低壓電器智能化的發(fā)展回顧及技術要求

摘要：本文對智能低壓電器的概念進行了探討，對我國智能化低壓電器發(fā)展歷程進行了簡要的回顧，介紹了低壓電器智能化發(fā)展涉及的相關新技術，最后指出了智能電網(wǎng)對低壓電器智能化提出的要求及發(fā)展機遇。

一、什么是智能低壓電器

到目前為止，國內(nèi)外低壓電器標準上還沒有對低壓電器智能化進行定義。但是，智能化低壓電器這一說法已經(jīng)被低壓電器研發(fā)人員、設計人員、制造商及工程設計人員以及使用部門所接受。低壓智能化電器應具有四個功能上的基本特征：保護功能非常齊全、測量現(xiàn)實電流參數(shù)、故障記錄與顯示、內(nèi)部故障自診斷等。

隨著建筑電氣的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設，擁有智能化功能的低壓電器越來越受住宅配電系統(tǒng)供應商重視。10月28日，在南京舉辦的第二屆中國國際電工電器裝備博覽會上，就有很多智能化的低壓電器產(chǎn)品亮相。法泰電器(江蘇)有限公司展出的FTB1帶選擇性保護小型斷路器，就是智能低壓電器的典型代表。FTB1由法泰電器、上海電器科學研究所等聯(lián)合開發(fā)，具有完全自主知識產(chǎn)權[1]。該產(chǎn)品屬于第四代低壓電器，填補了我國低壓終端配電系統(tǒng)在選擇性保護領域的空白，不僅分斷能力高、產(chǎn)品體積小，而且具有選擇性保護、智能化通信功能，能滿足智能樓宇和智能終端配電回路系統(tǒng)的使用需求。同樣具有智能化功能的還有百利特精電氣股份有限公司研制的VW60新一代智能低壓框架斷路器。VW60萬能式低壓斷路器產(chǎn)品具有體積小、短路性能強、操作機構新穎和現(xiàn)場總線技術水平高等特點。該產(chǎn)品的成功開發(fā)，可促進智能化低壓配電與電控成套開關設備的發(fā)展，從而推動配網(wǎng)智能化的進程。

智能化低壓電器與普通電器相比具有以下優(yōu)點：

1)普通配電電器會使配電系統(tǒng)產(chǎn)生高次諧波，而智能配電電器能夠消除輸入信號中的高次諧波，從而避免高次諧波造成的誤操作。

2)智能過載電器可以保護具有多種起動條件的電動機，具有很高的動作可靠性，例如，電動機過載與斷相保護、接地保護、三相不平衡保護以及反相或低電流保護等。

3)智能保護繼電器具有監(jiān)控、保護和通訊功能。

4)智能電器可以實現(xiàn)中央計算機集中控制，提高了配電系統(tǒng)的自動化程度，使配電、控制系統(tǒng)的調(diào)度和維護達到新的水平。

5)智能電器采用數(shù)字化的新型監(jiān)控元件，使配電系統(tǒng)和控制中心提供的信息最大幅度增加，且接線簡單、便于安裝，提高了工作的可靠性。

6)智能電器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以減少信息重復和信息通道。

二、我國智能化低壓電器發(fā)展回顧

我國低壓電器行業(yè)經(jīng)過50多年的發(fā)展，從無到有、從小到大，取得了驕人的成績。目前已經(jīng)形成比較完整的體系，就低壓電器品種、規(guī)格、性能、生產(chǎn)能力來看，基本上滿足了我國國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。

從20世紀90年代初開始，我國就著手研制具有智能化、可通信功能的第3代低壓電器，到上世紀末本世紀初基本實現(xiàn)了低壓配電網(wǎng)的智能控制和網(wǎng)絡控制，以此滿足配網(wǎng)自動化的需求。1990年聯(lián)合上海人民電器廠、遵義長征九廠向原機械工業(yè)部申報國家重點企業(yè)技術開發(fā)項目，于1991年正式立項。該產(chǎn)品于1995年通過鑒定，1997年開始投入小批量生產(chǎn)，型號為DW45系列，有3個框架等級2000A、3200A及6300A。其中6300A主回路為2臺3200A并聯(lián)組合而成。DW45智能化投放市場后由于其高性能和高可靠深受用戶歡迎，其產(chǎn)量不斷攀升。DW45系列斷路器目前年產(chǎn)量已超過20萬臺，是我國低壓電器發(fā)展史上推廣最成功的產(chǎn)品。由于DW45大量推廣，使ME和DW17系列斷路器產(chǎn)量逐步下降。目前DW45系列萬能式斷路器在配電系統(tǒng)中運行的產(chǎn)品已超過100萬臺。

但由于智能變電站、配電自動化、調(diào)度自動化等系統(tǒng)的研發(fā)與應用也在同期剛剛起步，因此，存在著需求分散、各成系統(tǒng)等問題，即系統(tǒng)平臺不統(tǒng)一，各系統(tǒng)間很難實現(xiàn)互聯(lián)和信息共享，造成不同地區(qū)、不同廠家生產(chǎn)的智能化低壓電器等電器設備或高、低壓電網(wǎng)間信息不通，數(shù)據(jù)上傳不通，下達不暢，無法從根本上實現(xiàn)電力自動化目標。因此，我國具有智能化、可通信功能的第3代低壓電器的推廣應用并不十分理想，但從目前智能電網(wǎng)對電器設備的要求來看，已打下了一定的技術基礎。

低壓智能化控制系統(tǒng)在國外已廣泛使用，這些系統(tǒng)往往省略了馬達控制中心(MCC)，電動機起動器一般安裝在電動機旁邊，它們通過現(xiàn)場總線與中央控制室上位機連接。既能集中控制，又能現(xiàn)場操作。為了盡快跟上世界新技術發(fā)展潮流，上海電器科學研究所從2000年開始，專門成立現(xiàn)場總線研發(fā)中心，重點研究可通信低壓電器以及低壓智能配電網(wǎng)絡系統(tǒng)及相關配套產(chǎn)品。蘇州萬龍電氣集團和常熟開關制造有限公司參與該項技術及相關產(chǎn)品的研發(fā)工作。經(jīng)過近十年研發(fā)，我們已經(jīng)在第三代主要低壓電器產(chǎn)品上實現(xiàn)可通信，包括可通信萬能式斷路器、可通信塑殼式斷路器、可通信雙電源自動轉換開關、可通信交流接觸器、可通信電動機保護器、可通信軟起動器、可通信控制與保護開關電器等產(chǎn)品[2]。

通過以上一系列產(chǎn)品開發(fā)，使我國智能電器、可通信電器以及智能配電與控制系統(tǒng)相關技術跟上世界發(fā)展潮流。由于我國電工行業(yè)分割，各自為政，使該項技術及相關產(chǎn)品的推廣帶來困難。至今，我國智能化可通信低壓電器及其系統(tǒng)推廣并不理想。2009年美國提出了在美國發(fā)展與建設智能電網(wǎng)的設想，引起了全世界對智能電網(wǎng)發(fā)展的重視。當然也引起了我國高層領導的重視。我國已將智能電網(wǎng)發(fā)展與建設明確由國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一實施?？梢韵嘈?，隨著智能電網(wǎng)建設與發(fā)展，我國智能化可通信低壓電器及其系統(tǒng)必將帶來新的發(fā)展機遇。

三、低壓電器智能化發(fā)展涉及的相關新技術

智能化低壓電器須滿足性能優(yōu)良、工作可靠、產(chǎn)品體積小、組合化設計、可通信、節(jié)能環(huán)保等要求，要具有保護、監(jiān)測、通信、自診斷、顯示等功能，這是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化所必需的。

1、低壓電器基本智能化技術

目前，智能化低壓電器基本含義主要包括以下功能：保護與控制功能齊全，兼有電參數(shù)測量，外部故障檢測、報警和開關內(nèi)部故障自診斷與報警，系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控，電能使用管理等功能(或其中一部分功能)。為此，需要對下列技術進行深入研究。

1)各類低壓電器根據(jù)其低壓配電、控制系統(tǒng)中地位與作用應具有哪些智能化功能?如何實現(xiàn)這些功能?

2)智能化低壓電器標準研究與制定;智能化功能測試設備、測試方法研究。

3)智能化低壓電器集成技術研究;多種智能化電器集成時，對不同低壓電器智能化功能舍取;多種功能重疊時相互協(xié)調(diào)與配合研究。

4)智能化低壓電器可靠性(包括EMC技術)研究。

2、智能電器可通信技術研究

智能化低壓電器強大功能充分發(fā)揮，必須依賴于低壓配電與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化。為此，對低壓電器提出了可通信要求。為了滿足網(wǎng)絡化要求，又將涉及一系列技術的研究。

(1)網(wǎng)絡化電器與系統(tǒng)標準化研究。

(2)高、中、低壓配電系統(tǒng)無縫連接技術研究。

(3)智能網(wǎng)絡系統(tǒng)配套附件研究與開發(fā)。

(4)智能網(wǎng)絡系統(tǒng)典型方案與整體解決方案研究。

(5)可通信電器試驗方法研究及相關檢測設備研制并建立相應試驗基地。

3、智能配電系統(tǒng)過電流保護新技術

當配電系統(tǒng)發(fā)生非正常過電流時，低壓電器應及時斷開。為了使故障停電限制在最小范圍，低壓電器應有選擇性斷開。即故障級保護電器迅速切除故障電路，上級保護電器不跳閘，這對智能電網(wǎng)尤為重要。

智能電網(wǎng)配電系統(tǒng)過電流保護應達到什么樣目標?

1)過電流選擇性保護應覆蓋整個低壓配電系統(tǒng)，包括終端配電系統(tǒng)。

2)實現(xiàn)全電流范圍內(nèi)選擇性保護，當下級故障電流達到上級瞬動電流時也能實現(xiàn)選擇性保護。

3)在極短時間內(nèi)實現(xiàn)選擇性保護(控制在200ms以內(nèi))。

4)從根本上消除系統(tǒng)短路時越級跳閘或上、下級斷路器同時跳閘的狀況。確保故障停電限制在最小范圍。

為了實現(xiàn)全范圍、全電流選擇性保護需要解決以下技術關鍵：

(1)全范圍、全電流選擇性保護總體解決方案研究

(2)區(qū)域聯(lián)鎖選擇性保護技術研究

(3)萬能式斷路器全電流選擇性保護技術研究

(4)塑殼斷路器限流選擇性保護技術研究

4.智能電網(wǎng)過電壓保護技術由于智能電網(wǎng)中大量采用網(wǎng)絡化、信息化技術及相關設備，這些設備中含有大量電子器件，相當一部分設備本身就是電子化的。它們?nèi)菀资芾纂姾拖到y(tǒng)中其他開關設備操作過電壓傷害。另外，智能電網(wǎng)中必然包括分布式新能源系統(tǒng)，這些系統(tǒng)無論是發(fā)電設備還是控制設備同樣易受過電壓傷害，因此智能電網(wǎng)過電壓保護尤為重要，它涉及的關鍵技術主要有以下幾個方面。

1)智能電網(wǎng)SPD配置技術(整體解決方案)。

2)智能電網(wǎng)用SPD產(chǎn)品結構與性能研究。

3)智能電網(wǎng)用SPD使用安全性研究。

4)智能電網(wǎng)用SPD組合技術研究。

四、智能電網(wǎng)對低壓電器智能化提出的要求及發(fā)展機遇

智能電網(wǎng)是一個完整的體系，它要涵蓋發(fā)電、輸電、配電、調(diào)度、變電和用電等各個環(huán)節(jié)。據(jù)不完全統(tǒng)計，電力系統(tǒng)80%以上的電能是通過用戶端配電網(wǎng)絡傳輸?shù)接脩?，并在終端用電設備上消耗的。用戶端涵蓋了從電力變壓器到用電設備之間對電能進行傳輸、分配、控制、保護和能源管理的所有設備及系統(tǒng)，主要包括智能低壓電器、智能電表和智能樓宇系統(tǒng)。作為用戶端中起到控制與保護作用的核心電器設備——低壓電器，其特點是量大面廣，處于電網(wǎng)能量鏈的最底層，是構建堅強智能電網(wǎng)的重要組成部分。因此，要打造智能電網(wǎng)首先必須要實現(xiàn)作為電網(wǎng)基石的用戶端低壓電器的智能化，由此構建的用戶端智能配電網(wǎng)絡是構成智能電網(wǎng)的重要基礎，網(wǎng)絡化、綜合智能化、可通訊的低壓電器將是未來的主流發(fā)展方向。

1、智能電網(wǎng)采用統(tǒng)一平臺與標準，便于新一代智能低壓電器的開發(fā)與應用。

智能電網(wǎng)要求用戶端采用統(tǒng)一、標準化的產(chǎn)品，使目前各種自動化系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和在線監(jiān)測裝置中的測量、保護、控制等功能能在新的、統(tǒng)一的、標準的技術支持系統(tǒng)中逐步集成、整合，并最終實現(xiàn)各種技術的高度融合，從而為提高智能電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性、縮短安裝和維護時間等帶來利益。這將為新一代智能低壓電器的開發(fā)與應用帶來極大的便利。

2、智能電網(wǎng)堅強、自愈、互動、優(yōu)化等要求將極大地促進具有早期預警與快速安全恢復和自愈等功能的新一代智能低壓電器的開發(fā)與應用。

根據(jù)智能電網(wǎng)堅強、自愈、互動、優(yōu)化等要求，將智能電器構成系統(tǒng)采用網(wǎng)絡信息技術、現(xiàn)代通信技術和測量技術實現(xiàn)系統(tǒng)的壽命管理、故障快速定位、雙向通信、電能質(zhì)量監(jiān)控等功能。應用智能配電網(wǎng)中的低壓電器信號采集系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化，既能確保足夠的采樣速率和良好的準確度，又便于對事件進行早期*估和通過對實時數(shù)據(jù)的分析進行故障早期預警;通過網(wǎng)絡監(jiān)測器快速定位故障點;通過網(wǎng)絡重新架構、優(yōu)化網(wǎng)絡運行以及配網(wǎng)故障時的故障隔離和非故障區(qū)域的自動恢復供電，實現(xiàn)配電網(wǎng)的快速安全恢復和自愈，從而全面滿足智能配電網(wǎng)的保護與控制要求。因此隨著智能電網(wǎng)的建設，新一代智能低壓電器的應用將越來越廣泛[3]。

3、智能電網(wǎng)在可再生能源發(fā)電、提高電能效率和質(zhì)量等方面對低壓電器提出新的要求。

一方面為了實現(xiàn)可再生能源發(fā)電的利用和電能的削峰平谷以提高電能效率而開發(fā)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，以及電動汽車等用電設備的快速充電裝置等，需要開發(fā)適用于這些系統(tǒng)的具有特定功能和性能要求的低壓電器;另一方面，這些設備(如變流設備、并網(wǎng)設備、能源的間歇接入設備、充電裝置等)的應用將嚴重影響電能的質(zhì)量，因此隨著諧波抑制、無功補償、瞬變過電壓抑制和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)過電壓抑制與保護、自適應的動態(tài)抑制設備、#即插即用?分布式電動汽車充電站設備等大量需求的誕生，對低壓電器也提出了更多更高的要求，傳統(tǒng)低壓電器將面臨延伸和拓展，這又將是低壓電器新的發(fā)展機遇。

4、智能電網(wǎng)建設大力推動可再生能源的利用和電能供求的管理，這也將促進低壓電器向網(wǎng)絡化方向發(fā)展。

可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的應用，打破了傳統(tǒng)的生產(chǎn)、消費模式，形成了生產(chǎn)者與消費者的雙向互動服務體系。多種輸入數(shù)據(jù)，包括定價信號、分時計費、電網(wǎng)負荷情況，通過先進的管理軟件，根據(jù)用戶需求采用靈活配置的方式，促進用戶參與電網(wǎng)運行和管理，平衡用戶電力需求，滿足其需求與供電能力之間的供求關系，起到減少或轉移高峰電能需求、減少熱備發(fā)電站、進一步提高電網(wǎng)節(jié)能效果并提高電網(wǎng)供電可靠性的作用，從而最大限度地節(jié)約資源和保護環(huán)境。這既需要開拓全新的運營管理模式，又需要具有雙向通信、雙向計量、能源管理等網(wǎng)絡化的低壓電器產(chǎn)品及系統(tǒng)的支撐，因此這些需求也將促進低壓電器向網(wǎng)絡化方向快速發(fā)展。

參考文獻：

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[3]張宏艷，汪祥兵.智能電網(wǎng)在我國發(fā)展之展望[J].武漢電力職業(yè)技術學院學報，2009，(04)：56-57.