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智能电器发展历程与未来发展方向

2012年9月14日 0:00:00

智能电器发展历程与未来发展方向
 
 
 
专业领域:低压开关电器
部门:电器产品检验研究所
科室:科研技术室
 
 
 
目 录
1 概述................................................................................................................... 1
1.1 智能电器的定义.................................................................................... 1
1.2 智能电器的组成.................................................................................... 1
2 智能电器发展历程........................................................................................... 2
2.1国外智能电器发展历程......................................................................... 2
2.2 国内智能电器发展历程........................................................................ 3
3 智能电器未来发展方向................................................................................... 7
3.1智能化可通信低压电器和智能电网发展涉及的相关新技术............. 8
3.1.1 低压电器智能化技术................................................................. 8
3.1.2 智能电器可通信技术研究......................................................... 8
3.1.3 智能配电系统过电流保护新技术............................................. 9
3.1.4 智能电网过电压保护技术....................................................... 10
3.1.5 分布式新能源系统相关技术................................................... 10
3.2智能电网对低压配电和控制电器提出的新要求................................ 11
3.2.1对低压断路器提出的新要求..................................................... 11
3.2.2 对控制电器提出的要求............................................................ 11
3.3智能电网给低压电器发展带来新的机遇........................................... 12
3.3.1低压电器是构建智能电网的重要基础.................................... 12
3.3.2 智能电网为低压电器发展带来全新的理念........................... 12
3.3.3智能电网对低压电器提出的新要求........................................ 13
4 结束语............................................................................................................. 14


1 概述
随着微电子技术的不断发展,尤其是微处理器在低压电器中的应用,使低压电器开始走向智能化。近年来,随着微机通信技术、信息、网络技术的发展与应用,智能电器的概念不断地被赋予新的内涵,同时越来越多的低压电器具有智能化功能,且智能化功能不断发展和完善。
1.1 智能电器的定义
当今学界,从不同角度提出了多种关于智能电器的定义或阐释。
从构成智能电器的核心部件及其功能出发,给智能电器下的定义为:能自动适应电网、环境及控制要求的变化,始终处于最佳运行工况的电器。
另有定义是:智能电器是以微控制器/微处理器为核心,除具有传统电器的切换、控制、保护、检测、变换和调节功能外,还具有显示、外部故障和内部故障诊断与记忆、运算与处理以及与外界通信等功能的电子装置。
该定义指出,智能电器的核心部件为微控制器/微处理器;与传统电器相比,智能电器的功能有“质”的飞跃,智能电器是电子装置,而传统电器是电气设备。
智能电器的概念是随着智能电器的发展而不断充实、丰富、更新和提高的。不同的电器设备,其智能的实现、要求和程度均不同。智能电器发展至今,其“智”的含义已体现为可通信和网络化。发展更完善的可通信和网络化智能电器及其系统是智能化电器发展的方向。
1.2 智能电器的组成

图1给出了典型智能电器的组成。由图1可见,典型智能电器的输入可以是电压信号、电流信号(模拟信号),也可以是数字信号,对于非电输入信号须转换成电信号;模拟信号经变换器和调理电路变换、处理后送给A/D转换器,数字信号一般须经过隔离、处理后再送给微控制器/微处理器;微控制器/微处理器是智能电器的核心部件;为实现人机交互,须有键盘电路、打印接口电路、显示与报警电路,这些电路受人机接口管理单元的管理/控制;为实现外部故障和内部故障的记忆或事件记录功能须有时钟电路(一般有电池备用供电);电平信号、触点信号/动作信号均为由微控制器/微处理器控制的输出数字信号;RS232/RS485总线接口是简单的串行通信接口,也是多数智能电器配置的信息交换接口,现场总线接口是通过总线控制器和总线收发器提供的,总线控制器和总线收发器之间一般有光电隔离电路。

图1 智能电器原理框图
2 智能电器发展历程
2.1国外智能电器发展历程
从20世纪70年代开始,随着微电子技术的进一步发展,出现了电子电器及装置。到了20世纪80年代,随着微处理器的广泛应用,使电器及其装置具备了自诊断和记忆功能,自动化程度及可靠性有了较大提高。进入20世纪90年代,因电网自动化要求,电气操作人员希望能采用远程控制方式了解和控制电网的电气状态和参数,便于集成管理,同时实现终端控制以及工厂办公自动化的发展,于是迫切需要智能型可通信电器的不断发展和完善。随着微机通信技术的发展,出现了兼有监测、保护、控制和通信功能的智能化开关电器及装置,能与中央控制计算机进行双向通信,组成监控、保护与信息传递的网络系统。20世纪末,国际上一些著名的大公司基于CPU技术不断进步和发展,纷纷推出新一代的智能型可通信的低压断路器,比如施耐德公司的M、MT开关,西门子公司的3WL /3VL 断路器,ABB公司的F、Emax等系列低压断路器。西门子公司推出的新一代断路器SENTRON WL/VL 较以前产品有了很大的提高。特别是在网络连接方面,具有Profibus2DP、Cubicle BUS、以太网、RS2232C等多种总线接口(Cubicle BUS为断路器内部数据总线) 。西门子通过模块化结构和内部数据总线使SENTRON可以方便灵活地配置和减少内部接线。施耐德公司的Masterpct系列断路器支持Modbus和BatiBUS,同时还提供用于连接Profibus和以太网的外置网络模块。
2.2国内智能电器发展历程
我国第一个智能低压电器研发工作始于上个世纪80年代后期,上海电器科学研究所根据国外万能式断路器发展动向,提出了开发智能型万能式断路器的设想。1990年联合上海人民电器厂、遵义长征九厂向原机械工业部申报国家重点企业技术开发项目,于次年正式立项。该项目立项建议书和可行性分析报告中提出了智能型万能式断路器具有以下基本特征。
1)保护功能齐全。万能式断路器做为低压配电系统主保护开关,具有很高分断能力,其主要功能是系统过电流保护,并具有过载长延时、短路短延时和短路瞬动三段选择性保护功能,此外还具有欠电压保护等。智能型万能式断路器的脱扣器采用微处理器使其保护功能大大扩展,凡是配电系统可能出现的故障(如接地故障、断相、三相不平衡及相序等)均能实现有效的保护。
2)电参数测量与显示功能。能测量系统中电压、电流、功率因数及有功、无功功率等。
3)外部故障记录与显示。原有万能式断路器在线路发生故障跳闸后,维护人员很难辨别故障类型及故障地点,给故障排除带来困难。甚至出现故障未排除重新合闸断路器,使故障进一步扩大的情况屡有发生。智能型断路器能正确记录故障类型,以及短路电流值。给维护人员迅速排除故障提供了方便,能有效防止上述情况发生。
4)内部故障自诊断和报警功能。智能断路器具有强大的功能,但是使用部门担心,一旦智能脱扣器出现故障和损坏怎么办?为了避免这一情况出现,智能脱扣器设置了“看门狗”线路,它的任务是周期性不间断检查智能脱扣器线路工作状况。一旦发现不正常立即发出报警,便于维护人员及时维修或更换。它确保了智能化断路器可靠工作。
5)很多智能化断路器还带有出线端温升预警功能,一旦出现断路器出线端温升偏高或接近最高允许温度,断路器立即发出警报。维护人员应检查是断路器出线端接触不可靠(往往由于连接螺母没有拧紧造成)还是由过载引起,以便维护人员及时排除故障,确保配电系统安全运行。

该产品于1995年通过鉴定,1997年开始投入小批量生产,型号为DW45系列,有3个框架等级2000A、3200A及6300A。其中6300A主回路为2台3200A并联组合而成。DW45智能化断路器投放市场后由于其高性能和高可靠性深受用户欢迎,其产量不断攀升。DW45系列断路器目前年产量以超过20万台,是我国低压电器发展史上推广最成功的产品。由于DW45大量推广,使ME和DW17系列断路器产量逐步下降。目前DW45系列万能式断路器在配电系统中运行的产品已超过100万台。实践表明,智能化断路器使用十分可靠。

图2 DW45万能式断路器
与智能化万能式断路器同时开发的智能化电器产品有智能化塑壳断路器。该项目于1991年底立项,1995年样品鉴定。由于该产品仅2000A一个规格,且作为大电流塑壳断路器由于短时耐受电流不高,很多场合不能作为配电系统主保护开关和分路保护开关,所以推广应用不多。

从上世纪90年代开始,又相继开发了智能型控制与保护开关电器、智能型交流接触器、智能型电动机保护器、智能型软起动器及智能型双电源自动转换开关等产品。应该说,我国第三代低压电器主要产品已经具有智能化功能。

图3 智能低压开关电器产品
但是,由于低压配电系统没有通信功能和网络化,使智能型低压电器众多智能化功能并没有发挥应有的作用。随着计算机技术、通信技术及自动化控制技术在低压配电和控制系统中的应用,这些系统开始采用现场总线实现网络化。采用现场总线技术后使低压配电、控制系统变得十分简洁。特别是低压控制系统采用现场总线技术后,节省了大量电缆和二次控制线。虽然采用可通信低压电器使电器成本有所上升,由于电缆和二次线的大量减少,使低压控制系统总成本反而下降而且采用现场总线网络化系统后使低压控制系统十分简洁,且设计、安装、使用和维护方便,特别是系统更改与改造十分方便,深受用户欢迎。

低压智能化控制系统在国外已经广泛使用,它们通过现场总线与中央控制室上位机连接,既能集中控制,又能现场操作。为了尽快跟上世界新技术发展潮流,上海电器科学研究所从2000年开始,专门成立现场总线研发中心,重点研究可通信低压电器以及低压智能配电网络系统及相关配套产品。苏州万龙电气集团和常熟开关制造有限公司参与该项技术及相关产品的研发工作。经过近十年研发,我们已经在第三代主要低压电器产品上实现可通信,包括可通信万能式断路器、可通信塑壳式断路器、可通信双电源自动转换开关、可通信交流接触器、可通信电动机保护器、可通信软起动器、可通信控制与保护开关电器等产品。与此同时,开发了3S-Net低压智能配电与控制网络系统,其典型系统如图4所示。

图4 3S-Net低压智能配电与控制网络系统
3S-Net低压智能配电与控制系统主要功能:①信息管理功能。②参数配置功能。③保护与控制功能。④故障诊断与记录。⑤电网质量监控与能量管理。
该系统特点有:①系统具有开放性,支持多总线,允许多主站、多总线配置。②支持多厂商设备,方便用户选择。③全汉化,专用(配电与控制系统)工控组态软件,组态方便、快捷、正确。④适合国内几乎所有型式开关柜,并提供完善的一、二次图。⑤第三方设备接入方便。⑥构成系统的配套件、附件齐全。
通过以上一系列产品开发,使我国智能电器、可通信电器以及智能配电与控制系统相关技术跟上世界发展潮流。

综上,智能电器的发展历程可用图5进行形象的概括:

图5 智能电器发展历程
3 智能电器未来发展方向
至今,我国智能化可通信低压电器及其系统推广并不理想。

2009年美国提出了在美国发展与建设智能电网的设想,引起了全世界对智能电网发展的重视。2010年我国将智能电网建设首次写入《政府工作报告》,上升为国家战略;2011年,已将智能电网正式列入国家“十二五”发展规划,并且已将智能电网发展与建设明确由国家电网公司统一规划、统一标准、统一实施。可以相信,智能电网的建设与发展,必将给我国智能化可通信低压电器及其系统带来新的发展机遇。

图6 美国电力科学研究院智能电网定义

图7 我国智能电网愿景
3.1智能化可通信低压电器和智能电网发展涉及的相关新技术
3.1.1 低压电器智能化技术
什么是智能化低压电器?虽然GB 7251.8-2005对智能型成套设备做了规定(采用标准的现场总线或其他数字通讯方式将具有通讯能力的元器件相互连接起来,通过控制器或上位机(主站)实现对现场设备、电网或其他控制器(从站)等的遥测、遥调、遥控、遥讯中的部分或全部功能的成套设备),但是到目前为止,国内外低压电器标准上还没对低压电器智能化进行定义。
即便如此,智能化低压电器这一说法已经被低压电器研发人员、设计人员、制造商及工程设计人员以及使用部门所接受。目前,智能化低压电器基本含义主要包括以下功能:保护与控制功能齐全,兼有电参数测量,外部故障检测、报警和开关内部故障自诊断与报警,系统运行状态监控,电能使用管理等功能(或其中一部分功能)。为此,需要对下列技术进行深入研究。
1)各类低压电器根据其低压配电、控制系统中地位与作用应具有哪些智能化功能?如何实现这些功能?
2)智能化低压电器标准研究与制定;智能化功能测试设备、测试方法研究。
3)智能化低压电器集成技术研究;多种智能化电器集成时,对不同低压电器智能化功能的取舍;多种功能重叠时相互协调与配合研究。
4)智能化低压电器可靠性(包括EMC技术)研究。
3.1.2 智能电器可通信技术研究
智能化低压电器强大功能充分发挥,必须依赖于低压配电与控制系统网络化。为此,对低压电器提出了可通信要求。为了满足网络化要求,针对具有通信功能的电子式过载继电器(又称为“电动机保护器”),GB 14048.4-2010附录J做了相关规定,但是相对整个低压电器行业的智能化,该标准覆盖面又显得太窄,因此全体低压电器为了满足网络化要求,必将涉及一系列技术的研究。
1)网络化电器与系统标准化研究
(1)适合智能电器和智能配电网络。具有国际先进水平的开放式通信协议标准的制定。
(2)适合我国发展需要的低压电器通信规约研究与制订。
(3)可通信低压电器通用技术要求研究。
(4)智能配电网络配套件标准研究与编制。
2)高、中、低压配电系统无缝连接技术研究。
3)智能网络系统配套附件研究与开发。
4)智能网络系统典型方案与整体解决方案研究。
5)可通信电器试验方法研究及相关检测设备研制并建立相应的试验基地。
3.1.3 智能配电系统过电流保护新技术
当配电系统发生非正常过电流时,低压电器应及时断开。为了使故障停电限制在最小范围,低压电器应有选择性断开。即故障级保护电器迅速切除故障电路,上级保护电器不跳闸,这对智能电网尤为重要。但是,目前低压配电系统过电流保护存在以下问题:
1)选择性保护没有覆盖整个配电系统,目前终端配电系统基本上没有选择性保护。
2)过电流选择性保护局限在一定电流范围内,只有在短路电流小于上级断路器延时整定范围内才能实现选择性保护。
3)实现选择性保护时间较长,一般在1s左右。这不仅提高了低压断路器短时耐受电流要求,而且对低压成套开关设备及系统热稳定性能提出了很高要求。
智能电网配电系统过电流保护应达到什么样目标?
(1)过电流选择性保护应覆盖整个低压配电系统,包括终端配电系统。
(2)实现全电流范围内选择性保护,当下级故障电流达到上级瞬动电流时也能实现选择性保护。
(3)在极短时间内实现选择性保护(控制在200ms以内)。
(4)从根本上消除系统短路时越级跳闸或上、下级断路器同时跳闸的状况,确保故障停电限制在最小范围。
为了实现全范围、全电流选择性保护需要解决以下关键技术:
1)全范围、全电流选择性保护总体解决方案研究。
2)区域联锁选择性保护技术研究。
(1)区域联锁各级保护电器动作逻辑程序研究。
(2)上下级保护电器区域联锁模块匹配技术。
(3)短路故障快速鉴别技术与快速闭锁技术。
(3)区域联锁可靠性技术。
3)万能式断路器全电流选择性保护技术研究,重点是提高万能式断路器短时耐受电流,实现 。
4)塑壳断路器限流选择性保护技术研究。
(1)实现限流选择性保护基本条件及可靠性研究。
(2)提高中、大容量塑壳断路器短时耐受电流。
(3)提高中小容量塑壳断路器限流性能。
(4)短路电流快速鉴别技术。
5)小型断路器选择性保护技术(SMCB)。实现小型断路器选择性保护技术方案。
(1)SMCB小型化技术研究。
(2)SMCB智能模块研究。
(3)SMCB能否作为上、下级保护电器同时使用?
(4)SMCB与上级MCCB选择性匹配技术。
智能配电系统实现全电流、全范围选择性保护将是配电系统过电流保护技术的一次重大飞跃。它带来的技术和经济意义是不可估量的,对智能电网建设具有更重大的意义。
3.1.4 智能电网过电压保护技术
由于智能电网中大量采用网络化、信息化技术及相关设备,这些设备中含有大量电子器件,相当一部分设备本身就是电子化的。它们容易受雷电和系统中其他开关设备操作过电压伤害。另外,智能电网中必然包括分布式新能源系统,这些系统无论是发电设备还是控制设备同样易受过电压伤害,因此智能电网过电压保护尤为重要,它涉及的关键技术主要有以下几个方面。
1)智能电网SPD(浪涌保护器)配置技术(整体解决方案)。
2)智能电网用SPD产品结构与性能研究。
3)智能电网用SPD使用安全性研究。
4)智能电网用SPD组合技术研究。
3.1.5 分布式新能源系统相关技术
风力发电系统和太阳能光伏发电系统是未来智能电网重要组成部分,欲构建坚强、统一的智能电网必然需要对分布在不同地域由不同能源产生的电网系统进行兼容性及并网技术研究。
3.2智能电网对低压配电和控制电器提出的新要求
3.2.1对低压断路器提出的新要求
1)智能电网配电系统中ACB(框架式断路器)将扮演更为重要的“角色”,它不再是单一的过电流保护电器,而是将测、检、控、保、管五大功能集中、整合于一体的综合性、多功能开关电器设备。
“测”:系统各类参数测量、显示;“检”:内、外部故障检测、报警、显示、开关运行状态、寿命检测与显示;“控”:根据配电系统运行状态,运行参数,由内、外故障情况,系统运行要求,发出各种指令;“保”:具有配电系统各类故障保护功能;“管”:系统能量管理(配电系统电能使用控制在最佳状态),开关自身运行状况、寿命管理等,并确保配电系统运行可靠性。
2)智能电网对低压断路器故障检测、处理、保护提出了全新的概念。
“检测”:智能电网中低压断路器应具有故障快速检测与鉴别的能力;“处理”:对各类故障迅速作出报警、分断或其它控制指令,并作出相关显示;“保护”:快速区域联锁、故障区隔离、故障排除后系统自愈和自动恢复功能。
3)各类智能型低压电器功能取舍,性能协调配合等。
4)分布式新能源系统接入后,低压断路器出现电能双向传输,为此,对低压断路器过电流保护也提出了新的要求。
5)新能源系统特定环境,如环境温度、振动、雷击及工作电压等对低压断路器提出了新的要求。
3.2.2对控制电器提出的要求
低压控制电器主要包括交流接触器、热继电器、电子式过载继电器(电子式电动机保护器)、起动器、控制与保护开关电器(CPS)、软起动器及控制电路电器。
1)交流接触器、电动机保护器、起动器结构上必须考虑模块化、组合化要求。
2)具有双向通信功能。
3)除电压信号及相关参数外,应具有其它电参数测量功能。
4)具有较为完善的电动机各类故障检测、预警与保护功能。
5)起动器使用寿命指示、预警与管理功能。
3.3智能电网给低压电器发展带来新的机遇
3.3.1低压电器是构建智能电网的重要基础

不同国家实现智能电网侧重点各不相同,但智能电网有一个共同点:就是为我们串起了一条从发、输、变、配到用户端的电能生产与消费的产业链。

图8 智能电网示意图
其价值最终体现在用户端,据统计80%以上电能通过用户端电器设备传输并消耗在终端用电设备上。
低压电器作为用户端中起到控制与保护作用的核心电器设备,处于智能电网链的最低层,是构建智能电网的重要组成部分,因此智能化低压电器是构建智能电网的重要基础,它为低压电器发展带来千载难逢的机会。
3.3.2智能电网为低压电器发展带来全新的理念
智能电网将采用统一平台与标准,新一代低压电器必须从系统角度发展,从而为低压电器发展带来全新的理念。
智能电网要求用户端采用统一、标准化产品,使目前分散、重复在各自动化系统、监控系统、电能管理系统及在线监测装置中的测量、保护及控制等各类智能电器能在新的统一标准的技术支持系统中逐步集成、整合,最终实现各种技术的高度融合,使各类智能电器的功能得到充分发挥。
3.3.3智能电网对低压电器提出的新要求
智能电网坚强、自愈、互动、优化等特点要求新一代智能电器对电网故障具有早期预警与快速安全恢复和自愈功能。
根据智能电网要求构成的智能电网系统,采用现代通信技术和测量技术实现系统的寿命管理,故障快速定位、系统运行监控及电能质量监控等。智能电器信号采集实现数字化,既保证采样速率和良好的准确度,便于通过数据分析进行故障早期评估与预警;通过网络监控器快速定位故障点,通过网络重新构架,优化网络运行以及故障隔离,非故障区自动恢复供电,实现电网快速恢复和自愈。
智能电网应用新能源系统,提高电能效率,电网质量等方面对低压电器提出了新的要求。
为此需要开发适用于这些系统的具有特定功能和性能要求的低压电器。对低压电器提出了更多更高的要求,传统低压电器将面临延伸和扩展,包括这些新能源系统控制设备,大容量真空电器,特别要求的低压断路器、过电压保护装置及系统等。
智能电网将打破传统的生产、消费模式,形成生产与消费双向互动的服务体系。
为此需要具有双向通信、双向计量能源管理网络化的低压电器及系统的支撑,它将进一步促进低压电器向网络化方向快速发展。

综上,智能电器未来发展方向也可用图9进行形象的概括:

图9 智能电器未来发展方向
4 结束语
综观智能电网的发展,今后一段时间,中低压电器将依附其快速发展,展望未来,智能低压电器有美好发展前景。毫无疑问,低压电器研发人员、设计人员、制造商及工程设计人员将会紧紧抓住历史赋予的机遇,深化智能电器关键技术攻关,掌握核心专利技术、形成技术制高点,加速新一代智能低压电器的研制与产业化,构建完整、统一、坚强的智能电网。智能低压电器必将成为智能电网重要支撑,低压电器必将焕发新的生命力,低压电器检测行业也必将迎来新的挑战与机遇。

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