我国智能电器发展与展望.doc

我国智能电器发展与展望
1 智能电器诞生
电子技术在我国低压电器中应用始于上世纪七十年代，并形成了二类新型电器：电子电器、剩余电流保护电器（当时称为漏电电器）。最早出现的电子电器是电子式时间继电器，它使时间继电器延时范围得到扩展，功能得以加强。剩余电流保护器主要有二种类型：电磁式与电子式。由于电磁式剩余电流保护器制造工艺要求很高，当时我国电器行业制造水平远达不到要求。所以，我国剩余电流保护器是从电子式开始发展的。由于电子元件可靠性和成本较高等原因，电子电器在很长一段时间没有得到迅速发展。从上世纪八十年代初开始电子技术开始在万能式断路器脱扣器中应用，使万能式断路器具有三断保护特性，即长延时、短延时、瞬时。
随着集成电路制造技术成熟与应用，使电子技术在低压电器中应用逐步扩展，电子部件体积明显缩小，调试相对方便，可靠性有了提高。从此，电子技术不仅在万能式断路器、剩余电流保护器、时间继电器等产品中得到普遍应用，还开始在塑壳断路器、交流接触器、电动机保护类电器中得到应用。从上世纪九十年代开始，电子技术又应用于双电源自动转换开关、软起动器、控制与保护开关电器、真空断路器等新型电器。
随着微处理器技术成熟与应用，微机开始在低压电器中应用，使低压电器具有智能化功能。它使低压电器性能逐步发生“质”的变化。
2 智能低压电器发展及其主要特征
我国第八五年计划期间，国家经贸委重点企业开发项目下达了《新型电器》研发任务；智能化万能式断路器、智能化塑壳断路器、电子式真空起动装置、控制与保护开关电器、模数化终端保护电器五个课题，前四个课题研发的产品均带有智能化功能。其中最具代表性的是DW45系列智能化万能式断路器，它是我国第三代万能式断路器。与第二代万能式断路器DW15系列相比，体积与用铜量明显减少，分断能力与可靠性明显提高。更主要的是，该产品脱扣器采用微处理器技术，使DW45系列断路器带有智能化功能。其主要特征主要表现在以下五个方面：
1）保护功能齐全：除过载、短延时、瞬动保护外，还具有过压、欠压、过频、欠频、相序、逆功率、电压不平衡、接地、漏电等保护。总之，低压配电系统目前可能遇到的故障，几乎都包括其中。
2）电参数测量功能，包括：三相电压、三相电流、频率、功率、功率因素、电能需用值、三相不平衡检测、相序检测等功能。使万能式断路器不仅具有配电系统故障保护功能，还具有测量与监视功能，为成套装置与系统简化创造了条件。
3）故障记录功能：当配电系统出现各种故障时，断路器不仅能及时报警或切断电源，还能将各种故障包括历史记录、电流、电压波形、触头当量记录下来。它能有效帮助维修人员根据故障类型及时排除故障。避免在故障没有安全排除情况下，重新合闸电源造成事故扩大甚至人身伤亡。能缩短排除故障时间，对低压配电系统安全可靠运行具有重要意义。
4）内部故障自诊断：智能化断路器虽具有强大功能，当智能控制器自身存在故障时，上述功能将全部消灭，从而对电力系统运行带来更大危害。为此，智能控制器内部设置了自诊断检测装置，一旦发现智能控制器线路或器件发生故障能及时报警。另外，对断路器其它部件故障，如断路器主电路因接触不良造成的过热等发出报警信号，便于维修人员及时排除故障确保断路器正常、安全运行。
5）通信功能：智能化断路器一般具有双向通信功能，向上位机发送的信息主要包括，断路器基本信息、断路器检测的电参数、电力系统故障信息以及断路器自身故障信息等。上位机向断路器发送的信号主要包括：根据电网监控要求发出的相关信号、根据负载要求调整断路器动作特性以及断路器动作信号等。
DW45系列智能化断路器自1998年投放市场后，很快得到市场认可，产量迅速攀升，至2000年产量超过五万台，目前年产量近20万台。由于DW45智能化断路器性能稳定，消除了广大用户对使用电子电器、智能电器的疑虑，也增强了低压电器行业发展智能电器的信心。从此，智能型低压电器在全行业各类低压电器中迅速发展。除智能型万能式断路器外，相继发展了智能型塑壳断路器、智能型双电源自动转换开关、智能型交流接触器、智能型电动机保护器、智能型软起动器、智能型真空电器等产品。
根据智能型低压电器目前发展水平，其主要特点除DW45系列断路器具有的五个特征外，还能根据电网参数与负载变化自动调整低压电器动作特性，使低压电器工作在最佳状态，提高低压电器工作可靠性与使用寿命。从而提高电力系统运行安全。
3 智能电器相关技术发展与趋向
3.1 低压电器通信技术与现场总线
DW45系列智能化万能式断路器早已大批量生产，但据不完全统计，80％以上产品其主要作用仍然是过电流三段保护。低压电器一系列智能化功能只有实现系统网络化才能有可能充分显示出来。传统并行连接的自动控制系统由于网络复杂，安装与维护成本高等原因难以推广。
现场总线技术发展与应用，使电力系统网络化成为现实。同时，对低压电器提出了双向通信要求。现场总线系统实际上是数字化通信系统，它用一根通信电缆以串行方式将现场电器设备连接起来。所以，现场总线系统网络结构简单，安装调试方便。尤其适合于新工程建设与发展过程中配电与控制系统需要更改的场合，也便于系统不断改进。从总体上看，现场总线系统投资、维护、运行费用较低。它为低压配电与控制系统网络化创造了条件。
上海电器科学研究所（集团）有限公司研制的3S-NET智能网络配电系统是近年来我国智能电器及其系统发展的综合性成果，其典型系统图如下：
● 3S-Net系统主要功能：
① 信息管理功能 ② 参数配置功能 ③ 保护与控制功能 ④ 故障诊断与记录 ⑤ 电网质量监控
⑥ 能量管理
● 3S-Net系统主要特点：
① 系统具有开放性、支持多总线、允许多主站、多总线配置。
② 支持多厂商设备接入系统，方便用户选择。
③ 全汉化专用（配电与控制系统）工控组态软件，组态方便、快捷、正确。
④ 适合国内几乎所有型式开关柜，如GCS、GCK、GGD、MNS等。提供完善的一次图、二次图服务，使用方便。
⑤ 第三方设备接入方便。
⑥ 构成系统的配套件、附件齐全。
● 可接入系统的设备与附件
① 可接入系统的设备：万能式断路器、真空断路器、塑壳断路器、剩余电流保护器、自动转换开关、接触器、控制与保护开关电器、电动机保护器、软起动器、I/O、电量监控仪等。
② 构成系统的附件：Devicenet通信适配器、profibus通信适配器、Devicenet网络延伸器、集线器、分支器、总线电缆、总线电源等。
现场总线技术应用不仅给低压电器及成套设备带来功能上扩展与完善，并为电器设备网络化创造了条件。更主要的是低压成套设备与系统的概念与组成将发生重大变化，并使电器设备使用与维护带来全新的理念，电器设计与选用程序也将发生根本变化。采用现场总线系统后，在许多场合低压成套控制设备最具代表性产品马达控制中心（MCC）可以取消，MCC柜中每一个抽屉可以做成独立控制单元安装在控制对象电动机旁边，其通信模块可以通过总线电缆串行连接至主站或上位机。从而，节省大量主电路电缆和二次控制线。使低压控制系统简化并节省成本。另外，采用智能网络配电与控制系统后，通过工业以太网，制造商技术人员在自己办公室电脑上可以随时了解本企业生产的电器设备在用户单位使用情况。
从可通信低压电器与网络系统发展趋向看，主要表现在以下三个方面。

① 设备网络系统开放性，首先规范各类低压电器设备描述、制订统一标准。使不同厂商产品在网络上能互连、互模。另一方面允许非标第三方设备方便地接入。同时各类可通信低压电器支持连接不同现场总线系统，使其具有更大灵活性。
② 工业以太网将直接与各类低压电器连接，工业以太网传输速率高，并能在同一总线电缆中传输不同通信协议等优点，使工业以太网已成为这一领域技术热点。
③ 无线通信技术已开始在低压电器通信中应用，它特别适合于移动通信电器设备上，或者不易安装通信电缆的场合。它使低压电器通信更为灵活，减少由于接线和设备移动造成的故障。
3.2 低压电器综合智能化技术
配电保护与控制电器采用微处理器以后开始具有智能化功能，但成本也随之提高。随着市场竞争的需要，要求其性能不断扩展为多功能智能电器，使性价比具有市场竞争能力。这就促进了低压电器综合智能化技术的发展。
智能型低压断路器除了保护功能齐全外，近年来发展的重点是如何提高配电保护可靠性，不断扩大的电量参数测量范围，不断提高测量精度。从而实现电网智能监控与调节，并对电能分配实现智能管理。近年来各大公司纷纷推出智能化交流接触器，其电磁铁采用智能控制电路，通过闭环控制达到智能合闸操作。使电磁铁吸合时冲击最小，减少触头振动，大幅度提高机电寿命。有的产品还对接触器使用寿命进行状态监测，以确保接触器可靠工作。智能型交流接触器除实现上述智能控制同时，还能实现多种电动机保护功能。包括过载、断相、三相不平衡、接地等保护。
最近推出的智能型控制与保护开关电器（CPS）更是综合智能化技术的有效体现。它除了一般的保护与控制功能外，实现了多种功能扩展。包括：多种自检功能、电参数测量、显示与设定、功能测试、故障记录与日志、现场设定控制功能、通信功能以及各类附加保护功能、电动机起动超时、起动堵转、运转中阻塞、三相电流不平衡、接地、漏电、欠电压、过电压、欠载、欠功率等。
3.3 配电系统过电流选择性保护技术
目前，我国低压配电系统过电流选择性保护是不完善的，存在的主要问题：
① 仅在一定电流范围（短延时动作电流及以下）有选择性保护
② 终端配电系统基本上没有选择性保护
③ 实现选择性保护时间较长（1S左右）
④ 对低压电器、成套装置及系统动、热稳定性要求较高
随着电网容量不断扩大，人们对配电可靠性要求越来越高。除了故障预警、故障监控、故障排除等一系列措施外，一旦出现短路故障应使故障停电限制在最小范围。为此，过电流保护总体目标是：在极短时间内实现全区域、全电流范围选择性保护，具体要求：
① 低压配电系统全区域，包括终端配电系统实现选择性保护。
② 发生过电流故障时，全电流范围实现选择性保护。
③ 在极短时间（100～200ms）内实现选择性保护。
④ 我国第四代低压电器实现这一目标。
为了实现上述目标需要解决的关键技术：
① 万能式断路器首先实现全电流范围选择性保护
● 全系列产品（200A~6300A）配置区域联锁模块，其主要任务一迅速确定短路故障位置，二故障级断路器区域联锁模块立即发出信号给上级断路器区域联锁模块，同时闭锁上级断路器过电流脱扣器，使其不动作。当故障级断路器在规定时间内（一般不大于50ms）不能分断短路电流时，应立即解锁上一级断路器，使其迅速动作。
● 新一代万能式断路器必须实现Icu=Ics=Icw，以确保故障级断路器分断失败时，上级断路器可靠分断。
② 塑壳断路器应实现限流选择性保护
为此，塑壳断路器必须解决以下技术问题：
● 全系列配置区域联锁模块，其功能及实施方法与万能式断路器相同。
● 小容量塑壳断路器应进一步提高限流性能，使实际最大分断电流低于上级断路器触头斥开电流。
● 中、大容量塑壳断路器应有一定短时耐受电流能力，一般Icw=15~20kA（0.1s）即能满足要求。
③ 实现小断路器选择性保护，可通过辅助电路限流实现延时分断。
实现全范围、全电流选择性保护将是低压配电系统一次重大飞跃。带有区域联锁功能的智能型低压断路器为这上述方案实现创造了条件。其应用前景：
● 提高配电系统供电可靠性，使短路故障限制在最小范围。
● 降低低压电器动、热稳定性要求，有利于低压电器小型化、节材。
● 降低低压成套装置动、热稳定性要求，有利于成套设备小型化、节材。
● 如延伸至中压配电系统，使中压断路器选择性保护时间相应缩短，其意义将更为巨大。
3.4 智能电器标准化
国内外智能电器尚未形成完整的标准化体系。对于智能化可通信低压电器产品尚先对应的IEC标准和国家标准。目前，仅有电器设备通信协议标准与低压电器通信相关的标准：
● 低压开关设备和控制设备 控制器——接口标准
GB/T 18858.1——2002 第一部分 总则
GB/T 18858.2——2002 第二部分 执行器——传感器接口（AS-2）
GB/T 18858.3——2002 第三部分 Devicenet
● 测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线标准
第三部分 profibus 规范 JB/T 10308.3——2001
● 基于Modbus协议的工业自动化网路规范（指导性技术文件）
GB/Z 19582.1 第一部分 应用技术
GB/Z 19582.2 第二部分 协议在串行链路上的实现指南
GB/Z 19582.3 第三部分 Modbus协议在TCP/IP上的实现指南
4 智能电器发展趋向与展望
我国第三代低压电器主要产品已具有智能化功能，但是系列品种尚不齐全，智能化程度还不高，智能网络配电与控制系统应用还刚刚开始，智能电器产品标准体系尚未建立。国外低压电器主要制造商最近研发的产品几乎都带有智能化可通信功能，智能化可通信已成为低压电器主要发展方向。国内智能化可通信低压电器也已得到用户认可。根据低压电器相关技术发展趋向和市场需求分析，我国智能电器发展重点与主要工作如下：
4.1 网络化：
低压电器与低压成套装置实现网络化是智能电器发展与推广的重要前提，继续加强现场总线技术及相关产品研究是低压电器行业面临的主要任务之一。由于国际上现场总线很多，各大公司都在推广自己开发的总线系统及其产品。国内外有关专家普遍认为，从技术上分析没有绝对先进的现场总线。所以，许多大公司普遍采用多总线系统。从我国低压电器和相关行业实际情况和低压电器产品特点分析，我国电器设备及系统重点1推广以下四种总线系统：
Devicenet、Modbus、Profibus、AS-I
智能化可通信电器下一步发展目标之一是直接与工业以太网连接。另外，随着智能电器功能模块不断增加，产品模块之间的连接逐步向内部总线发展，以简化内部控制与通信线路，提高工作可靠性。
4.1.1多功能化：
随着综合智能技术不断发展，智能化功能不断加强，以及市场竞争需要，新一代智能电器向多功能方向发展：
● 智能配电电器：除完善保护功能外，重点向网络安全和节能方向发展。为了保证网路安全，低压断路器不断增加电量检测范围，提高检测精度，以便对电网实行有效监控。同时，对故障采用预警方案，以便及时排除故障，确保电网运行安全。在节能方面，重点加强功率因素检测与监控，并自动投切因素功数补偿装置。另一方面，通过对负载用电量有效检测与监控，及时调整负载以保证重要负荷正常供电。在保证电网质量方面，重点检测和监控谐波分量并自动投切谐波滤波装置。
● 控制电器：除实现智能控制外，逐步增加电动机保护功能，并增加电参数测量、故障预警、自诊断等功能，控制电器多功能一般通过功能模块实现。
4.1.2 高性能、小型化
智能电器随着性能加强，成本也随之提高。为了提高智能电器市场竞争力，必须提高性价比。为此，新一代智能电器开关本体必须实现高性能、小型化。以新一代万能式断路器为例，高性能主要表现在提高分断性能和使用寿命。其分断能力实现Icu=Ics=Icw，同时要大幅度提高断路器机械寿命。小型化目标：新一代2500A框架体积等于或小于上一代2000A框架。4000A框架体积等于或小于上一代3200框架，在低压电器主要原材料大幅度上涨并居高不下的形势下，小型化对节材、节能具有重要意义。
目前，部分设有开发能力的制造商为了追求时髦，在体积大、性能低的第二代产品上采用微机控制或RS485通信口，就宣传实现低压电器智能化、可通信，这是不可取的。
4.1.3 标准化
智能化可通信电器标准化，除了低压电器本体符合有关标准外，还需要对其它有关标准化进行研究。
① 智能化功能及试测方法标准。
② 通信协议与产品描述标准。
③ 低压电器通信规约。
④ 总线网络系统配套件、附件标准化。
需要特别强调的是低压电器通信规约标准化。所谓低压电器通信规约是指低压电器与通信适配器之间的通信格式。国外许多大公司都开发了自己的现场总线系统，所以低压电器与通信适配器之间通信规约为内部协议，一般不公开。如图：
而我国低压电器制造商众多，据已发放3C证书的低压电器生产企业近2000家。如果有10％的企业生产智能化可通信电器，就将近200家企业，如果低压电器通信规约不统一，那么每个企业必须自己研制各类总线通信适配器，必须去消化、研究各类总线通信协议，根据我国低压电器行业实际水平是不可能的，它会严重影响我国智能化可通信低压电器的推广。上海电器科学研究所（集团）有限公司已经编制了低压电器通信规约行业标准。目前正在考虑将该标准上升为国家标准。

4.1.4 完善智能电器系列品种
① 我国第四代低压电器将全部实现智能化、可通信。
② 第三代低压电器大部分产品或主要品种实现智能化、可通信。
③ 完善智能网络系统配套产品
● I/O模块完善规格、品种，实现系列化、标准化，并实现可配置、可编程。
● 通信适配器：除现有外置式通信适配器外，重点发展各类内置式通信适配器、可配置通信适配器、一对多通信适配器（即一个通信适配器连接多个低压电器）、工业以太网通信适配器。
● 总线网络主站：第一步研发PC机用主站卡，第二步研发自己主站。
● 完善其它附件与配套件：如总线电源、总线电缆、集线器、分支器等。
除了上述产品发展外，为了全面推进我国智能电器发展与推广，还应实现以下发展目标。
1） 企业发展目标：
至2010年形成一批具有自主知识产权智能低压电器和智能成套电器生产企业，并形成一批具有智能网络系统集成能力的企业。
2） 系统发展目标
① 探索高、中、低压配电系统采用同一现场总线可行性。
② 实现高、中压配电系统与低压配电系统联网。
③ 实现全范围、全电流选择性保护。
④ 实现配电系统自动监控，包括电网质量与能量管理
3）测试基地发展目标
① 建立具有自主产权的各种现场总线产品测试基地。
② 建立可通信、网络化、智能化低压电器及成套设备测试基地
③ 研究并掌握相关测试技术，研究具有自主产权的测试软件。