清华大学智能电网与智能电器发展趋势140.ppt

智能电网与智能电器发展趋势对智能电网建设给扬中市电力电器产业带来机遇与挑战的相关思考,清华大学电机工程与应用电子技术系电工新技术研究所赵伟2011.03.25,第一章智能电网及物联网,1.1有关智能电网的基本概念1.1.1智能电网的来源（1）形成和发展智能电网概念的三个里程碑：（1）2006年美国IBM公司提出“智能电网”解决方案。主要内容：通过传感器连接资产和设备，提高电网数字化程度；构建电网信息数据整合体系和收集体系；提高对电网相关数据信息的分析能力依据已掌握的电网数据信息进行相关分析，优化其运行和管理。IBM公司的智能电网方案，提供一大框架，旨在通过对电力生产、输送、零售各环节的优化管理，为相关企业提高运行效率、可靠性及降低成本等描绘了蓝图。,第一章智能电网及物联网,1.1.1智能电网的来源（2）（2）2009年，在奥巴马总统上台不久后提出的美国能源计划中，明确提出要建设智能电网。美国新一届政府提出建设智能电网有三个目的，一是因美国电网整体基础设施建设包括电力电器设备很早，已运行了很多年，明显已落后，造成事故甚至是重大事故频发，急需更新改造，以提高美国电网运营的安全可靠性；二是想通过智能电网的建设，将美国拉出此次金融危机的泥潭；三是要切实提高美国的能源利用效率。,第一章智能电网及物联网,1.1.1智能电网的来源（3）（3）我国能源专家武建东提出所谓“互动电网”。武建东：互动电网的概念已将智能电网的含义涵盖其中。具体表述为：在开放和互联信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程智能化、信息化、分级化互动管理，属于产业、技术和管理的综合性变革。它将再造电网信息回路，构建新型用户反馈方式，推动电网整体转型为节能性基础设施，提高能源利用率，降低用电成本，减少温室气体排放，实现电网价值最大化。,第一章智能电网及物联网,1.1.2智能电网的定义（1）经过学术研讨和论证，目前较多专家和业内人士认同的智能电网定义是：在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，提高产业、技术和管理等各方面效率。有多种不同的表述。,第一章智能电网及物联网,1.1.2智能电网的定义（2）报告人对智能电网的理解：以先进的传感、测量、控制、信息、通信、新型储能和输电等高新技术为依托，具有数字化、智能化、网络化、双向互动的运行特征，具备全要素、全方位、全过程的测量、监测、诊断、决策以及自愈等能力，允许多种可再生能源以电能形式接入，从而提高整个电力系统产生、输送、供应、耗用、调配电能的效率，实现整个电力系统安全、经济、优质、高效运行，推进电力市场运营更为合理有序，促进节能减排和低碳经济的发展。,第一章智能电网及物联网,第一章智能电网及物联网,1.1.2智能电网的定义（4）国家电网公司提出，我国建设智能电网，要以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的统一、坚强智能化电网我国智能电网建设发展目标，应该以特高压电网为骨干网架，促成各级电网协调发展，并使电网能适应且促进新一轮的能源变革。从我国电网较为薄弱及其要承担跨区域资源优化配置功能的实际出发，国家电网公司还提出：我国建设的智能电网首先应是坚强的，即认为坚强是智能电网的基础，而智能是坚强电网能否充分发挥作用之关键，两者相辅相成、协调统一。,第一章智能电网及物联网,1.1.2智能电网的定义（5）综合很多专家观点：智能电网是建立在先进数字技术和通信技术基础之上，能实现可靠、安全、经济、高效、环境友好的电网，且具有高效、清洁、灵活、坚强四大特征。高效提高能源使用效率；清洁减少污染物排放对环境的影响；灵活多种有利于节能减排的技术均可灵活接入电网；坚强在各种可能的扰动下，电网均能安全、可靠地运行。,第一章智能电网及物联网,1.1.2智能电网的定义（6）智能电网作为当前全世界电力系统或称电网改造、建设和发展的大潮流、大趋势，在认识上经历了不清晰、有分歧，到逐渐清晰和越来越趋同的认识过程。现在来看，智能电网应该是指涵盖发电、输电、变电、配电、用电、调度、信息通信等领域的一个完整、有机的智能化系统。这种整体性共识，与各国根据本国实际制定自己的智能电网建设发展计划并无矛盾。,第一章智能电网及物联网,1.1.3建设智能电网的原动力从电网的视角思考，建设智能电网的原动力主要有以下四点：（1）实现电力系统的安全稳定运行，降低大规模停电风险；（2）能源变革呼唤电网发展；（3）峰负荷问题和需求侧管理；（4）对电网的约束（增强可靠性、提高电能质量、节能降损和低碳环保等）日益严格。,第一章智能电网及物联网,1.1.4智能电网的主要特征（1）智能电网的本质，就是能源替代、兼容利用和互动经济。从技术上讲，智能电网应该是最先进的通信、信息、能源、新材料、传感器、电器制造等产业的集成，也是配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术、储能技术的整合，它的建设和发展，对推动新技术革命具有直接的、综合的效果。归纳起来，智能电网具有以下八个方面的主要特征：（见下页）,第一章智能电网及物联网,1.1.4智能电网的主要特征（2）1）智能电网是自愈电网“自愈”指的是将电网中有问题的元器件或电力电器设备从系统中隔离出来，并且在较少或无人为干预情况下，可使系统迅速恢复到正常运行状态，从而几乎不中断对用户的供电服务。本质上讲，自愈就是智能电网的“免疫系统”。这是智能电网最重要的特征之一。,第一章智能电网及物联网,1.1.4智能电网的主要特征（3）2）智能电网对用户有激励引导作用在智能电网中，用户将是不可分割的一部分。鼓励和促进用户参与电网的运行管理，是智能电网的重要特征之一。从智能电网角度，用户的需求是另一种可管理的资源，它将有助于平衡电能供求关系，确保电力系统可靠性。而从用户角度考虑，电力消费是一种经济性选择，通过参与电网运行管理，调整使用和购买电力的方式，可实实在在地少花钱、多用电。,第一章智能电网及物联网,1.1.4智能电网的主要特征（4）3）智能电网能抵御攻击电网的安全性要求，是一个降低电网遭受物理攻击和网络攻击脆弱性，并使其快速从被中断状态恢复供电的系统性解决方案智能电网将具备被攻击后快速恢复供电的能力，甚至可抵御那些装备精良攻击者发起的攻击。智能电网的设计和运行都将能阻止攻击，并最大限度地降低攻击造成的负面后果、快速恢复供电服务。智能电网也应能承受同时对其内部几个部分的攻击，以及在一段时间内的多重协调攻击。（也是对智能电器设备的要求）,第一章智能电网及物联网,1.1.4智能电网的主要特征（5）4）能提供满足用户需求的电能质量电能质量指标包括电压偏移、频率偏移、三相不平衡、谐波、闪变、电压骤降和突升，等等。接入供电系统中的数字化用电设备不断增多，其对电网供电电能质量十分敏感。供电电能质量不合格，可能导致生产线停产，开关误动作、产品质量波动，用电能耗上升，甚至给工业生产等造成重大损失。因此，提供能满足各种用户需求的质量合格的电能，是智能电网应具有的重要性能特征。而引起电能质量问题的绝非仅电力生产供应公司，还直接涉及电力电器设备制造厂商以及电力用户。如此，需要制定并严格执行相应等级的电能质量标准。,第一章智能电网及物联网,1.1.4智能电网的主要特征（6）5）可减轻来自输电和配电网中电能质量事件智能电网会以先进控制方法和手段监测电网基本元器件和电力电器设备，从而快速诊断并准确提出解决电能质量事件的可行方案。此外，在智能电网设计上，要会考虑减少因闪电、开关涌流、线路故障和谐波等引起的电能质量扰动；同时，智能电网还会应用超导材料、储能装置以及电力电子技术相关最新研究成果来解决电能质量问题。再者，智能电网将采取高新技术和现代管理手段，使电网免受非线性负荷对电能质量造成负面影响，将通过监测和严格执行相关标准，限制用户负荷产生的谐波电流注入电网。智能电网也将在负荷附近采用适当滤波器等设备，防止谐波电流污染电网，恶化整个供电系统的电能质量。（也是对智能电器设备的要求）,第一章智能电网及物联网,1.1.4智能电网的主要特征（7）6）允许不同类型发电储能设备平滑接入智能电网将允许各种不同类型的发电和储能设备安全、无缝地接入其中，并且能简化接入联网过程，做到“即插即用”。这个技术性能特征，对电网改造提出严峻挑战。改进的互联标准和相应的新技术，将使各种发电和储能设备容易接入电网。从小到大，各种不同容量的发电和储能设备应可在所有电压等级上均能互联，包括分布式电源如太阳能发电、风电、先进电池系统、即插式混合动力汽车及燃料电池，等等。,第一章智能电网及物联网,1.1.4智能电网的主要特征（8）7）智能电网会促使电力市场健康发展在智能电网中，先进电力电器设备和广泛的通信系统，会在每个时间段都支持市场运作，并能为市场参与者提供充分的数据信息。电力市场的基础设施及其技术支持，是电力市场蓬勃发展的关键要素（智能电器设备）。智能电网通过市场上供需的互动，可最有效管理如能源、容量、容量变化率、潮流阻塞等参量，降低潮流阻塞，扩大电力市场，汇集更多电能买和卖家。用户通过实时报价感受价格增长，从而减少电力需求，推动形成更低成本方案，并促进新技术开发；新型清洁可再生能源的供应，也将给电力市场提供更多选择。,第一章智能电网及物联网,1.1.4智能电网的主要特征（9）8）可优化资产应用，使运行更加高效智能电网能优化调整电网资产的管理和运行，可为实现最低成本提供期望的功能。这并非意味资产将被连续不断用至极限，而是有效管理需要什么资产以及何时需要这些资产，以使每类资产将与所有其他资产更好整合，以最大限度发挥功效，同时降低成本。例如，借助动态评估技术，使资产发挥最佳能力；通过连续不断监测和评价其能力，使资产能在更大负荷下使用。智能电网通过高速通信网络，实现对运行设备状态的在线监测，获取设备实时运行状态，从而在最恰当时间给出需要维修设备的信息，实现设备的状态检修，且同时保证使设备运行在最佳状态。,第一章智能电网及物联网,1.1.5我国智能电网建设的目标（1）研发并实现大规模间歇式新能源电源并网、储能、智能配用电、大电网智能调度和控制等核心关键技术，建成一批智能电网示范工程，形成具有自主知识产权的智能电网技术体系和标准体系，建立较为完善的智能电网产业链，推动我国电网从传统电网向高效、经济、清洁、互动的现代化电网升级。建设5-10个智能电网示范城市、50个智能电网示范园区，并通过投资和技术辐射，带动能源、交通、制造、材料、信息、通信、传感、控制等产业技术创新、发展和产品升级换代，培育战略性新兴产业，建成一批具有国际竞争力的高新技术企业。,第一章智能电网及物联网,1.1.5我国智能电网建设的目标（2）智能电网是一系列高新技术的有机集合，是一个现代化、智能化的电力网络，也是一个可以与用户协调发展的供电网络。它基于传统的电力网络，利用最新数字化技术、信息技术和通信技术，对其进行技术升级和电器设备改造。智能电网是传统配电网和输电网的升级，其发展建设目标，是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效及环境友好能实现这些目标的电网，就可称为智能电网。,第一章智能电网及物联网,1.1.5我国智能电网建设的目标（3）不管用户在何时何地，智能电网都能提供可靠的电力供应。它对自身可能出现的各种问题，能及时发出警告，并能忍受大多数扰动而不会断电。在电力用户受到断电影响前，它就能采取有效校正措施，可使电力用户免受供电中断影响。它所具有的可实现以抵御事故扰动为目的的电网安全稳定运行能力，可降低大规模停电风险。,第一章智能电网及物联网,1.1.5我国智能电网建设的目标（4）智能电网能经受物理的和网络的攻击而不会出现大面积停电，或不会付出高昂的恢复费用。它更不容易受到自然灾害的影响。智能电网将在供求平衡的基本规律下运行，且价格公平、供应充足。智能电网合理利用投资，有效控制构建成本，明显减少电力输送和分配损耗；电力生产和资产利用更加高效。智能电网通过控制潮流的方法，减少输送功率拥堵。（既是特征，更是应达到的目标）,第一章智能电网及物联网,1.1.5我国智能电网建设的目标（5）智能电网通过在发电、输电、配电、储能和消费过程中采用各种智能电力电器设备和装置来减少对环境的影响，并可允许和扩大清洁可再生能源的平滑接入。在可能的情况下，智能电网的资产将占用更少土地，减少对景观及环境的影响。智能电网必须保障不对公众或电网操作人员构成伤害，亦即要保证电力控制和使用的绝对安全。,第一章智能电网及物联网,1.1.6智能电网的支撑技术（1）智能电网的支撑技术主要包括：先进集成通信技术、先进量测技术、先进设备制造技术、先进控制技术，以及先进决策技术及相应标准。（1）先进集成通信技术建立高速、双向、实时、集成的通信子系统，是实现智能电网建设目标的基础，没有这样的通信子系统，智能电网的先进特征无法实现，因为智能电网的数据获取、保护和控制，信息共享等，均需要这样的通信子系统作支撑建立高速、双向、实时、集成的通信子系统，是电网迈向智能化的第一步。,第一章智能电网及物联网,1.1.6智能电网的支撑技术（2）（2）先进量测技术参数量测技术是智能电网技术的基本组成之一。应用先进的参数量测技术获得数据并将其转换成数据信息，以供智能电网各方面使用。先进量测技术可评估电网内各种电力电器设备的健康状况和电网的完整性，进行智能电表数据信息的读取，以准确的测得数据消除电费估计并可监控抑制窃电行为的发生，并能缓减电网阻塞、增进与各类电力用户的信息沟通等。,第一章智能电网及物联网,1.1.6智能电网的支撑技术（3）（3）先进设备制造技术随着电网二次系统中测量、保护设备及装置的数字化进步，以及计算机技术在电网二次系统中的更多应用，电网对测量、保护、控制和数据传输的智能化、自动化，以及电网安全、可靠和高质量运行的要求越来越高，具有测量、保护、监控、传输等组合功能的智能化、小型化、模块化、机电一体化电力电器设备，对电网安全、可靠和高质量运行具有重要意义，而这已成为国内外著名电力电器设备和装置生产企业新产品研发的主流。（对扬中市很重要）,第一章智能电网及物联网,1.1.6智能电网的支撑技术（4）（4）先进控制技术先进控制技术，是指智能电网中分析、诊断和预测状态，并确定和采取适当措施，以消除、防止或减轻供电中断和电能质量扰动的所有电力电器装置，及所有相应的控制算法软件。这些硬件技术和软件技术，将对输电、配电和用户侧提供自动控制方法，且可管理整个电网的有功电能和无功电能。从某种程度上说，先进控制技术紧密依靠并服务于上述四项支撑技术领域以先进控制技术监测基本元器件性能（先进量测技术）；提供及时和适当的响应（先进集成通信技术；先进设备制造技术），且对任何事件做快速诊断(先进决策技术)。,第一章智能电网及物联网,1.1.6智能电网的支撑技术（5）（5）先进决策技术决策支持技术将复杂的电力系统即电网数据转化为运行人员一目了然、易于理解的信息，因此，动画技术、动态着色技术、虚拟现实技术及其他数据展示技术，均被用来帮助运行人员认识、分析和处理紧急问题。在许多情况下，要求系统运行人员做出决策的时间从过去的按小时计要缩短到分钟，甚至缩短到秒。如此，智能电网需要一个广阔、无缝、实时的应用系统、操作工具和技术培训，以使得电网运行人员和管理者具备快速做出决策的能力。,第一章智能电网及物联网,1.1.6智能电网的支撑技术（6）（6）相关标准（1）目前，国际电工电子工程师协会即IEEE正致力于制定一套智能电网的标准和互通原则（IEEEP2030），其主要涉及电力工程、信息技术、互通协议三个方面的标准和原则。15家不同国家的组织和机构参与其中，分别负责标准制定的不同部分。例如，IEEE主要致力于互通入网过程标准的制定，涉及各能量源头如何与整个智能电网实现链接；计量设备接入（如智能电表）和时间同步性标准等。美国机动车工程师学会（SAE）主要关注电动汽车接入电网络标准的制定。而国际电工委员会即IEC，则负责信息自动化模式和相关环境标准的制定。,第一章智能电网及物联网,1.1.6智能电网的支撑技术（7）（6）相关标准（2）2009年5月18日，美国宣布了自己智能电网建设的第一批标准（NIST负责牵头制定）。国家电网公司2009年6月及时启动了其智能电网标准的制定工作，目前已制定完成102项，已经8项完成了向国际电工委员会IEC提交标准提案的程序，还有10项近期提交。2010年第四季度，我国启动了智能电网国家标准制定工作，其中许多方面的国家标准制定工作组已开始运转、工作。国家电网公司也积极参与其中。,第一章智能电网及物联网,1.1.7智能电网的功效和意义（1）智能电网的功效主要包括：（1）能实现双向互动数据传输，实行动态浮动的电价制度。（2）可利用传感器对发电、输电、配电、供电等各环节关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，电力需求高峰时，能在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口，优化整个电网运行。（3）能将清洁可再生能源（太阳能、风能、地热能等）以电能形式平滑接入电网，可实现分布式能源的优化管理。（4）可提高供电效率，减少能量损耗，改善供电质量，推动电网的商业化运转。（5）智能电表可作为互联网的路由器，推动电力部门以终端用户为基础，进行通信、宽带业务或电视信号的传播等。,第一章智能电网及物联网,1.1.7智能电网的功效和意义（2）从能源利用角度看，智能电网和智能建筑是开源、节流的两方面。据估计，建成智能电网后，在美国，将使能耗降低10%，温室气体排放量减少25%，并节省800亿美元新电厂建设费。纽约时报称，研究表明，仅使用数字化工具设定家居温度并融入价格信息这一项，预计美国每年就可能缩减能耗15%。按建筑节能原理测算，只需1/4的能量，就能达到现在的舒适程度，且自然环境会变得更好。可以说，能源效率和能源节约，是未来能源技术发展的关键，也就是智能电网应发挥的能效。即：智能电网技术应该能更好地管理、节约和监控能源的使用。,第一章智能电网及物联网,1.1.8智能电网的发展趋势（1）（1）智能电网概念的拓展近两年，智能的核心定义已从“智能仪表”到了“智能电网”，原先主要关心高级量测系统即AMI（AdvancedMeteringInfrastructure)，现在还包括家居网HANs(HomeAreaNetworks)、网络侧应用（Grid-sideapplication，e.g.，VARcontrol，automation)、电网公司的新功能（分布式发电，如太阳能发电，电动汽车）等。再有，将需求响应（DemandresponseDR）与AMI结合起来，也是智能电网的一种发展趋势。,第一章智能电网及物联网,1.1.8智能电网的发展趋势（2）（2）HANs（HomeAreaNetworks）成为创新热点需求响应（DR）会大大改变用户行为，智能温度调节器、智能开关、智能用电器等的越来越多采用，将吸引各种电器产品制造商参与进来，客户的各种需求，可通过DR得到满足，这就要求电网公司能提供各种增值服务。（3）电网侧的应用技术日益重要自动化技术、电压/无功控制技术、电力电器设备监视（自诊断、自检测）技术在智能电网的业务领域内，将变得越来越重要。,第一章智能电网及物联网,1.1.8智能电网的发展趋势（3）（4）智能电网与传感网、物联网技术互相融合09年11月4日，温总理在让科技引领中国可持续发展报告中指出：“要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机”。这表明了发展、利用传感网和物联网的现实性、重要性和紧迫性。,第一章智能电网及物联网,1.1.8智能电网的发展趋势（4）1）传感网随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织方式构成的无线网络。它是提供感知信息服务的智能综合信息系统，以对物理世界的感知为目的，以信息处理为主要任务，以网络为信息交互载体，以实现物与物、物与人之间的信息交互为手段。传感网功能：借助节点中内置的传感器，测量周维环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。,第一章智能电网及物联网,1.1.8智能电网的发展趋势（5）由传感器、通信网络和信息处理子系统为主形成的传感网技术，具有实时数据采集、监督控制、信息共享及存储管理等功能。它使网络技术的功能得到很大拓展，使通过网络实时监控各种环境、仪器设备及其内部运行机理等成为可能。亦即，原来与网络相距甚远的家用电器、交通管理、农业生产、建筑物安全、旱涝预警等等，均可得到有效的网络监测，有的甚至能通过网络进行远程控制。在很多领域都有成功应用的实例。,第一章智能电网及物联网,1.1.8智能电网的发展趋势（6）2）物联网物联网概念1999年就被提出。它是通过射频识别（RFID）、全球定位系统（GPS）、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与通信信息网（互联网、电信网甚至通信专网）连接起来，实施信息的交互和通信，智能化地实现对物体的识别、定位、跟踪、监控和管理服务的一种通信网络。传感网技术和物联网技术，均可有效整合通信基础设施和电网基础设施资源，提高电网信息化水平，提升现有电网基础设施的利用效率。,1.2智能电网建设现状及规划1.2.1国外智能电网建设现状（概述）通过智能电网建设并带动相关产业发展，美国期望降低能源对外国的依赖，节约能源投资，并再次占领全球技术与经济制高点。除美国外，丹麦、意大利、日本、英国、澳大利亚等发达国家都已明确提出智能电网建设计划。总体看，各国发展智能电网的动因不同，实现路径和具体实施侧重点也不同。例如丹麦主要侧重用储能技术解决风电的间歇性对电网的冲击问题；意大利则希望大力推进智能电表的更换，以有效削减高峰负荷，从而节省电力建设投资，等等。无论具体做法如何，多个发达国家均把建设和发展智能电网，当作本国电网发展的未来趋势和“低碳经济”的重要驱动因素。,第一章智能电网及物联网,第一章智能电网及物联网,1.2.2我国智能电网研究和建设现状及规划（1）09年2月2日，武建东发表的全面推动智能电网革命拉动经济创新转型一文中明确提出，我国电网亟须实施“智能电网”的革命性改造。09年5月，国家电网公司宣布建设统一坚强的智能电网，并构想：我国智能电网要以坚强的网架为基础，以信息通信平台为支撑，以智能控制为手段，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合。2010年国家“863”计划专门启动了6大领域、智能电网关键技术的21个重大专项研究计划。,第一章智能电网及物联网,1.2.2我国智能电网研究和建设现状及规划（2）国家电网公司智能电网建设时间表：1）09-10年，规划试点阶段，重点制定坚强智能电网发展规划，具体制定技术和管理标准，开展关键技术研发、设备研制及各环节试点。2）11-15年，全面建设阶段，加快建设华北、华东、华中特高压同步电网，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用。3）16-20年，引领提升阶段，全面建成统一坚强智能电网，技术和装备全面达国际先进水平。,第一章智能电网及物联网,1.2.2我国智能电网研究和建设现状及规划（3）对有关国内智能电网研究和建设的现状进行调研，整理出相关案例30多个，其中不少对扬中建设发展智能电力电器产业有借鉴意义。例如上海世博园智能电网综合示范工程；北京中关村启动智能电网建设；天津推进智能电网产业发展；南京智能电网与低碳经济示范园建设；陕西省电力公司智能电网建设；广东东莞市物联网建设；无锡国家传感网创新示范园区建设；华东电网推进智能电网建设；华北智能电网建设；上海推进智能电网产业发展，等等。扬中一些主要企业已在研发试制甚至生产适应智能电网建设需求的新型智能电器设备。,第二章智能电器与智能电网,电网的智能化建设目标，要求电网中的很多电器设备应升级改造为智能化的电器设备。在计算机、网络、大规模集成电路、电力电子、智能控制等技术进步的强力渗透和支撑下，各种电器设备的性能在实现着自动化、智能化、网络化升级和进步。智能电器概念内涵丰富，直接用于电网运行中检测、匹配、转换、控制、通信、计量等的各种智能型电力电器，各种智能型家用电器、各种适用于各领域的智能型测量仪器设备，等等，无疑都属于智能电器范畴。这里主要论及为适应智能电网建设应研发、利用的各种智能电力电器。但从智能电器设备产业角度看，智能家用电器等具有非常大的开拓和发展空间。,2.1智能电器设备的概念2.1.1智能电器设备的定义和发展目标智能电器设备是将计算机技术、传感器技术、数字信号处理技术、电力电子技术、通信技术、电磁兼容技术、现场总线局域网技术、动态模拟仿真技术、诊断检测技术、数控制造技术、新材料、新工艺和现场质量管理方法等有机结合而产生的新一代智能化电器设备。智能电力电器设备技术进步的目标：满足智能电网建设和发展的现实需求，在智能电网中扮演基础性支撑作用和角色。,第二章智能电器与智能电网,第二章智能电器与智能电网,2.1.2智能电器设备概念的延拓智能电器设备从传统电器设备发展而来。20世纪90年代，因电网控制、运行要自动化，电气操作人员希望采用远程控制方式了解并控制电网电气状态及参数，便于对众多电器设备进行集成管理；同时，要求实现终端控制及办公自动化等，于是出现了智能型可通信的电器，并很快投入了实际使用。例如出现了兼有监测、保护、控制和通信功能的智能化开关电器和装置，能与中央控制计算机进行双向通信，组成集监控、保护和信息传递于一体的系统。适应这些技术发展特点，智能电器设备的概念延拓为具有自动监测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节、能与远方控制中心通信功能的电器设备。随着信息、网络技术的发展，智能电器设备的概念将被赋予新内涵，进入可通信、网络化的新型智能电器时代。,2.2智能电器设备的特征智能电器设备的基本特征主要有以下五个方面：1）保护功能非常齐全；2）可实时测量电参数；3）可记录故障并实时显示有些智能电器设备已可对故障类型、故障性质进行记录，有助于很快地找到故障点，缩短停电时间；4）内部故障自诊断越来越多的智能电器设备，尤其是高电压、大功率的电力电器设备具有自诊断功能，可指示自身工作状态及运行寿命，还可实施双向通信，并能接入网络成为其一个功能节点。5）多功能化具备更强大功能，是智能电器设备的进步趋势。依靠微处理器的运算能力和数据处理能力，一台智能电器设备就可实现传统意义上几台的功能。,第二章智能电器与智能电网,2.3智能电器设备的发展与进步（1）纵观国内外智能电器设备的发展、进步历程，其内涵一直随着相关技术的发展而不断充实、丰富。不同的电器设备，其智能化程度的实现、要求和体现度均不相同。智能电器设备发展至今，其“智能”的含义除自动判断、自动关断、自校验、自报警等外，近年来又增加了可通信和网络化等特点。发展更加完善的可通信和网络化智能电器设备，已成为智能电器设备发展进步的新方向。,第二章智能电器与智能电网,第二章智能电器与智能电网,2.3智能电器设备的发展与进步（2）近年来，我国已研发出了所谓第三代智能电器设备，已基本实现了智能化、可通信、网络化功能，使国产智能电器设备的技术水平，基本上跟上了世界技术发展的潮流。但受基础设施、管理水平等多方面条件限制和制约，智能电器设备的可通信、网络化应用在我国才起步，智能电器设备所具有的强大功能，在实际应用中尚未全面发挥作用。,第二章智能电器与智能电网,2.3智能电器设备的发展与进步（3）从适应智能电网的建设要求出发可预见，智能电器设备技术具有如下发展进步趋势：性能上应包括高可靠性，应关注全系统构建及实现的一体化解决方案，要能做到全选择性保护，应具备高短路能力，要高寿命、智能化、网络化、环保、对特殊环境适应性强，具有过电压保护功能；结构上应采取模块化设计，尺寸上要进一步小型化（功耗降低），安装上要满足多样化需求。,第二章智能电器与智能电网,2.3智能电器设备的发展与进步（4）分立式智能电器设备一旦联网，形成的网络化智能电器的功能，将远大于其中各子部分独立功能之和。根据具体任务需求，可通过网络实现不同电器功能单元的快速重组。因此，可在任意时刻、从任何地点获取智能电器运行、控制结果的数据信息，且可进行异地或远程数据采集、测控、故障检测、报警等。将智能电器设备与微计算机组成网络，可使各自的资源和潜力得以更充分发挥、更灵活调用和更合理配置。网络化使智能电器设备可更好地利用计算机软硬件资源，从而既可增加其功能，又能提高其技术性能。,第二章智能电器与智能电网,2.3智能电器设备的发展与进步（5）新一代网络、微计算机、网格技术甚至云计算技术等向智能电器设备研发领域的注入，将使得经过网络或网格及时获取到智能水平更高的软件资源，如此，利用更多网络化电器设备协同完成一个更复杂、更庞大的智能化测量或控制任务便成为可能。,第二章智能电器与智能电网,2.3智能电器设备的发展与进步（6）（1）智能开关电器（2）可通信电器和信息电器（3）智能脱扣器（4）智能多功能变压器（“电子变压器”）（5）智能电测设备的发展趋势包括：电能表检定设备；标准电能表；程控测试电源；集在线监测、电量监测分析等功能于一体，自带通信接口的电能计量远程在线监控仪器设备。随着智能电网建设的不断深入，一条龙式的智能电表自动检测系统也将有较大应用市场需求。,2.4智能电器设备的关键技术（1）（1）检测和传感技术（1）检测是实现智能电网建设目标的基础。电网中需要检测、监控的大量非电量，都是先转化成电学量后再实现对其的定量测量的。基于全光纤传感技术研发、构建智能传感器和智能传感系统，十分符合智能电网发展建设的需要，是保障智能电网输电安全运行所需的一种可更全面监测电网基础设施故障及工作状态信息的检测和传感新技术。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（2）（1）检测和传感技术（2）应该研究：(1)全光型、一体化、宽频带的电流、电压传感技术；(2)光纤型温度、应力、电场传感器在高电压电网应用技术；(3)嵌入式数据采集与处理技术在智能传感器系统中的应用技术；（4)嵌入式实时电能质量检测传感与分析技术；（5）GPS对时在智能传感系统中的应用及其线路故障定位技术；（6）智能传感系统用合并单元的研制；（7）IEC61850通信规约及其在智能传感器系统中应用的技术；（8）智能传感器系统的相关技术规范、对未来智能电网的影响、国家标准的修改等。这方面应成为智能电器设备新产品研发重点之一。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（3）（2）微处理器及其接口技术1）对微处理器的基本要求是要具有硬件通用化、应用灵活化，以及有记忆、计算、查表等能力，且其指令系统应适合实时控制、执行速度快等实现智能电器设备技术特征的要素。微处理器已形成多系列、多品种局面，可供选用的有很多。2）接口技术微处理器与外围设备之间建立可靠、有效连接的技术，既有硬件也有软件。接口电路多种多样，常用的有微处理器通用接口，键盘、显示器接口、打印机接口，A/D、D/A接口，等等。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（4）（3）应用软件设计技术（1）微处理器与数字电路的本质区别就在于它具有软件系统。很多硬件电路能实现的功能，软件也能做到，在硬件电路设计时，有时可考虑改用软件来实现。软件是智能电器设备的灵魂。在智能电器设备的应用软件设计方面，不断涌现出新的模型构建和数据处理技术。基于建立非确定模型估计测量结果的软测量技术，可构建出拥有更小测量不确定度的智能电器设备。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（5）（3）应用软件设计技术（2）基于强大的软件构建智能电器设备，强调基于通用计算机技术提升电器设备智能化水平，计算机和软件在其中占据主导地位。通过软件，将计算机与电器设备硬件有机融为一体，不仅可大大减小电器设备的体积和构建成本，且能提高电器设备运行的速度、可靠性和智能性。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（6）（3）应用软件设计技术（3）与硬件集成化可提升空间的日渐缩小相比，融合了组件技术的软件显示出强大的技术更新优势。利用基于组件的软件开发技术（ComponentBasedDevelopment），以特定语言将电器设备的测控功能模块化地实现，可使得对智能电器设备的开发或升级，简化成所需实现的电器功能相应分立模块的重组或升级后的重组过程软件化可大大降低智能电器设备的开发升级成本，提高其通用性、共享性和可重组性，进而可切实优化智能电器设备本身的技术性能。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（7）（4）智能控制和最优化等技术电力电器设备要具有自学习、参数自调整、模式自适应、故障自诊断、状态自估计、性能自趋优等智能化特点和属性，无疑要紧密依靠闭环控制、自动控制、智能控制、模糊控制和最优化等理论指导下的具体技术实现，而各种控制理论、先进控制技术及方法等的有效实现，要基于相应的微计算机、大规模集成电路、微处理器、数字信号处理单元和各种计算数学方法，并通过软件编程加以实施在很多领域已有大量成功的应用案例，也包括在很多种电器设备产品（包括家用电器）中成功运用。智能控制和最优化技术无疑是电力电器设备智能化水平进一步提高的重要支撑性技术。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（8）（5）抗干扰技术（1）对电力电器的干扰来自多个方面，有电磁干扰，环境温度变化干扰，以及气压、振动、时间等的影响，其中，电磁干扰是各类干扰中最主要的干扰因素通过各种线路，可能侵入智能电器设备的微处理器，或以高频电磁场形式从空间侵入智能电器设备及系统；供电线路，更是电网中各种浪涌电压侵入智能电器设备主要途径。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（9）（5）抗干扰技术（2）抑制和削弱电磁干扰的途径有采取硬件的措施和由软件实现的办法，也有软、硬件相结合的举措。硬件抗干扰通常效率较高，但增加硬件成本和电器设备体积；软件抗干扰投资少，但可能降低系统测控效率全面搞清电磁干扰源及其入侵传播途径，合理选择抗电磁干扰措施和办法，是智能电器设备研发设计的重要内容。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（10）（6）可靠性技术电力电器设备的可靠性涉及范围很广，诸如所用电力电子元器件的可靠性、技术设计、工艺制造水平和管理水平等共同决定着这些电力电器设备的可靠性指标。提高电器设备的可靠性，必须掌握其失效规律，以利于采取有效措施切实提高其可靠性；同时，在实现智能电器设备基本功能基础上，还可通过为其增设辅助功能的途径提高其可靠性：电流、电压显示功能；对各种电气参数的整定功能；试验功能及自诊断功能；通信接口功能；远端监控和诊断功能；负载监控功能；模拟功能。,第二章智能电器与智能电网,2.4智能电器设备的关键技术（11）（7）通信技术和网络技术（1）发展更完善的可通信和网络化智能电器设备，是对其实现遥测、遥控的基础，是几乎所有智能电器设备发展进步的共同方向之一。能方便进行网络互连，实现基于计算机实时通信技术和分布式数据库技术的数据共享、分布式数据存取、网络发布和远程测控等功能，是最先进的智能电器设备的显著特征。结合了网络技术的智能电器设备，将突破其使用的时空界限，可使其应用疆域得以大幅拓展。为电网运行和监测以及电网配电自动化研发所需要的智能化通信电器设备，应成为智能电器新产品研发的主要内容之一。,第二章智能电器与智能电网,2.5智能电器设备的研发（1）国内智能电器设备研发现状及任务（1）目前国内智能电器设备研发主要集中于：1）电器设备的在线检测；2）信号采集处理新方法、机理研究及利用；3）具有一定智能化特征的电器设备的实现；4）智能电器设备可靠性及控制部分抗电磁干扰能力的增加（改造）；5）双向通信的实现方法及添加(改造升级)。,第二章智能电器与智能电网,2.5智能电器设备的研发（1）国内智能电器设备研发现状及任务（2）为满足智能电网的建设需求，电器设备远非仅需增加通信功能，还应增设预警、自愈、能量管理等许多功能。据智能电网建设总目标，智能电器设备研究今后的主要任务，大致有：1）在提供给智能电器设备信号的传感器方面，不但要研究新传感和检测机理，如光电、红外、超声波等，还要研究传感器灵敏度和准确度。还应该探索新检测方法无传感器虚拟法、综合评估法、指纹数据法以及扰动误差法等。,第二章智能电器与智能电网,2.5智能电器设备的研发（1）国内智能电器设备研发现状及任务（3）2）在信号处理与智能控制技术方面，应研究信号处理技术和总线技术，以太网和基于互联网的信号传输技术，基于小波分析、模糊逻辑分析等的数据处理技术，暂态分析与电磁兼容技术等。具体在智能控制方面，应对控制策略、可靠性、最优化技术等进行研究探索。应包括各种数值仿真计算方法和技术，如EMPT、ANSYS、MATLAB等数值仿真计算软件的应用等。,第二章智能电器与智能电网,2.5智能电器设备的研发（1）国内智能电器设备研发现状及任务（4）3）在新的执行功能方面，包括各种新的控制电弧或控制电路的机理研究、同步开关技术研究等。它们直接面向对象，往往可能引起整体电器实现机理的变革。如电子操动引起了新一轮相控开关的研究；对多断口断路器的再探索，以及对高可靠性系统时限的研究，等等，均体现了革命性技术进步，连带出相当多的机理和模型研究，有可能推动范围广泛理论研究成果的获得。,第二章智能电器与智能电网,2.5智能电器设备的研发（1）国内智能电器设备研发现状及任务（5）4）在普遍增添自检测、自诊断能力方面，鉴于智能电网对安全、可靠等性能的要求进一步提高，使所有进入电网的智能电器产品均具备自检测、自诊断功能成为大势所趋。而传统电器设备有自检测、自诊断功能的比例很低。给电器，尤其是高电压、大功率电器设备加装传感器，并通过无线传感器网络等实现对其运行性能、生命周期的实时检测和监控，可保证相关电器设备的正常、可靠工作或及时替换，进而可确保智能电网的坚强、可靠智能电器设备新产品研发和生产中一个十分重要的任务和努力方向。,第二章智能电器与智能电网,2.5智能电器设备的研发（1）国内智能电器设备研发现状及任务（6）5）研发综合、先进的电力贮存和调峰电器设备和技术，包括可充电的混合动力车辆以及空调的热能贮存器、电动汽车充电站等。6）电网运行管理操控者与电力用户的网络化直接互动，将成为更多种进入电网的各种智能电器必备的功能之一。因此，在研发智能电器新产品中，就要增加这方面的功能，或为日后可以增设这方面功能应提供接口或必要软硬件环境。,第二章智能电器与智能电网,2.5智能电器设备的研发（1）国内智能电器设备研发现状及任务（7）7）对智能电器设备架构的深层次研究随智能电网建设不断深入，对智能电器设备无疑还会不断提出新的功能需求。简单通过更换新设备，浪费巨大。为改变如增加、拓宽智能电器的功能，首先设法去改变软件，而不是更换整智能电器设备。对这方面问题的研究，应成为智能电器新产品研发中一个重要任务对节能降耗、节约智能电器研发和制造成本等意义重大。,第二章智能电器与智能电网,2.5智能电器设备的研发（1）国内智能电器设备研发现状及任务（8）8）在智能电器设备结构方面，智能检测、控制用电器设备与用户电器设备的一体化，是一个新的研发方向，国外已有这类新型智能电器设备问世。智能电器设备结构的整合式变化，可能带动智能电器设备结构的更大变革，同时会带来电器设备软硬件成本的大幅度下降。,第二章智能电器与智能电网,2.5智能电器设备的研发（2）智能电器设备研发应依据相关标准智能电网建设大背景下，今后能进入其中的智能电器设备，都将具有联网、交互等功能，都应该能成为网络中一个有效的功能节点，因此，都必须遵从统一的技术规约和通信标准等。这与过去可按自己喜好任意地生产传统电器设备有本质区别。10年6月29日，国家电网公司发布了国家电网智能化规划子规划智能电网关键设备系统研制规划和智能电网技术标准体系规划，且其正加紧智能电网关键设备企业标准编制，还积极参与编制智能电网行业标准、国家标准及相关国际标准。可被看作研发智能电网关键电器设备指导性文件。,第二章智能电器与智能电网,2.6智能电网与智能电器设备的关系（1）电力系统或俗称电网，由发电、输电、变电、配电、用电等部分组成，缺任一环节都不能称为完整的电网。统计表明，80%以上电能通过低压电器传输、在用户端被消耗；57%的电能是通过电动机消耗掉的。既然电能大部分是在低压侧通过低压电器传输等所消耗掉，若不关心用户端电网状况，在忽略这部分节能与能量管理问题前提下考虑所谓电网的智能化，很显然，这样形成智能电网的含义不会完整合理智能电网与智能电器设备密切相关。,第二章智能电器与智能电网,2.6智能电网与智能电器设备的关系（2）在智能电网中，智能电器设备扮演不可或缺的角色。如果低压电器未能实现智能化和通信网络化，就难以实现电网的智能化，即智能电网建设的目标就不可能实现电器设备达到否智能化水平，是实现智能电网的关键。智能电器设备是智能电网各种先进功能特征的实现基础。电网中的变电站、高/低压开关、低压成套设备、计量检测仪器设备等均应是智能化的，若还都是传统的，远不能构成智能电网智能电器设备推动智能电网建设。,第二章智能电器与智能电网,2.6智能电网与智能电器设备的关系（3）发展建设智能电网，对电器设备智能化提出如下新需求：1）在电网事故智能化控制方面，要提供智能开关技术，能高可靠且高稳定地对开关的运行过程实时进行监测；能进行选相合闸，降低操作过电压和合闸涌流；可通过智能控制，有效提高对短路电流的开断能力；能针对电网运行不同工况，实现对电网事故的智能控制，限制故障电流，完成电源快速切换，实现电网结构重新配置和快速回复（依托电机驱动断路器技术、断路器智能控制技术）。而且，为有效限制故障电流，要能够突破原有线路负荷降额设计、系统解环运行、母线分裂、串联电抗器等以牺牲系统稳定性、可靠性和供电质量为代价的技术和实现方法，提供可从根本上改善系统稳定、电能质量、断路器开断能力、输变电设备动稳定性等问题的故障限流新技术和新手段，并大大简化系统规划难度；能提供快速开关技术和具有智能化特点的故障限流控制技术。,第二章智能电器与智能电网,2.6智能电网与智能电器设备的关系（4）2）在输变电设备智能化运行维护方面，要能充分利用视频技术、虚拟空间技术、无线宽带技术和卫星定位技术，以先进传感网络为载体，实现对电器设备实时状态信息的全景可视化；要能看到设备内部的热像点和放电点，或可实现对它们的智能搜索；应探讨利用物联网技术实现多源信息共享，从而做到实时分析降雨、高温、雷电、台风、冰灾等大气环境变化和污秽、山火、地质灾害等对输变电设备的影响，为保证这些设备安全运行、优化电网运行方式、增强电网抵御自然灾害能力提供技术支持。再者，要能实现状态监测、检修管理、运行监控和电网安