低压电器智能化的发展回顾及技术要求

　　一、什么是智能低压电器

　　到目前为止，国内外低压电器标准上还没有对低压电器智能化进行定义。但是，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。低压智能化电器应具有四个功能上的基本特征：保护功能非常齐全、测量现实电流参数、故障记录与显示、内部故障自诊断等。

　　随着建筑电气的发展和智能电网的建设，拥有智能化功能的低压电器越来越受住宅配电系统供应商重视。10月28日，在南京举办的第二届中国国际电工电器装备博览会上，就有很多智能化的低压电器产品亮相。法泰电器（江苏）有限公司展出的FTB1带选择性保护小型断路器，就是智能低压电器的典型代表。 FTB1由法泰电器、上海电器科学研究所等联合开发，具有完全自主知识产权[1]。该产品属于第四代低压电器，填补了我国低压终端配电系统在选择性保护领域的空白，不仅分断能力高、产品体积小，而且具有选择性保护、智能化通信功能，能满足智能楼宇和智能终端配电回路系统的使用需求。同样具有智能化功能的还有百利特精电气股份有限公司研制的VW60新一代智能低压框架断路器。VW60万能式低压断路器产品具有体积小、短路性能强、操作机构新颖和现场总线技术水平高等特点。该产品的成功开发，可促进智能化低压配电与电控成套开关设备的发展，从而推动配网智能化的进程。

　　智能化低压电器与普通电器相比具有以下优点:

　　1) 普通配电电器会使配电系统产生高次谐波, 而智能配电电器能够消除输入信号中的高次谐波, 从而避免高次谐波造成的误操作。

　　2) 智能过载电器可以保护具有多种起动条件的电动机, 具有很高的动作可靠性, 例如, 电动机过载与断相保护、接地保护、三相不平衡保护以及反相或低电流保护等。

　　3) 智能保护继电器具有监控、保护和通讯功能。

　　4) 智能电器可以实现中央计算机集中控制, 提高了配电系统的自动化程度, 使配电、控制系统的调度和维护达到新的水平。

　　5) 智能电器采用数字化的新型监控元件, 使配电系统和控制中心提供的信息最大幅度增加, 且接线简单、便于安装, 提高了工作的可靠性。

　　6) 智能电器可以实现数据共享,可以减少信息重复和信息通道。

　　二、我国智能化低压电器发展回顾

　　我国低压电器行业经过50多年的发展,从无到有、从小到大,取得了骄人的成绩。目前已经形成比较完整的体系,就低压电器品种、规格、性能、生产能力来看,基本上满足了我国国民经济发展的需要。

　　从20世纪90年代初开始,我国就着手研制具有智能化、可通信功能的第3代低压电器,到上世纪末本世纪初基本实现了低压配电网的智能控制和网络控制,以此满足配网自动化的需求。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1991年正式立项。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2 000 A、3 200 A及6 300 A。其中6 300 A主回路为2台3 200 A并联组合而成。DW45智能化投放市场后由于其高性能和高可靠深受用户欢迎，其产量不断攀升。DW45系列断路器目前年产量已超过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。

　　但由于智能变电站、配电自动化、调度自动化等系统的研发与应用也在同期刚刚起步,因此,存在着需求分散、各成系统等问题,即系统平台不统一,各系统间很难实现互联和信息共享,造成不同地区、不同厂家生产的智能化低压电器等电器设备或高、低压电网间信息不通,数据上传不通,下达不畅,无法从根本上实现电力自动化目标。因此,我国具有智能化、可通信功能的第3代低压电器的推广应用并不十分理想,但从目前智能电网对电器设备的要求来看,已打下了一定的技术基础。

　　低压智能化控制系统在国外已广泛使用，这些系统往往省略了马达控制中心(MCC)，电动机起动器一般安装在电动机旁边，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[2]。

　　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。由于我国电工行业分割，各自为政，使该项技术及相关产品的推广带来困难。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。当然也引起了我国高层领导的重视。我国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，随着智能电网建设与发展，我国智能化可通信低压电器及其系统必将带来新的发展机遇。

　　三、低压电器智能化发展涉及的相关新技术

　　智能化低压电器须满足性能优良、工作可靠、产品体积小、组合化设计、可通信、节能环保等要求，要具有保护、监测、通信、自诊断、显示等功能，这是实现电网智能化所必需的。

　　1、低压电器基本智能化技术

　　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舍取；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。

　　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，又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。

　　(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试验基地。

　　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。

　　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200 ms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技术关键：

　　(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

　　(3) 万能式断路器全电流选择性保护技术研究

　　(4) 塑壳断路器限流选择性保护技术研究

　　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。

　　四、智能电网对低压电器智能化提出的要求及发展机遇

　　智能电网是一个完整的体系，它要涵盖发电、输电、配电、调度、变电和用电等各个环节。据不完全统计,电力系统80%以上的电能是通过用户端配电网络传输到用户,并在终端用电设备上消耗的。用户端涵盖了从电力变压器到用电设备之间对电能进行传输、 分配、 控制、 保护和能源管理的所有设备及系统,主要包括智能低压电器、 智能电表和智能楼宇系统。作为用户端中起到控制与保护作用的核心电器设备——低压电器,其特点是量大面广,处于电网能量链的最底层,是构建坚强智能电网的重要组成部分。因此,要打造智能电网首先必须要实现作为电网基石的用户端低压电器的智能化,由此构建的用户端智能配电网络是构成智能电网的重要基础，网络化、综合智能化、可通讯的低压电器将是未来的主流发展方向。

　　1、智能电网采用统一平台与标准,便于新一代智能低压电器的开发与应用。

　　智能电网要求用户端采用统一、标准化的产品,使目前各种自动化系统、监控系统、管理系统和在线监测装置中的测量、保护、控制等功能能在新的、统一的、标准的技术支持系统中逐步集成、整合,并最终实现各种技术的高度融合,从而为提高智能电网系统可靠性、缩短安装和维护时间等带来利益。这将为新一代智能低压电器的开发与应用带来极大的便利。

　　2、智能电网坚强、自愈、互动、优化等要求将极大地促进具有早期预警与快速安全恢复和自愈等功能的新一代智能低压电器的开发与应用。

　　根据智能电网坚强、自愈、互动、优化等要求,将智能电器构成系统采用网络信息技术、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、双向通信、电能质量监控等功能。应用智能配电网中的低压电器信号采集系统实现数字化,既能确保足够的采样速率和良好的准确度,又便于对事件进行早期*估和通过对实时数据的分析进行故障早期预警;通过网络监测器快速定位故障点;通过网络重新架构、优化网络运行以及配网故障时的故障隔离和非故障区域的自动恢复供电,实现配电网的快速安全恢复和自愈,从而全面满足智能配电网的保护与控制要求。因此随着智能电网的建设,新一代智能低压电器的应用将越来越广泛[3]。

　　3、智能电网在可再生能源发电、提高电能效率和质量等方面对低压电器提出新的要求。

　　一方面为了实现可再生能源发电的利用和电能的削峰平谷以提高电能效率而开发的可再生能源发电系统,以及电动汽车等用电设备的快速充电装置等,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;另一方面,这些设备(如变流设备、并网设备、能源的间歇接入设备、充电装置等)的应用将严重影响电能的质量,因此随着谐波抑制、无功补偿、瞬变过电压抑制和可再生能源发电系统过电压抑制与保护、自适应的动态抑制设备、#即插即用?分布式电动汽车充电站设备等大量需求的诞生,对低压电器也提出了更多更高的要求,传统低压电器将面临延伸和拓展,这又将是低压电器新的发展机遇。

　　4、智能电网建设大力推动可再生能源的利用和电能供求的管理,这也将促进低压电器向网络化方向发展。

　　可再生能源发电系统的应用,打破了传统的生产、消费模式,形成了生产者与消费者的双向互动服务体系。多种输入数据,包括定价信号、分时计费、电网负荷情况,通过先进的管理软件,根据用户需求采用灵活配置的方式,促进用户参与电网运行和管理,平衡用户电力需求,满足其需求与供电能力之间的供求关系,起到减少或转移高峰电能需求、减少热备发电站、进一步提高电网节能效果并提高电网供电可靠性的作用,从而最大限度地节约资源和保护环境。这既需要开拓全新的运营管理模式,又需要具有双向通信、双向计量、能源管理等网络化的低压电器产品及系统的支撑,因此这些需求也将促进低压电器向网络化方向快速发展。

　　参考文献：

　　[1]刘俊勇,沈晓东,田立峰,陈金海,黄媛,李成鑫.智能电网下可视化技术的展望[J].电力自动化设备,2010,(01):34-35.

　　[2]张保会,郝治国.智能电网继电保护研究的进展——故障甄别新原理[J].电力自动化设备,2010,(01):67-68.

　　[3]张宏艳,汪祥兵.智能电网在我国发展之展望[J].武汉电力职业技术学院学报,2009,(04):56-57.