網(wǎng)；智能設備；發(fā)展趨勢

1 引言

隨著建設堅強智能電網(wǎng)的開展，迫切需要研制智能設備，使現(xiàn)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、自動化、互動化的要求，從而使之成為智能電網(wǎng)的一個有機組成部分。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(zhí)行功能而進行的工作。設備智能化是一種理念、一種方法、一個發(fā)展和進步的過程，其目的是使設備通過人工智能的部分或全部功能，尤其是應用現(xiàn)代計算機和網(wǎng)絡技術，使產(chǎn)品達到最佳工況。目前市場上充斥著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，本文通過介紹智能設備所涉及的關鍵技術，對現(xiàn)有智能設備進行了分類，并對智能設備的發(fā)展方向進行了瞻望。

2 智能設備涉及的關鍵技術

智能設備主要包括兩方面的關鍵內(nèi)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。其所涉及到的關鍵技術主要有以下幾個方面。

2．1 檢測與傳感技術

智能電網(wǎng)首先必須具備靈敏準確的感知功能，這是實現(xiàn)智能化功能的前提。智能設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。

光學電流互感器(Optical Current Transformer，OCT)和光學電壓互感器(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500kV電壓的系列光學電壓互感器，但其穩(wěn)定性和可靠性還存在相當大的問題。

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

信息化與自動化的實現(xiàn)離不開網(wǎng)絡和通信技術的發(fā)展，網(wǎng)絡與通信技術是智能設備控制系統(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)場各設備，實現(xiàn)現(xiàn)場設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，具有開放性、互可操作性與互用性、現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性、系統(tǒng)結構的高度分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應性等鮮明技術特點。它的結構特點打破了傳統(tǒng)一對一的設備連接，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)場設備的“即插即用”，IEC61850通過面向?qū)ο?、面向應用開放的自我描述，對數(shù)據(jù)對象統(tǒng)一建模，使用分層的思路，采用與網(wǎng)絡獨立的抽象通信服務接口對電力系統(tǒng)的配置進行管理，加強了設備間的互動性。

總線技術及數(shù)字化通信網(wǎng)絡技術的應用，可以把現(xiàn)場輸、配電設備和用電設備通過智能設備連接成類似計算機通信網(wǎng)絡的系統(tǒng)，實現(xiàn)對設備運行、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

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(zhí)行功能。感知功能是傳感器的任務，思維和判斷則是控制器的功能，其主要技術就是自診斷技術。目前自診斷技術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)絡以及其它人工智能方法。

眾多自診斷技術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，這也是設備實現(xiàn)智能化最為關鍵的步驟，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程序系統(tǒng)，其內(nèi)部具有某個領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域的問題。其最具有吸引力、也是難度頗大的領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

智能設備是傳統(tǒng)電氣設備與計算機技術、數(shù)據(jù)處理技術、控制理論、傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術、電力電子技術等相結合的產(chǎn)物。因此，從本質(zhì)上說是一種機電一體化設備，是一個“弱電”和“強電”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

智能設備是一種高度自動化的機電一體化設備，由于其結構復雜，在系統(tǒng)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、技術設計、工藝水平和技術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(guī)律，只有對產(chǎn)品的失效規(guī)律進行全面的了解，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備分類

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

3．1 開關類

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，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和中性極保護，負載監(jiān)控保護、區(qū)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(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)二次設備相比明顯具有占地面積小、功能強、可靠性高等優(yōu)點，2000年以后我國變電站自動化領域里的主要智能化電氣技術已經(jīng)達到國際先進水平。究其原因，一是采用了國外最先進的器件，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(tǒng)運行的實際要求，因而比進口產(chǎn)品的性價比更高；二是西方發(fā)達國家的電力基本飽和，采用新技術、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，變電站自動化技術一經(jīng)成熟后就在電網(wǎng)建設中及時推廣，并在大量應用中技術水平又不斷得到提高；三是我國有一大批從事電力系統(tǒng)二次設備研發(fā)的科研院所、高等學校以及十多家專業(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技術，因此，電力電子技術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域直接完成設備智能化的典范，其包括靜止無功補償器(SVC)、靜止同步補償器(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(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備在電網(wǎng)的應用揭開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，人們就開始在配電系統(tǒng)實踐開關設備的智能化，其典型設備就是自動重合器與自動分段器。隨著計算機技術和數(shù)字信息處理技術的發(fā)展，使得智能化設備沿著兩條路線發(fā)展。

其一是以解決現(xiàn)有電器設備的危害為主，通過采用微機技術和DSP技術等，生產(chǎn)智能控制器，附加與現(xiàn)有設備上，例如準同期控制器、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等生產(chǎn)制造智能化本體電器設備解決電力系統(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，在相當長的一段時間內(nèi)仍將是兩條路線并行發(fā)展。我們應抓住機遇，無論采用哪種發(fā)展路線，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域，應注重通訊功能和網(wǎng)絡化的實現(xiàn)，重視信息一體化采集和處理技術研究，這是智能配網(wǎng)的關鍵組成部分。

(2)在高壓和超高壓智能設備方面，應加快光纖數(shù)字電力互感器及相關測控、保護技術的研究，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域的制高點；該技術的發(fā)展主要取決于電磁兼容、絕緣、耐環(huán)境條件及有關新材料等關鍵技術的解決。

5 結語

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家相對分離，給智能設備一體化設計制造帶來很大的困難，造成了智能化產(chǎn)品性能及技術水平較低，難以滿足智能電網(wǎng)需求。實際上，國內(nèi)外設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域必將站在世界電網(wǎng)設備發(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)關鍵設備。電能質(zhì)量治理及控制．分布式供電及微網(wǎng)技術。
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，智能電網(wǎng)關鍵設備。
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。
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。