智能电网与智能电器

2010-08-15王建华耿英三宋政湘

电气技术 2010年8期

王建华耿英三宋政湘

（西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049）

1 智能电网的概念

电网是现代经济社会的命脉，是国家能源安全的基础组成部分。随着我国经济建设的快速发展，如何提高电网的安全性和可靠性、建设绿色能源已经成为电力企业迫切需要研究和解决的重大课题。

为应对上述需求，国内外相关企业和研究机构开展了以智能电网为核心的研究工作。美国与欧洲已开展相关研究，并上升到国家战略层面，研究内容包括电力网络基础架构的升级优化、分布式能源和可再生能源的发展与接入等。美国能源部和电网智能化联盟、美国电科院EPRI、欧盟、法国电力公司、ABB公司等是国外主要的研究和实践单位，它们的工作主要集中在配电和用户侧。国内也开展了智能电网的相关研究，并在输电、配用电、新型能源、数字化变电站和智能化电力设备等多个方面取得一批具有国际先进水平的科技成果，为智能电网的开展打下了良好的基础。

智能电网是电网自动化技术的进一步发展和提升，是以传统的电网为平台，以统一的信息平台为纽带，集成现代控制理论、传感技术和信息技术，兼容多种能源，具有自我调节和适应能力的新型电网。

智能电网涵盖以下领域及相关技术[1]：

（1）发电领域：主要包括大规模可再生能源、分布式能源、光伏发电等电源的接入和协调运行技术。

（2）输电领域：包括大电网规划技术、电力电子技术、输电线路运行维护技术、输电线路状态检修技术和设备全寿命周期管理技术等。

（3）调度领域：包括大电网安全稳定分析与控制技术、经济运行技术、综合预警和辅助决策技术、安全防御技术等。

（4）变电领域：主要包括变电站信息采集技术、智能传感技术、实时监测与状态诊断技术、自适应保护技术、广域保护技术、智能电力设备技术等。

（5）配电领域：主要包括配电网安全经济运行与控制、电能质量控制、智能配网设备研究、大规模储能、电动汽车变电站等技术。

（6）用电领域：主要包括高级量测技术、双向互动营销技术、用户储能技术、用电仿真技术等。

开关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”已经成为当前的一种趋势。智能电器就是将信息技术完美地融合到传统电器之中，以数字化信息的利用为基础，进一步提高电器的性能指标以及自身的可靠性和安全性，同时为智能电网提供更加完全和丰富的数字化信息，进而提高系统的整体性能。

因此，对于智能电网而言，其构建的物质基础是智能电器，智能电器在智能电网中扮演着网络节点的角色，它既控制能量流，同时控制信息流，是强弱电技术的结合部。

2 智能电器的概念与特征

智能电器应当满足智能电网发展的基本需要，能够以数字方式全面提供系统中的各种信息、状态，也能够以数字化的方式被加以有效控制。智能电器[2-4]具有强大的自我诊断能力和自适应的控制能力，同时所有信息可以高度共享。智能电器应当具备以下四方面的特征：

（1）参量获取和处理数字化。智能电器所有功能的实现基于数字化的信息，因此智能电器必须能够实时获取各种参量并加以数字化，这其中包括电力系统运行和控制中需要获取的各种电参量，以及能够反映电力设备自身状态的各种电、热、磁、光、位移、速度、振动、放电等等物理量。另外，各种参量都以数字化形式提供，信息的后续传播与处理也都以数字化形式进行。

（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，它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。

（3）自适应控制能力。传统电力设备一旦安装就位，其功能参数就固化下来。智能电器依靠数字技术，能够根据实际工作的环境与工况对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，这不但可以进一步提高电器自身的指标和性能，还可以在很大程度上节约原材料和运行所消耗的能源。

（4）信息交互能力。智能电器的重要特征在于它的信息能够以数字化的方式广泛而便利的进行传播与交互。数字化信息传播的重要方式是网络连接，任何一台智能电器都可以通过网络获取任何连接于网络中的其他电器设备的相关参数，这样有效地实现了信息的高度共享，也为实现智能电网的构建打下了基础。

3 智能电器的关键理论与技术

根据智能电器的基本特征，可以归纳出所涉及的六个方面的理论与技术问题：①信息感知理论与技术；②设备诊断理论与技术；③智能操作理论与技术；④网络化信息交互技术；⑤专用集成电路研究；⑥电磁兼容问题。

3.1 信息感知理论与技术

智能电器各种功能实现的基础与关键是现场各种参量采集与数字化，因此，首先要确定要感知的特征参量，并必须研究以数字化为基础的参量感知理论与技术。

线路的电量监测始终是电力设备获取信息的基本内容，传统测量方法在适应数字化测量和控制方面还有很多不足。新型的电量传感技术包括数字化光电互感器的研究，这类传感器采用罗科夫斯基线圈、磁传感器或其他原理的传感器件，将信号数字化并通过光纤进行传导，信号的收集采用合成器通过总线系统进行传递，各类终端设备可以方便地获取数字化的信号。

电器的绝缘状态是自诊断的重要内容之一。一般来说，主要需要测量绝缘泄漏电流和局部放电。因此研究更加敏感和有效的传感技术，并且加以小型化和数字化是重要的研究课题。

表征电器状态的特征参量还有很多，例如温度、力、速度、振动等，这些特殊参量的传感方法同样值得进行大力研究。

3.2 智能诊断理论与技术

以数字化、智能化技术为基础，对电器的状态进行自我检测与故障诊断，是提高电器可靠性、保障系统安全运行的重要途径之一。电器运行状态往往受多种因素共同影响，即便是获取了各种状态信号，如何判断装备的优劣状态、发现具体的故障位置、故障性质以及产生的原因仍是一件十分复杂的工作。

电器性能的劣化主要集中在绝缘特性和机械特性方面，这些特性的劣化规律是实现故障诊断的基础，需要通过大量实验与理论分析进行研究，特别是有必要研究多种因素同作用下的劣化规律，例如电、热、力、辐射（核电站）等多种因素的共同作用下其运行状态的变化规律。

所获得的电器运行状态的特征量和故障产生点、故障性质等之间具有比较复杂的关系，进行智能诊断主要需要解决信号处理问题、故障识别问题以及故障诊断的智能方法。

3.3 智能操作理论与技术

开关电器属于一类运动型电力装备，在实现功能过程中其主要部件发生运动。传统开关电器一旦安装到位，它的操作运动过程就固化下来，无论环境和工况如何，运动特性是不变的。研究证明，开关电器的触头系统运动特性对开关的关合与分断功能有明显影响，不同工况存在着最佳的运动特性。因此研究不同工况下的开关最佳运动特性，及基于数字化的实现方法和技术，这就是开关电器的智能操作。智能操作具体研究内容包含两个方面，即开关电弧理论和智能操作方法。

电弧燃烧和熄灭过程是影响开关电器性能的最重要的过程，研究各种工况下电弧的燃弧过程与触头运动之间的关系，分析和确定最有利于开断的最佳的运动过程，为智能操作提供理论依据，是这项研究的主要目的。

当获得不同工况下的最佳触头运动过程后，通过数字化技术和研究新型的操动机构，对电器进行智能控制，实现最佳操作过程。

3.4 网络化信息交互技术

信息交互网络是构成智能电网的基本环节和纽带，也是智能电器各种功能延伸的重要基础。当电器通过信息网络连接起来后，从原理上讲它可以获得整个网络上连接的所有电力设备的各种信息，任何一台开关电器的保护不但可以根据自身回路的工作状况决定操作，还可以根据相关线路的状况综合分析判断和控制，从而大大提高整个系统的智能化水平。

目前的各种通信网络结构并非专门为电力系统用途而设计，还有很多方面不能满足系统的要求，需要根据电力系统在不同应用环境下的需求研究和开发专门的网络架构和通信协议，形成统一的标准和规约，以适应未来智能电网的开发和各种用电系统的需要。

在配电系统和用电系统中，当电器获得整个系统的各种信息后，就有可能形成新的更加有效的保护方法。

3.5 专用集成电路研究

智能电器的信息检测、控制、通信整体上讲是一个复杂的信息系统，为了提高可靠性，降低生产成本，形成标准化、规范化的体系，必须加强专用集成电路的研究与开发，以支撑整个体系的发展。

随着大规模集成电路制造技术的进步以及微电子机械系统（MEMS）的研究和微纳制造技术的发展，集信号传感、处理、输出（驱动）为一体的芯片开发已经成为可能，因此研究和开发用于电力设备的具有信号传感采集、信号处理和信号输出的专用芯片SOC具有很大的价值，这将大大降低数字化电力设备开发的难度，提升标准化程度，简化系统构成。

3.6 电磁兼容问题

智能电器是典型的强、弱电密切耦合系统，弱电部分的电磁兼容性（EMC）已经成为十分突出的瓶颈问题。目前广泛采用的电磁兼容标准、规范总体来说还不能完全适应电力系统环境下的弱电系统应用，特别是电力设备在操作控制过程中，存在开关暂态干扰，雷电浪涌，高频局部放电，静电放电等现象，电磁干扰的强度和形态与一般环境还是有很大不同，有必要进行专门的研究，并逐步形成有针对性的规范和标准，以利于指导智能电器的开发与考核验证。