智能電網(wǎng)對低壓電器智能化提出的要求及發(fā)展機(jī)遇
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(jì)發(fā)展的需要。
智能電網(wǎng)建設(shè)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(jìn)低壓電器向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
一、什么是智能低壓電器
到目前為止，國內(nèi)外低壓電器標(biāo)準(zhǔn)上還沒有對低壓電器智能化進(jìn)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(shè)計人員、制造商及工程設(shè)計人員以及使用部門所接受。低壓智能化電器應(yīng)具有四個功能上的基本特征：保護(hù)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(shè)，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(yīng)商重視。
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(hù)具有多種起動條件的電動機(jī)，具有很高的動作可靠性，例如，電動機(jī)過載與斷相保護(hù)、接地保護(hù)、三相不平衡保護(hù)以及反相或低電流保護(hù)等。
3)智能保護(hù)繼電器具有監(jiān)控、保護(hù)和通訊功能。
4)智能電器可以實現(xiàn)中央計算機(jī)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(hù)達(dá)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(fù)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(jì)發(fā)展的需要。
從20世紀(jì)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(jì)末本世紀(jì)初基本實現(xiàn)了低壓配電網(wǎng)的智能控制和網(wǎng)絡(luò)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(jī)械工業(yè)部申報國家重點企業(yè)技術(shù)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(yīng)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(shè)備或高、低壓電網(wǎng)間信息不通，數(shù)據(jù)上傳不通，下達(dá)不暢，無法從根本上實現(xiàn)電力自動化目標(biāo)。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(yīng)用并不十分理想，但從目前智能電網(wǎng)對電器設(shè)備的要求來看，已打下了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。
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(dá)控制中心(MCC)，電動機(jī)起動器一般安裝在電動機(jī)旁邊，它們通過現(xiàn)場總線與中央控制室上位機(jī)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(shù)發(fā)展潮流，上海電器科學(xué)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(luò)系統(tǒng)及相關(guān)配套產(chǎn)品。蘇州萬龍電氣集團(tuán)和常熟開關(guān)制造有限公司參與該項技術(shù)及相關(guān)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(zhuǎn)換開關(guān)、可通信交流接觸器、可通信電動機(jī)保護(hù)器、可通信軟起動器、可通信控制與保護(hù)開關(guān)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(guān)技術(shù)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(shù)及相關(guān)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(shè)智能電網(wǎng)的設(shè)想，引起了全世界對智能電網(wǎng)發(fā)展的重視。當(dāng)然也引起了我國高層領(lǐng)導(dǎo)的重視。我國已將智能電網(wǎng)發(fā)展與建設(shè)明確由國家電網(wǎng)公司統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一實施。可以相信，隨著智能電網(wǎng)建設(shè)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(jī)遇。
三、低壓電器智能化發(fā)展涉及的相關(guān)新技術(shù)
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(shè)計、可通信、節(jié)能環(huán)保等要求，要具有保護(hù)、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(shù)
目前，智能化低壓電器基本含義主要包括以下功能：保護(hù)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(guān)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(shù)進(jìn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)研究與制定；智能化功能測試設(shè)備、測試方法研究。
3)智能化低壓電器集成技術(shù)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(shù))研究。
2、智能電器可通信技術(shù)研究
智能化低壓電器強(qiáng)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(luò)化。為此，對低壓電器提出了可通信要求。為了滿足網(wǎng)絡(luò)化要求，又將涉及一系列技術(shù)的研究。
(1)網(wǎng)絡(luò)化電器與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化研究。
(2)高、中、低壓配電系統(tǒng)無縫連接技術(shù)研究。
(3)智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配套附件研究與開發(fā)。
(4)智能網(wǎng)絡(luò)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(guān)檢測設(shè)備研制并建立相應(yīng)試驗基地。
3、智能配電系統(tǒng)過電流保護(hù)新技術(shù)
當(dāng)配電系統(tǒng)發(fā)生非正常過電流時，低壓電器應(yīng)及時斷開。為了使故障停電限制在最小范圍，低壓電器應(yīng)有選擇性斷開。即故障級保護(hù)電器迅速切除故障電路，上級保護(hù)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(hù)應(yīng)達(dá)到什么樣目標(biāo)？
1)過電流選擇性保護(hù)應(yīng)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(hù)，當(dāng)下級故障電流達(dá)到上級瞬動電流時也能實現(xiàn)選擇性保護(hù)。
3)在極短時間內(nèi)實現(xiàn)選擇性保護(hù)(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(hù)需要解決以下技術(shù)關(guān)鍵：
(1)全范圍、全電流選擇性保護(hù)總體解決方案研究
(2)區(qū)域聯(lián)鎖選擇性保護(hù)技術(shù)研究
(3)萬能式斷路器全電流選擇性保護(hù)技術(shù)研究
(4)塑殼斷路器限流選擇性保護(hù)技術(shù)研究
4.智能電網(wǎng)過電壓保護(hù)技術(shù)由于智能電網(wǎng)中大量采用網(wǎng)絡(luò)化、信息化技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，這些設(shè)備中含有大量電子器件，相當(dāng)一部分設(shè)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(guān)設(shè)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(shè)備還是控制設(shè)備同樣易受過電壓傷害，因此智能電網(wǎng)過電壓保護(hù)尤為重要，它涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個方面。
1)智能電網(wǎng)SPD配置技術(shù)(整體解決方案)。
2)智能電網(wǎng)用SPD產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(shù)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(jī)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(luò)傳輸?shù)接脩簦⒃诮K端用電設(shè)備上消耗的。用戶端涵蓋了從電力變壓器到用電設(shè)備之間對電能進(jìn)行傳輸、分配、控制、保護(hù)和能源管理的所有設(shè)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(hù)作用的核心電器設(shè)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(gòu)建堅強(qiáng)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(gòu)建的用戶端智能配電網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)，便于新一代智能低壓電器的開發(fā)與應(yīng)用。
智能電網(wǎng)要求用戶端采用統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)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(hù)、控制等功能能在新的、統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)支持系統(tǒng)中逐步集成、整合，并最終實現(xiàn)各種技術(shù)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(hù)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(yīng)用帶來極大的便利。
2、智能電網(wǎng)堅強(qiáng)、自愈、互動、優(yōu)化等要求將極大地促進(jìn)具有早期預(yù)警與快速安全恢復(fù)和自愈等功能的新一代智能低壓電器的開發(fā)與應(yīng)用。
根據(jù)智能電網(wǎng)堅強(qiáng)、自愈、互動、優(yōu)化等要求，將智能電器構(gòu)成系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和測量技術(shù)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(yīng)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(zhǔn)確度，又便于對事件進(jìn)行早期*估和通過對實時數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行故障早期預(yù)警；通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測器快速定位故障點；通過網(wǎng)絡(luò)重新架構(gòu)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)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(fù)供電，實現(xiàn)配電網(wǎng)的快速安全恢復(fù)和自愈，從而全面滿足智能配電網(wǎng)的保護(hù)與控制要求。因此隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，新一代智能低壓電器的應(yīng)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(shè)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(shè)備(如變流設(shè)備、并網(wǎng)設(shè)備、能源的間歇接入設(shè)備、充電裝置等)的應(yīng)用將嚴(yán)重影響電能的質(zhì)量，因此隨著諧波抑制、無功補(bǔ)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(hù)、自適應(yīng)的動態(tài)抑制設(shè)備、#即插即用？分布式電動汽車充電站設(shè)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(jī)遇。
4、智能電網(wǎng)建設(shè)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(jìn)低壓電器向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。
可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)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(wù)體系。多種輸入數(shù)據(jù)，包括定價信號、分時計費、電網(wǎng)負(fù)荷情況，通過先進(jìn)的管理軟件，根據(jù)用戶需求采用靈活配置的方式，促進(jìn)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(guān)系，起到減少或轉(zhuǎn)移高峰電能需求、減少熱備發(fā)電站、進(jìn)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(hù)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(luò)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(jìn)低壓電器向網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展。
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