智能電網(wǎng)對低壓電器智能化提出的要求及發(fā)展機遇
我國低壓電器行業(yè)經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，從無(wú)到有、從小到大，取得了驕人的成績(jì)。目前已經(jīng)形成比較完整的體系，就低壓電器品種、規格、性能、生產(chǎn)能力來(lái)看，基本上滿(mǎn)足了我國國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。
智能電網(wǎng)建設大力推動(dòng)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，國內外低壓電器標準上還沒(méi)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(shuō)法已經(jīng)被低壓電器研發(fā)人員、設計人員、制造商及工程設計人員以及使用部門(mén)所接受。低壓智能化電器應具有四個(gè)功能上的基本特征：保護功能非常齊全、測量現實(shí)電流參數、故障記錄與顯示、內部故障自診斷等。
隨著(zhù)建筑電氣的發(fā)展和智能電網(wǎng)的建設，擁有智能化功能的低壓電器越來(lái)越受住宅配電系統供應商重視。
智能化低壓電器與普通電器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)普通配電電器會(huì )使配電系統產(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(guò)載電器可以保護具有多種起動(dòng)條件的電動(dòng)機，具有很高的動(dòng)作可靠性，例如，電動(dòng)機過(guò)載與斷相保護、接地保護、三相不平衡保護以及反相或低電流保護等。
3)智能保護繼電器具有監控、保護和通訊功能。
4)智能電器可以實(shí)現中央計算機集中控制，提高了配電系統的自動(dòng)化程度，使配電、控制系統的調度和維護達到新的水平。
5)智能電器采用數字化的新型監控元件，使配電系統和控制中心提供的信息最大幅度增加，且接線(xiàn)簡(jiǎn)單、便于安裝，提高了工作的可靠性。
6)智能電器可以實(shí)現數據共享，可以減少信息重復和信息通道。
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(guò)50多年的發(fā)展，從無(wú)到有、從小到大，取得了驕人的成績(jì)。目前已經(jīng)形成比較完整的體系，就低壓電器品種、規格、性能、生產(chǎn)能力來(lái)看，基本上滿(mǎn)足了我國國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。
從20世紀90年代初開(kāi)始，我國就著(zhù)手研制具有智能化、可通信功能的第3代低壓電器，到上世紀末本世紀初基本實(shí)現了低壓配電網(wǎng)的智能控制和網(wǎng)絡(luò )控制，以此滿(mǎn)足配網(wǎng)自動(dòng)化的需求。1990年聯(lián)合上海人民電器廠(chǎng)、遵義長(cháng)征九廠(chǎng)向原機械工業(yè)部申報國家重點(diǎn)企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)項目，于1991年正式立項。該產(chǎn)品于1995年通過(guò)鑒定，1997年開(kāi)始投入小批量生產(chǎn)，型號為DW45系列，有3個(gè)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(chǎng)后由于其高性能和高可靠深受用戶(hù)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(guò)20萬(wàn)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(wàn)能式斷路器在配電系統中運行的產(chǎn)品已超過(guò)100萬(wàn)臺。
但由于智能變電站、配電自動(dòng)化、調度自動(dòng)化等系統的研發(fā)與應用也在同期剛剛起步，因此，存在著(zhù)需求分散、各成系統等問(wèn)題，即系統平臺不統一，各系統間很難實(shí)現互聯(lián)和信息共享，造成不同地區、不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的智能化低壓電器等電器設備或高、低壓電網(wǎng)間信息不通，數據上傳不通，下達不暢，無(wú)法從根本上實(shí)現電力自動(dòng)化目標。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用并不十分理想，但從目前智能電網(wǎng)對電器設備的要求來(lái)看，已打下了一定的技術(shù)基礎。
低壓智能化控制系統在國外已廣泛使用，這些系統往往省略了馬達控制中心(MCC)，電動(dòng)機起動(dòng)器一般安裝在電動(dòng)機旁邊，它們通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與中央控制室上位機連接。既能集中控制，又能現場(chǎng)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(kāi)始，專(zhuān)門(mén)成立現場(chǎng)總線(xiàn)研發(fā)中心，重點(diǎn)研究可通信低壓電器以及低壓智能配電網(wǎng)絡(luò )系統及相關(guān)配套產(chǎn)品。蘇州萬(wàn)龍電氣集團和常熟開(kāi)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(guò)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(shí)現可通信，包括可通信萬(wàn)能式斷路器、可通信塑殼式斷路器、可通信雙電源自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)、可通信交流接觸器、可通信電動(dòng)機保護器、可通信軟起動(dòng)器、可通信控制與保護開(kāi)關(guān)電器等產(chǎn)品[2]。
通過(guò)以上一系列產(chǎn)品開(kāi)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(lái)困難。至今，我國智能化可通信低壓電器及其系統推廣并不理想。2009年美國提出了在美國發(fā)展與建設智能電網(wǎng)的設想，引起了全世界對智能電網(wǎng)發(fā)展的重視。當然也引起了我國高層領(lǐng)導的重視。我國已將智能電網(wǎng)發(fā)展與建設明確由國家電網(wǎng)公司統一規劃、統一標準、統一實(shí)施�？梢韵嘈�，隨著(zhù)智能電網(wǎng)建設與發(fā)展，我國智能化可通信低壓電器及其系統必將帶來(lái)新的發(fā)展機遇。
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(mǎn)足性能優(yōu)良、工作可靠、產(chǎn)品體積小、組合化設計、可通信、節能環(huán)保等要求，要具有保護、監測、通信、自診斷、顯示等功能，這是實(shí)現電網(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：保護與控制功能齊全，兼有電參數測量，外部故障檢測、報警和開(kāi)關(guān)內部故障自診斷與報警，系統運行狀態(tài)監控，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(lèi)低壓電器根據其低壓配電、控制系統中地位與作用應具有哪些智能化功能？如何實(shí)現這些功能？
2)智能化低壓電器標準研究與制定；智能化功能測試設備、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(shí)，對不同低壓電器智能化功能舍��；多種功能重疊時(shí)相互協(xié)調與配合研究。
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
智能化低壓電器強大功能充分發(fā)揮，必須依賴(lài)于低壓配電與控制系統網(wǎng)絡(luò )化。為此，對低壓電器提出了可通信要求。為了滿(mǎn)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 )化電器與系統標準化研究。
(2)高、中、低壓配電系統無(wú)縫連接技術(shù)研究。
(3)智能網(wǎng)絡(luò )系統配套附件研究與開(kāi)發(fā)。
(4)智能網(wǎng)絡(luò )系統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)檢測設備研制并建立相應試驗基地。
3、智能配電系統過(guò)電流保護新技術(shù)
當配電系統發(fā)生非正常過(guò)電流時(shí)，低壓電器應及時(shí)斷開(kāi)。為了使故障停電限制在最小范圍，低壓電器應有選擇性斷開(kāi)。即故障級保護電器迅速切除故障電路，上級保護電器不跳閘，這對智能電網(wǎng)尤為重要。
智能電網(wǎng)配電系統過(guò)電流保護應達到什么樣目標？
1)過(guò)電流選擇性保護應覆蓋整個(gè)低壓配電系統，包括終端配電系統。
2)實(shí)現全電流范圍內選擇性保護，當下級故障電流達到上級瞬動(dòng)電流時(shí)也能實(shí)現選擇性保護。
3)在極短時(shí)間內實(shí)現選擇性保護(控制在200ms以?xún)?。
4)從根本上消除系統短路時(shí)越級跳閘或上、下級斷路器同時(shí)跳閘的狀況。確保故障停電限制在最小范圍。
為了實(shí)現全范圍、全電流選擇性保護需要解決以下技術(shù)關(guān)鍵：
(1)全范圍、全電流選擇性保護總體解決方案研究
(2)區域聯(lián)鎖選擇性保護技術(shù)研究
(3)萬(wàn)能式斷路器全電流選擇性保護技術(shù)研究
(4)塑殼斷路器限流選擇性保護技術(shù)研究
4.智能電網(wǎng)過(guò)電壓保護技術(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)設備，這些設備中含有大量電子器件，相當一部分設備本身就是電子化的。它們容易受雷電和系統中其他開(kāi)關(guān)設備操作過(guò)電壓傷害。另外，智能電網(wǎng)中必然包括分布式新能源系統，這些系統無(wú)論是發(fā)電設備還是控制設備同樣易受過(guò)電壓傷害，因此智能電網(wǎng)過(guò)電壓保護尤為重要，它涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)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)品結構與性能研究。
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)展機遇
智能電網(wǎng)是一個(gè)完整的體系，它要涵蓋發(fā)電、輸電、配電、調度、變電和用電等各個(gè)環(huán)節。據不完全統計，電力系統80%以上的電能是通過(guò)用戶(hù)端配電網(wǎng)絡(luò )傳輸到用戶(hù)，并在終端用電設備上消耗的。用戶(hù)端涵蓋了從電力變壓器到用電設備之間對電能進(jìn)行傳輸、分配、控制、保護和能源管理的所有設備及系統，主要包括智能低壓電器、智能電表和智能樓宇系統。作為用戶(hù)端中起到控制與保護作用的核心電器設備——低壓電器，其特點(diǎn)是量大面廣，處于電網(wǎng)能量鏈的最底層，是構建堅強智能電網(wǎng)的重要組成部分。因此，要打造智能電網(wǎng)首先必須要實(shí)現作為電網(wǎng)基石的用戶(hù)端低壓電器的智能化，由此構建的用戶(hù)端智能配電網(wǎng)絡(luò )是構成智能電網(wǎng)的重要基礎，網(wǎng)絡(luò )化、綜合智能化、可通訊的低壓電器將是未來(lái)的主流發(fā)展方向。
1、智能電網(wǎng)采用統一平臺與標準，便于新一代智能低壓電器的開(kāi)發(fā)與應用。
智能電網(wǎng)要求用戶(hù)端采用統一、標準化的產(chǎn)品，使目前各種自動(dòng)化系統、監控系統、管理系統和在線(xiàn)監測裝置中的測量、保護、控制等功能能在新的、統一的、標準的技術(shù)支持系統中逐步集成、整合，并最終實(shí)現各種技術(shù)的高度融合，從而為提高智能電網(wǎng)系統可靠性、縮短安裝和維護時(shí)間等帶來(lái)利益。這將為新一代智能低壓電器的開(kāi)發(fā)與應用帶來(lái)極大的便利。
2、智能電網(wǎng)堅強、自愈、互動(dòng)、優(yōu)化等要求將極大地促進(jìn)具有早期預警與快速安全恢復和自愈等功能的新一代智能低壓電器的開(kāi)發(fā)與應用。
根據智能電網(wǎng)堅強、自愈、互動(dòng)、優(yōu)化等要求，將智能電器構成系統采用網(wǎng)絡(luò )信息技術(shù)、現代通信技術(shù)和測量技術(shù)實(shí)現系統的壽命管理、故障快速定位、雙向通信、電能質(zhì)量監控等功能。應用智能配電網(wǎng)中的低壓電器信號采集系統實(shí)現數字化，既能確保足夠的采樣速率和良好的準確度，又便于對事件進(jìn)行早期*估和通過(guò)對實(shí)時(shí)數據的分析進(jìn)行故障早期預警；通過(guò)網(wǎng)絡(luò )監測器快速定位故障點(diǎn)；通過(guò)網(wǎng)絡(luò )重新架構、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )運行以及配網(wǎng)故障時(shí)的故障隔離和非故障區域的自動(dòng)恢復供電，實(shí)現配電網(wǎng)的快速安全恢復和自愈，從而全面滿(mǎn)足智能配電網(wǎng)的保護與控制要求。因此隨著(zhù)智能電網(wǎng)的建設，新一代智能低壓電器的應用將越來(lái)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(shí)現可再生能源發(fā)電的利用和電能的削峰平谷以提高電能效率而開(kāi)發(fā)的可再生能源發(fā)電系統，以及電動(dòng)汽車(chē)等用電設備的快速充電裝置等，需要開(kāi)發(fā)適用于這些系統的具有特定功能和性能要求的低壓電器；另一方面，這些設備(如變流設備、并網(wǎng)設備、能源的間歇接入設備、充電裝置等)的應用將嚴重影響電能的質(zhì)量，因此隨著(zhù)諧波抑制、無(wú)功補償、瞬變過(guò)電壓抑制和可再生能源發(fā)電系統過(guò)電壓抑制與保護、自適應的動(dòng)態(tài)抑制設備、#即插即用？分布式電動(dòng)汽車(chē)充電站設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)展機遇。
4、智能電網(wǎng)建設大力推動(dòng)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)電系統的應用，打破了傳統的生產(chǎn)、消費模式，形成了生產(chǎn)者與消費者的雙向互動(dòng)服務(wù)體系。多種輸入數據，包括定價(jià)信號、分時(shí)計費、電網(wǎng)負荷情況，通過(guò)先進(jìn)的管理軟件，根據用戶(hù)需求采用靈活配置的方式，促進(jìn)用戶(hù)參與電網(wǎng)運行和管理，平衡用戶(hù)電力需求，滿(mǎn)足其需求與供電能力之間的供求關(guān)系，起到減少或轉移高峰電能需求、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，從而最大限度地節約資源和保護環(huán)境。這既需要開(kāi)拓全新的運營(yíng)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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