电气智能化第1章

电器智能化原理及应用宋政湘西安交通大学电器教研室第1章绪论1.11.21.31.41.5电器智能化概述电器智能化技术的应用电器智能化技术的发展本课程学习内容本章小结第1章绪论1.1电器智能化概述电器：用于完成电路监测，并根据不同的运行状态与要求，实现电路接通或分断操作的设备，主要用于电力传输与分配、电力系统继电保护、工业及民用用电设备供电与保护等场合。常见的电器有电压、电流互感器和断路器、接触器、各类继电器等开关电器及其成套设备。第1章绪论电厂POWERPLANTS建筑UTILITYBUILDING轻工业LIGHTINDUSTRYTRANSFORMERSTATIONS箱变SUBSTATIONS分变电站MAINSTATIONS主变电站工业INDUSTRY住宅RESIDENTIALAPPLICATIONS第1章绪论第1章绪论1.上出线座2.真空灭弧室3.下出线座4.滚动触头5.碟形弹簧6.操作绝缘杆7.分闸弹簧8.拐臂9.外壳及机构第1章绪论第1章绪论第1章绪论第1章绪论第1章绪论第1章绪论1.1.1电器智能化与智能电器智能电器：智能电器是指能自动适应电网、环境及控制要求的变化，始终处于最佳运行工况的电器，智能化了的开关电器元件或成套开关设备。电器智能化：电器智能化是以智能电器这种有形产品为基础建立的相关学科知识及应用技术的系统集成。第1章绪论1.1.2智能电器的基本特点1.现场参量处理数字化2.电器设备的多功能化3.电器设备的网络化4.真正实现分布式管理与控制5.可以组成真正全开放式系统第1章绪论1.1.3智能电器的一般组成结构智能电器分为元件和成套设备两类，都包括一次开关和监控器。智能电器基本结构包含由输入、中央处理与控制、输出、通信和人机交互5大模块组成。第1章智能电器的基本结构绪论第1章绪论第1章绪论第1章绪论第1章绪论1.1.3智能电器一般组成结构1.智能电器元件物理结构及基本功能从物理结构上看，智能电器元件的监控器总是与一次开关集成为一个整体。智能电器元件不仅能根据监控器发出的指令实现一次开关的简单合、分闸操作，重要的是能根据操作命令发出时一次开关的运行状态，控制其操动机构的运动速度，实现对开关元件的智能操作。第1章绪论1.1.3智能电器一般组成结构2.智能化成套电器设备与智能电器元件的物理结构不同，智能化成套电器设备中的监控器一般安置在设备面板上，空间位置上与一次开关相对独立，在输入、输出端口的设置和处理器完成的功能方面也有较大的区别。智能电器成套设备除完成二次电路全部的测量、保护和控制功能外，还需要将大量的设备现场记录传至后台管理系统上位机，接收上位机传来的各种操作命令和网络重组命令。第1章绪论第1章绪论第1章绪论第1章绪论第1章绪论第1章绪论1.1.4电器智能化网络的结构和特点电器智能化网络：采用现场总线和数字通信网络技术，由系统后台管理设备和现场智能电器组成的网络称为电器智能化网络。第1章绪论1.1.4电器智能化网络的结构和特点1．结构电器智能化网络典型结构如图，可以看出，网络基本可分为：（1）现场设备网络层（2）局域网络层电站综合自动化系统系统构成：软件（INT-SCADA）+硬件（智能化开关柜）公用电话+MODEMINT-SCADA信息打印监视和控制RS485/232等接口转换器备用双绞线或光纤35kV智能化开关柜12kV智能化开关柜400V智能化开关柜400V智能化动力箱智能化箱式变电站第1章绪论1.1.4电器智能化网络的结构和特点2.主要特点(1)现场设备具有独立的监控、测量、保护、操作功能，并且具有通信能力(2)网络应允许不同制造商、不同类型的产品互连甚至互访(3)能包容采用不同传输介质、不同通信协议的网段或局域网(4)必须保证各类实时数据在网络中传输的实时性、准确性(5)智能化网络的上位管理设备能实现对网络中各现场设备运行状态的实时监控和管理(6)网络运行必须稳定、可靠，以保证现场设备安全运行第1章绪论1.2电器智能化技术的应用电器智能化是实现电力系统自动化、各类低压配电系统智能化的基础，也是提高电力用户用电质量和用电安全性、可靠性的主要方法。在现代工业设备运行的监控、保护及分布式管理方面，电器智能化也有着广阔的应用前景。第1章绪论1.2.1电器智能化在电力系统自动化中的应用电力系统自动化是保证电力发、输、配、供、用各环节安全性和可靠性，提高电网运行效率、降低运行成本，保证供电质量的基本措施。电器智能化技术原则上可以应用在电力系统发、输、配、供、用各个环节。但由于使用现场环境等原因，当前主要用于发电厂和各类分布式变电站自动化、低压配电网自动化及其电能质量管理。第1章绪论1.2.1电器智能化在电力系统自动化中的应用电器智能化在电力系统自动化中的应用主要有以下3方面：1.分布式变电站自动化中的电器智能化技术2.电器智能化在低压配电网自动化中的应用3.电力设备在线监测第1章绪论1.2.1电器智能化在电力系统自动化中的应用分布式变电站自动化中的电器智能化技术应用举例：典型的变电站综合自动化网络结构第1章绪论1.2.2电器智能化在工业自动化中的应用早期：自动化工业设备中电气自动控制系统体积庞大、线路复杂，工作噪声大，可靠性低，控制精度差，维护非常困难。目前：随着微机控制技术、电力电子技术和现场总线技术应用的发展，现代工业设备的自动控制系统与工业自动化技术已经发生了根本的变化。在工业控制局域网的现场监控设备中，不仅有生产设备的微机控制器，还包含了控制设备电源接通/分断操作的低压智能电器监控器。第1章绪论1.2.2电器智能化在工业自动化中的应用电器智能化在工业自动化中的典型应用——电动机控制中心（MCC），其数字通信网络基本结构如下：第1章绪论1.2.3电器智能化在楼宇智能化管理中的应用楼宇用电管理一般包括供电质量监控、用电费用统计和用电安全保证等方面。利用电器智能化技术构建楼宇智能化低压配电网，电网中的线路开关和用电负载开关全部采用低压智能断路器，可实现对供电电源、配电电网的线路与开关设备、用电负载等对象的分布式监控与管理。第1章绪论1.3电器智能化技术的发展电器智能化技术几乎是与传感器技术、微电子技术、单片微机控制技术和数字通信网络技术同步发展的。早期的智能化电器，以二十世纪80年代中期法国MG公司、美国西屋公司和日本寺崎公司先后推出带微处理器的低压智能化断路器为代表。90年代初期，随着计算机信息网络系统的发展，一些国外公司把智能化开关电器、监控、保护模块与控制计算机和PLC联结成智能化中压和低压配电控制系统。如西屋公司的MPACC系统，通用电气公司的POWERLEADER系统，GEC—ALSTHOM公司的SIMOCODE系统。第1章绪论近年来，智能化技术也进入到断路器和开关设备二次监测和故障的诊断上，例如GEC-ALSTHOMT&D公司在中压开关设备上，分别用红外线、光电、压力和温度传感器来采集信息。日本东芝公司开发了一种采用压力波传感器的GIS内部故障诊断系统。国内，西安交通大学最早关注智能化电器的研究，并开展研究工作，于1987年开发出了国内第一台智能化电器产品。第1章绪论（当前主要研究内容）目前，国内外对电器智能化理论及应用的研究依然是开关电器领域的热点之一，重点需要研究的内容：1.电器的机构与智能操作；2.电器的状态监测与寿命预测；3.智能化电器新功能拓展。第1章绪论（当前主要研究内容）1.电器的机构与智能操作（1）根据电器电弧研究最新成果（2）通过新型操作机构（3）通过对开关电器元件运行状态的在线监测，根据不同的运行状态，输出出不同的操作控制命令，使开关电器的操作机构能按最佳的分、合闸特性进行操作，即实现所谓智能操作，提高元件的工作性能和寿命。第1章绪论（当前主要研究内容）2.电器的状态监测与寿命预测各类电量和非电量传感器（智能化、小型化、数字化）是在线监测技术的基础，为电力设备状态检修的打下基础。（1）机械特性（2）绝缘特性（3）载流体发热（4）其它检测内容第1章绪论（当前主要研究内容）研究的技术路线各类性能劣化规律的实验、仿真研究特征物理量的确定特征物理量信息的提取信息处理技术信息的传输技术专家系统的建立第1章绪论（当前主要研究内容）开发的温度传感器非接触式基于红外辐射的温度传感器第1章绪论（当前主要研究内容）安装在进线环氧树脂套管上的泄漏电流传感器第1章绪论（当前主要研究内容）3.智能化电器新功能拓展电能质量监测：由于电能质量问题会给电力系统和用电设备带来严重的危害和影响，必须对电网的电能质量进行有效的监测。电能质量监测是评估电能质量水平和发现电能质量问题的主要手段，也是改善电能质量的前提。电能质量监控是保证低压电网和用电设备安全和可靠性的重要措施，也是当前智能化电器一项新的功能和发展方向。第1章绪论（当前主要研究内容）关于电能质量监测，当前的研究热点主要集中在以下一些方面：（1）电能质量问题的发生机理（2）电能质量的检测机理（3）电能质量检测设备的设计方法第1章绪论（当前主要研究内容）RS232TMS320LF2407CANDSP最小系统模拟量输入ADCWD通信接口SPISCICAN电源3.3V开关量输入开关量输出I/OSARAMDARAMFLASH&ROMDSPCoreExternalInterface外围接口晶振RAM双口RAM(4Kx8)RTCSerialEEPROM24C16MCU(AT89C55WD)液晶显示键盘(320x240)(3x3)人机交互PLL实时时钟SCIRS422第1章绪论（当前主要研究内容）第1章绪论（关键共性技术）电器智能化理论中关键共性技术主要有：1.网络化技术2.提高嵌入式系统软件设计水平3.EMC技术4.传感器技术5.基于专用芯片的电器智能化硬件平台技术6.可靠性技术研究第1章绪论（关键共性技术）1.网络化技术网络化技术在智能化电器产品中至关重要，网络是构成各类电力自动化系统的基本环节和纽带，是“智能化功能”延伸和信息融合的基础。当前智能化电器所构成的数据通信网络水平还较低；网络功能多限于数据传输，由网络所能体现出的特有“智能化功能”还很少。2.提高嵌入式系统软件设计水平采用模块化设计和面向用户的设计方法的嵌入式系统，解决软件系统中的通用性问题。3.EMC技术智能电器工作在高电压、大电流的现场环境中，因此对它的EMC设计是保证其可靠工作的关键问题之一。第1章绪论（关键共性技术）EM源ElectronicsGroundingCellPhoneAperturesPowerLineConnectorLightningAntenna干扰途径Conducted(ElectricCurrent)InductivelyCoupled(MagneticField)CapacitivelyCoupled(ElectricField)Radiated(ElectromagneticField)EM接受者ElectronicsTransistorCellPhoneAperturesDiodeAntennaGroundingPeople第1章绪论（关键共性技术）以往的EMC问题研究多是一些经验的积累，没有从理论上找到一个描述问题和解决问题的方法，近年来已经开始探索利用仿真模型等建立虚拟的电磁环境模型，以便为EMC问题的解决提供理论依据。第1章绪论（关键共性技术）4.传感器技术各类电量和非电量传感器（智能化、小型化、数字化）是电器智能化的基础。目前正在研制各类新型电量传感器（光纤电量传感器，新型电压、电流传感器）和机械特性传感器（如位置、速度、压力、温度、油色谱等）。5.基于专用芯片的电器智能化硬件平台技术目前的电器智能化测控器硬件基本上是以微处理器（MCU）或DSP为核心，这种结构存在以下一些缺点和不足：（1）效率低；（2）升级困难；（3）开发周期长。第1章绪论（关键共性技术）90年代迅速兴起的可编程ASIC技术可以从根本上解决微处理器所面临的问题。利用ASIC器件，既保证了灵活性和并行处理的快速性，又降低产品成本。采用专用芯片（集成电路）