智能电器最新技术研究及应用发展前景

王建华 张国钢 耿英三 宋政湘

(电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安 710049)



智能电器最新技术研究及应用发展前景

王建华 张国钢 耿英三 宋政湘

(电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安 710049)

智能电器具有智能感知、判断与执行功能，是构建智能电网的物质基础。介绍了智能电器的概念、内涵和主要技术特征，总结了高压开关设备智能化、新型电流传感技术和混合式电力开断等当前热点领域的研究进展，结合智能电网发展中新能源接入、分布式发电、交直流输配电方式多元化等发展趋势以及节能节材、环境友好等需求，分析了智能电器领域的发展前景和趋势，总结了新型传感器、模式识别与故障诊断、高压大容量混合开断、智能操作机构和电磁兼容可靠性等需要进一步研究的关键理论和技术内容，指出利用新材料、新器件、新原理，突破信息获取、处理、传递等核心技术环节，实现信息融合和知识利用，是智能电器发展的关键。

智能电器 智能电网 新能源 发展前景 综述

0 引言

随着数字化经济的发展和社会需求的增加，对电力能源安全可靠、优质经济的要求越来越高。为了发展清洁能源、应对气候变化、保障能源安全、促进经济增长，智能电网成为国际电力工业发展的新趋势[1]。智能电网技术的基本特征是信息化、自动化和和互动化，最终实现电力资源的优化配置。开关电器是智能电网构成中非常重要的组成部分，为了适应智能电网的需要，同时也是电力设备自身性能提高的要求，发展智能电器成为必然趋势[2，3]。

智能电器是将信息技术融合到传统电器中，以数字化信息的获取、处理、利用和传递为基础，在开放和互联的信息模式基础上，进一步提高电器的性能指标及自身的可靠性和安全性，同时为智能电网的运行控制提供更加完善和丰富的数字化信息，以提高系统的整体性能[4，5]。

国内智能电器的发展已有二十余年的历史，从开始的引进、仿制、消化吸收到自主创新，其技术水平已逐步与国外企业平齐，有些关键技术指标甚至超过国外同类产品。近年来，我国智能电网建设的加速以及“物联网”、“大数据”、“能源互联网”等概念的兴起，进一步推动了智能电器的产业发展和技术革新。

1 智能电器的内涵和技术特征

本文中的智能电器主要指智能开关电器，其基本功能是控制和保护。智能电器是构建智能电网的物质基础，承担着网络节点的角色，控制能量流的同时控制信息流，是强弱电技术的结合部。

1.1 智能电器的内涵

智能电器的内涵主要包括3方面：①完成基本职能过程中的智能感知、判断与执行功能；②智能电器的智能状态监测与寿命评估功能；③具有交互能力，运行过程中对电网和环境友好。随着技术进步及应用领域的扩展，智能电器的内涵和外延仍在不断发展变化。

1.2 智能电器的主要技术特征

智能电器应当满足智能电网发展的基本需要，能够以数字方式全面提供系统中的各种运行和状态参数，并被加以有效利用。智能电器具有强大的自我诊断和自适应的控制能力，同时所有信息可以高度共享。

智能电器的智能感知、判断与执行功能的实现，需要借助于传感器技术、信息处理技术与控制技术的融合。智能电器具备以下4方面特征。

1)参量获取和处理数字化

智能电器能够实时地获取各种运行和状态参量并进行数字化处理、存储和传递，其中包括电力系统运行和控制中需要获取的电压、电流等各种电参量以及反映电力设备自身状态的各种电、热、磁、光、位移、速度、振动、放电等物理量。

2)自我监测与诊断能力

智能电器具有自我监测与诊断能力，可随时监测各种涉及设备状况和安全运行所必须的物理量，同时对这些物理量进行计算和分析，掌握设备的运行状况以及故障点与发生原因，以此评估设备的劣化趋势和剩余寿命，并适时地进行预警。

3)自适应控制能力、决策优化

智能电器在智能感知基础上，采用优化控制技术，能够根据实际工作的环境与工况对其操作过程进行自适应调节，使得所实现的控制过程和状态最优，从而进一步提高电器自身的性能指标，并在很大程度上节约原材料和减少运行能耗。

4)信息交互能力、环境友好

智能电器具备数字化接口，其内部信息能够高效地进行传播与交互，实现信息高度共享，进而能够主动地与其他设备进行协调互动，实现系统整体优化。其在运行过程中，不产生影响智能电网稳定运行的干扰，设备的使用不影响自然环境。

2 智能电器的研究热点与进展

2.1 高压开关设备的智能化

智能变电站是构建智能电网的重要支撑节点。智能高压开关设备是智能变电站的核心设备，其通过装设各类传感器，采集设备运行状态，对数字化信息进行就地处理，实现自适应控制和故障诊断等功能。此外，其具有高速网络交互接口，能够为智能电网的优化运行提供信息支撑。

2.1.1 智能高压开关设备的信息化建模

IEC 61850标准是变电站自动化领域的国际标准，其应用涉及发电、输变电、配用电和调度等领域，已成为智能电网的重要基础性标准。基于IEC 61850标准，采用面向对象技术对智能高压开关设备的物理结构和功能(服务)进行抽象，建立智能高压开关设备的信息模型，实现现场参量的测量信息流、状态数据的监测信息流和操作控制信息流的集成，是智能高压开关设备的重要研究内容[6]。

自IEC61850标准颁布以来，在智能高压开关设备的数字化方面取得了很大发展。国际上ABB、GE、AREVA、SIEMENS、TOSHIBA等公司开发了集数字化测量、控制、监测于一体的新型开关设备[7，8]。当前，智能高压开关设备的产品解决方案主要是通过在一次设备附近装设智能电子装置(IED)，其具备与一次设备的电缆接口和光纤以太网接口，完成信息格式转换，实现传统一次设备和后台在线监测系统(或其他IED)的信息交互功能[9，10]。典型产品如ABB公司的PASS、SIEMENS公司的HIS/SICAM、TOSHIBA公司的H-GIS产品。

随着2009年国内智能电网建设的开展，国家电网公司发布了一系列相关标准，加快了智能高压开关设备的研制进度。2012年国家科技部批准，由中国电力科学研究院作为承担单位，西开电气、平高电气、清华大学、西安交通大学、华北电力大学作为参与单位，启动863课题“高压开关设备智能化关键技术”的研究，提出了高压开关设备智能组件设计和质检标准，建立了智能开关设备的技术标准体系。目前已研制出252kV智能GIS、550kV智能GIS、800kV智能断路器，并获得试点应用。

IEC 61850作为变电站内部通信网络的技术标准，主要偏重于继电保护、测量与监视等领域的应用[11]。虽然IEC 61850中定义了液体介质绝缘SIML、气体介质绝缘SIMG、电弧监视与诊断SARC和局部放电SPDC等专门的逻辑节点，但仍无法满足高压开关设备状态监测集成平台的需要。我国电网企业基于DL/T 860标准，制订了变电设备在线监测装置数据建模及通信规范、变电设备在线监测系统数据库规范，其内容涵盖变压器、GIS、断路器、电流互感器、电压互感器等重要电力设备的常用监测参量[12]。另外，国内也已具备智能开关设备的一次设备与二次设备的一体化试验能力。

2.1.2 智能高压开关设备状态检测、诊断技术

运行数据表明SF6气体泄漏、内部绝缘缺陷、操作机构故障、导电回路异常发热及二次控制回路失灵是高压开关设备的主要故障类型。智能高压开关设备通过装设局部放电、SF6气体状态、机械特性、主回路温度等监测模块，实现对自身运行状态的感知和诊断，并适时地通过网络接口向后台监控系统发出状态或告警信息[13，14]。依据状态信息对设备进行科学地评价，从而制定合理的检修策略。例如，TOSHIBA公司研制的C-GIS中采用了电晕、压力、气体、泄漏电流等多种传感器监测绝缘性能；利用光纤温度传感器检测导电性能。SIEMENS公司开发的SICAM系统，实现了对SF6断路器及隔离开关的数字化控制、状态监测和故障诊断。

1)局部放电监测

高压开关设备内部故障以绝缘故障为主，由于在制造及安装过程中，内部缺陷、导体之间接触不良等使内部电场发生畸变而产生局部放电。可以通过监测放电粒子特性或放电产生的物理及化学变化发现局部放电故障，一般分为电检测法和非电检测法。电检测法包括耦合电容法、外部电极法、绝缘子内部预埋电极法和超高频法等。非电检测法包括超声波检测法、光检测法、化学检测法等。

2)SF6气体状态监测

SF6气体是高压开关设备主要采用的绝缘和灭弧介质，其压力、密度、温度和水分等对产品的绝缘性能有重要影响，采集这些参量，归算后可对是否存在气体泄漏、水分超标进行评估。另外，若运行设备存在放电、过热等故障，SF6气体发生分解并与设备内部其他物质反应，生成多种产物，主要有SOF2、SO2F2、SO2、H2S、CO、CF4和HF等，这些气体分解物与其缺陷存在很高的关联度。目前的现场检测手段已可有效地检出SO2、H2S和CO等组分。

3)机械特性监测

国际上高压开关设备机械状态评估及故障诊断技术的研究开始于20世纪80年代，研究重点主要集中在对动触头行程、分合闸线圈电流、辅助触点状态及振动信号等机械状态参量的在线监测，依靠人工参照基准数据进行比对，分析其劣化趋势。基于振动信号的分析可实现潜伏性机械故障检测，目前已提出了一些较为实用的振动信号处理方法，并逐渐应用到实际的断路器状态检测系统中，如ACI方法、欧氏距离法、积分参数法、信号熵法、短时能量法和小波-分形理论等。

4)主回路温度监测

电力开关设备在高电压、大电流的状态下运行，主回路导体的温度与其电接触状况有着极其密切的联系，可作为诊断依据。对于全封闭式气体绝缘高压带电设备，结构比较复杂，发热点处于设备内部，导体与壳体之间充有SF6气体，不易直接测量。红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及寿命长等诸多优点。近年来，国内外在红外辐射测温和红外热诊断方面开展了大量研究。

鉴于高压开关设备应用环境的特殊性，上述技术在环境适应性、测量准确度、长期工作的稳定性、接口的标准化等方面尚需进一步研究。

2.1.3 智能高压开关设备寿命评估技术

高压开关设备的寿命主要指机械寿命和电寿命。触头行程及断路器的分/合闸速度是断路器机械特性的集中体现，可以有效地反映出其劣化趋势。断路器触头磨损是影响断路器电寿命的重要因素，对其剩余寿命评估有着重要的参考价值，但触头电磨损不能直接获得，因而成为研究难点[15]。

1)电寿命模型

研究表明，断路器电寿命主要取决于断路器触头电磨损的状况。国外对断路器触头的研究较早，主要集中在材料对触头电寿命的影响以及电弧对触头的侵蚀方面。由于各类断路器的灭弧原理不同，断路器的电寿命变化规律也不同。为了便于工程应用，可以将燃弧时间、触头及喷嘴的结构与材料等因素对灭弧室烧蚀的影响用累计的方式加以简化，如累计开断电流法、累计电弧能量法、累计开断电流加权法等，从而得到估算电寿命的近似公式。法国高能试验室(EDF)和意大利工程指导公司(ENEL)针对SF6断路器提出的等效开断次数与相对开断电流的关系曲线是一种有效的工程方法。

2)综合诊断技术

智能高压开关设备的故障诊断技术主要有基于知识的方法和基于信号处理的方法。前者利用领域专家启发性经验知识和故障特征进行演绎推理，或者基于先验知识和相应算法对诊断对象自适应调整后获取诊断结果。基于知识的方法不需要建立待诊断对象的准确数学模型，易于工程应用。国内外研究人员先后采用人工神经网络、贝叶斯网络、证据理论、粗糙集理论、模糊集理论、云模型等研究和建立了高压断路器机械状态评估系统。

2.2 新型电流传感技术

电流测量是电力系统中继电保护、电能计量、系统监测和分析等功能实现的关键。随着智能电器领域的发展，电流测量环节已经成为电器智能化、小型化的瓶颈，基于空心线圈、磁光学、磁阵列等原理的电流互感器具备绝缘结构简单、体积小、动态范围大且以数字量方式直接输出等优势，对传统的电磁式电流互感器提出了挑战。

2.2.1 空心线圈电流互感器

空心线圈电流互感器技术相对成熟，在工业界得到了较多应用。空心线圈电流互感器主要由Rogowski线圈、数字采集和传输等部分组成[16]。高压系统中一般采用光纤传输信号和激光供能，易于实现高低电位隔离。空心线圈与高精度分流器组合，可实现对直流电流和谐波电流的同时测量，也是目前高压电子式直流电流互感器的主要方案。

国际上ABB公司等率先在其智能组合电器(PASS)、SF6气体绝缘开关(GIS)、智能化开关柜产品中使用了空心线圈电流互感器。国内南京南瑞继保电气有限公司、西安西电高压开关有限责任公司等企业也分别研制了500 kV直流电子式电流互感器和±800 kV直流电子式电流互感器[17]。

从现阶段工程应用和现场试验情况分析，空心线圈电流互感器的主要故障类型为采集器故障、光纤故障及电磁干扰影响等。隔离开关操作产生的快速暂态过电压(VFTO)对此类互感器正常工作易产生较大影响，严重的会导致采集器硬件损伤。

2.2.2 光学电流互感器

光学电流互感器基于法拉第(Faraday)磁光效应和萨格纳克(Sagnac)效应实现电流感测，主要有磁光玻璃式电流互感器和全光纤电流互感器两种类型。后者结构简单，具有很宽的动态范围，可同时实现测量和继电保护的需求，目前在不同电压等级的智能变电站试点项目中得到了应用[18]。

国内开展了大量关于光学电流互感器的研究。重庆大学研究了不同参数下光学电流传感器的响应波形及幅值、频率特性[19]。北京航空航天大学提出变温条件下对平均波长影响的自补偿方案，有效减少了传感光纤中平均波长的漂移程度[20]。北京邮电大学采用归零方波调制相位调制器，以正弦波信号作为本振信号进行模拟相干解调，实现了大电流闭环检测[21]。哈尔滨工业大学对光学电流互感器的长期运行稳定性的问题进行了研究，实验结果证明样机的综合误差满足工程计量检定要求[22]。

虽然光学电流互感器的优点很多，但目前还处于工程应用初期，成本较高，长期运行的稳定性仍需进一步考验。

2.2.3 磁阵列电流传感器

磁传感器阵列电流测量方法是利用多个磁敏元件测量电流周围的磁场，利用数值方法反算电流，具有体积小、测量范围大、功耗小、响应快、交直流通用等优点，是一种全新的电流测量方法。

西安交通大学对交流和直流的多母线平行导体系统进行了研究，建立了以求解系数矩阵条件数最小值为目标函数的磁传感器阵列拓扑优化模型，实现了稳态电流的求解[23]；提出一种基于5%平带宽(FBW)概念和基波电流与磁场对应关系的时域瞬态电流计算模型，实现了瞬态电流的快速求解[24]。上述研究解决了磁传感器阵列电流测量方法的基础理论问题，推动了该方法的工程应用。

北京航空航天大学提出了一种智能化巨磁阻直流电流互感器的实现方法，利用在高压侧电路中嵌入自校准模块，实现巨磁阻传感器输入输出特性的在线校准[25]。中国科学院电工研究所提出了基于最小二乘支持向量机与粒子群参数优化相结合的多传感器信息融合算法对被测电流进行估算，对巨磁阻传感器的非线性和温度漂移取得了较好的补偿效果[26]。华中科技大学从工程实际出发，采用印刷电路板技术实现了点阵式霍尔电流传感器[27]。海军工程大学构建了外部平行导线对霍尔电流传感器的影响模型和测量误差计算方法，设计了一种12点阵矩形阵列霍尔电流传感器，额定电流达到10 kA[28]。

2.3 混合式电力开断技术

智能电网是一个互动系统，要求智能电网对系统变化、用户需求和环境改变具有最佳的反应和快速适应能力，而电力电子技术是支撑电网迅速反应并采取相应措施的有力手段[29]。当前，电力电子器件已通过多种不同方式融入到智能电器中，高压大功率电力电子器件已经能够作为主断路器，承担短路电流的开断功能。特别是在直流开断、短路电流限制等方面，电力电子器件更具优势。

2.3.1 高压直流开断

直流断路器是高压直流输电系统、轨道交通牵引配电系统、舰船直流电力系统、电信设备配电系统和直流微电网等的关键设备，其性能对系统的安全运行至关重要。与交流电流相比，直流电流由于没有“自然过零点”而难以开断，特别是在高电压、大电流条件下，这一问题更加严峻[30]。

直流开断目前主要采用3种方式：①快速拉长电弧，直至其在一定电弧电压下不能持续，从而实现电路开断；②由电感、电容组成振荡电路，利用电容放电形成电流零点，再利用传统的交流开断方式切断电路；③基于可关断电力电子器件构成混合式断路器，机械开关快速打开，将故障电流转换至电力电子开关，再由其开断电路[31]。方式①适用于中压、低压直流断路器。目前商业化的高压直流断路器主要采用方式②。基于人工过零的原理，俄罗斯较早研制了额定3.3 kV/3 kA直流真空限流断路器。目前，我国研制出55 kV高压直流断路器单元样机，成功开断16 kA电流，开断时间小于5 ms。采用方式③的混合型直流断路器的通流能力强、分断能力高，有望成为直流开断技术的重要发展方向。基于强迫换流型直流开关原理，国内外研究机构提出了多种不同拓扑结构的强迫换流开断的电路方案[32-34]。ABB公司最新研发的混合式高压直流断路器的设计参数达到额定电压320 kV、额定电流2 kA、电流开断能力9 kA[35]。

2.3.2 短路电流限制

随着用电负荷不断增加，电力系统中的短路电流水平不断提高。在我国沿海经济发达地区，电网的短路电流水平直逼甚至超过电力规程所规定的最大允许水平[36]。因此，采取有效的短路限流措施限制电力系统的短路容量，已成为目前我国电力系统安全稳定运行和电力建设、发展的迫切问题。

目前国内外研究较多的是超导限流器和固态限流器。超导限流器可在高电压下运行，实现检测、转换、限流一体化，能够在毫秒级时间内限制故障电流。然而受到失超恢复时间、临界值整定困难等材料特性及成本因素的限制，超导限流器在高压、大电流条件下的应用尚有若干难题需解决。

固态故障限流器利用电力电子器件进行电路拓扑控制，其反应迅速、拓扑结构与控制策略灵活，易于同时实现正常工作时调节线路潮流、故障时限制故障电流的功能，非常适合于柔性输电的应用场合[37]。但是，受到电力电子元件的特性限制，目前主要适用于4～15 kV及以下的中低压配电系统。

机械开关具有极低的导通电阻(μΩ级)，通过智能控制将其与液态金属、串联谐振等限流技术相结合，构成的混合式故障限流器具有不可替代的特殊性能，成为新的研究热点[38-41]。

3 智能电器的发展前景

到2014年底，全国发电装机容量136 019万kW，同比增长8.7%。发电装机总容量不断攀升，将长期保持对开关电器产品的旺盛需求。依据国家电网公司统计数据，72.5～1 100 kV高压设备在运量472 241台(组/间隔)，同比增加3.6%[42]。低压电器的年销售已超过600亿，以智能化、模块化、可通信为特征的智能电器逐步成为市场主流[43]。

总体来看，我国发电装机容量已跃居世界第一，但人均用电量仍相对较低，仅为部分发达国家的1/4～1/5，还有很大的增长空间。另一方面，虽然我国电器行业在关键设备和核心技术上取得了一定突破，但国外企业仍占据高端产品的领先优势，智能电器领域的竞争更加激烈，机遇和挑战并存。

3.1 影响智能电器发展的因素

3.1.1 能源结构和供能形式的变化

大规模接纳可再生能源电力和智能化成为电网发展的趋势和方向[44]。新能源发电在世界范围内呈现超高速增长，对智能电器的发展提出了新的需求。例如在德国，光伏发电功率达到22 GW，峰值时约占其正午用电负荷的50%。国家能源发展“十二五”规划提出要大力发展分布式能源，出台多项政策支持分布式能源的发展。国家电网公司也发布了《支持分布式光伏发电站建设及光伏发电并网的有关意见》，并公布了分布式光伏电站接入电网的相关标准。中国迎来了一个新能源大发展的时期。

智能电网要充分发挥分布式清洁能源的作用，分布式发电是一种有效途径。其将相对小型的发电装置分散布置在用户现场或附近，极好地适应了分散的电力需求和资源分布，与大电网互为备用改善了供电可靠性。新能源的快速发展为电器产品智能化提供了发展契机。与此同时，也改变了“电源到负荷”的单向潮流供电方式，对传统的控制保护技术提出了挑战。因此，需要开发适用于清洁能源的“发、输、储、配、用”各环节的新型智能电器。

3.1.2 交流/直流输配电方式的多元化

随着电力用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等要求的不断提高，现有交流电网将面临间隙性电源接入、负荷和用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化及电能供应稳定性、高效性、经济性等方面的巨大挑战。传统的单一交流输配电模式难以满足快速发展的经济社会对其提出的更加环保、更加安全可靠、更加优质经济，支持分布式电源接入，以及用户与电网双向互动等诸多要求。

研究表明，基于直流的配电网在输送容量、可控性及提高供电质量等方面具有比交流配电网更好的性能，可有效提高电能质量，降低电能损耗和运行成本[45]，而且光伏发电、燃料电池、电动汽车动力电池及超级电容器等各种储能装置基本上都是直流，目前都必须通过换流环节才能并入交流电网。为协调大电网与分布式电源之间的矛盾，充分发挥新能源的价值和效益，发展交/直流多元化输配电方式的混合电网将是必然趋势。

3.1.3 能源的优化利用与环境因素

智能电网将物理的电网和数字的电网融为一体，实现基于广域的、多种能源形式发电的优化配置，保障能源安全、提高能效，支持可再生能源入网。智能开关电器作为智能电网中最重要的控制和保护设备，也是获取信息的终端平台。在此基础上，获取电力系统中的运行数据，对数据进行分析处理，根据优化目标对电能资源进行实时的调配和高效地管理，以及实现与用户的双向交动，才能达到需求与供应的平衡，实现资源的优化配置。

全球变暖带来的影响愈演愈烈，世界各国都在积极采取措施控制温室效应。目前公认的6种重点控制的气体中，SF6温室效应系数是CO2的23 900倍，属于温室效应最强的一种。SF6气体具有很强的电负性，灭弧和绝缘性能优良，其产量的80%以上用于以电力开关设备为代表的输配电设备领域。研究新型开断原理和智能控制技术，节约原材料和运行过程的功耗，减少SF6等温室效应气体的使用和碳排放，也是智能电器发展所面临的问题。

3.1.4 新材料、微纳制造技术的发展

随着新材料、功率半导体技术的飞速发展，新型电力电子器件的研究和应用成为活跃主题[46，47]。与传统的Si半导体器件相比，SiC半导体器件具有工作温度高(最高可达600℃)、工作电压高、通态压降低、开关速度高、工作寿命长、抗辐照能力强等突出的优点[48，49]。预计SiC电力电子器件将主要用于1 200 V以上的高压电力系统应用领域。

近年来，微纳制造技术从基础理论、设计建模、材料、加工工艺、封装集成等多个方面都取得了不同程度的突破。国内在MEMS研发方面也已形成较为完整的体系，进入产业化应用阶段[50，51]。微纳器件具有体积小、重量轻、集成度高、可靠性高等优点，为智能电器领域探索新型感测原理、开发新功能和制造新型传感器件提供了有力支撑。

3.2 智能电器的主要发展趋势

智能电器的发展应适应当前电网技术的发展，支持新兴清洁能源利用，强调设备与智能电网的信息交互、友好互动和电网优化运行的技术理念，并符合绿色低碳、节能环保的发展趋势。

其主要发展趋势为：

1)智能电器继续向高性能、小型化、智能化、高可靠、绿色环保、系列简洁方向发展，以更好适应智能电网的发展需要。

2)应用新型电力电子器件和超导新材料，开发电网友好、环境友好的智能电器，节约原材料和降低运行功耗，减少对环境的污染。

3)融合多种传感器技术，适应大数据时代的发展需求，实现运行状态的数据汇聚、发掘利用及信息资源共享，为用户提供双向互动服务。

4)产品设计模式从单个智能电器元件设计转变为从系统发展和功能融合角度考虑构建智能电器系统，提供整体解决方案，实现全局优化。

5)面向可再生能源领域的需求，研发适用于分布式发电系统的潮流随机变动、特殊保护方式的专用新型智能电器。

为实现上述目标，利用新材料、新器件、新原理，在信息获取、处理、传递等关键环节进行技术突破，从系统角度进行分析和设计，实现信息融合和知识利用，是智能电器发展的关键。

4 需进一步研究的关键理论与技术问题

4.1 新型传感原理与信号传输技术

智能电器的智能判断与执行功能的实现是建立在智能感知的基础之上。因此，现场信号获取的准确度、成本、方便性及信号分析的准确性是实现智能电器亟需解决的关键技术。传统的电量、非电量测量方法存在种种局限或不足。研究新型敏感材料、探索新颖感知方法及敏感元件的阵列化与复合化将成为智能电器领域的重要研究内容之一。

智能电网要求全网信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化，对智能设备之间的信息传输技术提出了更高的要求。借鉴RFID、无线传感网、M2M等物联网技术，研究新型的高效数据传输技术并建立相应的标准体系，实现智能电器的“即插即用”以及与其他智能设备的数据共享，才能有效地对智能电网基础设施资源进行整合、利用。

4.2 基于大数据的模式识别与故障诊断技术

智能电器对状态识别的准确性与采用信息量相关，信息量大、信息丰富，则识别相对准确。然而，各类传感器产生的数据集正在以难以想象的速度增长，给数据处理带来了极大的挑战。此外，所获取的多领域数据具有异构性、实时性和复杂性等特点，需要在不同层次进行建模与分析，设计优化的模式识别算法，才能实现高效利用。

智能电器依赖对系统和自身状态特别是不同类型故障的识别、分析、判断，再通过执行模块实施自适应的操作。尽管国内外对电力设备和电网故障识别技术已做了不少研究，但如何快速、准确、可靠地识别故障问题仍没有彻底解决[52]。随着系统规模的扩大，这些问题将更加突出，故障识别技术还将继续成为需要深入研究的热点问题。

4.3 基于电力电子器件的高压大容量开断技术

直流输电在大电网互联、远距离输电和新能源接入等方面具有很大的发展潜力。目前研制输电级别的直流断路器仍十分困难，特别是500 kV以上的高压大容量直流开关的研发距离工业应用还有很大距离。采用智能控制技术，基于电力电子器件的混合式直流断路器是一种有前景的解决方案。

随着电力电子器件广泛应用于智能电器的电能变换和操作机构控制中，其工作寿命与可靠性将影响到整个智能电器的正常运行。目前难以有效地评估电力电子器件长期工作的可靠性。特别是智能开关设备中的电力电子器件，通常采用短时工作制。如何针对短时脉冲工作方式下电力电子器件的失效机理进行分析，考虑负载随机变化等因素的影响，实现其寿命预测具有重要意义。

4.4 新型智能操作机构及其控制技术

操动机构的动作特性与开关电器触头的运动特性直接相关，是实现高压开关设备智能操作的重要执行部件。通常要求其能够快速响应控制单元发出的控制命令，动作速度和时间可控，特性稳定，受环境温度、电源电压变化的影响小，并且具有标准化的接口，易于实现状态监测。传统结构的电磁、弹簧、气动、液压机构很难满足上述要求。

目前，永磁机构、永磁电机直驱式操动机构等成为研究热点，利用数字信号处理芯片或专用集成电路实现高速控制也是当前的重要研究内容[53，54]。对于智能电器而言，核心硬件平台的设计重用可极大加速新产品的开发，开发智能电器专用集成电路也是提高智能电器性能的关键技术之一。

4.5 复杂电磁环境下的智能电器可靠性

智能高压开关设备中电子装置与一次设备高度融合，使得其中的电磁兼容问题显得尤为突出。高压开关设备开关操作产生的电磁骚扰作用于其外壳上的传感器、连接电缆和外壳附近的智能组件，会在传感器和智能组件端口上产生电磁骚扰[55]。此外，对于电流互感器、电压互感器等，由于和一次系统有直接的电气连接或电磁耦合，瞬态电磁过程也会经传导耦合对电子装置产生电磁骚扰。

目前，国内外已对传统变电站内电磁兼容问题开展了大量研究，制订相关的国际导则和标准。但对智能变电站特别是高压开关设备传感器及智能组件的电磁兼容问题研究却较少。另外，这些智能电子装置对雷电、地磁暴、核爆等环境和人为因素引起的瞬态电磁场特别敏感。因此，复杂电磁环境下的智能电器可靠性将长期受到关注。

5 结论

介绍了智能电网的概念，并根据其发展需要和电力开关设备自身发展的趋势，归纳了智能电器的主要特征和发展方向，总结了需要进一步研究的关键理论和技术问题。指出新能源利用、分布式发电、输配电方式多元化和环境友好等因素是当前智能电器发展的推动力，强调利用新材料、新器件、新原理突破的信息获取、处理、传递等核心技术环节，从系统角度进行分析和设计，实现信息融合和知识利用，是智能电器发展的关键。

[1] 刘振亚.智能电网技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

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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

国家自然科学基金(51323012)资助项目。

2015-03-25 改稿日期2015-03-28

TM56

王建华 男，1954年生，教授，博士生导师，研究方向为电器智能化理论与技术、高压真空开断技术及电器计算机辅助设计与仿真。(通信作者)

张国钢 男，1976年生，副教授，研究方向为智能电器理论与工程、电弧等离子体与电接触、新能源电力装备。