电器智能化若干新专业技术进展

1、电器智能化若干关键新技术的进展1 大型企业供配电智能监控系统1 1 概述大型企业供配电智能监控系统是利用网络技术和计算机技术对分 布广泛的企业级电力配电网系统进行实时监视、控制、管理，结合电 力领域专门的应用需求，来保证供配电系统的稳定运行的软件系统。大型企业配电系统具有以下几个特点：大型企业配电系统电压等 级涵盖 35kV、 10kV、 6kV、0.4kV 等，有的有自备发电厂，配电网结 构复杂，地理位置分布广泛；连接的各类设备总类繁多，数量大，设 备的安装形式、智能化程度千差万别，需要对它们进行实时监控；支 持的现场总线类型多， 支持的通讯协议类型繁多， 包括设备厂商自定 义的和基于标准通

2、讯协议等； 配电智能监控系统的规模会随着监控设 备的增加而逐步扩大， 这要求系统可以根据不同的规模适当裁减， 结 构灵活，适合分布式应用。 在大型企业供配电系统的生产及管理过程 中，需要完成的基本功能包括分布式的数据采集、实时数据交换、数 据分析处理、历史数据存储、交互式人机界面、报警处理、操作控制 等，同时针对配电网的当前或将来的运行状态需要具备有网络拓扑与 动态着色、配电网状态估计、配电网潮流分析、配电网短路分析、配 电网故障定位、隔离、恢复、配电网网络重构等特定功能。大型企业 供配电智能监控系统的目标就是要为企业的电力配调部门构建一套 智能化信息采集和分析处理平台， 进行信息融合、 信息

3、共享和决策支 持。在一个比较典型的大型企业供配电智能监控系统中，终端配电设备 广泛的分布在整个供配电区域中， 通过现场总线连接在一起， 组成终端 设备层，完成信息的采集、保护的分布式控制， 并就近集中到一个变配 电子站进行信息的集中；各变配电子站和配调中心之间利用专用信道进 行信息交换（如以太网、 Internet 或专线等），如果需要，配调中心可 以同 ERP、GIS 等系统进行信息交换。系统的拓扑结构将是一个分层分 布式的结构形式，如图 1 所示。图1分层分布式的系统构架1. 2构建系统涉及的新技术1）以OPC为核心的系统集成技术用于过程控制的对象连接与嵌入技术（OLE For Proce

4、ss Control ， OPC是一套用于工业自动化领域的接口规范，由OPC基金会负责制定，它为基于 Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁， 使相对独立的不同应用程序结合到一起成为可能。OPC规范包含一系列的预定义的接口集合。这些 OPC规范集将工 业自动化系统中数据的采集、分析和处理过程分解为一系列相对独立 的标准接口，不同的领域应用系统软件可以遵循 OPC接口来设计具有 特定领域功能的软件模块，形成具有OPC接口的标准组件，系统构架 则以OPC规范作为连接各个功能相对独立的 OPC组件的软件总线。2）分布式实时数据采集技术随着信息技术的发展，各类智能电子设备的出现，电力系统

5、中数 据的采集、分发过程变得越来越复杂，系统需要处理各类备不同的接 入方式、不同的通讯协议所提供的数据，数据采集引擎就是专门为解 决分布式的、多种类的数据源的实时数据采集而提出的一个概念。数据采集引擎定义为在分布式应用环境中构成的提供系统级数据 服务的软件总线，它对系统涉及的各类数据源进行数据采集和转换处 理，以标准数据接口或信息服务模型的形式对外提供数据服务，供各种高级应用软件进行进一步的应用和处理。数据采集引擎是一个典型的三层模型的结构，包含了一个信息流 从输入到输出的复合映射关系。数据采集引擎以各种不同的形式采集 数据源的数据，经过整理加工，以一种统一的数据组织形式对数据进 行描述，再根

6、据输出的需要，以 OPC DA妾口的形式输出数据，它完 成了一个由多对一到一对一的复合映射过程。利用数据采集引擎技术可以大大方便各类设备的接入，各类设备 的I/O驱动程序可以设计成动态连接库（DLL）的形式，根据需要动 态加载。3）分布式实时数据交换技术 主要解决不同地理位置分布的子系统之间的实时数据交换问题。采用的通讯机制是支持一对多和多对多的分布式实时出版 / 定购通讯 模型（Real Time Publish/Subscribe , RTPS。它是构建自律分布系 统（Auto no mous Dece ntralized System, ADS 的基础，也是 IDA 组 织（ Inter

7、face for Distributed Automation ）构建分布式智能应用 的所依赖的基本通讯模型。RTPS的思想为复杂的、广域分布的大型 企业供配电智能监控系统的集成提供了很好的思路和解决方案。RTPS模型与传统的C/S模型有一定的差异，RTPS模型中的各个子 系统之间是相互平等的，不存在依附关系，可以自主运作，但这并不 表明它们不与外界交换信息。 实际上，各个子系统不断向外界以广播 方式发送信息， 同时又根据各自需求接收来自外界的信息以为自己服 务。这样一来， C/S 模式中服务器大量的负担被有限地分散了，而且 加快了子系统间信息的交换速度。4）智能信息处理技术 电力监控系统实时

8、采集、处理大量的原始生产数据，并对它们压 缩、归档、存储，系统拥有海量的实时、历史数据，如何从这些原始 数据中提取出有用的信息，再将信息转化成知识，并用这些数据、信 息和知识作为反馈来监控和指导整个生产过程， 为用户的科学决策提 供依据是一个值得深入研究的问题。当使用经典的电力系统分析方法来处理海量数据时，通常只能针 对常规的目标得到一些一般应用的结果， 但使用智能信息处理技术可 解决一些传统方法无法解决或解决起来有一定难度的问题， 对于某些 特定的常规问题， 使用智能信息处理技术有时会具有更高的效率或能 得到更好的结果。智能信息处理技术用以研究的主要问题有：a）如何利用机器学习的方法建立对电

9、力系统运行状态的分类和描 述，以便对系统运行的稳定性和安全性进行评估；b）分析电力系统故障间的关系。如利用智能计算的方法对故障进 行知识表述，结合系统运行的实时信息，完成配电网的故障定位、隔 离、网络重构，减少停电时间，同时将各类故障模式进行总结，形成 专家知识，指导用户进行科学决策；c） 电力系统运行中变化与异化的检测和预测。 利用数据挖掘可从 以前存储的大量历史数据中发现许多重要的潜在变化规律， 再利用电 力系统的领域知识对其加以系统化，以进一步利用。13 系统的发展方向a）系统采用层次化和组件化设计的特征将更加鲜明：b）系统将进一步向开放性和标准化靠拢；c) 系统将具有更好的集成性和可扩

10、充性 ；d) 系统将具有更加广泛的适应性和灵活性；2 舰船综合电力系统技术的研究传统舰船的动力平台由动力系统和电力系统两部分组成，随着高 能武器的应用和对舰船生命力及综合作战能力的要求， 需要将两大系 统统一形成新的动力平台，综合电力系统就是基于这个思想提出的。 综合电力系统与电器智能化关键技术密切相关， 它是电气智能化系统 开拓的新的研究和应用领域。2 1 概述综合电力系统 (Integrated Power System， ISP) 采用电力系统集 成技术来研究舰船电能的产生、输送、变换、分配以及利用，以实现 舰船推进和高能武器的发射。 它将舰船发供电与推进用电、 舰载设备 用电集成在一个

11、统一的系统内， 从而实现发电、 配电与电力推进用电 及其它设备用电统一调度和集中控制，其典型结构如图 2 所示，图 中 Gi ( i = 1 ，2 ， ? ， n) 为集成化的高功率密度大容量发电模 块。综合电力系统由发电模块、电能调度及智能管理模块、区域配电 模块、电力推进模块、 高能武器电力变换模块和环形供电网络等若干 个模块组成。 发电模块经环形电网向全船各区域配电系统供电；电能调度及智能管理模块对全船各区域配电系统实行电能分配及智能监 控；区域配电模块将电力输送到各个电力区的负荷中心， 然后再分配 到用电设备，采用区域配电可使发电机的运行频率不受用电设备对频 率的严格限制，实现发电机和

12、整流设备成本、体积和重量的最佳化、 集成化； 电力推进模块用以实现舰船电力推进； 高能武器电力变换模 块为激光武器、电磁炮、电热化学炮等高能武器提供物质基础。每个 模块都是高度集成化的完整系统。尽管船舶电力推进技术已有近百年的历史，但是受到当时技术因 素的制约，发展缓慢，大多数只应用在特种船舶上，从 20世纪 80年 代起，供电系统、推进装置、和计算机技术的迅猛发展，人们才提出 了综合电力系统这个概念。 美国海军于 20世纪 80年代中期提出“海 上革命”计划， 积极发展舰船综合全电力推进系统，主要集中发展舰 船电力推进、电力和控制系统， 1994 年正式提出综合电力系统的构 想并确定在 21

13、 世纪将其应用于新一代水面舰艇。随着综合电力系统研究的不断深入以及舰船电力设备技术的进 步，普遍采用综合电力系统设计方案成为未来舰船动力系统发展的趋 势。各国海军都在积极从事这方面的研究和规划， 主要集中在原动机、 发电机、电动机及配套的电力电子设备上的研发。 我国在这方面也取 得了一系列突破，成功研制了 12 相交流整流发电系统已批量装备我 国新一代潜艇，在此基础上我国又研制出交直流双绕组发电系统进行 混合电力推进，目前正在研究的有双绕组发电机和高速异步发电机。综合电力系统是个多学科综合、交叉和融合而形成的新的研究领 域。主要的学科基础为电气工程和控制科学与工程，相关学科有：信 息与通信工程

14、、计算机科学与技术、仪器科学与技术、动力工程与工 程热力学、材料科学与工程、机械工程等，大大拓宽了电气学科的研 究领域。2 2 综合电力系统的关键技术 综合电力系统代表了未来舰船动力的发展趋势，各国也处于起步 状态，还有大量关键技术需要解决，主要有下面几个方面：1）电力集成技术 电力集成技术是研究电力设备和系统集成的技术，包括设备集成 和系统集成两个层面。设备集成是指是将相关的发电、配电、电能变换、电气传动、电 气控制等电力设备中两个或多个功能模块集成于一体，形成系列化、 标准化的新功能模块，从而实现电力设备的高功率密度、高可靠性、 高性能，降低其制造成本，提高其运行效率。系统集成是指是在电力

15、设备模块化、集成化的基础上采用功率总 线技术（电能传输）和现场总线技术（通讯、控制）将各个设备有机 地组合起来，能及时传递、 分析和处理系统中各子系统或功能模块运 行状态信息，适时控制能量的分配，保证系统最佳运行，最大限度地 发挥系统及设备的功能。要实现综合电力系统，首先要完成设备集成，系统主要有发电模 块、电能调度及智能管理模块、区域配电模块等若干个模块组成。如 图 3 所示，各模块采用标准的信息采集、 处理接口及智能化执行单元， 再将各个模块通过功率总线和现场总线进行连接实现全系统的集成 综合电力系统。在集成中，必须解决损耗与散热、电磁兼容等难题。电力集成技术作为一种新技术， 国内外在该领

16、域的研究方兴未艾。 目前我国在设备级方面具有一定积累， 尤其是我国提出的集成化发电 技术可大大提高功率密度和可靠性， 我国在该领域已具备雄厚的技术 基础，但作为整个系统，其理论及技术尚不成熟。 因此，我们必须 积极开展该系统的基础理论研究，如各模块及全系统的优化构成原 理，各模块之间的接口关系、控制逻辑和信息传递等。2）高功率密度发电技术 随着舰船对电力系统供电的功率密度要求不断提高，集原动机、 发电机、交流装置、 励磁控制和保护一体化的独立供电系统是解决问 题的关键，包括原动机的选择和新型原动机的研制，高功率、高能量密度的交流或直流发电机的研制。3）配电及智能化电能管理技术 电力输配电及监控

17、管理是至关重要的环节。设计采用环形电网区 域配电系统，必须为各类舰船研究设计适当数量和容量的发电模块， 确定输配电方式， 适时地根据全船负荷工况调控各发电模块的运行方 式。对可能使用的直流配电方式， 重点研究其结构优化技术以及适合 于中高压直流网区域配电电器、 保护电器的舰船适用性能； 监测控制 智能化管理技术的研究重点为标准监控模块、 标准接口技术、 功率总 线和采用光纤的通讯控制总线技术。4）电磁兼容技术 舰船设备分布密集，电力系统容量有限，系统内的电磁兼容问题 十分突出， 直接关系到系统和用电设备的可靠安全运行， 这也是决定 综合电力系统成败的关键。 需要开展的研究工作有： 电力集成化模

18、块 中的电磁干扰研究、 舰船直流电力系统电磁兼容研究、 舰船交流电力 系统电磁兼容研究、 舰船壳体及电缆屏蔽网形成的地电网对电力系统 电磁兼容性能的影响研究、整个综合电力系统电磁兼容性研究。5）电力推进技术 舰船电力推进系统主要包含两个方面：推进电动机技术和系统监 测与控制技术。 需开展的研究内容有： 大功率电力推进电动机技术如 交流永磁推进电动机的结构性能及设计、 电力推进系统监测与控制技 术。6）大容量电能变换技术 主要研究内容有：大容量变流器的拓扑结构形式、新型电力电子 器件的使用、数字控制策略研究。实现大容量电能静止变换技术，关 键是开发配套的新型电力电子器件。2 3 智能电器与舰船综

19、合电力系统 舰船综合电力系统的提出为电气学科提供了一个新的研究技术和 创新领域，同时它的实现也需要电气和其他相关学科的支撑。上述关于舰船综合电力系统的关键技术中，与智能电器及系统相 关的有：设备集成中的高性能智能化的电力开关设备和控制设备； 系 统集成中的现场总线网络和智能控制系统； 环形电网区域配电系统中 的输配电方式； 根据全船负荷工况各发电模块的运行调控方式； 适用 于舰船的中高压直流网区域智能化配电电器和保护电器； 系统标准化 的监控模块及采用光纤的通讯控制总线技术； 设备内部、 设备与系统 之间的电磁兼容问题。作为智能电器方向的研究人员，可以立足于本专业在传统电力系 统中的优势，积极

20、开展舰船综合电力系统领域相关关键问题的研究， 推动综合电力系统的快速发展。3智能化电器传感技术的趋势与进展3 1 概述智能化电器的构成包括检测传感、信息处理与控制、执行机构与 驱动。其中检测传感技术为后续处理和控制提供信息的来源， 是保证 智能化电器正确运行的基础。 作为智能化电器的关键技术之一， 检测 传感的发展远远落后于处理与控制。 随着现代计算机技术与通信技术 与智能化电器的结合， 促进了智能化电器向小型化、 集成化、智能化、 网络化的进步。然而传统的电流互感器和电压互感器已经不能适应智 能化电器对检测传感提出的新要求， 甚至成为智能化电器进一步发展 的瓶颈。因此，大力发展智能化电器传感

21、技术的研究已经成为智能化 电器技术进步的当务之急， 新型传感技术的开发与应用是智能化电器 领域的重要挑战与机遇。目前广泛应用的电磁式互感器是按照过去的继电控制设备的应用 条件而设计，存在种种弊端。例如，由于线性范围的限制，需要使用 两套电流互感器，一套用于测量，一套用于保护，造成资源浪费。另 外，传统电磁式互感器随着电压等级的增高， 体积和造价都随着增长。 充油式绝缘的互感器还存在漏油、爆炸的危险。本节介绍了智能化电器传感技术近年的研究热点阵列式传 感，并且讨论了其对智能化电器传感技术的影响。3 2 阵列式传感测量技术单个磁传感器测量电流时，由于不能区分待测电流感应的磁场和 其他外部干扰磁场而影响测量精度， 为了提高测量精确度， 通过引入 磁传感器