國內(nèi)智能電器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
1、智能電器

微處理機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)引入電器設(shè)備，一方面使電器設(shè)備具有智能化的功能，另一方面使開關(guān)電器，包括智能化斷路器和智能化電動機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)與中央控制計(jì)算機(jī)雙向通訊。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，配電系統(tǒng)和電動機(jī)控制中心已形成了智能化監(jiān)控、保護(hù)與信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

智能化斷路器與電動機(jī)控制器是開關(guān)柜和電動機(jī)控制中心實(shí)現(xiàn)智能化的主要電器元件。微處理器引入斷路器，首先使斷路器的保護(hù)功能大大增強(qiáng)。諸如：它的三段保護(hù)特性中的短延時(shí)可設(shè)置成I2t特性，以使與后**保護(hù)更好地匹配；接地保護(hù)可實(shí)現(xiàn)選擇性，對斷續(xù)的電弧接地故障可帶記憶功能。

目前自動化控制中使用大量的軟起動器、電力電子調(diào)速裝置和不間斷電源等，這些裝置都會使配電系統(tǒng)產(chǎn)生高次諧波，而模擬式電子脫扣器一般反映故障電流的峰值，因而電源的高次諧波會造成斷路器的誤動作。而帶微處理器的智能化斷路器的中央處理單元能準(zhǔn)確反映負(fù)載電流真實(shí)的有效值(RMS值)，它的采樣和保持電路能消除輸入信號中的高次諧波，因而能避免高次諧波造成的誤動作。

智能化過載繼電器與傳統(tǒng)的雙金屬熱繼電器相比，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，它能保護(hù)多種起動條件的電動機(jī)，具有很高的動作可靠性。它不但可保護(hù)電動機(jī)過載與斷相，并可保護(hù)接地、三相不平衡、反相或低電流等。在智能化電動機(jī)保護(hù)繼電器基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)的智能電動機(jī)控制器，兼有監(jiān)控、保護(hù)和通訊的功能。

由智能電器單元與中央控制計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)與電動機(jī)控制中心相比有以下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)中央計(jì)算機(jī)集中控制，提高了配電系統(tǒng)自動化程度；使配電、控制系統(tǒng)的調(diào)度和維護(hù)達(dá)到新的水平。由于采用數(shù)字化的新型監(jiān)控元件，使配電系統(tǒng)和控制中心向上提供信息量大幅度增加；監(jiān)控元件和傳統(tǒng)的指示和指令電器相比較，接線簡單、便于安裝，提高了工作的可靠性；可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少信息重復(fù)和信息通道。

2、可通訊電器與信息電器

網(wǎng)絡(luò)通訊的發(fā)展，要求用戶和設(shè)備之間的開放性和兼容，因而制定一個(gè)統(tǒng)一的通行協(xié)議是亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。目前由智能化電器與中央計(jì)算機(jī)通過接口構(gòu)成的自動化通訊網(wǎng)絡(luò)正從集中式控制向分布式控制發(fā)展。現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，不但為構(gòu)造分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)提供條件，并且它即插即用，擴(kuò)充性好，維護(hù)方便，因而目前這種技術(shù)成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)。

現(xiàn)場總線是連接智能化現(xiàn)場設(shè)備和控制室之間全數(shù)字化、開放的雙向的局部通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線種類很多，比較有影響的有：CAN、Lonworks和Profibus等。它們各有特點(diǎn)和優(yōu)勢，在不同領(lǐng)域有不同的應(yīng)用價(jià)值。但也正是現(xiàn)場總線技術(shù)多種多樣和通訊標(biāo)準(zhǔn)，給這種技術(shù)的發(fā)展帶來不利的影響。目前國際電工委員會和現(xiàn)場總線基金會正致力于現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，我國有些單位也在做這方面工作，我們把基于現(xiàn)場總線技術(shù)，具有通信功能的電器稱為可通訊電器。

目前現(xiàn)場總線技術(shù)正向上下兩端延伸，其上端和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的主干Ethernet、Intranet和Internet等通訊，其下端延伸到工業(yè)控制現(xiàn)場區(qū)域。這方面有西門子公司的AS接口和羅克威爾公司的Devicenet兩種總線系統(tǒng)，這兩種總線應(yīng)用于低層區(qū)域，是一種低成本的通信連接，它把工業(yè)控制用的傳感器和執(zhí)行器，包括限位開關(guān)，光電傳感器，電動機(jī)起動器、按鈕指示燈、多功能繼電器等簡單的控制元件作為從設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，與作為主設(shè)備的控制計(jì)算機(jī)或可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)行通信。傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制系統(tǒng)的觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換信息變成二進(jìn)制數(shù)字信息通過串行接口和尋址進(jìn)行通信，這使傳統(tǒng)的控制元件也有了**性的變革，例如西門子AS總線系統(tǒng)中應(yīng)用的Logo多功能繼電器實(shí)際上是一個(gè)小型的PLC，它能起延時(shí)、閂鎖、記數(shù)器和脈沖繼電器等功能。

使智能電器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信息化，是使智能電器在現(xiàn)場級實(shí)現(xiàn)Internet/Intranet功能，其技術(shù)核心是實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議。把TCP/IP協(xié)議嵌入到智能電器的ROM中，使得信號的收發(fā)都以TCP/IP方式進(jìn)行，進(jìn)一步發(fā)展智能電器的信息化功能。利用Internet/In-tranet功能，對現(xiàn)場的智能電器進(jìn)行遠(yuǎn)程在線控制、編程和組態(tài)等，這使智能化電器進(jìn)入了信息電器的新時(shí)代。

3、智能脫扣器

脫扣器的定義是隨其功能不斷變化的。在早期，脫扣器可定義為在大于額定電流值的過電流(故障電流)流通時(shí)使操作機(jī)構(gòu)脫扣跳閘，從而達(dá)到使斷路器自動分閘的機(jī)構(gòu)。而隨著過電壓、欠電壓脫扣器、分勵脫扣器的發(fā)展，特別是現(xiàn)在脫扣器智能化、可通訊化的發(fā)展，脫扣器的功能是越來越強(qiáng)，附加功能也越來越多。上面簡單的定義顯然已不符合實(shí)際情況。

現(xiàn)在，我們把能使斷路器實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備免受過載、短路、欠電壓、過電壓等故障的危害的各種保護(hù)功能的機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為脫扣器。而具備電路參數(shù)檢測和信號處理的則稱為電子式脫扣器；配置微處理器系統(tǒng)，而且能實(shí)現(xiàn)通信化的稱為智能型脫扣器。

3.1脫扣器的現(xiàn)狀

脫扣器是隨著斷路器的發(fā)展而發(fā)展的。我國90年代前的脫扣器產(chǎn)品以電磁式和熱式為主，有少量的電子式和智能化的脫扣器產(chǎn)品。而國外在脫扣器的電子化和智能化研究和制造方面則走在前面，現(xiàn)在大約**我國5～10年。

智能化脫扣器能使斷路器具有更強(qiáng)大的功能。我國新研制開發(fā)的DW45系列等產(chǎn)品的脫扣器已具有與工控機(jī)、PLC等通訊的功能，能提供開關(guān)狀態(tài)、三相電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率等參數(shù)。在通信化方面，各國都比較重視采用比較成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)。我國當(dāng)前主要采用FCS現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

智能化脫扣器可實(shí)現(xiàn)過電流，電壓和分勵等傳統(tǒng)脫扣器的功能。在硬件上，微處理器模塊、輔助功能模塊和執(zhí)行單元都可以是相同的，對電流和電信號處理、顯示等的不同，可以在軟件設(shè)計(jì)里實(shí)現(xiàn)。另外，過電流保護(hù)功能需要配置過電流信號檢測單元，而電壓保護(hù)則需配置電源、整波濾波、穩(wěn)壓、欠壓延時(shí)等單元，分勵功能只須增加一個(gè)開關(guān)即可。

3.2智能脫扣器的發(fā)展趨勢

根據(jù)國內(nèi)外電器廠商已推向市場的新產(chǎn)品和研究動態(tài)來看，智能脫扣器具有以下發(fā)展趨勢：

3.2.1

智能化脫扣器的產(chǎn)品化：即將智能脫扣器做成相對斷路器獨(dú)立的通用性的產(chǎn)品，使其使用范圍不**于某種斷路器，而且脫扣器的檢測和維修也會相對簡單。以前斷路器產(chǎn)品的測試必須在斷路器整個(gè)設(shè)備裝配完成后才能進(jìn)行，而脫扣器產(chǎn)品化以后，其測試可以獨(dú)立于斷路器進(jìn)行，這使得整個(gè)斷路器的測試程序大為簡化，而測試時(shí)間也大為減少。

3.2.2

脫扣器的電子化：隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能脫扣器控制的能力越來越強(qiáng)，將從常規(guī)的電壓、電流、功率等電參數(shù)的智能化檢測與控制，發(fā)展到對諸如觸頭材料磨損量，滅弧室溫升等非電參數(shù)的檢測與控制等方面。

智能化和可通信化：智能化與電子化*大區(qū)別就是其采用了微處理器。從而具有應(yīng)用軟件，這樣在硬件不變的情況下具備較大的適用性和升級能力，可通信化是在脫扣器產(chǎn)品中加入相關(guān)的檢測、判斷和通信等芯片或電路，使脫扣器的各種狀態(tài)和工作參數(shù)能較好地通過傳輸媒質(zhì)(如現(xiàn)場總線、串口線等)與線路上的其它電氣設(shè)備進(jìn)行信息交流，以適應(yīng)當(dāng)前電氣設(shè)備智能化及網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，而采用現(xiàn)場總線則使技術(shù)上有了較統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也使得脫扣器測試、檢測和維修等有了更多的參考數(shù)據(jù)。電氣產(chǎn)品檢測、工作電路的集成化甚至芯片化也是當(dāng)前的趨勢。

在我國，脫扣器可通信化的具體要求可體現(xiàn)為“四遙”—遙測、遙控、遙訊和遙調(diào)，這距離網(wǎng)絡(luò)化能力還有很大的差距，但比較符合我國科研水平和經(jīng)濟(jì)水平。

3.2.4

模塊化，通用性：模塊結(jié)構(gòu)給產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造及市場適應(yīng)能力帶來了許多好處，諸如降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和新產(chǎn)品開發(fā)的復(fù)雜性，增強(qiáng)了功能擴(kuò)展，使維護(hù)方便，產(chǎn)品的市場應(yīng)變能力強(qiáng)等。模塊化設(shè)計(jì)及尺寸、零件等具有通用性，無論在生產(chǎn)者的設(shè)計(jì)、制造和技術(shù)繼承等方面，還是在用戶使用、維修中的作用及重要性，當(dāng)前都已為多數(shù)人所認(rèn)識。

另外，提高脫扣器的高可靠性、高穩(wěn)定性，操作方便與**方面也是其發(fā)展的主流趨勢。對我國的產(chǎn)品，在材料和加工工藝，產(chǎn)品的外觀和整體布局也是值得注意的方面。

智能脫扣器具有以上的這些功能和特點(diǎn)，一方面可以在同一臺斷路器上實(shí)現(xiàn)多種功能，使單一的動作特性有可能做到一種保護(hù)功能多種動作特性；另一方面可使斷路器實(shí)現(xiàn)與中央控制計(jì)算機(jī)雙向通訊，構(gòu)成智能化的監(jiān)控、保護(hù)、信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使斷路器從基本保護(hù)功能發(fā)展到智能化的保護(hù)功能。

4、智能電器的關(guān)鍵技術(shù)

4.1檢測和傳感技術(shù)

線路上的電參數(shù)測量時(shí)，電壓通常用電壓傳感器(變壓器)，而電流常用電流傳感器(電流互感器)，后者有實(shí)心和空心之分，兩者各有利弊。采用實(shí)心電流互感器在小電流時(shí)線性度雖好，但大電流時(shí)鐵心易于飽和，線性度差，測量范圍??；采用空心電流互感器，線性度好，測量范圍廣，但在小電流時(shí)，信號較小，測量誤差大。要提高小電流的測量精度，必須改變互感器線圈匝數(shù)，增加互感副邊輸出信號。但是小電流時(shí)，若副邊輸出信號過大，大電流時(shí)則信號難以采樣，甚至破壞電路的正常工作。因此，要提高小電流時(shí)的測量精度，同時(shí)兼顧電流的測量范圍，實(shí)現(xiàn)全范圍電流的精度測量。

另外，信號檢測單元在采用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱?，還應(yīng)采取各種信號放大器對電信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，采取噪聲濾波器進(jìn)行噪聲濾波等電路。此外，需要考慮的因素還有很多，如輸入輸出的特性、靈敏度、頻率響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、溫度系數(shù)、測量范圍等，是實(shí)現(xiàn)電器產(chǎn)品智能化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4.2微處理器及其接口技術(shù)

4.2.1

對微處理器的基本要**具有硬件通用化、應(yīng)用靈活化、記憶、計(jì)算、查表能力，指令系統(tǒng)適合實(shí)時(shí)控制、執(zhí)行速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@是智能化電器的核心。目前微處理器已形成多系列、多品種局面，我國當(dāng)前用得較多的是MCS—51系列，有10多種型號。

4.2.2

接口技術(shù)指微處理器與外圍設(shè)備之間聯(lián)系的技術(shù)，即包括硬件，也包括軟件的技術(shù)。接口電路多種多樣，常用的有微處理器通用接口，鍵盤、顯示器接口、打印機(jī)接口，A/D、D/A接口等。

4.3應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)技術(shù)

可以說軟件是智能元件的靈魂，微處理器與數(shù)字電路的本質(zhì)區(qū)別就在于它具有軟件系統(tǒng)，很多硬件電路能實(shí)現(xiàn)的，軟件也能做到，因此在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)可以考慮用軟件來部分或全部實(shí)現(xiàn)。

由于脫扣器的工作特點(diǎn)，快速反映對其工作性能的作用不言而喻，在加強(qiáng)傳感器技術(shù)研究的前提下，采用先進(jìn)的算法也是很有必要的。而且，為了能夠早期檢測增加的短路電流值，僅檢測現(xiàn)在電流值是不夠的，必須能夠預(yù)測電流的變化趨勢?？梢酝ㄟ^觀察相電流的一階或多階導(dǎo)數(shù)di(t)/dt獲得，即對所預(yù)測情況的實(shí)際電流i(t)和它導(dǎo)數(shù)之間的聯(lián)系進(jìn)行跟蹤。這也需要先進(jìn)復(fù)雜的算法。

4.4抗干擾技術(shù)

智能化電器的發(fā)展，使電磁兼容性EMC變成越來越重要的問題。EMC要求包括兩種含義：一方面要求智能電器在使用場合工作時(shí)，不受外界電磁干擾而引起誤動作；而另一方面要求電器操作產(chǎn)生的電磁場不干擾附近的電子設(shè)備。目前國外對智能化電器和機(jī)電一體化產(chǎn)品的EMC問題非常重視，因?yàn)殡姶鸥蓴_會引起這類系統(tǒng)失靈而誤動作，會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。智能化電器和其保護(hù)、監(jiān)控系統(tǒng)把敏感的數(shù)字電器元件處于強(qiáng)電流及高電壓電磁場中，使這些設(shè)備的電磁抗干擾能力在設(shè)備設(shè)計(jì)和運(yùn)行中已成為不可忽視的因素，因而在國外智能化電器及其系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初始階段即制定嚴(yán)格的電磁兼容控制與管理計(jì)劃。該計(jì)劃主要包括產(chǎn)品或系統(tǒng)EMC分析，制定EMC設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施計(jì)劃與測試方法等，并把這一計(jì)劃作為產(chǎn)品或系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，EMC分析和設(shè)計(jì)是為了達(dá)到EMC技術(shù)要求的關(guān)鍵工作，包括分析電子線路的輻射程度及抗干擾能力以及系統(tǒng)集成的電磁兼容性能；EMC設(shè)計(jì)包括電磁屏蔽、接地、導(dǎo)線間距的確定，以及考慮印刷電路板布線之間的電磁耦合等。目前隨著高頻電磁場數(shù)字分析和計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，采用現(xiàn)代仿真技術(shù)取代傳統(tǒng)的測試方法和經(jīng)驗(yàn)分析方法，已在EMC分析中起到越來越大的作用。

電子電器的干擾來自各方面，有電氣干擾，環(huán)境溫度變化以及氣壓、振動、時(shí)間等各種因素，其中電氣干擾是各類干擾中的主要因素。干擾通過各種線路侵入微處理器系統(tǒng)，也以場的形式從空間侵入微機(jī)系統(tǒng)，供電線路是電網(wǎng)中各種浪涌電壓入侵的主要途徑?？垢蓴_有硬件抗干擾、軟件抗干擾，也有軟硬件相結(jié)合的措施。硬件抗干擾具有效率高的優(yōu)點(diǎn)，但要增加系統(tǒng)的投資和設(shè)備的體積；軟件抗干擾有投資低的優(yōu)點(diǎn)，但要降低系統(tǒng)的效率，因此分析干擾源及干擾波的傳播途徑，合理選擇抗干擾措施是智能化電器產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用的重要內(nèi)容。

4.5可靠性技術(shù)

電子產(chǎn)品的可靠性涉及的范圍很廣，諸如元器件的可靠性、技術(shù)設(shè)計(jì)、工藝水平和技術(shù)管理等共同決定了電子產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。提高產(chǎn)品的可靠性，必須掌握產(chǎn)品的失效規(guī)律，只有對產(chǎn)品的失效規(guī)律進(jìn)行**的了解，才能采取有效的措施來提高產(chǎn)品的可靠性。智能化電器產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，還要實(shí)現(xiàn)很實(shí)用的輔助功能上。具體輔助功能如下：

1)電流電壓顯示功能；

2)對脫扣器各種參數(shù)的整定功能；

3)試驗(yàn)功能；自診斷功能；

4)通訊接口功能；

5)遠(yuǎn)端監(jiān)控和診斷功能；

6)負(fù)載監(jiān)控功能；

7)模擬功能等。

5、結(jié)論

綜上所述，智能電器具有更強(qiáng)大的功能，而智能電器的發(fā)展趨勢是依靠微處理器的運(yùn)算能力，較好地實(shí)現(xiàn)智能電器功能，只要在參數(shù)檢測和信號處理單元進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，一個(gè)智能電器就可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的幾個(gè)電器產(chǎn)品的功能。

多功能化是智能化產(chǎn)品的特點(diǎn)，而可通信化也是智能化電器的一個(gè)重要發(fā)展方向。具備通用的通訊接口，采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議使其與其計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成監(jiān)控、保護(hù)與信息網(wǎng)絡(luò)，使智能電器在現(xiàn)場級實(shí)現(xiàn)In-ternet/Intranet功能。