电器智能化

新疆大学研究生课程考试（查）论文2013——2014学年第一学期《电器智能化原理及应用》课程名称：电器智能化原理及应用任课教师：王维庆学院：电气工程学院专业：电气工程学号：107551301359姓名：胡健民成绩：1智能电器综述前言电器在国民经济的各部门和国防领域均占有非常重要的位置，起着不可或缺的作用。电器的主要发展趋势是高性能、高可靠、小型化、电子化、数字化、组合化、集成化、多功能化、智能化及可通信化/网络化，其核心是智能化和网络化，而现代智能化和网络化的电器即是现代智能电器。智能电器是以微控制器/微处理器为核心，除具有传统电器的切换、控制、保护、检测、变换和调节功能外，还具有显示、外部故障和内部故障诊断与记忆、运算与处理以及与外界通信等功能的电子装置。智能电器的定义与组成1.1智能电器的定义关于智能电器的定义或阐释已有很多，如：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。这里从构成智能电器的核心部件及其功能出发，给出智能电器的定义：智能电器是以微控制器/微处理器为核心，除具有传统电器的切换、控制、保护、检测、变换和调节功能外，还具有显示、外部故障和内部故障诊断与记忆、运算与处理以及与外界通信等功能的电子装置。该定义指出，智能电器的核心部件为微控制器/微处理器；与传统电器相比，智能电器的功能有“质”的飞跃；智能电器是电子装置，而传统电器是电气设备。具有现场总线接口以实现可通信/网络化是现代智能电器的重要特征和主要发展趋势。1.2智能电器的组成典型智能电器的输入可以是电压信号、电流信号(模拟信号)，也可以是数字信号，(对于非电输入信号须转换成电信号)；模拟信号经变换器和调理电路变换、处理后送给A/D转换器，数字信号一般须经过隔离、处理后再送给微控制器/微处理器；微控制器/微处理器是智能电器的核心部件(如上所述)；为实现人机交互，须有键盘电路、打印接口电路、显示与报警电路，这些电路受人机接口管理单元的管理/控制；为实现外部故障和内部故障的记忆或事件记录功能须有时钟电路(一般应有电池备用供电)；电平信号、触点信号/动作信号均为由微控制器/微处理器控制的输出数字信号；RS232/RS485总线接口是简单的串行通信接口，也是多数智能电器配置的信息交换接口，现场总线接口是通过总线控制器和总线收发器提供的，总线控制器和总线收发器之间一般有光电隔离电路。应该指出，有些微控制器/微处理器中集成了A/D转换器、大容量的RAM、ROM乃至总线控制器，当人机交互功能比较强大时，人机接口管理单元即为一个单独的微控制器/微处理器(这也是智能电器的一种比较典型的配置)，此时该微控制器/微处理器也可能会承担现场总线通信任务。21.3智能电器的种类和范围从大的方面讲，智能电器可分为智能电器元件/装置、智能开关柜和智能供配电系统；从电力系统的一次设备和二次设备的角度讲，智能电器可分为二次智能设备(如智能测控装置、智能保护装置)和一次智能设备(如智能开关、智能开关柜、智能箱式变电站)。智能电器元件/装置有：智能化(通用)保护测控单元/装置、智能接触器/继电器、智能断路器、智能电力监控器/网络电力仪表/电能质量监测装置、智能电动机保护(测控)装置、智能变压器/馈线/电容器保护(测控)装置等。智能供配电系统有：智能低压配电系统/智能配电监控管理系统、智能电动机控制中心(MCC)、智能型预装式/箱式变电站等。具体地，智能低压配电系统中的低压智能电器元件就其功能而言可分为三类：电能质量监测装置、智能开关保护与控制装置、电动机保护监控装置。智能电器所涉及的技术智能电器是在传统电器的基础上发展起来的，因此智能电器所涉及的理论首先是如上所述的传统电器的理论。此外，智能电器还涉及以下技术。事实上，传统电器理论和以下技术基本构成了智能电器的理论与技术体系。2.1电子技术电子技术包括模拟电子技术和数字电子技术，或称基础电子技术和集成电子技术。2.2微处理机/微控制器技术微处理机/微控制器技术主要包括微处理机/微控制器的硬件结构、指令系统、中断系统、定时器/计数器、串行口，程序存储器和数据存储器的扩展、I/O接口的扩展，键盘、显示器、拨盘、打印机的接口设计，D/A、A/D的接口设计，隔离与驱动(功率)电路设计，微处理机/微控制器程序设计、应用系统可靠性设计。2.3检测与转换技术检测与转换技术主要有：误差理论，包括误差的概念、误差产生的原因、判断误差存在的准则、减小或消除误差的方法、测量信号的处理方法、误差的合成与分配、最佳测试方案的选择；电量测量技术，包括电压、电流、频率/周期、相位的测量；非电量测量方法：包括温度、压力、流量、物位的测量方法；检测信号的处理与转换技术，包括模拟滤波、数字滤波、电压/频率转换、频率/电压转换、电压/电流转换、电流/电压转换。2.4数字信号处理技术数字信号处理技术主要包括信号的描述及其分类、信号的分解，正交函数，傅立叶变换，连续时间系统的傅立叶分析，连续时间信号的采样，离散傅立叶级数、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换，数字滤波器的原理、构成与设计。2.5电磁兼容技术电磁兼容性(ElectromagneticConmpatibility，EMC)是指设备或系统在其电磁3环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容包括电磁干扰(EMI)和电磁敏感度(EMS)两部分，其技术主要包括电磁干扰与电磁环境，电磁干扰的耦合与传播，屏蔽理论及其应用，孔缝泄漏的预制措施，接地技术与搭接技术，滤波技术及其应用，电磁兼容标准与规范，电磁兼容性分析与设计，电磁兼容性试验与测量。2.6现场总线技术现场总线(Fieldbus)是当今3C技术，即通信(Communication)、计算机(Computer)、控制(Control)技术发展的结合点，是电气工程与自动化领域技术发展的热点之一。现场总线具有数字化、开放性、结构和功能的高度分散性及对现场环境的适应性等本质技术特点和一系列优点，适应了供配电系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势，呈现了强大的生命力，其应用正日益增长。现场总线技术主要包括一般现场总线的物理层、数据链路层和应用层以及以太网规范/IEEE802.3中的物理层、数据链路层和TCP/IP协议。其关键技术主要有MAC机制和帧结构(它们是决定传送时间/实时性的重要因素、后者还决定协议效率)，各种周期信息、非周期信息/实时信息、非实时信息的数据触发方式/传送方式(它们也是决定实时性的重要因素，同时还与网络利用率有关)，信号编码、错误检测、控制与恢复技术(它们与可靠性密切相关)，连接/无连接技术与TCP/IP、UDP/IP协议(它们与可靠性、实时性及资源使用有关)，对象建模/设备描述/功能模块等应用层/用户层技术(它们与现场总线应用的互操作性、通用性、方便性有关)。2.7数据库技术/高级语言编程技术在构建智能供配电系统等现场总线系统时需用到数据库技术/高级语言编程技术。换言之，对于开发智能电器系统来说，需要用到更多的计算机技术。以下技术因其显著的优势而在智能电器、特别是高端智能电器中得到了越来越多的应用。2.8小波变换(WT，WaveletTransformation)小波变换是一种新颖的时-频分析工具，它具有时-频局部化特性，在高频带具有高时域分辨率，在低频带具有高频域分辨率，特别适用于突变信号和非平稳信号的分析，克服了傅里叶变换只在整个时域或只在整个频域变换和短时傅里叶变换时-频窗固定的缺陷。小波变换理论主要包括连续小波变换、离散小波变换、正交小波变换、小波分解与重构、多分辨率分析、小波变换快速算法、小波性质及小波基选择方法、小波包分析等。电能质量扰动可分为稳态扰动和暂态扰动两大类。稳态电能质量扰动以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷及噪声等；暂态电能质量扰动通常以频谱和暂态持续时间为特征，包括脉冲暂态和震荡暂态两类。在电能质量扰动检测方面，小波变换可用于实现消噪(信号预处理)、谐波分析、扰动特征提取、暂态扰动检测与定位、电能质量扰动数据压缩等方面。继电保护技术的发展在很大程度上依赖于保护算法的发展，尤其是对故障信号的准确提取和有效利用。小波变换具有提取和识别复杂非平稳信号的优势，因而可有效地用于继电保护中的故障特征提取，改进和优化保护算法。具体表现为：行波保护中的启动条件判断、故障区域判别、故障选相、瞬时性与永久性故障的区分；设备保护中的发电机保护、变压器保护、线路故障测距、小电4流接地系统故障选线、最优重合闸时间计算等。2.9人工神经网络(ANN，ArtificialNeuralNetworks)人工神经网络是人工智能技术的一种，它具有优秀的学习能力，现已被广泛应用于模式识别、分类辨识、信号处理、图像处理、控制与优化、计算机科学、机器人、预报和智能信息管理等领域。人工神经网络理论主要包括神经元、网络结构与模型、网络学习算法、网络训练与测试、网络优化等。电能质量扰动类型主要包括谐波、电压上升、电压下降、电压闪变、电压凹陷、暂态扰动等几类。在电能质量扰动的辨识与分类方面，人工神经网络可与数学变换工具(如傅里叶变换、小波变换)相结合：数学变换工具主要用来提取各类电能质量的特征并构建特征向量；人工神经网络主要用来构造分类器，对用数学变换工具构建的特征向量进行识别，完成电能质量扰动类型的自动分类。目前小波神经网络(WNN，WaveletNeuralNetworks)已在电能质量扰动的辨识与分类方面得到了广泛和深入研究，并取得了一些成果。数学变换与人工神经网络相结合，还可用于继电保护中故障信号的自动识别与分类，实现自适应保护算法，提高继电保护系统的智能化程度。2.10数学形态学(MM，MathematicalMorphology)数学形态学以集论基础，是几何形态分析和描述的有力工具，目前已广泛应用于信号处理、图像处理等工程领域。数学形态变换用集合来描述目标信号，在分析信号时，需要设计一种收集信息的“探针”，称为结构元素。结构元素在信号中不断移动，便可以提取有用的信息进行特征分析和描述。数学形态变换一般分为二值形态变换和多值形态变换。腐蚀和膨胀是最基本的形态变换，主要为布尔运算及少量的加减运算，具有计算量小、计算速度快、数据存储容量小等优点，在工程上很容易实现。在电能质量扰动检测和继电保护领域，数学形态变换可用于消噪和滤波(信号预处理)、扰动信号和故障信号提取等。与传统的数字滤波器相比，利用数学形态滤波器，即使原始信号伴随较强的噪声、甚至发生了严重的畸变，其基本形状仍可被识别、重构及增强；与传统的注重信号频域特性的积分变换算法不同，数学形态变换更关心信号的时域表现，可将待检信号从背景中提取出来，同时保持其主要的形状特性。结论智能电器与传统电器的区别主要在于组成、功能及理论与技术体系上，在分类/种类上亦有所不同，其应用领域也有所扩展。我们应深入研究智能电器的主要理论与技术，大力推进我国智能电器的发展。参考文献[1].宋政湘，张国钢.电器智能化原理及应用.电子工业出版社，2013[2].王如文电器智能化原理及应用（第2版）[M].电子工业出版社，2011.[3].张义和51单片机（C语言版）[M].人民邮电出版社，2008.5