2.1 國內外進展情況

國內智能電器的發展已有20余年的歷史，從開始的引進、仿制、消化吸收到自主創新，其技術水平已逐步與國外企業平齊，有些關鍵技術指標甚至超過國外同類產品。近年來，我國智能電網建設加速，以及“物聯網”、“大數據”和“能源互聯網”等概念的興起，進一步推動了智能電器的產業發展和技術革新。

智能電器應當滿足智能電網發展的基本需要，能夠以數字方式全面提供系統中的各種運行參數和狀態參數，這些信息能夠以數字化的方式被加以有效利用。智能電器具有強大的自我診斷能力和自適應的控制能力，同時所有信息可以高度共享。

2.1.1 智能電器的主要技術特征

智能電器的內涵主要包括三個方面：①智能電器完成基本職能過程中的智能感知、判斷與執行功能；②智能電器完成智能狀態監測與壽命評估功能；③智能電器具有交互和互動能力，運行過程中對電網和環境友好。

智能電器應具備以下四方面的特征：①參量獲取和處理數字化;②自我監測與診斷能力；③自適應控制能力、決策優化；④信息交互能力和環境友好性。

智能電器的研究熱點與進展主要體現在如下方面：高壓開關設備的智能化、新型電流傳感技術和混合式電力開斷技術等。

2.1.2 高壓開關設備的智能化

智能變電站是構建智能電網的重要支撐節點。智能高壓開關設備是智能變電站的核心設備，它通過裝設各類傳感器采集設備運行狀態，對數字化信息進行就地處理，實現自適應控制和故障診斷等功能。此外，它還具有高速網絡交互接口，能夠為智能電網的優化運行提供信息支撐。

1.智能高壓開關設備的信息化建模

IEC 61850標準是變電站自動化領域的國際標準，其應用涉及發電、輸變電、配用電和調度等領域，已成為智能電網重要的基礎性標準?；贗EC 61850標準，采用面向對象技術對智能高壓開關設備的物理結構和功能（服務）進行抽象，建立智能高壓開關設備的信息模型，實現現場參量的測量信息流、狀態數據的監測信息流和操作控制信息流的集成，這是智能高壓開關設備的重要研究內容。

自IEC 61850標準頒布以來，在智能高壓開關設備的數字化方面取得了很大的發展。國際上ABB、GE、AREVA、SIEMENS和TOSHIBA等公司開發了集數字化測量、控制和監測于一體的新型開關設備。當前，智能高壓開關設備的產品方案主要是在一次設備附近裝設智能電子裝置（IED），其具備與一次設備的電纜接口和光纖以太網接口，完成信息格式轉換，實現傳統一次設備和后臺在線監測系統（或其他IED）的信息交互功能。典型產品如ABB公司的PASS、SIEMENS公司的HIS/SICAM及TOSHIBA公司的H-GIS產品。

隨著2009年國內智能電網建設的開展，國家電網公司發布了一系列相關標準，加快了智能高壓開關設備的研制進度。2012年經國家科技部批準，由中國電力科學研究院作為承擔單位，西開電氣、平高電氣、清華大學、西安交通大學和華北電力大學作為參與單位，啟動863課題“高壓開關設備智能化關鍵技術”的研究，提出了高壓開關設備智能組件設計和質檢標準，建立了智能開關設備的技術標準體系。目前已研制出了252kV智能GIS、550kV智能GIS和800kV智能斷路器，并獲得試點應用。

IEC 61850作為變電站內部通信網絡的技術標準，主要偏重于繼電保護、測量與監視等領域的應用。雖然IEC 61850中定義了液體介質絕緣SIML、氣體介質絕緣SIMG、電弧監視與診斷SARC和局部放電SPDC等專門的邏輯節點，但仍然無法滿足高壓開關設備狀態監測集成平臺的需要。我國電網企業基于DL/T 860標準，制定了變電設備在線監測裝置數據建模及通信規范、變電設備在線監測系統數據庫規范，其內容涵蓋變壓器、GIS、斷路器、電流互感器和電壓互感器等重要電力設備的常用監測參量。另外，國內也已具備智能開關設備的一次設備與二次設備的一體化試驗能力。

2.智能高壓開關設備狀態監測、診斷技術

運行數據表明，SF₆氣體泄漏、內部絕緣缺陷、操動機構故障、導電回路異常發熱以及二次控制回路失靈是高壓開關設備的主要故障類型。智能高壓開關設備通過裝設局部放電、SF₆氣體狀態、機械特性和主回路溫度等監測模塊，實現對自身運行狀態的感知和診斷，并適時地通過網絡接口向后臺監控系統發出狀態或告警信息。依據狀態信息對設備進行科學的評價，從而制定合理的檢修策略。例如TOSHIBA公司研制的C-GIS中采用了電暈、壓力、氣體和泄漏電流等多種傳感器監測絕緣性能，利用光纖溫度傳感器監測導電性能；SIEMENS公司開發的SICAM系統實現了對SF₆斷路器、隔離開關的數字化控制和狀態監測及故障診斷。

（1）局部放電監測

高壓開關設備內部故障以絕緣故障為主，在制造及安裝過程中，由于內部缺陷、導體之間接觸不良等使內部電場發生畸變而產生局部放電?？梢酝ㄟ^監測放電粒子特性或放電產生的物理及化學變化發現局部放電故障，一般分為電檢測法和非電檢測法。電檢測法包括耦合電容法、外部電極法、絕緣子內部預埋電極法和超高頻法等；非電檢測法包括超聲波檢測法、光檢測法和化學檢測法等。

（2）SF₆氣體狀態監測

SF₆氣體是高壓開關設備主要采用的絕緣和滅弧介質，其壓力、密度、溫度和水分等對產品的絕緣性能有重要影響。采集SF₆氣體壓力、密度、溫度和水分等參量，歸算后可以對是否存在氣體泄漏、水分超標進行評估。另外，若運行設備存在放電、過熱等故障，則SF₆氣體發生分解并與設備內部其他物質反應，生成多種產物，主要有SOF₂、SO₂F₂、SO₂、H₂S、CO、CF₄和HF等，這些氣體分解物與其缺陷存在很高的關聯度。目前的現場檢測手段已經可以有效地檢測出SO₂、H₂S和CO等成分。

（3）機械特性監測

國際上高壓開關設備機械狀態評估及故障診斷技術的研究開始于20世紀80年代，研究重點主要集中在對動觸頭行程、分合閘線圈電流、輔助觸點狀態以及振動信號等機械狀態參量的在線監測，依靠人工參照基準數據進行比對，分析其劣化趨勢?；谡駝有盘柕姆治隹梢詫崿F潛伏性機械故障監測，目前已經提出了一些較為實用的振動信號處理方法，并逐漸應用到實際的斷路器狀態監測系統中，如ACI方法、歐氏距離法、積分參數法、信號熵法、短時能量法和小波-分形理論等。

（4）主回路溫度監測

電力開關設備在高電壓、大電流的狀態下運行，主回路導體的溫度與其電接觸狀況有著極其密切的聯系，可以作為診斷依據。對于全封閉式氣體絕緣高壓帶電設備，結構比較復雜，發熱點處于設備內部，導體與殼體之間充有SF₆氣體，不易直接測量。紅外測溫有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等諸多優點。近年來，國內外在紅外輻射測溫和紅外熱診斷方面開展了大量研究。

鑒于高壓開關設備應用環境的特殊性，上述技術在環境適應性、測量準確度、長期工作的穩定性和接口的標準化等方面上尚需要進一步研究。

3.智能高壓開關設備壽命評估技術

高壓開關設備的壽命主要指機械壽命和電壽命。觸頭行程及斷路器的分/合閘速度是斷路器機械特性的集中體現，可以有效地反映出其劣化趨勢。斷路器觸頭磨損是影響斷路器電壽命的重要因素，對于其剩余壽命評估有著重要的參考價值，然而，觸頭電磨損不能直接獲得成為研究難點。

（1）電壽命模型

研究表明，斷路器電壽命主要取決于斷路器觸頭電磨損的狀況。國外對斷路器觸頭的研究較早，主要集中在材料對觸頭電壽命的影響以及電弧對觸頭的侵蝕方面。由于各類斷路器的滅弧原理不同，斷路器的電壽命變化規律也不同。為了便于工程應用，可以將燃弧時間、觸頭及噴口的結構與材料等因素對滅弧室燒蝕的影響用累計的方式加以簡化，如累計開斷電流、累計電弧能量法和累計開斷電流加權法等，從而得到估算電壽命的近似公式。法國高能試驗室（EDF）和意大利工程指導公司（ENEL）針對SF₆斷路器提出的等效開斷次數與相對開斷電流的關系曲線是一種有效的工程方法。

（2）綜合診斷技術

智能高壓開關設備的故障診斷技術主要有基于知識的方法和基于信號處理的方法。前者利用領域專家啟發性經驗知識和故障特征進行演繹推理，或者基于先驗知識和相應算法對診斷對象自適應調整后獲取診斷結果。基于知識的方法不需要建立待診斷對象的精確數學模型，易于工程應用。國內外研究人員先后采用人工神經網絡、貝葉斯網絡、證據理論、粗糙集理論、模糊集理論和云模型等研究和建立了高壓斷路器機械狀態評估系統。

2.1.3 新型電流傳感技術

電流測量是電力系統中繼電保護、電能計量、系統監測和分析等功能實現的關鍵。隨著智能電器領域的發展，電流測量環節已經成為電器智能化、小型化的瓶頸，基于空心線圈、磁光學和磁陣列等原理的電流互感器具備絕緣結構簡單、體積小、動態范圍大且以數字量方式直接輸出等優勢，對傳統的電磁式電流互感器提出了挑戰。

1.空心線圈電流互感器

空心線圈電流互感器技術相對成熟，在工業界得到了較多應用。空心線圈電流互感器主要由Rogowski線圈、數字采集和傳輸等部分組成。高壓系統中一般采用光纖傳輸信號和激光供能，易于實現高低電位隔離?？招木€圈與高準確度分流器組合，可實現對直流電流和諧波電流的同時測量，也是目前高壓電子式直流電流互感器的主要方案。

國際上ABB公司等率先在其智能組合電器（PASS）、SF₆氣體絕緣開關（GIS）和智能化開關柜產品中使用了空心線圈電流互感器。國內南京南瑞繼保電氣有限公司、西安西電高壓開關有限責任公司等企業也分別研制了500kV直流電子式電流互感器、±800kV直流電子式電流互感器。

從現階段工程應用和現場試驗情況分析，空心線圈電流互感器的主要故障類型為采集器故障、光纖故障及電磁干擾影響等。隔離開關操作產生的快速暫態過電壓（VFTO）對此類互感器正常工作易產生較大影響，嚴重的會導致采集器硬件損傷。

2.光學電流互感器

光學電流互感器基于法拉第（Faraday）磁光效應和薩格納克（Sagnac）效應實現電流感測，主要有磁光玻璃式電流互感器和全光纖電流互感器兩種類型。后者結構簡單，具有很寬的動態范圍，可同時實現測量和繼電保護的需求，目前在不同電壓等級的智能變電站試點項目中得到了應用。

國內開展了大量關于光學電流互感器的研究。重慶大學研究了不同參數下光學電流傳感器的響應波形以及幅值、頻率特性。北京航空航天大學提出變溫條件下對平均波長影響的自補償方案，有效減小了傳感光纖中平均波長的漂移程度。北京郵電大學采用歸零方波調制相位調制器，以正弦波信號作為本征信號進行模擬相干解調，實現了大電流閉環檢測。哈爾濱工業大學對光學電流互感器的長期運行穩定性問題進行了研究，實驗結果證明樣機的綜合誤差滿足工程計量檢定要求。

雖然光學電流互感器的優點很多，但是其目前還處于工程應用初期，成本較高，長期運行的穩定性仍需進一步考驗。

3.磁陣列電流傳感器

磁陣列電流傳感器測量方法是利用多個磁敏元件測量電流周圍的磁場，利用數值方法反算電流，具有體積小、測量范圍大、功耗小、響應快和交直流通用等優點，是一種全新的電流測量方法。

西安交通大學對交流和直流的多母線平行導體系統進行了研究，建立了以求解系數矩陣條件數最小值為目標函數的磁傳感器陣列拓撲優化模型，實現了穩態電流的求解；提出一種基于5%平帶寬（FBW）概念和基波電流與磁場對應關系的時域瞬態電流計算模型，實現了瞬態電流的快速求解。上述研究解決了磁傳感器陣列電流測量方法的基礎理論問題，推動了該方法的工程應用。

北京航空航天大學提出了一種智能化巨磁阻直流電流互感器的實現方法，利用在高壓側電路中嵌入自校準模塊，實現巨磁阻傳感器輸入輸出特性的在線校準。中國電力科學研究院電工研究所提出了基于最小二乘支持向量機與粒子群參數優化相結合的多傳感器信息融合算法，對被測電流進行估算，對巨磁阻傳感器的非線性和溫度漂移取得了較好的補償效果。華中科技大學從工程實際出發，采用印制電路板技術實現了點陣式霍爾電流傳感器。海軍工程大學構建了外部平行導線對霍爾電流傳感器的影響模型和測量誤差計算方法，設計了一種12點陣矩形陣列霍爾電流傳感器，額定電流達到10 kA。

2.1.4 混合式電力開斷技術

智能電網是一個互動系統，對于系統變化、用戶需求和環境改變，要求智能電網具有最佳的反應和快速適應能力，而電力電子技術是支撐電網迅速反應并采取相應措施的有力手段。當前，電力電子器件已經通過多種不同方式融入智能電器中，高壓大功率電力電子器件已經能夠作為主斷路器，承擔短路電流的開斷功能。特別是在直流開斷、短路電流限制等方面，電力電子器件更具優勢。

1.高壓直流開斷

直流斷路器是高壓直流輸電系統、軌道交通牽引配電系統、艦船直流電力系統、電信設備配電系統和直流微電網等的關鍵設備，其性能對系統的安全運行至關重要。與交流電流相比，直流電流由于沒有“自然過零點”而難以開斷，特別是在高電壓、大電流條件下，這一問題更加嚴峻。

直流開斷目前主要采用三種方式：①快速拉長電弧，直至其在一定電弧電壓下不能持續，從而實現電路開斷；②由電感、電容組成振蕩電路，利用電容放電形成電流零點，再利用傳統的交流開斷方式切斷電路；③基于可關斷電力電子器件構成混合式斷路器，機械開關快速打開將故障電流轉換至電力電子開關，再由其開斷電路。方式①適用于中壓、低壓直流斷路器。目前商業化的高壓直流斷路器主要采用方式②。基于人工過零的原理，俄羅斯較早研制了額定3.3kV/3kA直流真空限流斷路器。目前，我國研制出55kV高壓直流斷路器單元樣機，成功開斷16kA電流，開斷時間小于5ms。采用方式③的混合型直流斷路器的通流能力強、分斷能力高，有望成為直流開斷技術的重要發展方向。基于強迫換流型直流開關原理，國內外研究機構提出了多種不同拓撲結構的強迫換流開斷的電路方案。ABB公司最新研發的混合式高壓直流斷路器的設計參數達到額定電壓320kV，額定電流2kA，電流開斷能力9 kA。

2.短路電流限制

隨著用電負荷不斷增加，電力系統中的短路電流水平不斷提高。在我國沿海經濟發達地區，電網的短路電流水平直逼甚至超過電力規程所規定的最大允許水平。因此，采取有效的短路限流措施限制電力系統的短路容量，已成為目前我國電力系統安全穩定運行和電力建設發展的迫切問題。

目前國內外研究較多的是超導限流器和固態限流器。超導限流器可在高電壓下運行，實現檢測、轉換和限流一體化，能夠在毫秒級時間內限制故障電流。然而受到失超恢復時間、臨界值整定困難等材料特性以及成本因素的限制，超導限流器在高壓、大電流條件下的應用尚有若干難題需解決。

固態故障限流器利用電力電子器件進行電路拓撲控制，其反應迅速、拓撲結構與控制策略靈活，易于同時實現正常工作時調節線路潮流、故障時限制故障電流的功能，非常適合于柔性輸電的應用場合。但是，受到電力電子器件的特性限制，目前主要適用于4～15kV及以下的中低壓配電系統。

機械開關具有極低的導通電阻（μΩ級），通過智能控制將其與其他液態金屬、串聯諧振等限流技術相結合，構成的混合式故障限流器具有不可替代的特殊性能，成為新的研究熱點。

2.1.5 智能電器的主要發展趨勢

大規模接納可再生能源電力和智能化成為當前電網發展的趨勢和方向。新能源發電在世界范圍內呈現超高速增長，對智能電器的發展提出了新的需求。隨著技術進步、應用領域的擴展，智能電器的內涵和外延仍在不斷發展變化。智能電器的智能感知、判斷與執行功能的實現，需要借助于傳感器技術、信息處理技術與控制技術的融合。

智能電器應當適應當前電網技術的發展需要，支持新興清潔能源利用，強調設備與智能電網的信息交互、友好互動、實現電網優化運行的技術理念，并且符合綠色低碳、節能環保的發展趨勢。其主要發展趨勢如下：

1）智能電器繼續向高性能、小型化、智能化、高可靠、綠色環保和系列簡潔方向發展，以更好適應智能電網的發展需要。

2）應用新型電力電子器件和超導新材料，開發電網友好、環境友好的智能電器，節約原材料和降低運行功耗，減少對環境的污染。

3）融合多種傳感器技術，適應大數據時代的發展需求，實現運行狀態的數據匯聚、發掘利用和信息資源共享，為用戶提供雙向互動服務。

4）具有比較完備的自身監測、診斷和壽命管理功能，更加科學地把握設備的運行狀態，預防性地進行維護，從而提高系統整體可靠性和安全性。

5）產品設計模式從單個智能電器元件設計轉變為從系統發展和功能融合角度去考慮構建智能電器系統，提供整體解決方案，實現全壽命周期服務。

6）面向可再生能源領域的需求，研發適用于分布式發電系統的潮流隨機變動、特殊保護方式和高準確度測量、分析功能的新型智能電器。