智能电器1.ppt

1、第第1章章 绪论绪论本章主要内容：（1）智能电器与电器智能化基本概念（2）电器智能化的应用（3）电器智能化发展的现状和前景；（4）本课程学习的主要内容 如何理解“智能”和“电器”？什么是智能？什么是电器？电器-用于控制电路或实现电能转换及检测电参数的硬件设备或装置。凡是根据外部指令或预定的功能，自动或手动、连续或断续地改变电路参数，实现对电路或非电对象的切换、控制、检测和能量变换的电气设备都属电器的范畴。电器的分类 -我们一般把强电领域的技术问题称之电气工程，而把弱电领域的技术问题称之电子工程，电器是强电领域的概念，因此可以说电气工程领域的硬件都属电器的范畴，电器是电气工程的物质基础。(电机、

2、变压器、输电线、电光电热等单列)-我们把用于功率控制的电力电子装置作为广义的电器对待，因为电器的智能化将越来越依赖电力电子技术来实现。电器的分类一般按工作职能和使用领域分类：电器的分类一般按工作职能和使用领域分类：高压电器高压电器-额定工作电压在1kV以上，主要用于电力系统，少量用于脉冲功率技术和特种电源中。一般包括：断路器、负荷开关、熔断器、避雷器、互感器与电抗器等。低压与家用电器低压与家用电器-额定工作电压在1kV以下，主要用于电力拖动和家庭电气设施，包括：断路器、接触器、组合（自动）开关、低压熔断器、低压避雷器、磁力启动器，家用电热、制冷、电动工具和照明等。测量电器测量电器-电量传感器（

3、包括电流互感/传感器，电压互感/传感器），非电量（输出为电量的）传感器能量转换电器能量转换电器-高压电容器、电抗器、电磁铁，电热、电声、电光电机等。特种电器特种电器-矿用电器、航空、舰船与铁道电器等。电力系统中的高、低压电器以开关电器为主；开关电器中又以断路器为主要的和典型的研究对象，工作条件最苛刻，以三相交流电源为主。-从产业分工和结构方面，我们还可以把电器分为电器元件和成套电器，后者一般要结合纯电子控制装置组成一个功能系统，实际上已成为广义的电器了。电器的典型结构 1）高压开关电器 高压断路器是最典型的高压开关电器，作为短路保护可以分断几万安培的短路电流。典型的真空断路器由灭弧室、操动机构

4、、框架和辅助开关等组成。灭弧室由弹簧储能操动机构驱动，其动作指令由开关柜上的继电保护系统给出，开关上的若干组辅助触点可反映开关的状态，并可供外部电路使用。真空灭弧室是开关的核心，当操动机构接到指令开始分闸操作时，处于闭合状态的真空灭弧室触头分离拉出电弧，在交变电流零点时电弧熄灭，完成电路分断功能。真空断路器-12kV系列1）高压开关电器（续）真空开关对其操动机构的要求严格，随时准备动作，决不允许拒动或误动，一般采用储能的方式排除其能源故障带来的隐患。目前中压领域最新进展是永磁操动机构，可以与电子计算机控制匹配达到很高的时间控制精度，实现开关的动作相位控制，因之 也称作电子操动。开关的框架主要

5、应有绝缘方面的保 证，固定处于高电位 的灭弧室。此外还 附加有进行自诊断 装置，有的高压开关整体封闭在一个绝缘气体柜内。2）低压开关电器）低压开关电器 塑壳空气开关是典型的低压电器，一般由灭弧室、操动机构、骨架和外壳以及过流脱扣装置等组成。以前低压系统大量使用各种熔断器，塑壳开关中有过流保护脱扣装置，各分支可以省去熔断器，从而简化了系统。塑壳断路器采用了先进的灭弧系统，使开关利用电弧自身能量分割成许多小段，很容易在短路电流达到峰值前将其熄灭，从而使实际电弧的电流峰值和能量远没达到预期值，我们称之限流开断。限流的最大意义在于，降低了整个系统可能承受的电流极限，在系统电动力和热稳定方面有了更好的保

6、证。此外由于实际承受的电弧能量较小，灭弧室的体积也可以做的较小，这是限流断路器的又一优越性。低压断路器3)测量与能量转换电器测量与能量转换电器 目前电力系统中最典型的测量电器是各种电流互感器和电压互感器。功率计量主要的计算测得的电流和电压。电力系统用的电流互感器也称Ct，其一般结构是在环型铁心上绕一定匝数的二次线圈，主电流穿过环型线圈视作单匝的一次线圈。低压互感器与高压互感器的结构基本一致，只是一次和二次线圈之间的绝缘水平的差异。电压互感器实际上就是小功率降压变压器，也称Pt。新型测量电器也在向智能化方向发展，称之智能检测，所用硬件有本质上的改变：能量需求大大降低，数字输出，本身自诊断等。3)

7、测量与能量转换电器测量与能量转换电器能量转换电器范围很广，实际上电机是应用最广的机电能量转换系统，但它的研究已自成体系，成为专门的学科。除电机以外的电磁（机械）、电热、电光、电声等虽然都有自己专门领域，但都仍属于电器范畴。这部分器件直接与人们的日常生活相关，与电能的使用相关，是我们电气工程的边界，是我们必须掌握的知识。如电热器：直接欧姆热、涡流效应（电磁灶）、中频加热、微波加热、电弧炉、等离子体焚烧等等。开关柜开关柜1）Pt、Ct，二次计量、显示仪表2）断路器（手车）或负荷开关+熔断器3）保护控制装置（继保）4）其他如4）家用电器）家用电器 随着经济和社会的发展，家用电器的用电量在电能消耗中的

8、比例越来越大，反映了家用电器的使用量的急剧增加。虽然其内涵主要是上述能量转换电器，但更多的结合了电子技术，技术含量越来越高。因此，有必要把它们单列一类，进行分析研究。当然，现代高档的音像设备和太阳能设备、电动车等，主要是相关领域的研究对象，只在家电中归类。5）成套电器和电力系统自动化装置）成套电器和电力系统自动化装置 现代成套电器是电气工程与电子工程结合的产物，它不但的电器元件的集成，更主要的是其功能的完备，作为一个系统直接完成用户的服务功能。1.1 电器智能化概述电器智能化概述 电器技术的研究主要针对电路监测、控制电路的接通或分断操作的设备，主要用于电力传输与分配、电力系统继电保护、工业及民

9、用用电设备供电、控制与保护等场合。包括电压/电流互感器、变压器以及各种开关电器。本课程涉及的电器仅指开关电器及其成套设备。智能电器和电器智能化是电器学科的一个新的发展领域，是传统电器与现代传感器技术、微机与数字控制技术、微电子技术、电力电子技术及计算机通信技术等各门类学科结合的产物。1.1.1 电器智能化与智能电器电器智能化与智能电器 电器智能化包含了智能电器的内容，但它绝对不等同于智能电器。智能电器是指智能化了的开关电器元件或成套开关设备，是一种具体的有形的产品。电器智能化应当是一种理念，一种方法，也是一种发展和进步过程。是以智能电器这种有形产品为基础建立的相关学科知识及应用技术的系统集成。

10、智能电器元件和智能开关设备的定义智能电器元件和智能开关设备的定义 智能电器元件 由一次开关元件及其数字化智能监控器组成，具有自动监测和识别元件运行状态的功能，并能根据运行状态选择操作命令类型，实现机构操作智能控制的电器元件。智能开关设备 由替代二次回路的数字化智能监控器和一次开关元件组成的开关设备。1.1.2 1.1.2 智能电器的基本特点智能电器的基本特点 1.现场参量处理数字化 2.电器元件的多功能化与智能操作 3.电器设备的网络化 4.可实现真正分布式管理与控制 5.可以组成真正全开放式系统1.1.3 智能电器一般组成结构智能电器一般组成结构 智能电器元件和智能电器成套设备都 包含一次元

11、件和智能监控器。从工作原理上看，智能电器监控器具有相同的模块结构，由输入、中央处理与控制、输出、通信、人机交互和电源6大模块组成。但是无论在实现的主要功能和实际物理结构上，二者仍然存在某些差别。3.智能电器元件与开关设备的区别智能电器元件与开关设备的区别（1）物理结构）物理结构 智能电器元件的监控单元通常与被监控的单个开关电器集成为一个整体。智能开关设备包含由一次电路中的全部电器元件以及一个物理结构上相对独立的智能监控单元。（2）监控器的结构）监控器的结构 两种监控器结构基本相同，但在输入、输出端口通道配置及监测模块设置等方面有较大的区别。1 1）输入信号来源及通道数量）输入信号来源及通道数量

12、 电器元件 输入信号主要是开关元件自身的各种运行状态、参数和特性，数量比较少。智能开关设备智能开关设备：输入信号主要来自受开关设备控制和保护的对象，输入参量和输入通道数量更多。2）输出通道的结构设置）输出通道的结构设置 智能电器智能电器：通道的结构设置取决于开关元件操动机构及其智能操作方式，输出信号类型、驱动方式及执行元件应根据开关元件操动机构及操作执行方式配置，一般来说为数字量输出。智能开关设备智能开关设备：输出信号基本为开关量，通道数量一般比较多，结构比较简单，执行元件大多采用继电器或电力电子开关器件。3）人机对话（操作显示）模块）人机对话（操作显示）模块 智能电器元件：智能电器元件：通常

13、为可选项，必须设置时，操作和显示比较简单。智能开关设备：智能开关设备：必须设置，能实现传统成套开关设备中二次电路的全部测量功能，还要完成保护特性和参数的设定、功能的投退等功能。从近几年发展的趋势看，一些高端智能电器元件的人机交互模块已经有非常完整的功能，在显示方式、功能设置等方面，与智能开关设备已基本一致。4）通信模块）通信模块 智能电器元件：智能电器元件：根据需要配置。一般独立使用的元件勿需设置，例如智能化的低压中小型塑壳断路器中大多不配置。智能开关设备：智能开关设备：必须配置。作为输、配电系统自动化的底层和现场设备，必须通过通信网络完成与控制管理中心间大量信息的传递。5）中央控制与处理模块

14、的功能）中央控制与处理模块的功能 智能电器元件智能电器元件 完成对元件运行状态和参数的检测和处理，根据处理结果实现开关电器操作的智能控制和状态的在线监测。智能电器元件监控器的中央处理与控制模块组成差别较大，采用的处理器件性能、价格及其外围电路配置差别也很大。智能开关设备智能开关设备 完成开关设备及其控制对象工作状态和运行参数的监测和处理，实现传统成套开关设备二次电路中全部测量、保护和控制，并在网络上层监控设备管理下，实现设备的四遥功能。一般来说，智能开关设备监控器的中央处理与控制模块结构比较复杂，选用的处理器件性能和外围电路的配置要求较高。尽管智能电器和智能开关设备间有许多不尽管智能电器和智能

15、开关设备间有许多不同，但近年来，二者的功能已经有逐步一同，但近年来，二者的功能已经有逐步一致的趋势。特别是智能低压配电电器，其致的趋势。特别是智能低压配电电器，其监控器基本具备了开关设备监控器的全部监控器基本具备了开关设备监控器的全部功能，可以直接安装在开关柜的面板上，功能，可以直接安装在开关柜的面板上，完成要求的监测、操作、保护、控制和通完成要求的监测、操作、保护、控制和通信功能。信功能。以后的课程学习中，如果没有特别的说明，以后的课程学习中，如果没有特别的说明，二者将统一称为智能电器二者将统一称为智能电器1.1.4 电器智能化网络概述电器智能化网络概述 定义定义 采用数字通信技术，把系统监

16、控与管理设备与工作现场的智能电器，用通信介质连接成类似计算机通信网络的系统，实现对设备运行、用电质量、供电质量及供电系统的智能化、自动化管理与控制。这种网络即可称为电器智能化网络。1.结构组成结构组成 （1）现场设备层）现场设备层 网络中的最底层。各种不同类型、不同生产厂家提供的智电器作为现场设备。现场设备可由选定的现场总线连接或与作为网络管理设备的PC/PLC连接，组成现场层（底层）网络；也可通过专用通信接口直接接受局域网络层的管理。现场层网络还可通过中继器、HUB（集线器）、网桥来扩大其覆盖范围。（2）局域网络层）局域网络层 局域网络层由现场设备层网络、通信控制器和具有独立协议转换接口的现

17、场设备与后台管理设备组成，它们都是这一层网络的节点。网络采用以太网(Ethernet)。局域网经路由器连接，可组成更大的网局域网经路由器连接，可组成更大的网络；通过网关和网络互联技术可实现不同络；通过网关和网络互联技术可实现不同局域网间的互联互访；还可通过调制解调局域网间的互联互访；还可通过调制解调器（器（Modem）用电话网或无线网与远方的）用电话网或无线网与远方的高层管理系统连接。高层管理系统连接。（3 3）通信层）通信层 局域网中的底层网使用的现场总线不同，通信介质不同，通信协议与以太网也不相同，必须通过通信层进行协议转换后，才能与以太网联接。通信层可以是一台作为通信控制器的专用计算机，

18、也可以是现场层管理设备或局域网后台管理设备服务器中的协议转换软件。2电器智能化网络的主要特点电器智能化网络的主要特点 （1）现场设备必须具有独立的监控、测量、保护、操作功能，并且具有通信能力。（2）网络应允许不同制造商、不同类型的产品互连。（3）能包容采用不同传输介质、不同通信协议的底层网或具有独立转换接口的开关设。（4）必须保证各类实时数据在网络中传输的实时性、准确性。（5）通过数字通信和数据库管理系统，局域网后台管理设备能实现对网络中各现场设备运行状态的实时监控和管理；设置现场设备在网络中的地理位置和设备功能，按地理信息显示现场设备运行状态；完成网络结构的组建和重构。（6）不同网络的信息共

19、享。（7）网络运行必须稳定、可靠，以保证现场设备安全运行。1.2 电器智能化的应用电器智能化的应用 电器智能化是实现电力系统自动化、各类低压配电系统智能化的基础，也是提高电力用户用电质量和用电安全性、可靠性的主要方法。在现代工业设备运行的监控、保护及分布式管理方面，电器智能化也有着广阔的应用前景。从以下几方面简单说明。1.2.1 在电力系统自动化中应用在电力系统自动化中应用 电器智能化技术可以应用在电力系统发、输、配、供、用各个环节。但是由于使用现场环境等原因，国内当前主要用于发电厂和各类变电站综合自动化、低压配电网自动化及其电能质量管理等方面。简要介绍电器智能化在变电站综合自动化、低压配电网

20、自动化及其电能质量监控、电力设备在线监测方面的应用。1.变电站综合自动化中的电器智能化技术变电站综合自动化中的电器智能化技术 变电站综合自动化系统是一种数字化的分布式控制与管理系统。结构组成结构组成 带有智能RTU（Remote Terminal Unit）的一次开关设备，组成间隔层微机综合保护与监控装置；后台通信处理与数字信息管理设备；微机化的继电保护装置；数字通信网络。功能功能 综合变电站设备的控制、保护、实时数据处理、监测、自动远动等功能；实现全站的自动监视、测量、控制、保护、电能质量监测的综合管理。在综合自动化管理的变电站中，现场智能开关设备按分层、分布式的网络结构组成。设备的保护与监

21、控功能被分散到各保护小室或开关设备，现场设备通过通信网络与控制室后台管理设备交换各种信息。因此，具有综合自动化管理系统的变因此，具有综合自动化管理系统的变电站又称为分布式变电站。电站又称为分布式变电站。变电站综合自动化系统典型结构示意图变电站综合自动化系统典型结构示意图 变电站综合自动化系统的主要特点变电站综合自动化系统的主要特点 1）减少了控制室中的屏位，占地面积小。2）减少了传统变电站从现场设备到控制室传送信息的电缆长度和数量，节约了投资，避免了长电缆对地电容对继电保护设备可靠性的影响。3）可以自动实现现场设备的遥控、遥调、遥信和遥测即四遥功能。4）可自动根据要求按照定时、事件触发、人工召

22、唤3种方式打印所需的报表，为运行管理和调度部门提供需要存档的各种统计记录文件。5）实现下层配电变电站和供电变电站的无人值守，减少区间变电站以上变电站的运行人员，提高电力系统的运行效率。2.电器智能化在低压配电网自动化中的电器智能化在低压配电网自动化中的应用应用 低压配电网是电力系统的供、用电环节，完成电能对电力用户的分配、监控与管理。低压配电网的运行状态直接反映电力系统对用户的供电质量和用电负载对电网的各种影响，其自动化监测与管理是现代电力系统自动化的重要组成部分。实现低压配电网自动化的原因实现低压配电网自动化的原因 1）办公自动化、民用建筑管理智能化的发展，农业用电和农村供电水平的提升，对低

23、压配电网供电质量的要求越来越高。2）工业化和铁道、轻轨等交通电气化程度的提高，大功率、非线性用电负载容量持续增加，给低压配电网造成的各种污染，严重地影响了电网的供电质量。因此，低压配电网必须具有自动化、智能化的管理，电力部门才能更有效地监管用电负载，自动调节大容量负载的用电时段，抑制大功率、非线性负载对电网的冲击和污染，提高供电质量和电网运行效率。这样，才能满足电力用户对供电电网提出的要求。当前实现低压配电网自动化的条件当前实现低压配电网自动化的条件 1）系列智能化低压配电电器如低压断路器、双电源自动转换器和电能质量管理器等的开发与应用。2）各种现场总线、以太网和适应电力系统运行特点的通信协议

24、不断完善，通过通信控制器，可以把完成不同供配电功能的智能电器、电能质量管理器与配电网后台管理设备连接成智能化低压配电网。3）各种监控与数据管理软件SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）的开发，后台管理设备可从现场智能电器取得电网的各种运行数据，对电网的工作状态进行分析，并根据分析结果完成对配电网工作的监控、保护与管理。低压配电网自动化的工作要求低压配电网自动化的工作要求 1）在供电线路出现故障时，自动切换供电线路或启动备用电源，并调整用电负荷，保证重要负载在允许的停电时间内重新得到供电。在供电线路故障排除后，能尽快恢复对所有用电负载的供电

25、。2）便于力部门对影响电网运行质量的各类大功率负载采取相应的强制措施，从而抑制这些负载对电网的谐波污染，减小供电电网电压波动及电压闪变，提高电网的功率因数，降低电网的运行成本。3.电力设备在线监测电力设备在线监测 国内电力设备检修现状及存在的问题国内电力设备检修现状及存在的问题 迄今为止，国内电力部门对影响电力系统运行安全的各种设备如变压器、开关设备、馈电线路等都采用“定时检修”的规则。这在一定程度上预防了供电系统的事故发生，保证了供电安全。存在问题存在问题 1）在设备无故障时也必须停电检修，使大面积用户的供电停止。2）对电力设备，特别是开关设备的运行可靠性造成不利的影响。3）对两次检修周期中

26、设备可能出现的故障无法预测，一旦出现故障，也无法很快确定故障设备的位置和故障原因。如果在检修周期未到时设备发生了故障，需要较长的时间查找和分析故障设备的位置和原因，造成大面积的长时间停电。在线监测与电力设备的在线监测与电力设备的“状态检修状态检修”在线监测装置是电器智能化网络中的现场节点，能实时在线监测影响电力设备安全运行的参量，并通过网络将结果及时传送到后台管理系统。管理系统采用相应功能的软件对得到的数据进行处理、分析和判断，为电力部门的电力设备检修计划提供更为科学的依据，实现电力设备的“状态检修”，可根本克服“定时检修”存在的问题。1.2.2 在工业自动化中的应用在工业自动化中的应用 微机

27、控制技术、电力电子技术和现场总线技术的应用与发展，现代工业自动控制系统与工业自动化技术已经发生了根本的变化。采用以各种嵌入式控制系统为核心、电力电子装置为电压或功率控制环节的新型控制装置，可构建以现场总线为底层网络的工业控制局域网，实现对现代工业企业生产自动化的全面管理。工业控制局域网中智能电器的功能工业控制局域网中智能电器的功能 在工业控制局域网中，现场监控设备包括生产设备的微机控制器和低压智能电器监控器。微机控制器功能微机控制器功能 根据生产设备的工作流程、运行状态及工作参量等信息，独立完成对设备工作的自动控制，向后台管理设备传递相关信息，并接受其发出的各种调节参数和操作控制的指令。智能电

28、器监控器的功能智能电器监控器的功能 （1）监测生产设备供电线路及设备本身运行状态对供电线路的影响，控制供电电源的接通/分断。一旦出现异常，自动分断主电路中的开关电器或发出故障报警信息，实现对生产设备的保护。（2）向后台管理系统传送运行过程中与供电电网相关的各种信息（设备故障信息、用电量、功率因数、谐波、对电网的其他干扰等），为企业用电的全面管理提供实时、有效的数据。典型应用典型应用电动机控制中心电动机控制中心MCC（Motor Control Center）1.基本结构 需要集中监控的各电动机智能控制系统的元件和电路组装成的单元（抽屉）；由各单元组合成的整体控制装置；中心管理设备（工控PC或P

29、LC）。把中心管理设备、各智能单元和选定的现场总线，按分布式管理系统结构组成数字通信网络。抽屉中包含电动机工作控制的微机控制器和智能低压电器及其监控器，分别完成被监控电动机的自动控制和多功能状态监测与保护，并通过通信网络与中心管理设备交换信息，接受中心管理设备管理。MCC管理设备的主要功能管理设备的主要功能 中心管理设备执行系统监控软件，实现对现场数据的监测与处理、电动机运行的“四遥”和网络管理。实现方法：实现方法：1）采用轮询方式，接收现场设备发送的各电动机工作信息。2）分析收到的信息，并根据分析结果进行相应的处理。3）设置或修改现场电动机的保护特性和运行参数。4）需要增、减MCC系统中电动

30、机数量时，自动调整系统配置。1.2.3 电器智能化在楼宇自动化管理中的应用电器智能化在楼宇自动化管理中的应用 楼宇自动化管理是现代化城市发展的重要标志之一，用电管理智能化是其中十分关键的环节。功能功能 供电质量监控、用电费用统计和用电安全保证等。实现方法实现方法 采用低压智能断路器作为电网中的线路开关和用电负载开关。组成智能化分布式监控与管理网络，实现对供电电源、配电线路及开关设备、用电负载等的监管。完成功能完成功能 1）通过对供电系统的监测，在供电线路发生故障后能及时切换供电线路或起动备用电源，保证重要用户的连续供电。2）配电网中开关设备的智能监控器实时在线监测线路及用电负载，可以及时发现故

31、障隐患，向管理中心发出预警信息。3）开关设备的智能监控器能够及时切除已经发生的故障，并把故障位置、事故类型通知管理中心，从而防止事故扩大，也能尽快排除故障，提高建筑物供电质量。4）智能电器监控器可集成智能计量功能，自动统计各用户的用电量，并把计量结果发送到楼宇管理中心，实现用户用电智能抄表，既节省了人力，也便于对恶意欠费的用户进行有效的监管。1.3 电器智能化技术的发展电器智能化技术的发展 电器智能化技术几乎是与微机特别是单片微机控制技术、微电子技术、计算机通信网络技术和传感器技术同步发展的。20多年来，智能电器已经从简单采用微机控制取代传统继电器控制的封闭式装置，发展成具有较完整的理论体系和

32、多学科交叉的电器智能化系统。从监控器功能、控制技术、电器元件的工作机理变革与智能化网络四方面进行讨论。1.3.1 监控器功能的完善与开发监控器功能的完善与开发 早期的电器智能控制器受到处理器件性能和数字通信网络技术的限制，只能针对某一特定的对象进行设计，功能单一，采用封闭式控制模式。当前市场提供的智能监控器的基本功能当前市场提供的智能监控器的基本功能 （1）现场运行参量的监测及其当地数字化显示并通过通信网上传（测量/遥测）。（2）由键盘、面板开关及通信口完成就地/远方调控（就地设置与操作/遥调与遥控）。（3）记录被监控对象的运行状态及现场运行工况，经通信口上传（遥信）。（4）判断有无故障及故障

33、类型，在出现故障后完成相应的操作（保护）。（5）对监控器的主要硬件设备和被控对象的故障诊断（自检与故障诊断）。（6）采用统一的通信协议或协议转换技术，完成后台设备与运行现场间各类信息的交换，实现对系统中各现场设备的综合监控和管理，并保证通信网络（系统）的开放性（通信）。（7）一次开关元件的在线监测，实现电器元件的故障预测和诊断。发展趋势发展趋势 随着现场总线技术日臻完善，监控器各的功能高度分散，各功能模块组成一个以中央控制与处理模块为核心、由现场总线连接的通信网络。核心技术核心技术 各类传感器的数字化和智能化。开发智能化的人机交互模块。输出接口和通信接口的智能化管理。1.2.2 监控器的设计技

34、术监控器的设计技术 监控器是完成智能电器各种功能的物理设备。其主要元件的选择、硬件电路和软件的设计，都直接影响到产品的功能、可靠性、通用性等综合指标。早期设计基本是按功能部件选用器件，设计成多芯片、多电路板结构，电路元件和部件间连线多，印刷电路板布线复杂，可靠性差，电磁敏感性高，极易受干扰。1.硬件设计的现状与发展趋势硬件设计的现状与发展趋势 （1）中央处理与控制模块结构的简化）中央处理与控制模块结构的简化 采用16位单片微机与复杂可编程逻辑器件CPLD或单片机专用的在线可编程外围器件PSD结合的设计方案。采用具有工控功能的数字处理器DSP与微控制器（MCU）结合的设计。采用带有内部A/D转换

35、器、FLASH存储器和高驱动能力输出端口的高性能微控制器。（2）多处理器技术多处理器技术的应用的应用 监控器各功能模块的功能分散。各模块间的数据交换用双端口RAM（单板结构）、串行或并行系统总线（多板结构）。近年来，国外开发了积木结构的产品，对每一种特定功能，设计一个独立的模块，有自己的处理器和通信接口，用现场总线连接，监控单元可按设备要求选配功能模块。（3）专用监控芯片的开发与应用）专用监控芯片的开发与应用 是智能监控单元硬件结构发展最佳的也是最具应用价值的途径之一。优点优点 所有的处理功能基本由硬件实现，数据处理速度极大地提高。监控器中的各种功能模块全部集成于一块芯片，PCB电路设计简单，

36、体积减小，价格降低，抗干扰能力强。2.监控单元的软件设计监控单元的软件设计 早期产品软件设计模式早期产品软件设计模式 按传统的进程模式（前后台操作）设计程序。存在问题存在问题:（1）功能比较单一，设计对硬件依赖性强，无通用性。（2）功能较多时，程序结构复杂，代码编写困难，重要功能的实时性很难甚至无法满足要求。（3）程序可靠性低，用户难以进行二次开发。现状与发展现状与发展 根据智能电器完成的功能和应用目标，当前软件设计模式基本有两种。（1）传统的进程式设计模式）传统的进程式设计模式 在小型低端的智能监控器中仍然使用。（2）嵌入式系统软件设计模式）嵌入式系统软件设计模式 嵌入式式系统设计理念的提出

37、，各类处理器件功能的不断完善，为高端智能电器监控器采用嵌入式设计模式电动了基础。软件设计必须采用相应的设计模式，以满足系统灵活多变的配置要求。方法方法 模块化、层次化设计模块化、层次化设计 1）按完成的功能把软件划分成不同的模块，每一个模块对应一种功能，完成一种指定的工作任务。2）在应用程序和各种硬件设备驱动程序间构建一个通用管理平台，使应用程序设计脱离具体硬件设备。特点特点 1）程序结构清晰，开发周期短。2）不改变软件基本结构即可方便地调整监控器外围硬件与控制功能的配置。3）应用程序设计不依赖硬件设备，提高程序模块的通用性和可移植性。优点优点 1）有利于软件的模块化设计。2）应用程序模块的设

38、计勿需了解硬件设计细节。3）便于硬件设备配置的增减与提升。4）采用高级语言编程，程序可移植。嵌入式系统软件设计要求与支持条件嵌入式系统软件设计要求与支持条件 1）软件设计必须层次化、模块化。2）必须采用多任务管理平台实时多任务操作系统（Real Time Multi-tasking Operation System，RTOS）作为软件管理层，按程序模块的实时性、重要性，对各任务模块进行调度和管理。3）国外已经开发出嵌入式系统软件的通用操作系统平台，并且开放了相应的软件代码。（3）采用）采用C语言与汇编语言混合编程语言与汇编语言混合编程 支撑条件支撑条件 各处理器件生产厂商开发了不同类型能支持C

39、语言编程和C与汇编语言混合编程的处理器件。编程原则编程原则 根据采用的处理器件性能和监控器实现的功能，确定单纯采用C语言或 C与汇编语言混合编程方式。一般采用嵌入式软件模式设计时，建议所有应用层和管理层的通用程序模块均采用C语言编写，与硬件关系密切、实时性要求又高的硬件驱动程序模块采用汇编语言编写。优点优点 提高复杂的应用和管理程序模块的编写速度和程序的可读性，使这类程序模块具有可移植性。（4）PLC编程思想和蓝牙技术的应用编程思想和蓝牙技术的应用 为了使用户的二次开发更加简单、方便，近年来国内外智能电器领域的开发商正尝试采用的PLC编程思想，开发出更适合用户使用的二次开发平台。在电器智能化网

40、络软件的二次开发和现场调试中使用蓝牙技术，还是一种新的尝试。3测量和保护信息的处理技术测量和保护信息的处理技术 测量运行参量，智能电器完成测量结果显示、保护和其他功能的基础，是对现场运行参量信息的采集和处理。为保证测量和保护的精度要求，必须精确控制测量通道的每一个环节及信号数字处理过程的精度。基本思路基本思路 （1）改变传感器设计方法，）改变传感器设计方法，提高其精度提高其精度和线性度和线性度 主要措施主要措施 1）开发宽测量范围的高精度、高线性度的电压电流互感器 2）开发具有非线性补偿的各类非电量传感器。3）传感器和信号调理电路集成化，使其输出为中央处理模块可以直接采样的模拟量信号的平均值或

41、有效值，减小模拟量调理电路的分散性。（2 2）数字化、智能化、网络化）数字化、智能化、网络化 把传感器元件、调理电路、采样环节和独立的处理器件集成为一体，用数字通信网络与中央处理与控制模块连接。是传感器未来的发展方向。（3）改进）改进A/D变换器的设计技术变换器的设计技术 1）提高A/D变换器的采样精度与速度。2）DSP和MCU内集成多通道A/D转换器，提高各通道采样精度的一致性。3）把A/D转换器集成到传感器中，使模拟量的采样和转换控制功能与中央控制模块的监控功能分离。(4)(4)合理选择中央处理模块的设计方案合理选择中央处理模块的设计方案 1）采用处理位数多、速度快的处理器）采用处理位数多

42、、速度快的处理器 增加采样点数，减少数值计算时的截断（方法）误差。2）采用多处理器技术 数据处理和完成其它功能的处理器分别设置，用现场通信的方法进行协调和管理，提高数值计算的速度和精度。（5）采用高精度的数据处理算法）采用高精度的数据处理算法 智能电器对电量信号的采样使用直接交流采样，采样结果的处理采用离散的数字处理算法，这些算法必然会产生方法误差（截断误差截断误差）。）。影响方法误差的主要因素影响方法误差的主要因素 对被采样信号的采样点数和采用的处理算法。减小方法误差的方法：减小方法误差的方法：1）提高A/D变换速率和处理器件的处理速度，增加一个电源周期中的采样点数。2）在较低采样速率下采用

43、截断误差小算法。3）使用内置特殊处理功能的DSP专用控制芯片，用浮点运算替代定点运算。（5 5）高速高精度的保护信号分析算法）高速高精度的保护信号分析算法 1）快速傅里叶变换FFT 全波和半波傅里叶变换是中压开关设备监控单元中的常用算法。2）小波变换WT WT具有在时、频两域都能表征信号局部特征的能力，因此在处理信号的瞬态或奇异点方面有特殊的优越性，可以快速、准确判断高压、超高压系统短路故障。4.4.关于电磁兼容性问题关于电磁兼容性问题 目前常用提高目前常用提高EMC的主要措施的主要措施：1）科学合理地布置印刷电路板线路，减少电路分布参数耦合产生的干扰。2）合理选择和配置线路滤波器；3）采取合

44、理的接地措施，旁路由电路引入的干扰。4）设计可靠的电磁屏蔽，避免空间电磁场对监控单元的干扰。5）提高监控单元软件的抗干扰能力。发展趋势发展趋势 1）电磁环境的计算机辅助分析CAS。2）PCB电磁兼容性的CAS和布线计算机辅助设计CAD。3）集成电路元件线路和封装设计的改进。4）线路滤波器的应用研究。5）功能模块高度集成化、各功能模块间连接网络化。6）监控器硬件电路专用芯片化。1.3.3 电器元件工作机理的变革电器元件工作机理的变革 1二次元件二次元件无触点化、数字化、网络化无触点化、数字化、网络化 所有二次回路的功能由微控制器和数字集成电路完成，没有传统二次回路中的制电器的操作机构和可见的电气

45、接点。控制电器工作机理和结构发生了根本的变化。未来的控制按钮、键盘等，将是具有独立控制和通信功能的智能元件，成为智能监控器通信网络中的一个节点。2.新型开关操动机构及控制方法的开发新型开关操动机构及控制方法的开发 智能电器元件的监控器应能根据被监控对象不同的运行状态，输出不同的操作控制指令，使开关元件的操作机构按最佳的分、合闸特性工作，即实现所谓操作的智能控制。原则上，任何采用电能控制其操作的开关元件，都可以实现操作的智能控制。传统断路器操作智能控制实际存在的问题传统断路器操作智能控制实际存在的问题 操动机构结构复杂，机构的动作时间长、分散性大；动作特性随运行时间、操作次数增加而变化；弹簧操作

46、机构中弹簧反力难于控制。实现智能操作的途径实现智能操作的途径 （1）开发新的智能控制原理及控制电路的设计方法。（2）操动的机构设计思想的变革 研究现状及成果研究现状及成果 （1）永磁操动机构的开发与应用 结构简单，动作一致性、稳定性好，机构动作速度易于控制，是当前智能化的中、低压断路器一种较理想的操动机构。（2）超高压断路器的液压操动机构、传统接触器的电磁操动机构操作的智能控制方法和控制器的开发，已经取得了实际的成果。1.3.4 电器智能化网络设计的现状与发展电器智能化网络设计的现状与发展 1.网络的结构形式网络的结构形式 电器智能化网络的结构取决于系统的规模和功能，当前常见的结构形式有两类。

47、（1）现场总线（）现场总线（Fieldbus）结构）结构 组成组成 应用系统中各种智能电器和网络管理设备作为总线上的节点，采用选定的现场总线连接。常用的现场总线类型常用的现场总线类型 1）自定义的串行现场总线。2）当前流行的Profibus、CAN-bus等国际标准现场总线。适用场合适用场合 MCC、无人职守的小型供/配电变电站、配电网开闭所等小规模自动化监控系统。特点特点 1）网络规模小、功能比较简单。2）只完成系统内部的封闭式管理。（2）现场总线）现场总线-局域网（局域网（Field bus-LAN）结）结构构 组成组成 现场层网络+工业以太网组成的局域网。现场层网络直接、经通信控制器、协

48、议转换接口与以太网连接。现场层网络可以包含独立的网络管理设备，也可以只有现场设备的智能监控器。典型应用典型应用 模较大的发电厂、变电站综合自动化管理系统。2.网络通信与管理方式网络通信与管理方式 当前大多数电器智能化网络，除高压配电网自动化系统外，通信与管理基本上都采用主-从方式。网络中的现场设备监控器为从设备，网络后台管理设备为主设备。工作方式工作方式 主设备采用轮询方式向从设备发出召唤，只有被召唤的从设备可与主设备交换信息。特点特点 任何时刻通信网络中都只有一个节点设备可以发送信息，网络管理简单，数据传送较慢。发展趋势发展趋势 1）网络的开放式管理。实现不同地区电网电能的统一管理和调度，电

49、能质量能的集中监控以及某些公共资源的共享。2）采用网络互连技术，解决不同类型现场网络的互连。3）网络的系统软件采用面向对象的设计模式，提高网络的开放性、灵活性和可靠性。电器智能化的基本理论和技术。包括以下主要内容：1 电器学概论，包括电流的热效应和力效应，电弧电接触，磁路计算等；2 信号处理基础，包括采样，数字滤波，数字化非线性补偿，常用信号分析方法等；3 智能电器的信号检测系统，包括电量传感器，非电量传感器，信号的提取与传输，下位机系统等；4 智能电器的控制系统，包括控制器的组成，控制策略与算法，常用CPU及其软件，上位机与主站等；5 智能电器的执行系统，包括电子操动的组成与设计原则，操动机

50、构的寿命与可靠性，智能操作，相控开关等；6 智能电器的网络化与通讯，包括网络电器与电器网络，通讯规约，强电磁场下的总线与网络技术，接口技术等；7 智能电器的应用之一 -配电自动化，包括配电自动化的基本概念与模式，重合器与分段器，FTU与主站，配电自动化的通讯等；8 智能电器的应用之二 -FACTS电器，包括电力电子技术在输电系统的应用，典型FACTS电器，超高压开关的智能化等；9 智能电器的可靠性与电磁兼容，包括可靠性指标，智能电器的电磁兼容，智能电器的试验与标准等；10智能电器的发展-统一电能质量管理系统，包括供电质量与供电可靠性，动态无功补偿，有源滤波，不间断电源，统一电能质量管理系统等。