智能電器最新技術研究及應用發展前景

王建華 張國鋼 耿英三 宋政湘

(電力設備電氣絕緣國家重點實驗室(西安交通大學) 西安 710049)

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智能電器最新技術研究及應用發展前景

王建華 張國鋼 耿英三 宋政湘

(電力設備電氣絕緣國家重點實驗室(西安交通大學) 西安 710049)

智能電器具有智能感知、判斷與執行功能，是構建智能電網的物質基礎。介紹了智能電器的概念、內涵和主要技術特征，總結了高壓開關設備智能化、新型電流傳感技術和混合式電力開斷等當前熱點領域的研究進展，結合智能電網發展中新能源接入、分布式發電、交直流輸配電方式多元化等發展趨勢以及節能節材、環境友好等需求，分析了智能電器領域的發展前景和趨勢，總結了新型傳感器、模式識別與故障診斷、高壓大容量混合開斷、智能操作機構和電磁兼容可靠性等需要進一步研究的關鍵理論和技術內容，指出利用新材料、新器件、新原理，突破信息獲取、處理、傳遞等核心技術環節，實現信息融合和知識利用，是智能電器發展的關鍵。

智能電器 智能電網 新能源 發展前景 綜述

0 引言

隨著數字化經濟的發展和社會需求的增加，對電力能源安全可靠、優質經濟的要求越來越高。為了發展清潔能源、應對氣候變化、保障能源安全、促進經濟增長，智能電網成為國際電力工業發展的新趨勢[1]。智能電網技術的基本特征是信息化、自動化和和互動化，最終實現電力資源的優化配置。開關電器是智能電網構成中非常重要的組成部分，為了適應智能電網的需要，同時也是電力設備自身性能提高的要求，發展智能電器成為必然趨勢[2，3]。

智能電器是將信息技術融合到傳統電器中，以數字化信息的獲取、處理、利用和傳遞為基礎，在開放和互聯的信息模式基礎上，進一步提高電器的性能指標及自身的可靠性和安全性，同時為智能電網的運行控制提供更加完善和豐富的數字化信息，以提高系統的整體性能[4，5]。

國內智能電器的發展已有二十余年的歷史，從開始的引進、仿制、消化吸收到自主創新，其技術水平已逐步與國外企業平齊，有些關鍵技術指標甚至超過國外同類產品。近年來，我國智能電網建設的加速以及“物聯網”、“大數據”、“能源互聯網”等概念的興起，進一步推動了智能電器的產業發展和技術革新。

1 智能電器的內涵和技術特征

本文中的智能電器主要指智能開關電器，其基本功能是控制和保護。智能電器是構建智能電網的物質基礎，承擔著網絡節點的角色，控制能量流的同時控制信息流，是強弱電技術的結合部。

1.1 智能電器的內涵

智能電器的內涵主要包括3方面：①完成基本職能過程中的智能感知、判斷與執行功能；②智能電器的智能狀態監測與壽命評估功能；③具有交互能力，運行過程中對電網和環境友好。隨著技術進步及應用領域的擴展，智能電器的內涵和外延仍在不斷發展變化。

1.2 智能電器的主要技術特征

智能電器應當滿足智能電網發展的基本需要，能夠以數字方式全面提供系統中的各種運行和狀態參數，并被加以有效利用。智能電器具有強大的自我診斷和自適應的控制能力，同時所有信息可以高度共享。

智能電器的智能感知、判斷與執行功能的實現，需要借助于傳感器技術、信息處理技術與控制技術的融合。智能電器具備以下4方面特征。

1)參量獲取和處理數字化

智能電器能夠實時地獲取各種運行和狀態參量并進行數字化處理、存儲和傳遞，其中包括電力系統運行和控制中需要獲取的電壓、電流等各種電參量以及反映電力設備自身狀態的各種電、熱、磁、光、位移、速度、振動、放電等物理量。

2)自我監測與診斷能力

智能電器具有自我監測與診斷能力，可隨時監測各種涉及設備狀況和安全運行所必須的物理量，同時對這些物理量進行計算和分析，掌握設備的運行狀況以及故障點與發生原因，以此評估設備的劣化趨勢和剩余壽命，并適時地進行預警。

3)自適應控制能力、決策優化

智能電器在智能感知基礎上，采用優化控制技術，能夠根據實際工作的環境與工況對其操作過程進行自適應調節，使得所實現的控制過程和狀態最優，從而進一步提高電器自身的性能指標，并在很大程度上節約原材料和減少運行能耗。

4)信息交互能力、環境友好

智能電器具備數字化接口，其內部信息能夠高效地進行傳播與交互，實現信息高度共享，進而能夠主動地與其他設備進行協調互動，實現系統整體優化。其在運行過程中，不產生影響智能電網穩定運行的干擾，設備的使用不影響自然環境。

2 智能電器的研究熱點與進展

2.1 高壓開關設備的智能化

智能變電站是構建智能電網的重要支撐節點。智能高壓開關設備是智能變電站的核心設備，其通過裝設各類傳感器，采集設備運行狀態，對數字化信息進行就地處理，實現自適應控制和故障診斷等功能。此外，其具有高速網絡交互接口，能夠為智能電網的優化運行提供信息支撐。

2.1.1 智能高壓開關設備的信息化建模

IEC 61850標準是變電站自動化領域的國際標準，其應用涉及發電、輸變電、配用電和調度等領域，已成為智能電網的重要基礎性標準。基于IEC 61850標準，采用面向對象技術對智能高壓開關設備的物理結構和功能(服務)進行抽象，建立智能高壓開關設備的信息模型，實現現場參量的測量信息流、狀態數據的監測信息流和操作控制信息流的集成，是智能高壓開關設備的重要研究內容[6]。

自IEC61850標準頒布以來，在智能高壓開關設備的數字化方面取得了很大發展。國際上ABB、GE、AREVA、SIEMENS、TOSHIBA等公司開發了集數字化測量、控制、監測于一體的新型開關設備[7，8]。當前，智能高壓開關設備的產品解決方案主要是通過在一次設備附近裝設智能電子裝置(IED)，其具備與一次設備的電纜接口和光纖以太網接口，完成信息格式轉換，實現傳統一次設備和后臺在線監測系統(或其他IED)的信息交互功能[9，10]。典型產品如ABB公司的PASS、SIEMENS公司的HIS/SICAM、TOSHIBA公司的H-GIS產品。

隨著2009年國內智能電網建設的開展，國家電網公司發布了一系列相關標準，加快了智能高壓開關設備的研制進度。2012年國家科技部批準，由中國電力科學研究院作為承擔單位，西開電氣、平高電氣、清華大學、西安交通大學、華北電力大學作為參與單位，啟動863課題“高壓開關設備智能化關鍵技術”的研究，提出了高壓開關設備智能組件設計和質檢標準，建立了智能開關設備的技術標準體系。目前已研制出252kV智能GIS、550kV智能GIS、800kV智能斷路器，并獲得試點應用。

IEC 61850作為變電站內部通信網絡的技術標準，主要偏重于繼電保護、測量與監視等領域的應用[11]。雖然IEC 61850中定義了液體介質絕緣SIML、氣體介質絕緣SIMG、電弧監視與診斷SARC和局部放電SPDC等專門的邏輯節點，但仍無法滿足高壓開關設備狀態監測集成平臺的需要。我國電網企業基于DL/T 860標準，制訂了變電設備在線監測裝置數據建模及通信規范、變電設備在線監測系統數據庫規范，其內容涵蓋變壓器、GIS、斷路器、電流互感器、電壓互感器等重要電力設備的常用監測參量[12]。另外，國內也已具備智能開關設備的一次設備與二次設備的一體化試驗能力。

2.1.2 智能高壓開關設備狀態檢測、診斷技術

運行數據表明SF6氣體泄漏、內部絕緣缺陷、操作機構故障、導電回路異常發熱及二次控制回路失靈是高壓開關設備的主要故障類型。智能高壓開關設備通過裝設局部放電、SF6氣體狀態、機械特性、主回路溫度等監測模塊，實現對自身運行狀態的感知和診斷，并適時地通過網絡接口向后臺監控系統發出狀態或告警信息[13，14]。依據狀態信息對設備進行科學地評價，從而制定合理的檢修策略。例如，TOSHIBA公司研制的C-GIS中采用了電暈、壓力、氣體、泄漏電流等多種傳感器監測絕緣性能；利用光纖溫度傳感器檢測導電性能。SIEMENS公司開發的SICAM系統，實現了對SF6斷路器及隔離開關的數字化控制、狀態監測和故障診斷。

1)局部放電監測

高壓開關設備內部故障以絕緣故障為主，由于在制造及安裝過程中，內部缺陷、導體之間接觸不良等使內部電場發生畸變而產生局部放電。可以通過監測放電粒子特性或放電產生的物理及化學變化發現局部放電故障，一般分為電檢測法和非電檢測法。電檢測法包括耦合電容法、外部電極法、絕緣子內部預埋電極法和超高頻法等。非電檢測法包括超聲波檢測法、光檢測法、化學檢測法等。

2)SF6氣體狀態監測

SF6氣體是高壓開關設備主要采用的絕緣和滅弧介質，其壓力、密度、溫度和水分等對產品的絕緣性能有重要影響，采集這些參量，歸算后可對是否存在氣體泄漏、水分超標進行評估。另外，若運行設備存在放電、過熱等故障，SF6氣體發生分解并與設備內部其他物質反應，生成多種產物，主要有SOF2、SO2F2、SO2、H2S、CO、CF4和HF等，這些氣體分解物與其缺陷存在很高的關聯度。目前的現場檢測手段已可有效地檢出SO2、H2S和CO等組分。

3)機械特性監測

國際上高壓開關設備機械狀態評估及故障診斷技術的研究開始于20世紀80年代，研究重點主要集中在對動觸頭行程、分合閘線圈電流、輔助觸點狀態及振動信號等機械狀態參量的在線監測，依靠人工參照基準數據進行比對，分析其劣化趨勢。基于振動信號的分析可實現潛伏性機械故障檢測，目前已提出了一些較為實用的振動信號處理方法，并逐漸應用到實際的斷路器狀態檢測系統中，如ACI方法、歐氏距離法、積分參數法、信號熵法、短時能量法和小波-分形理論等。

4)主回路溫度監測

電力開關設備在高電壓、大電流的狀態下運行，主回路導體的溫度與其電接觸狀況有著極其密切的聯系，可作為診斷依據。對于全封閉式氣體絕緣高壓帶電設備，結構比較復雜，發熱點處于設備內部，導體與殼體之間充有SF6氣體，不易直接測量。紅外測溫有著響應時間快、非接觸、使用安全及壽命長等諸多優點。近年來，國內外在紅外輻射測溫和紅外熱診斷方面開展了大量研究。

鑒于高壓開關設備應用環境的特殊性，上述技術在環境適應性、測量準確度、長期工作的穩定性、接口的標準化等方面尚需進一步研究。

2.1.3 智能高壓開關設備壽命評估技術

高壓開關設備的壽命主要指機械壽命和電壽命。觸頭行程及斷路器的分/合閘速度是斷路器機械特性的集中體現，可以有效地反映出其劣化趨勢。斷路器觸頭磨損是影響斷路器電壽命的重要因素，對其剩余壽命評估有著重要的參考價值，但觸頭電磨損不能直接獲得，因而成為研究難點[15]。

1)電壽命模型

研究表明，斷路器電壽命主要取決于斷路器觸頭電磨損的狀況。國外對斷路器觸頭的研究較早，主要集中在材料對觸頭電壽命的影響以及電弧對觸頭的侵蝕方面。由于各類斷路器的滅弧原理不同，斷路器的電壽命變化規律也不同。為了便于工程應用，可以將燃弧時間、觸頭及噴嘴的結構與材料等因素對滅弧室燒蝕的影響用累計的方式加以簡化，如累計開斷電流法、累計電弧能量法、累計開斷電流加權法等，從而得到估算電壽命的近似公式。法國高能試驗室(EDF)和意大利工程指導公司(ENEL)針對SF6斷路器提出的等效開斷次數與相對開斷電流的關系曲線是一種有效的工程方法。

2)綜合診斷技術

智能高壓開關設備的故障診斷技術主要有基于知識的方法和基于信號處理的方法。前者利用領域專家啟發性經驗知識和故障特征進行演繹推理，或者基于先驗知識和相應算法對診斷對象自適應調整后獲取診斷結果。基于知識的方法不需要建立待診斷對象的準確數學模型，易于工程應用。國內外研究人員先后采用人工神經網絡、貝葉斯網絡、證據理論、粗糙集理論、模糊集理論、云模型等研究和建立了高壓斷路器機械狀態評估系統。

2.2 新型電流傳感技術

電流測量是電力系統中繼電保護、電能計量、系統監測和分析等功能實現的關鍵。隨著智能電器領域的發展，電流測量環節已經成為電器智能化、小型化的瓶頸，基于空心線圈、磁光學、磁陣列等原理的電流互感器具備絕緣結構簡單、體積小、動態范圍大且以數字量方式直接輸出等優勢，對傳統的電磁式電流互感器提出了挑戰。

2.2.1 空心線圈電流互感器

空心線圈電流互感器技術相對成熟，在工業界得到了較多應用。空心線圈電流互感器主要由Rogowski線圈、數字采集和傳輸等部分組成[16]。高壓系統中一般采用光纖傳輸信號和激光供能，易于實現高低電位隔離。空心線圈與高精度分流器組合，可實現對直流電流和諧波電流的同時測量，也是目前高壓電子式直流電流互感器的主要方案。

國際上ABB公司等率先在其智能組合電器(PASS)、SF6氣體絕緣開關(GIS)、智能化開關柜產品中使用了空心線圈電流互感器。國內南京南瑞繼保電氣有限公司、西安西電高壓開關有限責任公司等企業也分別研制了500 kV直流電子式電流互感器和±800 kV直流電子式電流互感器[17]。

從現階段工程應用和現場試驗情況分析，空心線圈電流互感器的主要故障類型為采集器故障、光纖故障及電磁干擾影響等。隔離開關操作產生的快速暫態過電壓(VFTO)對此類互感器正常工作易產生較大影響，嚴重的會導致采集器硬件損傷。

2.2.2 光學電流互感器

光學電流互感器基于法拉第(Faraday)磁光效應和薩格納克(Sagnac)效應實現電流感測，主要有磁光玻璃式電流互感器和全光纖電流互感器兩種類型。后者結構簡單，具有很寬的動態范圍，可同時實現測量和繼電保護的需求，目前在不同電壓等級的智能變電站試點項目中得到了應用[18]。

國內開展了大量關于光學電流互感器的研究。重慶大學研究了不同參數下光學電流傳感器的響應波形及幅值、頻率特性[19]。北京航空航天大學提出變溫條件下對平均波長影響的自補償方案，有效減少了傳感光纖中平均波長的漂移程度[20]。北京郵電大學采用歸零方波調制相位調制器，以正弦波信號作為本振信號進行模擬相干解調，實現了大電流閉環檢測[21]。哈爾濱工業大學對光學電流互感器的長期運行穩定性的問題進行了研究，實驗結果證明樣機的綜合誤差滿足工程計量檢定要求[22]。

雖然光學電流互感器的優點很多，但目前還處于工程應用初期，成本較高，長期運行的穩定性仍需進一步考驗。

2.2.3 磁陣列電流傳感器

磁傳感器陣列電流測量方法是利用多個磁敏元件測量電流周圍的磁場，利用數值方法反算電流，具有體積小、測量范圍大、功耗小、響應快、交直流通用等優點，是一種全新的電流測量方法。

西安交通大學對交流和直流的多母線平行導體系統進行了研究，建立了以求解系數矩陣條件數最小值為目標函數的磁傳感器陣列拓撲優化模型，實現了穩態電流的求解[23]；提出一種基于5%平帶寬(FBW)概念和基波電流與磁場對應關系的時域瞬態電流計算模型，實現了瞬態電流的快速求解[24]。上述研究解決了磁傳感器陣列電流測量方法的基礎理論問題，推動了該方法的工程應用。

北京航空航天大學提出了一種智能化巨磁阻直流電流互感器的實現方法，利用在高壓側電路中嵌入自校準模塊，實現巨磁阻傳感器輸入輸出特性的在線校準[25]。中國科學院電工研究所提出了基于最小二乘支持向量機與粒子群參數優化相結合的多傳感器信息融合算法對被測電流進行估算，對巨磁阻傳感器的非線性和溫度漂移取得了較好的補償效果[26]。華中科技大學從工程實際出發，采用印刷電路板技術實現了點陣式霍爾電流傳感器[27]。海軍工程大學構建了外部平行導線對霍爾電流傳感器的影響模型和測量誤差計算方法，設計了一種12點陣矩形陣列霍爾電流傳感器，額定電流達到10 kA[28]。

2.3 混合式電力開斷技術

智能電網是一個互動系統，要求智能電網對系統變化、用戶需求和環境改變具有最佳的反應和快速適應能力，而電力電子技術是支撐電網迅速反應并采取相應措施的有力手段[29]。當前，電力電子器件已通過多種不同方式融入到智能電器中，高壓大功率電力電子器件已經能夠作為主斷路器，承擔短路電流的開斷功能。特別是在直流開斷、短路電流限制等方面，電力電子器件更具優勢。

2.3.1 高壓直流開斷

直流斷路器是高壓直流輸電系統、軌道交通牽引配電系統、艦船直流電力系統、電信設備配電系統和直流微電網等的關鍵設備，其性能對系統的安全運行至關重要。與交流電流相比，直流電流由于沒有“自然過零點”而難以開斷，特別是在高電壓、大電流條件下，這一問題更加嚴峻[30]。

直流開斷目前主要采用3種方式：①快速拉長電弧，直至其在一定電弧電壓下不能持續，從而實現電路開斷；②由電感、電容組成振蕩電路，利用電容放電形成電流零點，再利用傳統的交流開斷方式切斷電路；③基于可關斷電力電子器件構成混合式斷路器，機械開關快速打開，將故障電流轉換至電力電子開關，再由其開斷電路[31]。方式①適用于中壓、低壓直流斷路器。目前商業化的高壓直流斷路器主要采用方式②。基于人工過零的原理，俄羅斯較早研制了額定3.3 kV/3 kA直流真空限流斷路器。目前，我國研制出55 kV高壓直流斷路器單元樣機，成功開斷16 kA電流，開斷時間小于5 ms。采用方式③的混合型直流斷路器的通流能力強、分斷能力高，有望成為直流開斷技術的重要發展方向。基于強迫換流型直流開關原理，國內外研究機構提出了多種不同拓撲結構的強迫換流開斷的電路方案[32-34]。ABB公司最新研發的混合式高壓直流斷路器的設計參數達到額定電壓320 kV、額定電流2 kA、電流開斷能力9 kA[35]。

2.3.2 短路電流限制

隨著用電負荷不斷增加，電力系統中的短路電流水平不斷提高。在我國沿海經濟發達地區，電網的短路電流水平直逼甚至超過電力規程所規定的最大允許水平[36]。因此，采取有效的短路限流措施限制電力系統的短路容量，已成為目前我國電力系統安全穩定運行和電力建設、發展的迫切問題。

目前國內外研究較多的是超導限流器和固態限流器。超導限流器可在高電壓下運行，實現檢測、轉換、限流一體化，能夠在毫秒級時間內限制故障電流。然而受到失超恢復時間、臨界值整定困難等材料特性及成本因素的限制，超導限流器在高壓、大電流條件下的應用尚有若干難題需解決。

固態故障限流器利用電力電子器件進行電路拓撲控制，其反應迅速、拓撲結構與控制策略靈活，易于同時實現正常工作時調節線路潮流、故障時限制故障電流的功能，非常適合于柔性輸電的應用場合[37]。但是，受到電力電子元件的特性限制，目前主要適用于4～15 kV及以下的中低壓配電系統。

機械開關具有極低的導通電阻(μΩ級)，通過智能控制將其與液態金屬、串聯諧振等限流技術相結合，構成的混合式故障限流器具有不可替代的特殊性能，成為新的研究熱點[38-41]。

3 智能電器的發展前景

到2014年底，全國發電裝機容量136 019萬kW，同比增長8.7%。發電裝機總容量不斷攀升，將長期保持對開關電器產品的旺盛需求。依據國家電網公司統計數據，72.5～1 100 kV高壓設備在運量472 241臺(組/間隔)，同比增加3.6%[42]。低壓電器的年銷售已超過600億，以智能化、模塊化、可通信為特征的智能電器逐步成為市場主流[43]。

總體來看，我國發電裝機容量已躍居世界第一，但人均用電量仍相對較低，僅為部分發達國家的1/4～1/5，還有很大的增長空間。另一方面，雖然我國電器行業在關鍵設備和核心技術上取得了一定突破，但國外企業仍占據高端產品的領先優勢，智能電器領域的競爭更加激烈，機遇和挑戰并存。

3.1 影響智能電器發展的因素

3.1.1 能源結構和供能形式的變化

大規模接納可再生能源電力和智能化成為電網發展的趨勢和方向[44]。新能源發電在世界范圍內呈現超高速增長，對智能電器的發展提出了新的需求。例如在德國，光伏發電功率達到22 GW，峰值時約占其正午用電負荷的50%。國家能源發展“十二五”規劃提出要大力發展分布式能源，出臺多項政策支持分布式能源的發展。國家電網公司也發布了《支持分布式光伏發電站建設及光伏發電并網的有關意見》，并公布了分布式光伏電站接入電網的相關標準。中國迎來了一個新能源大發展的時期。

智能電網要充分發揮分布式清潔能源的作用，分布式發電是一種有效途徑。其將相對小型的發電裝置分散布置在用戶現場或附近，極好地適應了分散的電力需求和資源分布，與大電網互為備用改善了供電可靠性。新能源的快速發展為電器產品智能化提供了發展契機。與此同時，也改變了“電源到負荷”的單向潮流供電方式，對傳統的控制保護技術提出了挑戰。因此，需要開發適用于清潔能源的“發、輸、儲、配、用”各環節的新型智能電器。

3.1.2 交流/直流輸配電方式的多元化

隨著電力用戶對用電需求、電能質量及供電可靠性等要求的不斷提高，現有交流電網將面臨間隙性電源接入、負荷和用電需求多樣化、潮流均衡協調控制復雜化及電能供應穩定性、高效性、經濟性等方面的巨大挑戰。傳統的單一交流輸配電模式難以滿足快速發展的經濟社會對其提出的更加環保、更加安全可靠、更加優質經濟，支持分布式電源接入，以及用戶與電網雙向互動等諸多要求。

研究表明，基于直流的配電網在輸送容量、可控性及提高供電質量等方面具有比交流配電網更好的性能，可有效提高電能質量，降低電能損耗和運行成本[45]，而且光伏發電、燃料電池、電動汽車動力電池及超級電容器等各種儲能裝置基本上都是直流，目前都必須通過換流環節才能并入交流電網。為協調大電網與分布式電源之間的矛盾，充分發揮新能源的價值和效益，發展交/直流多元化輸配電方式的混合電網將是必然趨勢。

3.1.3 能源的優化利用與環境因素

智能電網將物理的電網和數字的電網融為一體，實現基于廣域的、多種能源形式發電的優化配置，保障能源安全、提高能效，支持可再生能源入網。智能開關電器作為智能電網中最重要的控制和保護設備，也是獲取信息的終端平臺。在此基礎上，獲取電力系統中的運行數據，對數據進行分析處理，根據優化目標對電能資源進行實時的調配和高效地管理，以及實現與用戶的雙向交動，才能達到需求與供應的平衡，實現資源的優化配置。

全球變暖帶來的影響愈演愈烈，世界各國都在積極采取措施控制溫室效應。目前公認的6種重點控制的氣體中，SF6溫室效應系數是CO2的23 900倍，屬于溫室效應最強的一種。SF6氣體具有很強的電負性，滅弧和絕緣性能優良，其產量的80%以上用于以電力開關設備為代表的輸配電設備領域。研究新型開斷原理和智能控制技術，節約原材料和運行過程的功耗，減少SF6等溫室效應氣體的使用和碳排放，也是智能電器發展所面臨的問題。

3.1.4 新材料、微納制造技術的發展

隨著新材料、功率半導體技術的飛速發展，新型電力電子器件的研究和應用成為活躍主題[46，47]。與傳統的Si半導體器件相比，SiC半導體器件具有工作溫度高(最高可達600℃)、工作電壓高、通態壓降低、開關速度高、工作壽命長、抗輻照能力強等突出的優點[48，49]。預計SiC電力電子器件將主要用于1 200 V以上的高壓電力系統應用領域。

近年來，微納制造技術從基礎理論、設計建模、材料、加工工藝、封裝集成等多個方面都取得了不同程度的突破。國內在MEMS研發方面也已形成較為完整的體系，進入產業化應用階段[50，51]。微納器件具有體積小、重量輕、集成度高、可靠性高等優點，為智能電器領域探索新型感測原理、開發新功能和制造新型傳感器件提供了有力支撐。

3.2 智能電器的主要發展趨勢

智能電器的發展應適應當前電網技術的發展，支持新興清潔能源利用，強調設備與智能電網的信息交互、友好互動和電網優化運行的技術理念，并符合綠色低碳、節能環保的發展趨勢。

其主要發展趨勢為：

1)智能電器繼續向高性能、小型化、智能化、高可靠、綠色環保、系列簡潔方向發展，以更好適應智能電網的發展需要。

2)應用新型電力電子器件和超導新材料，開發電網友好、環境友好的智能電器，節約原材料和降低運行功耗，減少對環境的污染。

3)融合多種傳感器技術，適應大數據時代的發展需求，實現運行狀態的數據匯聚、發掘利用及信息資源共享，為用戶提供雙向互動服務。

4)產品設計模式從單個智能電器元件設計轉變為從系統發展和功能融合角度考慮構建智能電器系統，提供整體解決方案，實現全局優化。

5)面向可再生能源領域的需求，研發適用于分布式發電系統的潮流隨機變動、特殊保護方式的專用新型智能電器。

為實現上述目標，利用新材料、新器件、新原理，在信息獲取、處理、傳遞等關鍵環節進行技術突破，從系統角度進行分析和設計，實現信息融合和知識利用，是智能電器發展的關鍵。

4 需進一步研究的關鍵理論與技術問題

4.1 新型傳感原理與信號傳輸技術

智能電器的智能判斷與執行功能的實現是建立在智能感知的基礎之上。因此，現場信號獲取的準確度、成本、方便性及信號分析的準確性是實現智能電器亟需解決的關鍵技術。傳統的電量、非電量測量方法存在種種局限或不足。研究新型敏感材料、探索新穎感知方法及敏感元件的陣列化與復合化將成為智能電器領域的重要研究內容之一。

智能電網要求全網信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化，對智能設備之間的信息傳輸技術提出了更高的要求。借鑒RFID、無線傳感網、M2M等物聯網技術，研究新型的高效數據傳輸技術并建立相應的標準體系，實現智能電器的“即插即用”以及與其他智能設備的數據共享，才能有效地對智能電網基礎設施資源進行整合、利用。

4.2 基于大數據的模式識別與故障診斷技術

智能電器對狀態識別的準確性與采用信息量相關，信息量大、信息豐富，則識別相對準確。然而，各類傳感器產生的數據集正在以難以想象的速度增長，給數據處理帶來了極大的挑戰。此外，所獲取的多領域數據具有異構性、實時性和復雜性等特點，需要在不同層次進行建模與分析，設計優化的模式識別算法，才能實現高效利用。

智能電器依賴對系統和自身狀態特別是不同類型故障的識別、分析、判斷，再通過執行模塊實施自適應的操作。盡管國內外對電力設備和電網故障識別技術已做了不少研究，但如何快速、準確、可靠地識別故障問題仍沒有徹底解決[52]。隨著系統規模的擴大，這些問題將更加突出，故障識別技術還將繼續成為需要深入研究的熱點問題。

4.3 基于電力電子器件的高壓大容量開斷技術

直流輸電在大電網互聯、遠距離輸電和新能源接入等方面具有很大的發展潛力。目前研制輸電級別的直流斷路器仍十分困難，特別是500 kV以上的高壓大容量直流開關的研發距離工業應用還有很大距離。采用智能控制技術，基于電力電子器件的混合式直流斷路器是一種有前景的解決方案。

隨著電力電子器件廣泛應用于智能電器的電能變換和操作機構控制中，其工作壽命與可靠性將影響到整個智能電器的正常運行。目前難以有效地評估電力電子器件長期工作的可靠性。特別是智能開關設備中的電力電子器件，通常采用短時工作制。如何針對短時脈沖工作方式下電力電子器件的失效機理進行分析，考慮負載隨機變化等因素的影響，實現其壽命預測具有重要意義。

4.4 新型智能操作機構及其控制技術

操動機構的動作特性與開關電器觸頭的運動特性直接相關，是實現高壓開關設備智能操作的重要執行部件。通常要求其能夠快速響應控制單元發出的控制命令，動作速度和時間可控，特性穩定，受環境溫度、電源電壓變化的影響小，并且具有標準化的接口，易于實現狀態監測。傳統結構的電磁、彈簧、氣動、液壓機構很難滿足上述要求。

目前，永磁機構、永磁電機直驅式操動機構等成為研究熱點，利用數字信號處理芯片或專用集成電路實現高速控制也是當前的重要研究內容[53，54]。對于智能電器而言，核心硬件平臺的設計重用可極大加速新產品的開發，開發智能電器專用集成電路也是提高智能電器性能的關鍵技術之一。

4.5 復雜電磁環境下的智能電器可靠性

智能高壓開關設備中電子裝置與一次設備高度融合，使得其中的電磁兼容問題顯得尤為突出。高壓開關設備開關操作產生的電磁騷擾作用于其外殼上的傳感器、連接電纜和外殼附近的智能組件，會在傳感器和智能組件端口上產生電磁騷擾[55]。此外，對于電流互感器、電壓互感器等，由于和一次系統有直接的電氣連接或電磁耦合，瞬態電磁過程也會經傳導耦合對電子裝置產生電磁騷擾。

目前，國內外已對傳統變電站內電磁兼容問題開展了大量研究，制訂相關的國際導則和標準。但對智能變電站特別是高壓開關設備傳感器及智能組件的電磁兼容問題研究卻較少。另外，這些智能電子裝置對雷電、地磁暴、核爆等環境和人為因素引起的瞬態電磁場特別敏感。因此，復雜電磁環境下的智能電器可靠性將長期受到關注。

5 結論

介紹了智能電網的概念，并根據其發展需要和電力開關設備自身發展的趨勢，歸納了智能電器的主要特征和發展方向，總結了需要進一步研究的關鍵理論和技術問題。指出新能源利用、分布式發電、輸配電方式多元化和環境友好等因素是當前智能電器發展的推動力，強調利用新材料、新器件、新原理突破的信息獲取、處理、傳遞等核心技術環節，從系統角度進行分析和設計，實現信息融合和知識利用，是智能電器發展的關鍵。

[1] 劉振亞.智能電網技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 王建華，榮命哲，耿英三，等.數字化電力設備的概念與內涵[J].電工技術學報，2009，24(6)：138-145. Wang Jianhua，Rong Mingzhe，Geng Yingsan，et al.Concept and connotation of digital electrical equipment[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(6)：138-145.

[3] 榮命哲，王小華，王建華.智能開關電器內涵的新發展探討[J].高壓電器，2010，46(5)：1-4. Rong Mingzhe，Wang Xiaohua，Wang Jianhua.Disscussion on new development of connotation for intelligent switchgear[J].High Voltage Apparatus，2010，46(5)：1-4.

[4] 王建華，耿英三，宋政湘.智能電網與智能電器[J].電氣技術，2010(8)：1-3. Wang Jianhua，Geng Yingsan，Song Zhengxiang.Smart grid and intelligent electrical apparatus[J].Electric Technology，2010(8)：1-3.

[5] 張猛.智能高壓開關設備設計及工程應用[M].北京：機械工業出版社，2014.

[6] 劉有為，周華.智能高壓開關設備信息流方案設計[J].高壓電器，2011，47(1)：1-4. Liu Youwei，Zhou Hua.Information flow scheme designed for smart HV switchgear[J].High Voltage Apparatus，2011，47(1)：1-4.

[7] 張猛，申春紅，張庫娃，等.智能化GIS的研究[J].高壓電器，2011，47(3)：6-11. Zhang Meng，Shen Chunhong，Zhang Kuwa，et al.Research of intelligent GIS[J].High Voltage Apparatus，2011，47(3)：6-11.

[8] 鐘建英.智能高壓開關設備技術研究進展[J].高壓電器，2013，49(7)：110-115. Zhong Jianying.Technology development summary of smart high-voltage switchgear[J].High Voltage Apparatus，2013，49(7)：110-115.

[9] 劉有為，鄧彥國，吳立遠.高壓設備智能化方案及技術特征[J].電網技術，2010，34(7)：1-4. Liu Youwei，Deng Yanguo，Wu Liyuan.Technical characteristics and solution of smart high-voltage equipment[J].Power System Technology，2010，34(7)：1-4.

[10]韓書謨，鐘建英，尹軍華，等.智能高壓開關設備技術發展[J].智能電網，2013，1(1)：6-11. Han Shumo，Zhong Jianying，Yin Junhua，et al.Technology development of smart high-voltage switchgear[J].Smart Grid，2013，1(1)：6-11.

[11]任雁銘，操豐梅.IEC 61850新動向和新應用[J].電力系統自動化，2013，37(2)：1-6. Ren Yanming，Cao Fengmei.New development and new application of IEC 61850[J].Automation of Electric Power Systems，2013，37(2)：1-6.

[12]國家電網公司.Q/GDW 616-2011 基于DL/T860標準的變電設備在線監測裝置應用規范[S].北京：中國電力出版社，2011.

[13]叢浩熹，李慶民，齊波，等.基于紅外傳感的GIS隔離開關觸頭溫度在線監測技術研究[J].電力自動化設備，2014，34(3)：144-149. Cong Haoxi，Li Qingmin，Qi Bo，et al.Online GIS switch contact temperature monitoring based on IR sensing[J].Electric Power Automation Equipment，2014，34(3)：144-149.

[14]顏湘蓮，宋杲，王承玉，等.基于SF6氣體分解產物檢測的氣體絕緣開關設備狀態監測[J].電力自動化設備，2014，34(6)：83-88. Yan XiangLian，Song Gao，Wang Chengyu，et al.Gas-insulated switchgear state monitoring based on SF6decomposition products detection[J].Electric Power Automation Equipment，2014，34(6)：83-88.

[15]李東妍，榮命哲，王婷，等.超高壓GIS剩余壽命評估方法綜述[J].高壓電器，2011，47(10)：87-91. Li Dongyan，Rong Mingzhe，Wang Ting，et al.Review of residual service life estimation methods on extra-high voltage GIS[J].High Voltage Apparatus，2011，47(10)：87-91.

[16]柯春俊，張國鋼，翟小社，等.基于自積分Rogowski線圈的脈沖電流傳感器的建模研究[J].電工電能新技術，2010，29(2)：67-71. Ke Chunjun，Zhang Guogang，Zhai Xiaoshe，et al.Research on modeling of pulsed current sensor based on self-integrating Rogowski coil[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2010，29(2)：67-71.

[17]楊雯，楊獎利，侯彥杰，等.±800 kV直流電子式電流互感器的研制[J].高壓電器，2011，47(1)：10-17. Yang Wen，Yang Jiangli，Hou Yanjie，et al.Development of ±800 kV DC electronic current transformer[J].High Voltage Apparatus，2011，47(1)：10-17.

[18]張健，及洪泉，遠振海，等.光學電流互感器及其應用評述[J].高電壓技術，2007，33(5)：32-36. Zhang Jian，Ji Hongquan，Yuan Zhenhai，et al.Optical current transducer and its application[J].High Voltage Engineering，2007，35(5)：32-36.

[19]林森，杜林，王士彬，等.基于法拉第磁光效應的光學電流傳感器電氣特性研究[J].傳感器技術學報，2010，23(4)：490-495. Li Sen，Du Lin，Wang Shibin，et al.Study electrical property of the optical current sensor based on faraday magneto-optical effect[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2010，23(4)：490-495.

[20]王夏霄，王野，秦祎，等.光纖電流互感器平均波長漂移變比誤差[J].紅外與激光工程，2015，44(1)：233-238. Wang Xiaxiao，Wang Ye，Qin Yi，et al.Ratio error of all fiber optical current transformer caused by mean wavelength’s fluctuation[J].Infrared and Laser Engineering，2015，44(1)：233-238.

[21]歐陽康，洪小斌，伍劍，等.全光纖電流互感器的新型調制解調方案研究[J].中國激光，2015，42(1)：0105004-1-0105004-6. Ouyang Kang，Hong Xiaobin，Wu Jian，et al.A novel method on modulation and demodulation of all fiber optical current transformer[J].Chinese Journal of Lasers，2015，42(1)：0105004-1-0105004-6.

[22]王佳穎，郭志忠，張國慶，等.光學電流互感器長期運行穩定性的試驗研究[J].電網技術，2012，36(6)：35-41. Wang Jiaying，Guo Zhizhong，Zhang Guoqing，et al.Experimental investigation on optical current transducer’s long-term operation stability[J].Power System Technology，2012，36(6)：35-41.

[23]張自馳，張國鋼，耿英三，等.磁傳感器陣列測量大電流的傳感器拓撲問題研究[J].電力系統自動化，2007，31(23)：74-78. Zhang Zichi，Zhang Guogang，Geng Yingsan，et al.Investigation on the topology of magnetic sensor arrays for high current measurements[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31(23)：74-78.

[24]張自馳，張國鋼，耿英三，等.磁傳感器陣列測量瞬態電流的新算法[J].電力系統自動化，2011，35(3)：67-70. Zhang Zichi，Zhang Guogang，Geng Yingsan，et al.A novel algorithm for transient current reconstruction using magnetic sensor arrays[J].Automation of Electric Power Systems，2011，35(3)：67-70.

[25]錢政，王爭，李玉凌，等.巨磁電阻直流電子式電流互感器智能化方法[J].電力系統自動化，2009，33(13)：73-77. Qian Zheng，Wang Zheng，Li Yuling，et al.An intelligence method for giant magneto-resistance based DC electronic current transformer[J].Automation of Electric Power Systems，2009，33(13)：73-77.

[26]辛守喬，肖立業，馬玉鵬.巨磁阻傳感器輸出非線性與溫漂的補償[J].高電壓技術，2013，39(5)：1178-1183. Xin Shouqiao，Xiao Liye，Ma Yupeng.Compensation of nonlinearity and temperature drift for giant magnetic resistance current sensor[J].High Voltage Engineering，2013，39(5)：1178-1183.

[27]陳慶，李紅斌，黃本雄.點陣式霍爾電流傳感器的模型及實現[J].華中科技大學學報(自然科學版)，2009，37(3)：9-11. Chen Qing，Li Hongbin，Huang Benxiong.Current transformer model using circular-arrayed Hall elements and its implementation[J].Joumal of Huazhong University of Science & Technology (Natural Science Edition)，2009，37(3)：9-11.

[28]沈兵，張超，陳亮，等.矩形陣列霍爾電流傳感器設計及平行導線磁場干擾分析[J].高壓電器，2014，50(8)：57-61. Shen Bing，Zhao Chao，Chen Liang，et al.Design of rectangle array hall current transducer and analysis of parallel wire magnetic interference[J].High Voltage Apparatus，2014，50(8)：57-61.

[29]張文亮，湯廣福，查鯤鵬，等.先進電力電子技術在智能電網中的應用[J]，中國電機工程學報，2010，30(4)：1-6. Zhang Wenliang，Tang Guangfu，Zha Kunpeng，et al.Application of advanced power electronics in smart grid[J].Proceedings of the CSEE，2010，30(4)：1-6.

[30]馬釗.直流斷路器的研發現狀及展望[J].智能電網，2013，1(1)：12-16. Ma Zhao.R&D status and prospects of HVDC circuit breakers[J].Smart Grid，2013，1(1)：12-16.

[31]榮命哲，楊飛，吳翊，等.直流斷路器電弧研究的新進展[J]，電工技術學報，2014，29(1)：1-9. Rong Mingzhe，Yang Fei，Wu Yi，et al.New developments in switching arc research in dc circuit breaker[J]，Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29(1)：1-9.

[32]劉路輝，莊勁武，江壯賢，等.混合型直流真空斷路器觸頭技術——現狀與發展[J].中國電機工程學報，2014，34(21)：3504-3511. Liu Luhui，Zhuang Jinwu，Jiang Zhuangxian，et al.Present situation and prospect of contacts of hybrid DC vacuum circuit breakers[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(21)：3504-3511.

[33]江道灼，張弛，鄭歡，等.一種限流式混合直流斷路器方案[J].電力系統自動化，2014，38(4)：65-71. Jiang Daozhuo，Zhang Chi，Zheng Huan，et al.A scheme for current limiting hybrid DC circuit breaker[J].Automation of Electric Power Systems，2014，38(4)：65-71.

[34]魏曉光，高沖，羅湘，等.柔性直流輸電網用新型高壓直流斷路器設計方案[J].電力系統自動化，2013，37(15)：95- 102. Wei Xiaoguang，Gao Chong，Luo Xiang，et al.A novel design of high-voltage DC circuit breaker in HVDC flexible transmission grid[J].Automation of Electric Power Systems，2013，37(15)：95-102.

[35]Magnus C，Anders B，Jürgen H，et al.ABB’s hybrid HVDC breaker—an innovation breakthrough enabling reliable HVDC grids[M].ABB Review，2013(2)：7-13.

[36]江道灼，敖志香，盧旭日，等.短路限流技術的研究與發展[J].電力系統及其自動化學報，2007，19(3)：8-19. Jiang Daozhuo，Ao Zhixiang，Lu Xuri，et al.Research and development of short-circuit current limiting technology[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2007，19(3)：8-19.

[37]Alexander A，Keuye M S.Survey of solid-state fault current limiters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(6)：2770-2782.

[38]劉懿瑩，吳翊，榮命哲，等.基于快速轉換開關的新型液態金屬限流器的研究[J].低壓電器，2012(1)：8-10. Liu Yiying，Wu Yi，Rong Mingzhe，et al.Research on a novel liquid metal current limiter based on fast transfer switch[J].Low Voltage Apparatus，2012(1)：8-10.

[39]Jesper M，Juan A M，Ara B，et al.Optimal design of a medium voltage hybrid fault current limiter[C].ENERGYCON，Dubrovnik，Croatia，2014：431-438.

[40]Song Chen，Peng Li，Roy Ball，et al.Analysis of a switched impedance transformer-type nonsuperconducting fault current limiter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(4)：1925-1936.

[41]ByungIk J，HyeWon C，HyoSang C.Reduction of the power burden of a transformer- type SFCL using a vacuum interrupter[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2015，25(3)：5601504-5601504.

[42]楊堃，李煒，宋杲，等.2013年高壓開關設備運行分析[J].智能電網，2014，2(6)：32-41. Yang Kun，Li Wei，Song Gao，et al.Operation analysis of HV switchgears in 2013[J].Smart Grid，2014，2(6)：32-41.

[43]何瑞華，尹天文.我國低壓電器現狀與發展趨勢[J].低壓電器，2014(1)：1-10. He Ruihua，Yin Tianwen.Present situation and development trend of low voltage electrical apparatus in China[J].Low Voltage Apparatus，2014(1)：1-10.

[44]劉振亞.特高壓交直流電網[M].北京：中國電力出版社，2013.

[45]鄭歡，江道灼，杜翼.交流配電網與直流配電網的經濟性比較[J].電網技術，2013，37(12)：3368-3374. Zheng Huan，Jiang Daozhuo，Du Yi.Economic comparison of AC and DC distribution system[J].Power System Technology，2013，37(12)：3368-3374.

[46]錢照明，張軍明，盛況.電力電子器件及其應用的現狀和發展[J].中國電機工程學報，2014，34(29)：5149-5161. Qian Zhaoming，Zhang Junming，Sheng Kuang.Status and development of power semiconductor devices and its applications[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(29)：5149-5161.

[47]何湘寧，宗升，吳建德，等.配電網電力電子裝備的互聯與網絡化技術[J].中國電機工程學報，2014，34(29)：5162-5170. He Xiangning，Zong Sheng，Wu Jiande，et al.Technologies of power electronic equipment interconnecting and networking in distribution grids[J].Proceedings of the CSEE，2014，34(29)：5162-5170.

[48]于晶榮，曹一家，王一軍，等.SiC電力電子器件對電力系統的影響[J].微納電子技術，2012，49(8)：503-509. Yu Jingrong，Cao Yijia，Wang Yijun，et al.Influence of SiC power electronic devices on the power system[J].Micronanoelectronic Technology，2012，49(8)：503-509.

[49]黃潤華，陶永洪，柏松，等.1 700 V碳化硅MOSFET設計[J].固體電子學研究與進展，2014，34(6)：510-513. Huang Runhua，Tao Yonghong，Bai Song，et al.Design of 1 700 V SiC MOSFET[J].Research and Progress of SSE，2014，34(6)：510-513.

[50]王淑華.MEMS傳感器現狀及應用[J].微納電子技術，2011，48(8)：516-522. Wang Shuhua.Current status and applications of MEMS sensors[J].Micronanoelectronic Technology，2011，48(8)：516-522.

[51]封松林，王曦，王躍林，等.微納系統材料、制造與器件物理研究進展[J].中國科學基金，2014(2)：81-91. Feng Songlin，Wang Xi，Wang Yuelin，et al.Material，fabrication and device physics on micro-nano systems[J].Bulletin of National Natural Science Foundation of China，2014(2)：81-91.

[52]郭創新，游家訓，彭明偉，等.基于面向元件神經網絡與模糊積分融合技術的電網故障智能診斷[J].電工技術學報，2010，25(9)：183-190. Guo Chuangxin，You Jiaxun，Peng Mingwei，et al.A fault intelligent diagnosis approach based on element-oriented artificial neural networks and fuzzy integral fusion[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(9)：183-190.

[53]李昊旻，林莘，徐建源.126 kV真空斷路器永磁擺角電機操動機構的設計與動態特性分析[J].電網技術，2014，38(6)：1664-1669. Li Haomin，Lin Xin，Xu Jianyuan.Design and dynamic performance analysis of permanent magnet swing angle motor operating mechanism for 126 kV vacuum circuit breaker[J].Power System Technology，2014，38(6)：1664-1669.

[54]耿英三，王建華，白浩博，等.智能交流接觸器專用芯片的開發[J].低壓電器，2009(3)：22-25. Geng Yingsan，Wang Jianhua，Bai Haobo，et al.Development of exclusive chip for intelligent AC contactor[J].Low Voltage Apparatus，2009(3)：22-25.

[55]劉驍繁，崔翔，吳恒天，等.GIS設備開關操作對其傳感器和智能組件端口騷擾電壓的模擬試驗研究[J].智能電網，2015，3(1)：67-73. Liu Xiaofan，Cui Xiang，Wu Hengtian，et al.Simulation experimental study on disturbance voltage of the sensor and the intelligent electronic device due to gas insulated substation switching operations[J].Smart Grid，2015，3(1)：67-73.

The Latest Technology Research and Application Prospects of the Intelligent Electrical Apparatus

WangJianhuaZhangGuogangGengYingsanSongZhengxiang

(State Key Lab of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China)

The intelligent electrical apparatus，which has the functions of intelligent perception，judgment，and operation，is the material basis for the construction of the smart grid.The basic concept，connotation，and related techniques of the intelligent electrical apparatus，and the cutting-edge research developments，e.g.the intelligent HV switchgear，the new current sensor technology，and the hybrid power breaking are introduced and summarized in this paper respectively.Considering both the factors，e.g.new energy access，distributed generation，and AC/DC combined power transmission and distribution in the development of the smart grid，and the requirements，e.g.energy-saving，material saving，and environment friendliness，the development prospects and trends of the intelligent electrical apparatus are discussed.The theoretical and technical problems about the intelligent electrical apparatus are also summed up，which includes new sensor technology，pattern recognition and fault diagnosis technology，HV large capacity hybrid breaking technology，intelligent operating mechanism，and EMC reliability.The key to the development of the intelligent electrical apparatus is to make breakthroughs in the core technologies such as information acquisition，processing，and transmission so as to realize the information fusion and knowledge utilization by using new materials，devices，and principles.

Intelligent electrical apparatus，smart grid，new energy，prospects，summary

國家自然科學基金(51323012)資助項目。

2015-03-25 改稿日期2015-03-28

TM56

王建華 男，1954年生，教授，博士生導師，研究方向為電器智能化理論與技術、高壓真空開斷技術及電器計算機輔助設計與仿真。(通信作者)

張國鋼 男，1976年生，副教授，研究方向為智能電器理論與工程、電弧等離子體與電接觸、新能源電力裝備。