電器智能化原理及應(yīng)用第1章

1、智智 能能 電電 器器西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院電器教研室電器教研室 第第1章章緒緒 論論 1.1 電器智能化概述電器智能化概述 電器概述電器概述 用于電力傳輸與分配，完成電路運行狀態(tài)監(jiān)測和保護，控制電路的接通/分斷操作，用電設(shè)備控制與保護的電氣設(shè)備。 包括電壓/電流互感器、變壓器以及各種開關(guān)電器及其成套裝置。 1.1.1 電器智能化與智能電器電器智能化與智能電器 智能電器和電器智能化是電器學(xué)科新的發(fā)展領(lǐng)域。 是傳統(tǒng)電器與現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微機與數(shù)字控制技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)及計算機通信技術(shù)等各門類學(xué)科集成。 1. 電器智能化與智能電器的關(guān)系電器智能化與智能電器的關(guān)

2、系 智能電器智能電器 是智能化了的開關(guān)電器元件或成套開關(guān)設(shè)備，是一種具體的有形產(chǎn)品。 電器智能化電器智能化 是以智能電器為基礎(chǔ)建立的相關(guān)學(xué)科知識及應(yīng)用技術(shù)的系統(tǒng)集成。 是一種理念，一種方法，也是一種發(fā)展和進步過程。 2. 智能電器元件和智能開關(guān)設(shè)備的定義智能電器元件和智能開關(guān)設(shè)備的定義 智能電器元件智能電器元件 由一次開關(guān)元件及其數(shù)字化智能監(jiān)控器組成的電器元件。 能自動監(jiān)測和識別元件運行狀態(tài)； 根據(jù)運行狀態(tài)選擇操作命令類型，實現(xiàn)對元件操作的智能控制。智能電器元件和智能開關(guān)設(shè)備的定義智能電器元件和智能開關(guān)設(shè)備的定義 智能開關(guān)設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備 由替代二次回路的數(shù)字化智能監(jiān)控器和一次開關(guān)元件組成的開

3、關(guān)設(shè)備。 能監(jiān)測一次線路和被控對象工作參量； 分析監(jiān)測結(jié)果和輸入指令，判斷被控對象工作狀態(tài)，根據(jù)結(jié)果發(fā)出操作命令。 實現(xiàn)被控對象與管理后臺的信息交換。 1.1.2 智能電器的基本特點智能電器的基本特點 現(xiàn)場參量處理數(shù)字化 電器元件的多功能化與智能操作 電器設(shè)備應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化 可實現(xiàn)真正分布式管理與控制 可以組成真正全開放式系統(tǒng) 1.1.3 智能電器一般組成結(jié)構(gòu)智能電器一般組成結(jié)構(gòu) 智能電器一般組成結(jié)構(gòu)智能電器一般組成結(jié)構(gòu) 智能電器元件和智能電器成套設(shè)備都包含一次元件和智能監(jiān)控器。 智能電器監(jiān)控器工作原理基本相同，具有相同的模塊結(jié)構(gòu)。 包括： 輸入、中央處理與控制、輸出、通信、人機交互和電源模

4、塊。 3. 智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別 1）物理結(jié)構(gòu)）物理結(jié)構(gòu) 智能電器元件智能電器元件 監(jiān)控器與被監(jiān)控的單個開關(guān)電器集成為一個整體。 智能開關(guān)設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備 包含一次電路的全部電器元件和一個物理結(jié)構(gòu)上相對獨立的智能監(jiān)控器。智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別 2）監(jiān)控器結(jié)構(gòu)）監(jiān)控器結(jié)構(gòu) 兩種監(jiān)控器功能結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別在于各模塊的配置。 整體配置上，智能電器元件監(jiān)控器相對簡單，智能開關(guān)設(shè)備比較復(fù)雜。 智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別 （1 1）輸入信號來源及通道數(shù)量輸入信號來源及通道數(shù)量 智能電器元件智能電器元件 輸

5、入信號主要是開關(guān)元件自身的各種運行狀態(tài)、參數(shù)和特性，被測參量通道數(shù)較少。 智能開關(guān)設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備 輸入信號主要來自受開關(guān)設(shè)備控制和保護的對象，輸入?yún)⒘亢洼斎胪ǖ罃?shù)量更多。 智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別/（2）輸出通道的結(jié)構(gòu)設(shè)置）輸出通道的結(jié)構(gòu)設(shè)置 智能電器元件智能電器元件 取決于開關(guān)操動機構(gòu)及其智能操作方式。 輸出信號類型、驅(qū)動方式及執(zhí)行元件（根據(jù)開關(guān)元件操動機構(gòu)及操作方式配置）。 智能開關(guān)設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備 輸出信號基本為開關(guān)量，執(zhí)行元件多用繼電器或電力電子開關(guān)器件； 結(jié)構(gòu)較簡單，通道數(shù)量一般較多。 （3）人機對話）人機對話（顯示、操作）（顯示、操作）模塊模塊 智

6、能電器元件智能電器元件 通常為可選項。需要時，操作和顯示相對簡單。 智能開關(guān)設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備 必須設(shè)置。 實現(xiàn)開關(guān)設(shè)備中全部測量、保護特性和參數(shù)設(shè)定、功能投退等功能。 顯示器采用LCD，界面比較復(fù)雜。 智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別/監(jiān)控器結(jié)構(gòu)監(jiān)控器結(jié)構(gòu)/通信模塊通信模塊 （4）通信模塊）通信模塊 智能電器元件智能電器元件 根據(jù)需要配置。 只有作為網(wǎng)絡(luò)底層設(shè)備的高端產(chǎn)品必須配置。 智能開關(guān)設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備 作為輸、配、供電系統(tǒng)自動化的底層和現(xiàn)場設(shè)備，必須配置。智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別/監(jiān)控器結(jié)構(gòu)監(jiān)控器結(jié)構(gòu)/中央控制與處理模塊中央控制與處

7、理模塊 （5）中央控制與處理模塊）中央控制與處理模塊 智能電器元件智能電器元件 完成元件運行狀態(tài)與參數(shù)的檢測和處理。 根據(jù)處理結(jié)果實現(xiàn)開關(guān)電器操作的智能控制和狀態(tài)的在線監(jiān)測。 不同元件監(jiān)控器功能差異很大。 模塊組成結(jié)構(gòu)、選用的處理器件性能、價格及其外圍電路配置差別很大。智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別/監(jiān)控器結(jié)構(gòu)監(jiān)控器結(jié)構(gòu)/中央控制與處理模塊中央控制與處理模塊 智能開關(guān)設(shè)備智能開關(guān)設(shè)備 實現(xiàn)傳統(tǒng)成套開關(guān)設(shè)備二次電路中全部測量、保護和控制； 并在網(wǎng)絡(luò)后臺系統(tǒng)管理下，實現(xiàn)設(shè)備的四遙功能。 監(jiān)控器中央處理與控制模塊結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，處理器件性能和外圍電路的配置要求更高。智能電器元件

8、與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別智能電器元件與開關(guān)設(shè)備的區(qū)別 說明說明 近年來，智能低壓電器中高端產(chǎn)品監(jiān)控器與相關(guān)開關(guān)設(shè)備監(jiān)控器的功能和結(jié)構(gòu)已趨于一致； 可以直接安裝在開關(guān)柜面板上，代替開關(guān)柜監(jiān)控器完成要求的全部功能。 以后的課程學(xué)習(xí)中，如果沒有特別說明，以后的課程學(xué)習(xí)中，如果沒有特別說明，二者將統(tǒng)稱為智能電器二者將統(tǒng)稱為智能電器 1.1.4 電器智能化網(wǎng)絡(luò)概述電器智能化網(wǎng)絡(luò)概述 定義定義 采用數(shù)字通信技術(shù)； 用通信介質(zhì)連接系統(tǒng)后臺管理設(shè)備與工作現(xiàn)場的智能電器，組成數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)； 實現(xiàn)對電力系統(tǒng)設(shè)備運行、供/用電質(zhì)量及供電網(wǎng)絡(luò)的智能化、自動化管理與控制。 這種網(wǎng)絡(luò)稱為電器智能化網(wǎng)絡(luò)。 1. 結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成

9、1）現(xiàn)場設(shè)備層）現(xiàn)場設(shè)備層 網(wǎng)絡(luò)中的最底層，包括不同生產(chǎn)廠家提供的各種不同類型的智能電器。 現(xiàn)場設(shè)備連接方式現(xiàn)場設(shè)備連接方式 只有選定的現(xiàn)場總線連接； 帶有管理設(shè)備（上位機）的現(xiàn)場總線連接； 專用通信接口直接與局域網(wǎng)絡(luò)層連接。 可用中繼器、HUB、網(wǎng)橋擴大范圍。 2）局域網(wǎng)絡(luò)層）局域網(wǎng)絡(luò)層 局域網(wǎng)絡(luò)層是電器智能化網(wǎng)絡(luò)的后臺管理層。 現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、獨立的協(xié)議轉(zhuǎn)換接口、通信控制器和后臺管理設(shè)備都是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。 局域網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)(Ethernet) 。 經(jīng)路由器、網(wǎng)關(guān)連接，可組成更大網(wǎng)絡(luò)。 用調(diào)制解調(diào)器（Modem）可通過電話網(wǎng)或無線網(wǎng)與遠方的高層管理系統(tǒng)連接。 3）通信層）通信層 界于局域

10、網(wǎng)絡(luò)層于現(xiàn)場層之間，完成通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。 兩種通信層配置兩種通信層配置 一臺作為通信控制器的專用計算機（物理設(shè)備）。 現(xiàn)場層網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備或局域網(wǎng)后臺管理設(shè)備服務(wù)器中的協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件（邏輯設(shè)備）。 2電器智能化網(wǎng)絡(luò)的主要特點電器智能化網(wǎng)絡(luò)的主要特點 現(xiàn)場設(shè)備必須獨立自治。 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)允許不同制造商、不同類型的產(chǎn)品互連。 能包容采用不同傳輸介質(zhì)、不同通信協(xié)議的底層網(wǎng)或具有獨立轉(zhuǎn)換接口的智能電器。 必須保證各類實時數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)膶崟r性、準確性。電器智能化網(wǎng)絡(luò)的主要特點電器智能化網(wǎng)絡(luò)的主要特點 局域網(wǎng)后臺管理設(shè)備通過數(shù)字通信和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實現(xiàn)以下功能： 現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)控和管理； 設(shè)置現(xiàn)場設(shè)備地

11、理位置和設(shè)備功能，按地理信息顯示現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)； 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的組建和重構(gòu)。 網(wǎng)絡(luò)中的信息共享。 必須保證網(wǎng)絡(luò)運行的穩(wěn)定、可靠。1.2 電器智能化的應(yīng)用電器智能化的應(yīng)用 現(xiàn)代電力系統(tǒng)輸、配電自動化。 各類低壓供、配電系統(tǒng)智能化。 提高電力用戶用電質(zhì)量和用電安全性、可靠性。 現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備和樓宇供電自動化及分布式管理。 1.2.1 在電力系統(tǒng)自動化中應(yīng)用在電力系統(tǒng)自動化中應(yīng)用 電器智能化技術(shù)可以應(yīng)用在電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、供、用各個環(huán)節(jié)。 當前國內(nèi)的主要應(yīng)用當前國內(nèi)的主要應(yīng)用 發(fā)電廠和各類變電站綜合自動化； 低壓配電網(wǎng)自動化及其電能質(zhì)量管理； 電力設(shè)備在線監(jiān)測。 1. 變電站綜合自動化中的電器智能化技

12、術(shù)變電站綜合自動化中的電器智能化技術(shù) 變電站綜合自動化系統(tǒng)是一種數(shù)字化的分布式控制與管理系統(tǒng)。 1）結(jié)構(gòu)組成）結(jié)構(gòu)組成 間隔層 （現(xiàn)場設(shè)備層） 帶有智能RTU（Remote Terminal Unit）的一次開關(guān)設(shè)備，組成微機綜合保護與監(jiān)控裝置。 后臺通信處理與數(shù)字信息管理設(shè)備。變電站綜合自動化中的電器智能化技術(shù)變電站綜合自動化中的電器智能化技術(shù)/結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成 數(shù)字化的繼電保護裝置； 數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。 2）功能）功能 變電站設(shè)備的控制、保護、實時數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測、自動遠動等功能。 實現(xiàn)全站的自動監(jiān)測、控制、保護及電能質(zhì)量監(jiān)測的綜合管理。 3）綜合自動化變電站通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)）綜合自動化變電站通信網(wǎng)

13、絡(luò)結(jié)構(gòu) 按分層、分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置現(xiàn)場智能開關(guān)設(shè)備。 設(shè)備保護與監(jiān)控功能被分散到各保護小室或開關(guān)設(shè)備。 現(xiàn)場設(shè)備通過通信網(wǎng)絡(luò)與后臺管理設(shè)備交換各種信息。 具有綜合自動化管理系統(tǒng)的變電站又稱為分布式變電站。 變電站綜合自動化網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)示意圖變電站綜合自動化網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)示意圖 2. 在低壓配電網(wǎng)自動化中的應(yīng)用在低壓配電網(wǎng)自動化中的應(yīng)用 1）低壓配電網(wǎng)自動化的意義）低壓配電網(wǎng)自動化的意義 作為供、用電環(huán)節(jié)，完成電能對電力用戶的分配、監(jiān)控與管理。 其監(jiān)測與自動化管理是現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動化的重要組成部分。 2）實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)自動化的原因）實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)自動化的原因 （1）電力用戶要求提高供電質(zhì)量）電力

14、用戶要求提高供電質(zhì)量 各類電力用戶要求提升低壓配電網(wǎng)管理的自動化水平。 （2）用電負載影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量）用電負載影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量 各類大功率、非線性用電負載容量增加，造成低壓配電網(wǎng)的各種污染。 3）低壓配電網(wǎng)自動化管理的優(yōu)勢）低壓配電網(wǎng)自動化管理的優(yōu)勢 自動調(diào)節(jié)大容量負載的用電時段，提高電網(wǎng)運行效率； 抑制大功率、非線性負載對電網(wǎng)的沖擊和污染； 電力部門能更有效地監(jiān)管用電負載，提高供電質(zhì)量，滿足電力用戶對供電電網(wǎng)提出的要求 。 4）當前實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)自動化的條件）當前實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)自動化的條件 系列智能化低壓配電電器（低壓斷路器、雙電源自動轉(zhuǎn)換器）和電能質(zhì)量管理器等的開發(fā)與應(yīng)用 。 各種現(xiàn)

15、場總線、以太網(wǎng)和適應(yīng)電力系統(tǒng)運行特點的通信協(xié)議不斷完善； 電器智能化網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與管理軟件技術(shù)更成熟，功能更完善。 5）低壓配電網(wǎng)自動化的工作要求）低壓配電網(wǎng)自動化的工作要求 （1）減小供電線路故障對用戶影響）減小供電線路故障對用戶影響 故障時保證重要負載供電；故障排除后，盡快恢復(fù)對所有用電負載的供電。 （2）有利于電力部門對供電質(zhì)量監(jiān)控）有利于電力部門對供電質(zhì)量監(jiān)控 采取強制措施，抑制電網(wǎng)的諧波污染，減小電網(wǎng)電壓波動及電壓閃變； 提高高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低運行成本。 3. 電力設(shè)備在線監(jiān)測電力設(shè)備在線監(jiān)測 1）國內(nèi)電力設(shè)備檢修現(xiàn)狀）國內(nèi)電力設(shè)備檢修現(xiàn)狀 采用“定時檢修”的規(guī)則。 存在問題存在問題

16、 故障時大面積用戶的供電停止。 影響電力設(shè)備，特別是開關(guān)設(shè)備運行的可靠性。 故障檢修時，大面積停電時間長。 2）在線監(jiān)測與電力設(shè)備的）在線監(jiān)測與電力設(shè)備的“狀態(tài)檢修狀態(tài)檢修” 狀態(tài)檢修是在預(yù)測設(shè)備可能故障時檢修。 措施措施 在線監(jiān)測裝置實時在線監(jiān)測影響電力設(shè)備安全運行的參量，將結(jié)果傳給網(wǎng)絡(luò)后臺。 管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理、分析和判斷，為電力部門制訂檢修計劃提供科學(xué)的依據(jù)。 1.2.2 在工業(yè)自動化中的應(yīng)用在工業(yè)自動化中的應(yīng)用 1）現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)模式）現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)模式 嵌入式控制系統(tǒng)為核心、電力電子裝置為電壓或功率控制環(huán)節(jié)的控制裝置為現(xiàn)場設(shè)備； 現(xiàn)場總線為底層網(wǎng)絡(luò)； 多組底層網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控系

17、統(tǒng)構(gòu)建的工業(yè)控制局域網(wǎng)。 實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)自動化的全面管理。 2）工業(yè)控制局域網(wǎng)中智能電器的功能）工業(yè)控制局域網(wǎng)中智能電器的功能 工業(yè)控制局域網(wǎng)的現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備工業(yè)控制局域網(wǎng)的現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備 被控對象的微機控制器和低壓智能電器監(jiān)控器。 微機控制器功能微機控制器功能 監(jiān)測備控設(shè)備工作流程、運行狀態(tài)及工作參量等信息。 工業(yè)控制局域網(wǎng)中智能電器的功能工業(yè)控制局域網(wǎng)中智能電器的功能/微機控制器功能微機控制器功能 完成設(shè)備工作的自動控制。 與網(wǎng)絡(luò)后臺交換相關(guān)信息，并接受各種操作指令。 智能電器監(jiān)控器的功能智能電器監(jiān)控器的功能 監(jiān)測被控設(shè)備及供電線路設(shè)備運行狀態(tài)。 控制供電電源的接通/分斷，實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的用

18、電管理與故障保護。 工業(yè)控制局域網(wǎng)中智能電器的功能工業(yè)控制局域網(wǎng)中智能電器的功能/智能電器監(jiān)控器智能電器監(jiān)控器 向后臺管理系統(tǒng)傳送運行過程中與供電電網(wǎng)相關(guān)的各種信息 （設(shè)備故障信息、用電量、功率因數(shù)、諧波、對電網(wǎng)的其他干擾等）。 為企業(yè)用電的全面管理提供實時、有效的數(shù)據(jù)。 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 電動機控制中心電動機控制中心MCC（Motor Control Center） 1.2.3 電器智能化在樓宇自動化管理中應(yīng)用電器智能化在樓宇自動化管理中應(yīng)用 功能功能 供電質(zhì)量監(jiān)控、用電費用統(tǒng)計和安全保證等。 實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法 采用智能斷路器作為線路供配電開關(guān)和負荷開關(guān)。 構(gòu)建智能化分布式監(jiān)控與管理網(wǎng)絡(luò)，實

19、現(xiàn)對供電電網(wǎng)線路設(shè)備及負載等的監(jiān)管。 完成功能完成功能 線路發(fā)生故障后自動切換供電電源或起動備用電源，保證重要用戶的連續(xù)供電。 防止事故擴大，盡快排除故障，提高建筑物供電質(zhì)量。 及時發(fā)現(xiàn)存在隱患的線路和設(shè)備，發(fā)出預(yù)警信息 。 實現(xiàn)用戶用電智能抄表，有效監(jiān)管惡意欠費。1.3 電器智能化技術(shù)的發(fā)展電器智能化技術(shù)的發(fā)展 從簡單采用微機控制的封閉式裝置，發(fā)展成具有較完整的理論體系和多學(xué)科交叉的電器智能化系統(tǒng)。 討論要點討論要點 監(jiān)控器功能與控制技術(shù) 電器元件的工作機理變革 智能化網(wǎng)絡(luò) 1.3.1 監(jiān)控器功能的完善與開發(fā)監(jiān)控器功能的完善與開發(fā) 早期電器智能控制器只針對某一特定的對象，功能單一，采用封閉式

20、控制模式。 1）當前智能監(jiān)控器的基本功能）當前智能監(jiān)控器的基本功能 （1）測量）測量/遙測遙測 監(jiān)測并數(shù)字化顯示現(xiàn)場運行參量（測量），經(jīng)通信網(wǎng)上傳（遙測）。監(jiān)控器功能的完善與開發(fā)監(jiān)控器功能的完善與開發(fā)/當前智能監(jiān)控器的基本功能當前智能監(jiān)控器的基本功能 （2）就地設(shè)置與操作）就地設(shè)置與操作/遙調(diào)與遙控遙調(diào)與遙控 由鍵盤、面板開關(guān)及通信口完成就地/遠方調(diào)控。 （3）遙信）遙信 記錄被監(jiān)控對象的運行狀態(tài)及現(xiàn)場運行工況，經(jīng)通信口上傳。 （4）保護）保護 判斷故障及故障類型，故障出現(xiàn)后完成相應(yīng)的操作。監(jiān)控器功能的完善與開發(fā)監(jiān)控器功能的完善與開發(fā)/當前智能監(jiān)控器的基本功能當前智能監(jiān)控器的基本功能 （5）自

21、檢與故障診斷）自檢與故障診斷 監(jiān)控器主要硬件設(shè)備和被控對象故障診斷。 （6）通信）通信 采用統(tǒng)一的通信協(xié)議或協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)； 實現(xiàn)后臺與運行現(xiàn)場間各類信息交換，并保證通信網(wǎng)絡(luò)的開放性。 （7 ）一次開關(guān)元件在線監(jiān)測）一次開關(guān)元件在線監(jiān)測 實現(xiàn)電器元件的故障預(yù)測和診斷。 2）發(fā)展趨勢）發(fā)展趨勢 監(jiān)控器各模塊的功能高度分散； 組成以中央控制與處理模塊為核心、由現(xiàn)場總線連接的分布式管理網(wǎng)絡(luò)。 3）核心技術(shù)）核心技術(shù) 各類傳感器的數(shù)字化和智能化。 開發(fā)智能化的人機交互模塊。 輸出接口和通信接口的智能化管理。1.2.2 監(jiān)控器的設(shè)計技術(shù)監(jiān)控器的設(shè)計技術(shù) 監(jiān)控器設(shè)計內(nèi)容監(jiān)控器設(shè)計內(nèi)容 監(jiān)控器結(jié)構(gòu)設(shè)計 主要元

22、件的選擇 硬件電路和軟件及其可靠性設(shè)計 早期設(shè)計特點早期設(shè)計特點 按功能選用器件，設(shè)計成多芯片、多電路板結(jié)構(gòu)； 印刷電路板布線復(fù)雜，可靠性差。 1. 硬件設(shè)計的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢硬件設(shè)計的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1）中央處理與控制模塊結(jié)構(gòu)的簡化）中央處理與控制模塊結(jié)構(gòu)的簡化 采用16位單片微機與CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）或PSD（單片機專用的在線可編程外圍器件）結(jié)合的設(shè)計方案。 采用具有工控功能的DSP（數(shù)字處理器）與MCU（微控制器）結(jié)合的設(shè)計。 采用帶有內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器、FLASH存儲器和高驅(qū)動能力輸出端口的高性能微控制器。 2）多處理器技術(shù)多處理器技術(shù)的應(yīng)用的應(yīng)用 監(jiān)控器各功能模塊的功能分散，主

23、要模塊配置獨立處理器件。 模塊間數(shù)據(jù)交換用雙端口RAM（單板結(jié)構(gòu)）、串行或并行系統(tǒng)總線（多板結(jié)構(gòu)）。 高端應(yīng)用高端應(yīng)用 積木結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。 按功能分別設(shè)計帶有處理器和通信接口的獨立模塊；監(jiān)控器按要求選配，用現(xiàn)場總線連接。 3）專用監(jiān)控芯片的開發(fā)與應(yīng)用）專用監(jiān)控芯片的開發(fā)與應(yīng)用 智能監(jiān)控器硬件結(jié)構(gòu)發(fā)展最佳的也是最具應(yīng)用價值的途徑之一。 優(yōu)點優(yōu)點 所有的處理功能基本由硬件實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理速度極大地提高。 監(jiān)控器中的各種功能模塊全部集成于一塊芯片，PCB電路設(shè)計簡單。 體積減小，價格降低，抗干擾能力強。 2. 監(jiān)控器的軟件設(shè)計監(jiān)控器的軟件設(shè)計 早期產(chǎn)品軟件設(shè)計模式早期產(chǎn)品軟件設(shè)計模式 傳統(tǒng)的進程模式或前后

24、臺操作模式。 存在問題存在問題 設(shè)計對硬件依賴性強，功能單一，通用性差 。 程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，代碼編寫困難，重要功能的實時性無法滿足要求。 程序可靠性低，維護非常困難。監(jiān)控器的軟件設(shè)計監(jiān)控器的軟件設(shè)計 現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展 兩種基本軟件設(shè)計模式。 1）模塊化的前后臺操作設(shè)計模式）模塊化的前后臺操作設(shè)計模式 中、小型低端智能監(jiān)控器中使用。 2）嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計模式）嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計模式 高端智能電器監(jiān)控器軟件設(shè)計，滿足系統(tǒng)靈活多變的配置要求嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計模式嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計模式 （1 1）設(shè)計思路與方法）設(shè)計思路與方法 模塊化、層次化設(shè)計模塊化、層次化設(shè)計 軟件按實現(xiàn)功能劃分成模塊，每個模

25、塊完成一種指定的工作任務(wù)。 應(yīng)用程序和各硬件設(shè)備驅(qū)動程序間構(gòu)建一個通用管理平臺，使應(yīng)用程序設(shè)計脫離具體硬件設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)軟件的分層結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)軟件的分層結(jié)構(gòu) （2）特點）特點 程序結(jié)構(gòu)清晰，開發(fā)周期短。 不改變軟件基本結(jié)構(gòu)即可方便地調(diào)整監(jiān)控器外圍硬件與控制功能的配置。 應(yīng)用程序設(shè)計不依賴硬件設(shè)備，程序模塊的通用性和可移植性高。 （3）嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計要求與支持條件）嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計要求與支持條件 軟件結(jié)構(gòu)必須層次化、模塊化。 必須采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)RTOS （Real Time Multi-tasking Operation System）作為軟件管理平臺，按程序模塊的實時性、重要

26、性進行調(diào)度和管理。 已經(jīng)開發(fā)出RTOS軟件通用操作系統(tǒng)平臺，并且開放了相應(yīng)軟件代碼。 3）采用）采用C語言與匯編語言混合編程語言與匯編語言混合編程 支撐條件支撐條件 各類型能支持C語言編程和C與匯編語言混合編程的處理器件及編譯軟件已被開發(fā)。 編程原則編程原則 了解監(jiān)控器采用的處理器件性能和實現(xiàn)的功能。 確定采用C語言編程方式。 建議建議 應(yīng)用層和管理層的通用程序模塊采用C語言。 與硬件關(guān)系密切、實時性要求高的硬件驅(qū)動程序模塊用匯編語言。 優(yōu)點優(yōu)點 復(fù)雜的應(yīng)用和管理模塊程序編寫速度快，可讀性高，使程序模塊具有可移植性。 4）PLC編程思想和藍牙技術(shù)的應(yīng)用編程思想和藍牙技術(shù)的應(yīng)用 采用PLC的的編

27、程思想，開發(fā)出適合用戶使用的二次開發(fā)平臺，可簡化用戶二次開發(fā)。 網(wǎng)絡(luò)軟件二次開發(fā)和現(xiàn)場調(diào)試中使用藍牙技術(shù)，開發(fā)和調(diào)試設(shè)備與現(xiàn)場連接更簡便。 3測量和保護信息的處理技術(shù)測量和保護信息的處理技術(shù) 信息處理目標信息處理目標 現(xiàn)場運行參量信息的采集和處理是智能電器完成監(jiān)測、保護和其他功能的基礎(chǔ) 必須精確控制測量通道中每一個環(huán)節(jié)及信號數(shù)字處理過程的精度。 基本思路基本思路 1）提高傳感器的精度和線性度）提高傳感器的精度和線性度 主要措施主要措施 開發(fā)寬測量范圍的高精度、高線性度的電壓電流傳感器。 開發(fā)具有非線性補償?shù)母黝惙请娏總鞲衅鳌?傳感器和信號調(diào)理電路集成化，減小模擬量調(diào)理電路的分散性。 2）改進）

28、改進A/D變換器的設(shè)計技術(shù)變換器的設(shè)計技術(shù) 主要途徑主要途徑 提高A/D變換器的采樣精度、速度與線性度。 處理器件內(nèi)集成多通道采樣環(huán)節(jié)，提高各通道采樣精度的一致性。 傳感器中集成采樣環(huán)節(jié)，減輕中央控制模塊的數(shù)據(jù)處理負擔(dān)。 3）模擬量通道數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化）模擬量通道數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化 可行方案可行方案 傳感器元件、調(diào)理電路、采樣環(huán)節(jié)、獨立的處理器件和通信接口集成一體； 通過數(shù)字通信接口和現(xiàn)場總線與中央處理與控制模塊連接，實現(xiàn)模擬量數(shù)字傳送。 4）合理選擇中央處理模塊設(shè)計方案）合理選擇中央處理模塊設(shè)計方案 主要措施主要措施 選用處理位數(shù)多、速度快的處理器件，增加采樣點數(shù)，減小數(shù)值計算的截

29、斷（方法）誤差。 采用多處理器技術(shù)，設(shè)置獨立的數(shù)據(jù)處理器，提高數(shù)值計算速度和精度。 5）采用高精度的數(shù)據(jù)處理算法）采用高精度的數(shù)據(jù)處理算法 產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理誤差的原因產(chǎn)生數(shù)據(jù)處理誤差的原因 對被測電量信號采樣用直接交流采樣，結(jié)果用離散數(shù)字算法處理。 影響方法誤差的主要因素影響方法誤差的主要因素 對被采樣信號的采樣點數(shù)和采用的處理算法。 減小方法誤差的方法減小方法誤差的方法 提高A/D變換速率和處理器件的處理速度，增加一個電源周期中的采樣點數(shù)。 在較低采樣速率下采用截斷誤差小算法。 使用內(nèi)置特殊處理功能的DSP專用控制芯片，用浮點運算替代定點運算。 6）高速高精度的保護信號分析算法）高速高精度的保護

30、信號分析算法 快速傅里葉變換快速傅里葉變換FFT 中壓開關(guān)設(shè)備監(jiān)控器中常用全波和半波傅里葉變換算法。 小波變換小波變換WT WT WT在時、頻兩域都能表征信號的局部特征，適于處理信號的瞬態(tài)或奇異點； 可快速、準確判斷高壓、超高壓系統(tǒng)短路故障 。 4. . 關(guān)于電磁兼容性問題關(guān)于電磁兼容性問題 當前常用提高當前常用提高EMC的主要措施的主要措施 科學(xué)合理地布置印刷電路板線路，減少電路分布參數(shù)耦合產(chǎn)生的干擾。 合理選擇和配置線路濾波器； 采取合理的接地措施，旁路由電路引入的干擾。 設(shè)計可靠的電磁屏蔽。 提高監(jiān)控器軟件的抗干擾能力。 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 電磁環(huán)境的計算機輔助分析CAS。 PCB電磁兼容

31、性的CAS和布線計算機輔助設(shè)計CAD 。 改進集成電路元件線路和封裝設(shè)計。 線路濾波器的應(yīng)用研究。 功能模塊高度集成化、連接網(wǎng)絡(luò)化 。 監(jiān)控器專用芯片化。 智能電器電磁兼容性能的系統(tǒng)化設(shè)計 特點 依賴數(shù)學(xué)建模和仿真，不制作實體樣機，可以縮短研發(fā)周期，降低成本，提高設(shè)計效率。 方法 設(shè)計初始階段,根據(jù)產(chǎn)品的電磁兼容性能分配設(shè)計指標； 在局部性能優(yōu)化的基礎(chǔ)上進行總體合成； 使得EMC問題的定位與解決有明確的目標。 1.3.3 電器元件工作機理的變革電器元件工作機理的變革 1二次元件無觸點化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化二次元件無觸點化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化 二次回路中沒有傳統(tǒng)繼電器的操作機構(gòu)和可見的電氣接點； 控制電

32、器工作機理和結(jié)構(gòu)已根本改變。 信息輸入元件與監(jiān)控器間經(jīng)數(shù)字通信傳遞由信息。 2. 新型開關(guān)操動機構(gòu)及控制方法的開發(fā)新型開關(guān)操動機構(gòu)及控制方法的開發(fā) 智能電器元件的工作特點智能電器元件的工作特點 監(jiān)控器根據(jù)被監(jiān)控對象不同的運行狀態(tài)，控制元件操作機構(gòu)實現(xiàn)智能操作。 采用電能控制其操作的開關(guān)元件，原則上都可以實現(xiàn)操作的智能控制。 傳統(tǒng)斷路器實現(xiàn)操作智能控制存在的問題傳統(tǒng)斷路器實現(xiàn)操作智能控制存在的問題 操動機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動作時間長、分散性大。 動作特性隨運行時間、操作次數(shù)增加變化。 彈簧操作機構(gòu)中彈簧反力難于控制。 實現(xiàn)智能操作的途徑實現(xiàn)智能操作的途徑 開發(fā)新的智能控制原理及控制電路設(shè)計方法。 變革操動機構(gòu)的設(shè)計思想。 研究現(xiàn)狀及成果研究現(xiàn)狀及成果 （1）永磁操動機構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用）永磁操動機構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用 機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，動作一致性、穩(wěn)定性好，速度易于控制。 用作智能化中、低壓真空斷路器操動機構(gòu)。 （2）超高壓斷路器和接觸器操作智能控制）超高壓斷路器和接觸器操作智能控制 操動機構(gòu)操作的智能