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智能电器西安交通大学电气工程学院电器教研室第1章绪论1.1电器智能化概述电器概述用于电力传输与分配，完成电路运行状态监测和保护，控制电路的接通/分断操作，用电设备控制与保护的电气设备。包括电压/电流互感器、变压器以及各种开关电器及其成套装置。1.1.1电器智能化与智能电器智能电器和电器智能化是电器学科新的发展领域。是传统电器与现代传感器技术、微机与数字控制技术、微电子技术、电力电子技术及计算机通信技术等各门类学科集成。1.电器智能化与智能电器的关系智能电器是智能化了的开关电器元件或成套开关设备，是一种具体的有形产品。电器智能化是以智能电器为基础建立的相关学科知识及应用技术的系统集成。是一种理念，一种方法，也是一种发展和进步过程。2.智能电器元件和智能开关设备的定义智能电器元件由一次开关元件及其数字化智能监控器组成的电器元件。能自动监测和识别元件运行状态；根据运行状态选择操作命令类型，实现对元件操作的智能控制。智能电器元件和智能开关设备的定义智能开关设备由替代二次回路的数字化智能监控器和一次开关元件组成的开关设备。能监测一次线路和被控对象工作参量；分析监测结果和输入指令，判断被控对象工作状态，根据结果发出操作命令。实现被控对象与管理后台的信息交换。1.1.2智能电器的基本特点①现场参量处理数字化②电器元件的多功能化与智能操作③电器设备应用系统的网络化④可实现真正分布式管理与控制⑤可以组成真正全开放式系统1.1.3智能电器一般组成结构智能电器一般组成结构智能电器元件和智能电器成套设备都包含一次元件和智能监控器。智能电器监控器工作原理基本相同，具有相同的模块结构。包括：输入、中央处理与控制、输出、通信、人机交互和电源模块。3.智能电器元件与开关设备的区别1）物理结构智能电器元件监控器与被监控的单个开关电器集成为一个整体。智能开关设备包含一次电路的全部电器元件和一个物理结构上相对独立的智能监控器。智能电器元件与开关设备的区别2）监控器结构两种监控器功能结构基本相同，区别在于各模块的配置。整体配置上，智能电器元件监控器相对简单，智能开关设备比较复杂。智能电器元件与开关设备的区别（1）输入信号来源及通道数量智能电器元件输入信号主要是开关元件自身的各种运行状态、参数和特性，被测参量通道数较少。智能开关设备输入信号主要来自受开关设备控制和保护的对象，输入参量和输入通道数量更多。智能电器元件与开关设备的区别/（2）输出通道的结构设置智能电器元件取决于开关操动机构及其智能操作方式。输出信号类型、驱动方式及执行元件（根据开关元件操动机构及操作方式配置）。智能开关设备输出信号基本为开关量，执行元件多用继电器或电力电子开关器件；结构较简单，通道数量一般较多。（3）人机对话（显示、操作）模块智能电器元件通常为可选项。需要时，操作和显示相对简单。智能开关设备必须设置。实现开关设备中全部测量、保护特性和参数设定、功能投退等功能。显示器采用LCD，界面比较复杂。智能电器元件与开关设备的区别/监控器结构/通信模块（4）通信模块智能电器元件根据需要配置。只有作为网络底层设备的高端产品必须配置。智能开关设备作为输、配、供电系统自动化的底层和现场设备，必须配置。智能电器元件与开关设备的区别/监控器结构/中央控制与处理模块（5）中央控制与处理模块智能电器元件完成元件运行状态与参数的检测和处理。根据处理结果实现开关电器操作的智能控制和状态的在线监测。不同元件监控器功能差异很大。模块组成结构、选用的处理器件性能、价格及其外围电路配置差别很大。智能电器元件与开关设备的区别/监控器结构/中央控制与处理模块智能开关设备实现传统成套开关设备二次电路中全部测量、保护和控制；并在网络后台系统管理下，实现设备的四遥功能。监控器中央处理与控制模块结构更复杂，处理器件性能和外围电路的配置要求更高。智能电器元件与开关设备的区别说明近年来，智能低压电器中高端产品监控器与相关开关设备监控器的功能和结构已趋于一致；可以直接安装在开关柜面板上，代替开关柜监控器完成要求的全部功能。以后的课程学习中，如果没有特别说明，二者将统称为智能电器1.1.4电器智能化网络概述定义采用数字通信技术；用通信介质连接系统后台管理设备与工作现场的智能电器，组成数字通信网络；实现对电力系统设备运行、供/用电质量及供电网络的智能化、自动化管理与控制。这种网络称为电器智能化网络。1.结构组成1）现场设备层网络中的最底层，包括不同生产厂家提供的各种不同类型的智能电器。现场设备连接方式①只有选定的现场总线连接；②带有管理设备（上位机）的现场总线连接；③专用通信接口直接与局域网络层连接。可用中继器、HUB、网桥扩大范围。2）局域网络层局域网络层是电器智能化网络的后台管理层。现场设备网络、独立的协议转换接口、通信控制器和后台管理设备都是网络的节点。局域网络层网络采用以太网(Ethernet)。经路由器、网关连接，可组成更大网络。用调制解调器（Modem）可通过电话网或无线网与远方的高层管理系统连接。3）通信层界于局域网络层于现场层之间，完成通信协议转换。两种通信层配置一台作为通信控制器的专用计算机（物理设备）。现场层网络管理设备或局域网后台管理设备服务器中的协议转换软件（逻辑设备）。2．电器智能化网络的主要特点①现场设备必须独立自治。②网络应允许不同制造商、不同类型的产品互连。③能包容采用不同传输介质、不同通信协议的底层网或具有独立转换接口的智能电器。④必须保证各类实时数据在网络中传输的实时性、准确性。电器智能化网络的主要特点⑤局域网后台管理设备通过数字通信和数据库管理系统，实现以下功能：现场设备运行状态实时监控和管理；设置现场设备地理位置和设备功能，按地理信息显示现场设备运行状态；网络结构的组建和重构。⑥网络中的信息共享。⑦必须保证网络运行的稳定、可靠。1.2电器智能化的应用现代电力系统输、配电自动化。各类低压供、配电系统智能化。提高电力用户用电质量和用电安全性、可靠性。现代工业设备和楼宇供电自动化及分布式管理。1.2.1在电力系统自动化中应用电器智能化技术可以应用在电力系统发、输、配、供、用各个环节。当前国内的主要应用发电厂和各类变电站综合自动化；低压配电网自动化及其电能质量管理；电力设备在线监测。1.变电站综合自动化中的电器智能化技术变电站综合自动化系统是一种数字化的分布式控制与管理系统。1）结构组成间隔层（现场设备层）带有智能RTU（RemoteTerminalUnit）的一次开关设备，组成微机综合保护与监控装置。后台通信处理与数字信息管理设备。变电站综合自动化中的电器智能化技术/结构组成数字化的继电保护装置；数字通信网络。2）功能变电站设备的控制、保护、实时数据处理、监测、自动远动等功能。实现全站的自动监测、控制、保护及电能质量监测的综合管理。3）综合自动化变电站通信网络结构按分层、分布式的网络结构配置现场智能开关设备。设备保护与监控功能被分散到各保护小室或开关设备。现场设备通过通信网络与后台管理设备交换各种信息。具有综合自动化管理系统的变电站又称为分布式变电站。变电站综合自动化网络典型结构示意图2.在低压配电网自动化中的应用1）低压配电网自动化的意义作为供、用电环节，完成电能对电力用户的分配、监控与管理。其监测与自动化管理是现代电力系统自动化的重要组成部分。2）实现低压配电网自动化的原因（1）电力用户要求提高供电质量各类电力用户要求提升低压配电网管理的自动化水平。（2）用电负载影响电网的供电质量各类大功率、非线性用电负载容量增加，造成低压配电网的各种污染。3）低压配电网自动化管理的优势①自动调节大容量负载的用电时段，提高电网运行效率；②抑制大功率、非线性负载对电网的冲击和污染；③电力部门能更有效地监管用电负载，提高供电质量，满足电力用户对供电电网提出的要求。4）当前实现低压配电网自动化的条件①系列智能化低压配电电器（低压断路器、双电源自动转换器）和电能质量管理器等的开发与应用。②各种现场总线、以太网和适应电力系统运行特点的通信协议不断完善；③电器智能化网络的监控与管理软件技术更成熟，功能更完善。5）低压配电网自动化的工作要求（1）减小供电线路故障对用户影响故障时保证重要负载供电；故障排除后，尽快恢复对所有用电负载的供电。（2）有利于电力部门对供电质量监控采取强制措施，抑制电网的谐波污染，减小电网电压波动及电压闪变；提高高电网功率因数，降低运行成本。3.电力设备在线监测1）国内电力设备检修现状采用“定时检修”的规则。存在问题①故障时大面积用户的供电停止。②影响电力设备，特别是开关设备运行的可靠性。③故障检修时，大面积停电时间长。2）在线监测与电力设备的“状态检修”状态检修是在预测设备可能故障时检修。措施在线监测装置实时在线监测影响电力设备安全运行的参量，将结果传给网络后台。管理系统对数据进行处理、分析和判断，为电力部门制订检修计划提供科学的依据。1.2.2在工业自动化中的应用1）现代工业自动化系统模式嵌入式控制系统为核心、电力电子装置为电压或功率控制环节的控制装置为现场设备；现场总线为底层网络；多组底层网络与监控系统构建的工业控制局域网。实现工业企业生产自动化的全面管理。2）工业控制局域网中智能电器的功能工业控制局域网的现场监控设备被控对象的微机控制器和低压智能电器监控器。微机控制器功能监测备控设备工作流程、运行状态及工作参量等信息。工业控制局域网中智能电器的功能/微机控制器功能完成设备工作的自动控制。与网络后台交换相关信息，并接受各种操作指令。智能电器监控器的功能监测被控设备及供电线路设备运行状态。控制供电电源的接通/分断，实现对生产设备的用电管理与故障保护。工业控制局域网中智能电器的功能/智能电器监控器向后台管理系统传送运行过程中与供电电网相关的各种信息（设备故障信息、用电量、功率因数、谐波、对电网的其他干扰等）。为企业用电的全面管理提供实时、有效的数据。典型应用电动机控制中心MCC（MotorControlCenter）1.2.3电器智能化在楼宇自动化管理中应用功能供电质量监控、用电费用统计和安全保证等。实现方法采用智能断路器作为线路供配电开关和负荷开关。构建智能化分布式监控与管理网络，实现对供电电网线路设备及负载等的监管。完成功能①线路发生故障后自动切换供电电源或起动备用电源，保证重要用户的连续供电。②防止事故扩大，尽快排除故障，提高建筑物供电质量。③及时发现存在隐患的线路和设备，发出预警信息。④实现用户用电智能抄表，有效监管恶意欠费。1.3电器智能化技术的发展从简单采用微机控制的封闭式装置，发展成具有较完整的理论体系和多学科交叉的电器智能化系统。讨论要点监控器功能与控制技术电器元件的工作机理变革智能化网络1.3.1监控器功能的完善与开发早期电器智能控制器只针对某一特定的对象，功能单一，采用封闭式控制模式。1）当前智能监控器的基本功能（1）测量/遥测监测并数字化显示现场运行参量（测量），经通信网上传（遥测）。监控器功能的完善与开发/当前智能监控器的基本功能（2）就地设置与操作/遥调与遥控由键盘、面板开关及通信口完成就地/远方调控。（3）遥信记录被监控对象的运行状态及现场运行工况，经通信口上传。（4）保护判断故障及故障类型，故障出现后完成相应的操作。监控器功能的完善与开发/当前智能监控器的基本功能（5）自检与故障诊断监控器主要硬件设备和被控对象故障诊断。（6）通信采用统一的通信协议或协议转换技术；实现后台与运行现场间各类信息交换，并保证通信网络的开放性。（7）一次开关元件在线监测实现电器元件的故障预测和诊断。2）发展趋势监控器各模块的功能高度分散；组成以中央控制与处理模块为核心、由现场总线连接的分布式管理网络。3）核心技术各类传感器的数字化和智能化。开发智能化的人机交互模块。输出接口和通信接口的智能化管理。1.2.2监控器的设计技术监控器设计内容监控器结构设计主要元件的选择硬件电路和软件及其可靠性设计早期设计特点按功能选用器件，设计成多芯片、多电路板结构；印刷电路板布线复杂，可靠性差。1.硬件设计的现状