國內(nèi)智能電器技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
國內(nèi)智能電器技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
1 、智能電器
微處理機和計算機技術(shù)引入電器設(shè)備，使電器設(shè)備具有智能化功能，另使開關(guān)電器，包括智能化斷路器和智能化電動機控制器實現(xiàn)與中央控制計算機雙向通訊。進入20世紀90年代，計算機信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，配電系統(tǒng)和電動機控制中心已形成了智能化監(jiān)控、保護與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
智能化斷路器與電動機控制器是開關(guān)柜和電動機控制中心實現(xiàn)智能化主要電器元件。微處理器引入斷路器，首先使斷路器保護功能大大增強。諸如：它三段保護特性中短延時可設(shè)置成I2t特性，以使與后**保護更好匹配；接保護可實現(xiàn)選擇性，對斷續(xù)電弧接故障可帶記憶功能。
目前自動化控制中使用大量軟起動器、電力電子調(diào)速裝置和不間斷電源等，這些裝置都會使配電系統(tǒng)產(chǎn)生高次諧波，而模擬式電子脫扣器一般反映故障電流峰值，電源高次諧波會造成斷路器誤動作。而帶微處理器智能化斷路器中央處理單元能準確反映負載電流真實有效值（RMS值），它采樣和保持電路能消除輸入信號中高次諧波，能避免高次諧波造成誤動作。
智能化過載繼電器與傳統(tǒng)雙金屬熱繼電器相比，具有一系列優(yōu)點，它能保護多種起動條件電動機，具有很高動作可靠性。它可保護電動機過載與斷相，并可保護接、三相不平衡、反相或低電流等。智能化電動機保護繼電器基礎(chǔ)上進一步開發(fā)智能電動機控制器，兼有監(jiān)控、保護和通訊功能。
由智能電器單元與中央控制計算機組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與傳統(tǒng)配電系統(tǒng)與電動機控制中心相比有以下優(yōu)點：實現(xiàn)中央計算機集中控制，提高了配電系統(tǒng)自動化程度；使配電、控制系統(tǒng)調(diào)度和維護達到新水平。采用數(shù)字化新型監(jiān)控元件，使配電系統(tǒng)和控制中心向上提供信息量大幅度增加；監(jiān)控元件和傳統(tǒng)指示和指令電器相比較，接線簡單、便于安裝，提高了工作可靠性；可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少信息重復(fù)和信息通道。
2、可通訊電器與信息電器
網(wǎng)絡(luò)通訊發(fā)展，要求用戶和設(shè)備之間開放性和兼容，制定一個統(tǒng)一通行協(xié)議是亟待解決一個關(guān)鍵問題。目前由智能化電器與中央計算機接口構(gòu)成自動化通訊網(wǎng)絡(luò)正從集中式控制向分布式控制發(fā)展。現(xiàn)場總線技術(shù)出現(xiàn)，為構(gòu)造分布式計算機控制系統(tǒng)提供條件，它即插即用，擴充性好，維護方便，目前這種技術(shù)成為國內(nèi)外關(guān)注焦點。
現(xiàn)場總線是連接智能化現(xiàn)場設(shè)備和控制室之間全數(shù)字化、開放雙向局部通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場總線種類很多，比較有影響有：CAN、Lonworks和Profibus等。它們各有特點和優(yōu)勢，不同領(lǐng)域有不同應(yīng)用價值。但也正是現(xiàn)場總線技術(shù)多種多樣和通訊標準，給這種技術(shù)發(fā)展帶來不利影響。目前國際電工委員會和現(xiàn)場總線基金會正致力于現(xiàn)場總線標準統(tǒng)一，我國有些單位也做這方面工作，我們把基于現(xiàn)場總線技術(shù)，具有通信功能電器稱為可通訊電器。
目前現(xiàn)場總線技術(shù)正向上下兩端延伸，其上端和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)主干Ethernet、Intranet和Internet等通訊，其下端延伸到工業(yè)控制現(xiàn)場區(qū)域。這方面有西門子公司AS接口和羅克威爾公司Devicenet兩種總線系統(tǒng)，這兩種總線應(yīng)用于低層區(qū)域，是一種低成本通信連接，它把工業(yè)控制用傳感器和執(zhí)行器，包括限位開關(guān)，光電傳感器，電動機起動器、按鈕指示燈、多功能繼電器等簡單控制元件作為從設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，與作為主設(shè)備控制計算機或可編程邏輯控制器（PLC）進行通信。
傳統(tǒng)繼電器、接觸器控制系統(tǒng)觸點轉(zhuǎn)換信息變成二進制數(shù)字信息串行接口和尋址進行通信，這使傳統(tǒng)控制元件也有了**性變革，例如西門子AS總線系統(tǒng)中應(yīng)用Logo多功能繼電器實際上是一個小型PLC，它能起延時、閂鎖、記數(shù)器和脈沖繼電器等功能。
使智能電器進一步實現(xiàn)信息化，是使智能電器現(xiàn)場級實現(xiàn)Internet/Intranet功能，其技術(shù)核心是實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。把TCP/IP協(xié)議嵌入到智能電器ROM中，使信號收發(fā)都以TCP/IP方式進行，進一步發(fā)展智能電器信息化功能。利用Internet/In-tranet功能，對現(xiàn)場智能電器進行遠程線控制、編程和組態(tài)等，這使智能化電器進入了信息電器新時代。
3、智能脫扣器
脫扣器定義是隨其功能不斷變化。早期，脫扣器可定義為大于額定電流值過電流（故障電流）流通時使操作機構(gòu)脫扣跳閘，達到使斷路器自動分閘機構(gòu)。而過電壓、欠電壓脫扣器、分勵脫扣器發(fā)展，特別是現(xiàn)脫扣器智能化、可通訊化發(fā)展，脫扣器功能是越來越強，附加功能也越來越多。上面簡單定義顯然已不符合實際情況。
現(xiàn)，我們把能使斷路器實現(xiàn)對電氣設(shè)備免受過載、短路、欠電壓、過電壓等故障危害各種保護功能機構(gòu)統(tǒng)稱為脫扣器。而具備電路參數(shù)檢測和信號處理則稱為電子式脫扣器；配置微處理器系統(tǒng)，能實現(xiàn)通信化稱為智能型脫扣器。
3.1脫扣器現(xiàn)狀
脫扣器是斷路器發(fā)展而發(fā)展。我國90年代前脫扣器產(chǎn)品以電磁式和熱式為主，有少量電子式和智能化脫扣器產(chǎn)品。而國外脫扣器電子化和智能化研究和制造方面則走前面，現(xiàn)大約**我國5～10年。
智能化脫扣器能使斷路器具有更強大功能。我國新研制開發(fā)DW45系列等產(chǎn)品脫扣器已具有與工控機、PLC等通訊功能，能提供開關(guān)狀態(tài)、三相電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率等參數(shù)。通信化方面，各國都比較重視采用比較成熟現(xiàn)場總線技術(shù)。我國當前主要采用FCS現(xiàn)場總線系統(tǒng)。
智能化脫扣器可實現(xiàn)過電流，電壓和分勵等傳統(tǒng)脫扣器功能。硬件上，微處理器模塊、輔助功能模塊和執(zhí)行單元都可以是相同，對電流和電信號處理、顯示等不同，可以軟件設(shè)計里實現(xiàn)。另外，過電流保護功能需要配置過電流信號檢測單元，而電壓保護則需配置電源、整波濾波、穩(wěn)壓、欠壓延時等單元，分勵功能只須增加一個開關(guān)即可。
3.2智能脫扣器發(fā)展趨勢
國內(nèi)外電器廠商已推向市場新產(chǎn)品和研究動態(tài)來看，智能脫扣器具有以下發(fā)展趨勢：
3.2.1智能化脫扣器產(chǎn)品化：即將智能脫扣器做成相對斷路器獨立通用性產(chǎn)品，使其使用范圍限于某種斷路器，脫扣器檢測和維修也會相對簡單。以前斷路器產(chǎn)品測試必須斷路器整個設(shè)備裝配完成后才能進行，而脫扣器產(chǎn)品化以后，其測試可以獨立于斷路器進行，這使整個斷路器測試程序大為簡化，而測試時間也大為減少。
3.2.2脫扣器電子化：半導(dǎo)體集成技術(shù)，微電子和計算機技術(shù)迅猛發(fā)展，智能脫扣器控制能力越來越強，將從常規(guī)電壓、電流、功率等電參數(shù)智能化檢測與控制，發(fā)展到對諸如觸頭材料磨損量，滅弧室溫升等非電參數(shù)檢測與控制等方面。
智能化和可通信化：智能化與電子化*大區(qū)別就是其采用了微處理器。具有應(yīng)用軟件，這樣硬件不變情況下具備較大適用性和升級能力，可通信化是脫扣器產(chǎn)品中加入相關(guān)檢測、判斷和通信等芯片或電路，使脫扣器各種狀態(tài)和工作參數(shù)能較好傳輸媒質(zhì)（如現(xiàn)場總線、串口線等）與線路上其它電氣設(shè)備進行信息交流，以適應(yīng)當前電氣設(shè)備智能化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢，而采用現(xiàn)場總線則使技術(shù)上有了較統(tǒng)一標準，也使脫扣器測試、檢測和維修等有了更多參考數(shù)據(jù)。電氣產(chǎn)品檢測、工作電路集成化芯片化也是當前趨勢。
我國，脫扣器可通信化具體要求可體現(xiàn)為“四遙”—遙測、遙控、遙訊和遙調(diào)，這距離網(wǎng)絡(luò)化能力還有很大差距，但比較符合我國科研水平和經(jīng)濟水平。
3.2.4模塊化，通用性：模塊結(jié)構(gòu)給產(chǎn)品設(shè)計、制造及市場適應(yīng)能力帶來了許多好處，諸如降低產(chǎn)品設(shè)計、制造和新產(chǎn)品開發(fā)復(fù)雜性，增強了功能擴展，使維護方便，產(chǎn)品市場應(yīng)變能力強等。模塊化設(shè)計及尺寸、零件等具有通用性，生產(chǎn)者設(shè)計、制造和技術(shù)繼承等方面，用戶使用、維修中作用及重要性，當前都已為多數(shù)人所認識。
另外，提高脫扣器高可靠性、高穩(wěn)定性，操作方便與**方面也是其發(fā)展主流趨勢。對我國產(chǎn)品，材料和加工工藝，產(chǎn)品外觀和整體布局也是值注意方面。
智能脫扣器具有以上這些功能和特點，可以同一臺斷路器上實現(xiàn)多種功能，使單一動作特性有可能做到一種保護功能多種動作特性；另可使斷路器實現(xiàn)與中央控制計算機雙向通訊，構(gòu)成智能化監(jiān)控、保護、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使斷路器從基本保護功能發(fā)展到智能化保護功能。4智能電器關(guān)鍵技術(shù)
4.1檢測和傳感技術(shù)
線路上電參數(shù)測量時，電壓通常用電壓傳感器（變壓器），而電流常用電流傳感器（電流互感器），后者有實心和空心之分，兩者各有利弊。采用實心電流互感器小電流時線性度雖好，但大電流時鐵心易于飽和，線性度差，測量范圍小；采用空心電流互感器，線性度好，測量范圍廣，但小電流時，信號較小，測量誤差大。要提高小電流測量精度，必須改變互感器線圈匝數(shù)，增加互感副邊輸出信號。小電流時，若副邊輸出信號過大，大電流時則信號難以采樣，破壞電路正常工作。，要提高小電流時測量精度，同時兼顧電流測量范圍，實現(xiàn)全范圍電流精度測量。
另外，信號檢測單元采用適當傳感器后，還應(yīng)采取各種信號放大器對電信號進行適當放大，采取噪聲濾波器進行噪聲濾波等電路。此外，需要考慮因素還有很多，如輸入輸出特性、靈敏度、頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、溫度系數(shù)、測量范圍等，是實現(xiàn)電器產(chǎn)品智能化關(guān)鍵技術(shù)之一。
4.2微處理器及其接口技術(shù)
4.2.1對微處理器基本要**具有硬件通用化、應(yīng)用靈活化、記憶、計算、查表能力，指令系統(tǒng)適合實時控制、執(zhí)行速度快等一系列優(yōu)點，這是智能化電器核心。目前微處理器已形成多系列、多品種局面，我國當前用較多是MCS—51系列，有10多種型號。
4.2.2接口技術(shù)指微處理器與外圍設(shè)備之間聯(lián)系技術(shù)，即包括硬件，也包括軟件技術(shù)。接口電路多種多樣，常用有微處理器通用接口，鍵盤、顯示器接口、打印機接口，A/D、D/A接口等。
4.3應(yīng)用軟件設(shè)計技術(shù)
可以說軟件是智能元件靈魂，微處理器與數(shù)字電路本質(zhì)區(qū)別就它具有軟件系統(tǒng)，很多硬件電路能實現(xiàn)，軟件也能做到，硬件電路設(shè)計時，可以考慮用軟件來部分或全部實現(xiàn)。
脫扣器工作特點，快速反映對其工作性能作用不言而喻，加強傳感器技術(shù)研究前提下，采用先進算法也是很有必要。，能夠早期檢測增加短路電流值，僅檢測現(xiàn)電流值是不夠，必須能夠預(yù)測電流變化趨勢。可以觀察相電流一階或多階導(dǎo)數(shù)di（t）/dt獲，即對所預(yù)測情況實際電流i（t）和它導(dǎo)數(shù)之間聯(lián)系進行跟蹤。這也需要先進復(fù)雜算法。
4.4抗干擾技術(shù)
智能化電器發(fā)展，使電磁兼容性EMC變成越來越重要問題。EMC要求包括兩種含義：要求智能電器使用場合工作時，不受外界電磁干擾而引起誤動作；而另要求電器操作產(chǎn)生電磁場不干擾附近電子設(shè)備。目前國外對智能化電器和機電一體化產(chǎn)品EMC問題非常重視，電磁干擾會引起這類系統(tǒng)失靈而誤動作，會造成巨大經(jīng)濟損失。智能化電器和其保護、監(jiān)控系統(tǒng)把敏感數(shù)字電器元件處于強電流及高電壓電磁場中，使這些設(shè)備電磁抗干擾能力設(shè)備設(shè)計和運行中已成為不可忽視因素，國外智能化電器及其系統(tǒng)設(shè)計初始階段即制定嚴格電磁兼容控制與管理計劃。該計劃主要包括產(chǎn)品或系統(tǒng)EMC分析，制定EMC設(shè)計技術(shù)指標、設(shè)計計劃、標準、實施計劃與測試方法等，并把這一計劃作為產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計重要一環(huán)，EMC分析和設(shè)計是達到EMC技術(shù)要求關(guān)鍵工作，包括分析電子線路輻射程度及抗干擾能力以及系統(tǒng)集成電磁兼容性能；EMC設(shè)計包括電磁屏蔽、接、導(dǎo)線間距確定，以及考慮印刷電路板布線之間電磁耦合等。目前高頻電磁場數(shù)字分析和計算機硬件發(fā)展，采用現(xiàn)代仿真技術(shù)取代傳統(tǒng)測試方法和經(jīng)驗分析方法，已EMC分析中起到越來越大作用。
電子電器干擾來自各方面，有電氣干擾，環(huán)境溫度變化以及氣壓、振動、時間等各種因素，其中電氣干擾是各類干擾中主要因素。干擾各種線路侵入微處理器系統(tǒng)，也以場形式從空間侵入微機系統(tǒng)，供電線路是電網(wǎng)中各種浪涌電壓入侵主要途徑。抗干擾有硬件抗干擾、軟件抗干擾，也有軟硬件相結(jié)合措施。硬件抗干擾具有效率高優(yōu)點，但要增加系統(tǒng)投資和設(shè)備體積；軟件抗干擾有投資低優(yōu)點，但要降低系統(tǒng)效率，分析干擾源及干擾波傳播途徑，合理選擇抗干擾措施是智能化電器產(chǎn)品設(shè)計和應(yīng)用重要內(nèi)容。
4.5可靠性技術(shù)
電子產(chǎn)品可靠性涉及范圍很廣，諸如元器件可靠性、技術(shù)設(shè)計、工藝水平和技術(shù)管理等共同決定了電子產(chǎn)品可靠性指標。提高產(chǎn)品可靠性，必須掌握產(chǎn)品失效規(guī)律，對產(chǎn)品失效規(guī)律進行**了解，才能采取有效措施來提高產(chǎn)品可靠性。智能化電器產(chǎn)品實現(xiàn)基本功能基礎(chǔ)上，還要實現(xiàn)很實用輔助功能上。具體輔助功能如下：
1）電流電壓顯示功能；
2）對脫扣器各種參數(shù)整定功能；
3）試驗功能；自診斷功能；
4）通訊接口功能；
5）遠端監(jiān)控和診斷功能；
6）負載監(jiān)控功能；
7）模擬功能等。
綜上所述，智能電器具有更強大功能，而智能電器發(fā)展趨勢是依靠微處理器運算能力，較好實現(xiàn)智能電器功能，參數(shù)檢測和信號處理單元進行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，一個智能電器就可實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上幾個電器產(chǎn)品功能。
多功能化是智能化產(chǎn)品特點，而可通信化也是智能化電器一個重要發(fā)展方向。具備通用通訊接口，采用標準化通信協(xié)議使其計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成監(jiān)控、保護與信息網(wǎng)絡(luò)，使智能電器現(xiàn)場級實現(xiàn)In-ternet/Intranet功能。