电器智能化原理及应用第1章

1、智智 能能 电电 器器 西安交通大学电气工程学院西安交通大学电气工程学院 电器教研室电器教研室 第第1章章 绪绪 论论 1.1 电器智能化概述电器智能化概述 电器概述电器概述 用于电力传输与分配，完成电路运行状 态监测和保护，控制电路的接通/分断操 作，用电设备控制与保护的电气设备。 包括电压/电流互感器、变压器以及各 种开关电器及其成套装置。 1.1.1 电器智能化与智能电器电器智能化与智能电器 智能电器和电器智能化是电器学科新 的发展领域。 是传统电器与现代传感器技术、微机 与数字控制技术、微电子技术、电力电 子技术及计算机通信技术等各门类学科 集成。 1. 电器智能化与智能电器的关系电器

2、智能化与智能电器的关系 智能电器智能电器 是智能化了的开关电器元件或成套开关 设备，是一种具体的有形产品。 电器智能化电器智能化 是以智能电器为基础建立的相关学科知 识及应用技术的系统集成。 是一种理念，一种方法，也是一种发展 和进步过程。 2. 智能电器元件和智能开关设备的定义智能电器元件和智能开关设备的定义 智能电器元件智能电器元件 由一次开关元件及其数字化智能监控器 组成的电器元件。 能自动监测和识别元件运行状态； 根据运行状态选择操作命令类型，实现 对元件操作的智能控制。 智能电器元件和智能开关设备的定义智能电器元件和智能开关设备的定义 智能开关设备智能开关设备 由替代二次回路的数字化

3、智能监控器和 一次开关元件组成的开关设备。 能监测一次线路和被控对象工作参量； 分析监测结果和输入指令，判断被控对 象工作状态，根据结果发出操作命令。 实现被控对象与管理后台的信息交换。 1.1.2 智能电器的基本特点智能电器的基本特点 现场参量处理数字化 电器元件的多功能化与智能操作 电器设备应用系统的网络化 可实现真正分布式管理与控制 可以组成真正全开放式系统 1.1.3 智能电器一般组成结构智能电器一般组成结构 智能电器一般组成结构智能电器一般组成结构 智能电器元件和智能电器成套设备都包 含一次元件和智能监控器。 智能电器监控器工作原理基本相同，具 有相同的模块结构。 包括： 输入、中央

4、处理与控制、输出、通信、 人机交互和电源模块。 3. 智能电器元件与开关设备的区别智能电器元件与开关设备的区别 1）物理结构）物理结构 智能电器元件智能电器元件 监控器与被监控的单个开关电器集成 为一个整体。 智能开关设备智能开关设备 包含一次电路的全部电器元件和一个 物理结构上相对独立的智能监控器。 智能电器元件与开关设备的区别智能电器元件与开关设备的区别 2）监控器结构）监控器结构 两种监控器功能结构基本相同，区别在于 各模块的配置。 整体配置上，智能电器元件监控器相对简 单，智能开关设备比较复杂。 智能电器元件与开关设备的区别智能电器元件与开关设备的区别 （1 1）输入信号来源及通道数量

5、输入信号来源及通道数量 智能电器元件智能电器元件 输入信号主要是开关元件自身的各种运行 状态、参数和特性，被测参量通道数较少。 智能开关设备智能开关设备 输入信号主要来自受开关设备控制和保 护的对象，输入参量和输入通道数量更多。 智能电器元件与开关设备的区别智能电器元件与开关设备的区别/ （2）输出通道的结构设置）输出通道的结构设置 智能电器元件智能电器元件 取决于开关操动机构及其智能操作方式。 输出信号类型、驱动方式及执行元件（根据 开关元件操动机构及操作方式配置）。 智能开关设备智能开关设备 输出信号基本为开关量，执行元件多用继 电器或电力电子开关器件； 结构较简单，通道数量一般较多。 （

6、3）人机对话）人机对话（显示、操作）（显示、操作）模块模块 智能电器元件智能电器元件 通常为可选项。需要时，操作和显示相对 简单。 智能开关设备智能开关设备 必须设置。 实现开关设备中全部测量、保护特性和参 数设定、功能投退等功能。 显示器采用LCD，界面比较复杂。 智能电器元件与开关设备的区别智能电器元件与开关设备的区别/监控器结构监控器结构/通信模块通信模块 （4）通信模块）通信模块 智能电器元件智能电器元件 根据需要配置。 只有作为网络底层设备的高端产品必 须配置。 智能开关设备智能开关设备 作为输、配、供电系统自动化的底层 和现场设备，必须配置。 智能电器元件与开关设备的区别智能电器元

7、件与开关设备的区别/监控器结构监控器结构/中央控制与处理模块中央控制与处理模块 （5）中央控制与处理模块）中央控制与处理模块 智能电器元件智能电器元件 完成元件运行状态与参数的检测和处理。 根据处理结果实现开关电器操作的智能 控制和状态的在线监测。 不同元件监控器功能差异很大。 模块组成结构、选用的处理器件性能、 价格及其外围电路配置差别很大。 智能电器元件与开关设备的区别智能电器元件与开关设备的区别/监控器结构监控器结构/中央控制与处理模块中央控制与处理模块 智能开关设备智能开关设备 实现传统成套开关设备二次电路中全部测 量、保护和控制； 并在网络后台系统管理下，实现设备的四 遥功能。 监控

8、器中央处理与控制模块结构更复杂， 处理器件性能和外围电路的配置要求更高。 智能电器元件与开关设备的区别智能电器元件与开关设备的区别 说明说明 近年来，智能低压电器中高端产品监控器 与相关开关设备监控器的功能和结构已趋于 一致； 可以直接安装在开关柜面板上，代替开关 柜监控器完成要求的全部功能。 以后的课程学习中，如果没有特别说明，以后的课程学习中，如果没有特别说明， 二者将统称为智能电器二者将统称为智能电器 1.1.4 电器智能化网络概述电器智能化网络概述 定义定义 采用数字通信技术； 用通信介质连接系统后台管理设备与工 作现场的智能电器，组成数字通信网络； 实现对电力系统设备运行、供/用电质

9、量 及供电网络的智能化、自动化管理与控制。 这种网络称为电器智能化网络。 1. 结构组成结构组成 1）现场设备层）现场设备层 网络中的最底层，包括不同生产厂家提 供的各种不同类型的智能电器。 现场设备连接方式现场设备连接方式 只有选定的现场总线连接； 带有管理设备（上位机）的现场总线 连接； 专用通信接口直接与局域网络层连接。 可用中继器、HUB、网桥扩大范围。 2）局域网络层）局域网络层 局域网络层是电器智能化网络的后台管 理层。 现场设备网络、独立的协议转换接口、 通信控制器和后台管理设备都是网络的节点。 局域网络层网络采用以太网(Ethernet) 。 经路由器、网关连接，可组成更大网络

10、。 用调制解调器（Modem）可通过电话网或无 线网与远方的高层管理系统连接。 3）通信层）通信层 界于局域网络层于现场层之间，完成通 信协议转换。 两种通信层配置两种通信层配置 一台作为通信控制器的专用计算机（物 理设备）。 现场层网络管理设备或局域网后台管理 设备服务器中的协议转换软件（逻辑设备）。 2电器智能化网络的主要特点电器智能化网络的主要特点 现场设备必须独立自治。 网络应允许不同制造商、不同类型 的产品互连。 能包容采用不同传输介质、不同通 信协议的底层网或具有独立转换接口的智 能电器。 必须保证各类实时数据在网络中传 输的实时性、准确性。 电器智能化网络的主要特点电器智能化网络

11、的主要特点 局域网后台管理设备通过数字通信和 数据库管理系统，实现以下功能： 现场设备运行状态实时监控和管理； 设置现场设备地理位置和设备功能，按 地理信息显示现场设备运行状态； 网络结构的组建和重构。 网络中的信息共享。 必须保证网络运行的稳定、可靠。 1.2 电器智能化的应用电器智能化的应用 现代电力系统输、配电自动化。 各类低压供、配电系统智能化。 提高电力用户用电质量和用电安全性、 可靠性。 现代工业设备和楼宇供电自动化及分布 式管理。 1.2.1 在电力系统自动化中应用在电力系统自动化中应用 电器智能化技术可以应用在电力系统发、 输、配、供、用各个环节。 当前国内的主要应用当前国内的

12、主要应用 发电厂和各类变电站综合自动化； 低压配电网自动化及其电能质量管理； 电力设备在线监测。 1. 变电站综合自动化中的电器智能化技术变电站综合自动化中的电器智能化技术 变电站综合自动化系统是一种数字化的 分布式控制与管理系统。 1）结构组成）结构组成 间隔层 （现场设备层） 带有智能RTU（Remote Terminal Unit） 的一次开关设备，组成微机综合保护与监 控装置。 后台通信处理与数字信息管理设备。 变电站综合自动化中的电器智能化技术变电站综合自动化中的电器智能化技术/结构组成结构组成 数字化的继电保护装置； 数字通信网络。 2）功能）功能 变电站设备的控制、保护、实时数据

13、 处理、监测、自动远动等功能。 实现全站的自动监测、控制、保护及 电能质量监测的综合管理。 3）综合自动化变电站通信网络结构）综合自动化变电站通信网络结构 按分层、分布式的网络结构配置现 场智能开关设备。 设备保护与监控功能被分散到各保 护小室或开关设备。 现场设备通过通信网络与后台管理 设备交换各种信息。 具有综合自动化管理系统的变电站又 称为分布式变电站。 变电站综合自动化网络典型结构示意图变电站综合自动化网络典型结构示意图 2. 在低压配电网自动化中的应用在低压配电网自动化中的应用 1）低压配电网自动化的意义）低压配电网自动化的意义 作为供、用电环节，完成电能对电 力用户的分配、监控与管

14、理。 其监测与自动化管理是现代电力系 统自动化的重要组成部分。 2）实现低压配电网自动化的原因）实现低压配电网自动化的原因 （1）电力用户要求提高供电质量）电力用户要求提高供电质量 各类电力用户要求提升低压配电网管 理的自动化水平。 （2）用电负载影响电网的供电质量）用电负载影响电网的供电质量 各类大功率、非线性用电负载容量增 加，造成低压配电网的各种污染。 3）低压配电网自动化管理的优势）低压配电网自动化管理的优势 自动调节大容量负载的用电时段，提 高电网运行效率； 抑制大功率、非线性负载对电网的冲 击和污染； 电力部门能更有效地监管用电负载， 提高供电质量，满足电力用户对供电电网 提出的要

15、求 。 4）当前实现低压配电网自动化的条件）当前实现低压配电网自动化的条件 系列智能化低压配电电器（低压断路器、 双电源自动转换器）和电能质量管理器等的开发 与应用 。 各种现场总线、以太网和适应电力系 统运行特点的通信协议不断完善； 电器智能化网络的监控与管理软件技 术更成熟，功能更完善。 5）低压配电网自动化的工作要求）低压配电网自动化的工作要求 （1）减小供电线路故障对用户影响）减小供电线路故障对用户影响 故障时保证重要负载供电；故障排除 后，尽快恢复对所有用电负载的供电。 （2）有利于电力部门对供电质量监控）有利于电力部门对供电质量监控 采取强制措施，抑制电网的谐波污染， 减小电网电压

16、波动及电压闪变； 提高高电网功率因数，降低运行成本。 3. 电力设备在线监测电力设备在线监测 1）国内电力设备检修现状）国内电力设备检修现状 采用“定时检修”的规则。 存在问题存在问题 故障时大面积用户的供电停止。 影响电力设备，特别是开关设备运 行的可靠性。 故障检修时，大面积停电时间长。 2）在线监测与电力设备的）在线监测与电力设备的“状态检修状态检修” 状态检修是在预测设备可能故障时检修。 措施措施 在线监测装置实时在线监测影响电力设 备安全运行的参量，将结果传给网络后台。 管理系统对数据进行处理、分析和判断， 为电力部门制订检修计划提供科学的依据。 1.2.2 在工业自动化中的应用在工

17、业自动化中的应用 1）现代工业自动化系统模式）现代工业自动化系统模式 嵌入式控制系统为核心、电力电子装置 为电压或功率控制环节的控制装置为现场 设备； 现场总线为底层网络； 多组底层网络与监控系统构建的工业控 制局域网。 实现工业企业生产自动化的全面管理。 2）工业控制局域网中智能电器的功能）工业控制局域网中智能电器的功能 工业控制局域网的现场监控设备工业控制局域网的现场监控设备 被控对象的微机控制器和低压智能电器 监控器。 微机控制器功能微机控制器功能 监测备控设备工作流程、运行状态及工 作参量等信息。 工业控制局域网中智能电器的功能工业控制局域网中智能电器的功能/微机控制器功能微机控制器功

18、能 完成设备工作的自动控制。 与网络后台交换相关信息，并接受各种 操作指令。 智能电器监控器的功能智能电器监控器的功能 监测被控设备及供电线路设备运行状态。 控制供电电源的接通/分断，实现对生产 设备的用电管理与故障保护。 工业控制局域网中智能电器的功能工业控制局域网中智能电器的功能/智能电器监控器智能电器监控器 向后台管理系统传送运行过程中与供电 电网相关的各种信息 （设备故障信息、用电量、 功率因数、谐波、对电网的其他干扰等）。 为企业用电的全面管理提供实时、有效 的数据。 典型应用典型应用 电动机控制中心电动机控制中心MCC（Motor Control Center） 1.2.3 电器智

19、能化在楼宇自动化管理中应用电器智能化在楼宇自动化管理中应用 功能功能 供电质量监控、用电费用统计和安全保证等。 实现方法实现方法 采用智能断路器作为线路供配电开关和负荷 开关。 构建智能化分布式监控与管理网络，实现对 供电电网线路设备及负载等的监管。 完成功能完成功能 线路发生故障后自动切换供电电源或 起动备用电源，保证重要用户的连续供电。 防止事故扩大，尽快排除故障，提高 建筑物供电质量。 及时发现存在隐患的线路和设备，发 出预警信息 。 实现用户用电智能抄表，有效监管恶 意欠费。 1.3 电器智能化技术的发展电器智能化技术的发展 从简单采用微机控制的封闭式装置，发 展成具有较完整的理论体系

20、和多学科交叉 的电器智能化系统。 讨论要点讨论要点 监控器功能与控制技术 电器元件的工作机理变革 智能化网络 1.3.1 监控器功能的完善与开发监控器功能的完善与开发 早期电器智能控制器只针对某一特定的 对象，功能单一，采用封闭式控制模式。 1）当前智能监控器的基本功能）当前智能监控器的基本功能 （1）测量）测量/遥测遥测 监测并数字化显示现场运行参量（测量）， 经通信网上传（遥测）。 监控器功能的完善与开发监控器功能的完善与开发/当前智能监控器的基本功能当前智能监控器的基本功能 （2）就地设置与操作）就地设置与操作/遥调与遥控遥调与遥控 由键盘、面板开关及通信口完成就地/远 方调控。 （3）

21、遥信）遥信 记录被监控对象的运行状态及现场运行 工况，经通信口上传。 （4）保护）保护 判断故障及故障类型，故障出现后完成 相应的操作。 监控器功能的完善与开发监控器功能的完善与开发/当前智能监控器的基本功能当前智能监控器的基本功能 （5）自检与故障诊断）自检与故障诊断 监控器主要硬件设备和被控对象故障诊断。 （6）通信）通信 采用统一的通信协议或协议转换技术； 实现后台与运行现场间各类信息交换， 并保证通信网络的开放性。 （7 ）一次开关元件在线监测）一次开关元件在线监测 实现电器元件的故障预测和诊断。 2）发展趋势）发展趋势 监控器各模块的功能高度分散； 组成以中央控制与处理模块为核心、

22、由现场总线连接的分布式管理网络。 3）核心技术）核心技术 各类传感器的数字化和智能化。 开发智能化的人机交互模块。 输出接口和通信接口的智能化管理。 1.2.2 监控器的设计技术监控器的设计技术 监控器设计内容监控器设计内容 监控器结构设计 主要元件的选择 硬件电路和软件及其可靠性设计 早期设计特点早期设计特点 按功能选用器件，设计成多芯片、多电 路板结构； 印刷电路板布线复杂，可靠性差。 1. 硬件设计的现状与发展趋势硬件设计的现状与发展趋势 1）中央处理与控制模块结构的简化）中央处理与控制模块结构的简化 采用16位单片微机与CPLD（复杂可编程逻辑 器件）或PSD（单片机专用的在线可编程外

23、围器件）结 合的设计方案。 采用具有工控功能的DSP（数字处理器）与 MCU（微控制器）结合的设计。 采用带有内部A/D转换器、FLASH存储器 和高驱动能力输出端口的高性能微控制器。 2）多处理器技术多处理器技术的应用的应用 监控器各功能模块的功能分散，主要模块 配置独立处理器件。 模块间数据交换用双端口RAM（单板结构）、 串行或并行系统总线（多板结构）。 高端应用高端应用 积木结构产品。 按功能分别设计带有处理器和通信接口的 独立模块；监控器按要求选配，用现场总线 连接。 3）专用监控芯片的开发与应用）专用监控芯片的开发与应用 智能监控器硬件结构发展最佳的也是 最具应用价值的途径之一。

24、优点优点 所有的处理功能基本由硬件实现，数 据处理速度极大地提高。 监控器中的各种功能模块全部集成于 一块芯片，PCB电路设计简单。 体积减小，价格降低，抗干扰能力强。 2. 监控器的软件设计监控器的软件设计 早期产品软件设计模式早期产品软件设计模式 传统的进程模式或前后台操作模式。 存在问题存在问题 设计对硬件依赖性强，功能单一， 通用性差 。 程序结构复杂，代码编写困难，重 要功能的实时性无法满足要求。 程序可靠性低，维护非常困难。 监控器的软件设计监控器的软件设计 现状与发展现状与发展 两种基本软件设计模式。 1）模块化的前后台操作设计模式）模块化的前后台操作设计模式 中、小型低端智能监

25、控器中使用。 2）嵌入式系统软件设计模式）嵌入式系统软件设计模式 高端智能电器监控器软件设计，满足系 统灵活多变的配置要求 嵌入式系统软件设计模式嵌入式系统软件设计模式 （1 1）设计思路与方法）设计思路与方法 模块化、层次化设计模块化、层次化设计 软件按实现功能划分成模块，每个模块 完成一种指定的工作任务。 应用程序和各硬件设备驱动程序间构建 一个通用管理平台，使应用程序设计脱离 具体硬件设备。 嵌入式系统软件的分层结构嵌入式系统软件的分层结构 （2）特点）特点 程序结构清晰，开发周期短。 不改变软件基本结构即可方便地调 整监控器外围硬件与控制功能的配置。 应用程序设计不依赖硬件设备，程 序

26、模块的通用性和可移植性高。 （3）嵌入式系统软件设计要求与支持条件）嵌入式系统软件设计要求与支持条件 软件结构必须层次化、模块化。 必须采用实时多任务操作系统RTOS （Real Time Multi-tasking Operation System）作为软 件管理平台，按程序模块的实时性、重要 性进行调度和管理。 已经开发出RTOS软件通用操作系统 平台，并且开放了相应软件代码。 3）采用）采用C语言与汇编语言混合编程语言与汇编语言混合编程 支撑条件支撑条件 各类型能支持C语言编程和C与汇编语言 混合编程的处理器件及编译软件已被开发。 编程原则编程原则 了解监控器采用的处理器件性能和实现 的

27、功能。 确定采用C语言编程方式。 建议建议 应用层和管理层的通用程序模块采用C语 言。 与硬件关系密切、实时性要求高的硬件 驱动程序模块用汇编语言。 优点优点 复杂的应用和管理模块程序编写速度快， 可读性高，使程序模块具有可移植性。 4）PLC编程思想和蓝牙技术的应用编程思想和蓝牙技术的应用 采用PLC的的编程思想，开发出适合用户使 用的二次开发平台，可简化用户二次开发。 网络软件二次开发和现场调试中使用蓝牙 技术，开发和调试设备与现场连接更简便。 3测量和保护信息的处理技术测量和保护信息的处理技术 信息处理目标信息处理目标 现场运行参量信息的采集和处理是智能 电器完成监测、保护和其他功能的基

28、础 必须精确控制测量通道中每一个环节及 信号数字处理过程的精度。 基本思路基本思路 1）提高传感器的精度和线性度）提高传感器的精度和线性度 主要措施主要措施 开发宽测量范围的高精度、高线性 度的电压电流传感器。 开发具有非线性补偿的各类非电量 传感器。 传感器和信号调理电路集成化，减 小模拟量调理电路的分散性。 2）改进）改进A/D变换器的设计技术变换器的设计技术 主要途径主要途径 提高A/D变换器的采样精度、速度 与线性度。 处理器件内集成多通道采样环节， 提高各通道采样精度的一致性。 传感器中集成采样环节，减轻中央 控制模块的数据处理负担。 3）模拟量通道数字化、智能化、网络化）模拟量通道

29、数字化、智能化、网络化 可行方案可行方案 传感器元件、调理电路、采样环节、独 立的处理器件和通信接口集成一体； 通过数字通信接口和现场总线与中央处 理与控制模块连接，实现模拟量数字传送。 4）合理选择中央处理模块设计方案）合理选择中央处理模块设计方案 主要措施主要措施 选用处理位数多、速度快的处理 器件，增加采样点数，减小数值计算的 截断（方法）误差。 采用多处理器技术，设置独立的 数据处理器，提高数值计算速度和精度。 5）采用高精度的数据处理算法）采用高精度的数据处理算法 产生数据处理误差的原因产生数据处理误差的原因 对被测电量信号采样用直接交流采样， 结果用离散数字算法处理。 影响方法误差

30、的主要因素影响方法误差的主要因素 对被采样信号的采样点数和采用的处理 算法。 减小方法误差的方法减小方法误差的方法 提高A/D变换速率和处理器件的处理 速度，增加一个电源周期中的采样点数。 在较低采样速率下采用截断误差小算 法。 使用内置特殊处理功能的DSP专用控 制芯片，用浮点运算替代定点运算。 6）高速高精度的保护信号分析算法）高速高精度的保护信号分析算法 快速傅里叶变换快速傅里叶变换FFT 中压开关设备监控器中常用全波和半波 傅里叶变换算法。 小波变换小波变换WT WT WT在时、频两域都能表征信号的局部 特征，适于处理信号的瞬态或奇异点； 可快速、准确判断高压、超高压系统短 路故障 。

31、 4. . 关于电磁兼容性问题关于电磁兼容性问题 当前常用提高当前常用提高EMC的主要措施的主要措施 科学合理地布置印刷电路板线路， 减少电路分布参数耦合产生的干扰。 合理选择和配置线路滤波器； 采取合理的接地措施，旁路由电路 引入的干扰。 设计可靠的电磁屏蔽。 提高监控器软件的抗干扰能力。 发展趋势发展趋势 电磁环境的计算机辅助分析CAS。 PCB电磁兼容性的CAS和布线计算机 辅助设计CAD 。 改进集成电路元件线路和封装设计。 线路滤波器的应用研究。 功能模块高度集成化、连接网络化 。 监控器专用芯片化。 智能电器电磁兼容性能的系统化设计 特点 依赖数学建模和仿真，不制作实体样机，可 以

32、缩短研发周期，降低成本，提高设计效率。 方法 设计初始阶段,根据产品的电磁兼容性能分 配设计指标； 在局部性能优化的基础上进行总体合成； 使得EMC问题的定位与解决有明确的目标。 1.3.3 电器元件工作机理的变革电器元件工作机理的变革 1二次元件无触点化、数字化、网络化二次元件无触点化、数字化、网络化 二次回路中没有传统继电器的操作机构 和可见的电气接点； 控制电器工作机理和结构已根本改变。 信息输入元件与监控器间经数字通信传 递由信息。 2. 新型开关操动机构及控制方法的开发新型开关操动机构及控制方法的开发 智能电器元件的工作特点智能电器元件的工作特点 监控器根据被监控对象不同的运行状态，

33、 控制元件操作机构实现智能操作。 采用电能控制其操作的开关元件，原则 上都可以实现操作的智能控制。 传统断路器实现操作智能控制存在的问题传统断路器实现操作智能控制存在的问题 操动机构结构复杂，动作时间长、分散性 大。 动作特性随运行时间、操作次数增加变化。 弹簧操作机构中弹簧反力难于控制。 实现智能操作的途径实现智能操作的途径 开发新的智能控制原理及控制电路设 计方法。 变革操动机构的设计思想。 研究现状及成果研究现状及成果 （1）永磁操动机构的开发与应用）永磁操动机构的开发与应用 机构结构简单，动作一致性、稳定性好， 速度易于控制。 用作智能化中、低压真空断路器操动机构。 （2）超高压断路器和接触器操作智能控制）超高压断路器和接触器操作智能控制 操动机