1.1 開關電器的智能化技術

進入21世紀以來，科技進步對人們的影響最大的莫過于信息技術，隨著信息技術的進步，人們獲取信息、處理信息和利用信息的能力迅速增長。在電力系統也是同樣，利用信息技術提高整個電網運行的安全性和可靠性，同時不斷提高其智能化水平。開關設備的智能化概念也應運而生，在20世紀90年代，信息技術特別是計算機技術開始應用于開關設備的檢測、控制，并且通過微型計算機實現了十分復雜的保護和控制功能，進而推動整個電力開關設備的二次系統向數字化方向發展。

關于電器的智能化技術首先是在低壓電器范疇開展的，例如對電動機的控制保護，采用單片機進行程序化管理和監測，各種繼電保護裝置升級為電子裝置和數字化裝置。隨著計算機網絡通信技術的發展應用，配電站綜合自動化過程得到廣泛推廣和應用。目前重要的中壓配電站幾乎所有的開關設備都具有計算機保護、控制和通信系統，和上級變電站構成信息互聯互通的網絡。在此發展過程中，開關電器設備一、二次融合的趨勢越來越明顯，未來的追求將是無論一次回路還是二次回路都要實現“即插即用”的高度標準化，這樣可以大大降低電力裝備運行維護的成本，提高運行的可靠性。在高壓輸電系統中，由于繼電保護系統的重要性，始終作為單獨的體系在發展，雖然和一次設備的配合十分緊密，但一、二次融合的進程仍然在進行中。

隨著近20年來智能化電器技術的發展，逐步形成了關于智能化電器的概念和認識，一般認為智能化電器應當具有以下特征：

1）參量獲取和處理數字化。智能電器能夠實時地獲取各種運行和狀態參量并進行數字化處理、存儲和傳遞，這其中包括電力系統運行和控制中需要獲取的電壓、電流、頻率和相位等各種電參量，以及反映電力設備自身狀態的各種電、熱、磁、光、位移、速度、振動和局部放電等各種物理量。

2）自我監測與診斷能力。智能電器具有自我監測與診斷能力，可以隨時監測各種涉及設備狀況和安全運行所必需的物理量，同時對這些物理量進行計算和分析，掌握設備的運行狀況以及故障點與發生原因，據此評估設備的劣化趨勢和剩余壽命，并適時地進行預警。

3）自適應控制和優化決策能力。智能電器在智能感知基礎上，采用優化控制技術，能夠根據實際工作環境與工況對其操作過程進行自適應調節，使得所實現的控制過程和狀態是最優的，從而進一步提高電器自身的性能指標，并在很大程度上節約原材料和減少運行能耗。

4）信息交互能力和環境友好性。智能電器具備數字化接口，其內部信息能夠高效地進行傳播與交互，實現信息高度共享，進而能夠主動地與其他設備進行協調互動，實現系統整體優化。在設備之間和人機之間具有良好的交互性。在運行過程中，不對電網產生影響穩定運行的干擾，同時設備的使用對自然環境沒有破壞和不良影響。

從以上特征可以看出，電器的智能化水平首先與信息采集緊密相關。在許多基本電量的采集上仍然在向更加高準確度、寬范圍和小型化的方向發展。變壓器的油氣變化與內部故障具有相當關聯性，相關的非電量的檢測技術還比較欠缺，需要大力拓展。通過對SF₆斷路器的內部開關分解產物進行測試和分析，從而推斷出斷路器存在的缺陷，是許多研究者孜孜以求的目標。這一切都對智能化電器發展中的非電量傳感技術提出了新的要求。本書第2章集中對智能化電器中的最新測試技術進行了介紹。例如利用磁陣列傳感技術通過空間磁場的分布來求解電流分布，又例如通過高頻信號分析對高壓裝備的局部放電進行診斷和定位，這些技術都在不斷地發展和研究，也是智能化電器研究的熱點問題。

以往的開關設備大多是根據預先設定的狀態進行分合操作，并不能根據實際工況做出調整，而智能化電器則具有自適應控制能力，因此智能化操作是智能化電器目前研究的前沿問題之一。由于開關電器的工作原理具有很大差別，智能化操作的方式和實現途徑存在很大的差異。例如真空開關的快速選相投切，根據實時工況選擇最佳時刻對開關進行投切，從而大幅度地降低系統的暫態擾動，還可以極大地提高開關電器自身的電壽命。又例如高電壓等級真空斷路器在開斷過程中，巧妙利用操動機構的變速度控制不同時段的開距，實現電弧的可靠熄滅等。這些智能操作的研究需要綜合多種技術和對物理過程的深刻理解才能達到良好效果。

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。