智能电器

本书共分三部分，第 一部分为电器智能化的定义及其基础知识；第二部分为智能电器基本结构及相关理论，包括智能电器的信号检测系统、控制系统和电子操动，智能电器的可靠性与电磁兼容等；第三部分为智能电器的应用，包括配电自动化、FACIS电器、统一电能质量管理系统等。    本书可作为高等学校电气工程与自动化专业本科或研究生教材，也可作为从事电气工程的科技人员与电器行业产品研发人员的参考书。

前言
第1章 智能电器概论
1.1 电器的定义与分类
1.2 电器的典型结构
1.3 电器智能化的内涵与主要内容
1.4 智能电器的理论任务
思考题
参考文献
第2章 电器学基本理论与信号处理基础
2.1 电流的热效应
2.1.1 电器设备的最大允许温升
2.1.2 电器的发热与散热
2.1.3 导体的升温与冷却过程
2.1.4 电器设备的短时发热
2.2 电流的力效应
2.2.1 概述
2.2.2 载流系统电动力的计算
2.2.3 交流电动力
2.3 电接触
2.3.1 概述
2.3.2 接触电阻
2.3.3 电接触的稳定性与接触劣化
2.4 电弧
2.4.1 概述
2.4.2 电弧弧柱过程
2.4.3 直流电弧
2.4.4 交流电弧
2.5 磁路与磁路计算
2.5.1 非极化磁路
2.5.2 极化磁路
2.5.3 磁路计算
2.6 采样
2.6.1 概述
2.6.2 连续时间信号的采样
2.6.3 离散时间信号的采样
2.6.4 离散时间信号的抽取和内插
2.7 数字滤波
2.7.1 滤波的概念
2.7.2 数字滤波器基本网络结构
2.7.3 Im数字滤波器的设计方法
2.7.4 有限冲激响应（F刀R）滤波器
2.8 常用信号分析方法
2.8.1 信号的时域分析
2.8.2 信号的频域分析
2.8.3 信号的z域分析
思考题
参考文献
第3章 智能电器的信号检测系统
3.1 现场参量类型及数字化测量方法
3.2 智能电器中的各类传感器
3.2.1 电量传感器
3.2.2 非电量传感器
3.2.3 开关量检测方法
3.3 信号输入通道设计
3.3.1 输入通道的基本结构
3.3.2 模拟量输入通道中的信号调理电路
3.3.3 模拟信号数字化调制方法
3.3.4 隔离的概念及措施
3.4 现场参量的信号分析与处理
3.4.1 数字滤波器
3.4.2 非线性传感器测量结果的线性化处理
3.4.3 常用电参量的计算
3.5 信号检测系统误差
思考题
参考文献
第4章 智能电器的控制系统
4.1 控制器的基本结构与组成
4.2 控制器的基本功能与特点
4.2.1 控制器的基本功能
4.2.2 控制器的基本特点
4.3 控制器的系统设计
4.3.1 控制器系统设计的基本要求
4.3.2 控制器系统设计的主要步骤
4.4 智能电器控制器的硬件系统
4.4.1 中央控制器
4.4.2 译码与存储器系统
4.4.3 基本输入输出系统
4.5 智能电器控制器的控制算法基础
4.5.1 专家系统设计
4.5.2 模糊逻辑设计
4.5.3 神经网络基础
4.5.4 模式识别和聚类分析
4.6 智能电器的网络化与通信系统
4.6.1 现场总线技术
4.6.2 数字通信基础
4.6.3 变电站通信系统结构
4.6.4 变电站通信网的基本设计原则
4.6.5 通信网的软硬件实现
4.6.6 系统协议IEC61850
4.6.7 IEC61850标准的特点
4.6.8 基于IEC61850标准的变电站内通信系统框架模型
4.6.9 智能电器的网络化
思考题
参考文献
第5章 电子操动与永磁机构
5.1 传统操动系统及其局限性
5.2 电子操动的构成与设计原则.
5.2.1 电子操动系统的一般构成
5.2.2 永磁操动机构的励磁控制
5.3 永磁操动机构的磁设计
5.3.1 基本方程的建立
5.3.2 永磁体处理及机构磁场计算
5.3.3 永磁操动机构的负载特性
5.3.4 永磁机构的其他结构形式
5.4 相控开关
5.4.1 相控开关的基本要素
5.4.2 并联无功电容器与空载变压器同步关合
5.4.3 断路器的同步分断
5.4.4 同步开关的技术要求
5.5 电子操动控制精度与可靠性分析
5.5.1 永磁机构的动作时序
5.5.2 控制精度分析
5.5.3 电子操动的可靠性分析
5.6 基于永磁机构的直流断路器
5.6.1 直流断路器简介
5.6.2 电流转移原理
5.6.3 新型结构的直流断路器
5.6.4 系统仿真分析
思考题
参考文献
第6章 智能电器的可靠性与电磁兼容
6.1 智能电器的可靠性
6.1.1 可靠性的一般理论
6.1.2 常用的可靠性指标
6.1.3 设备常见失效模式
6.1.4 产品可靠性模型的建立
6.1.5 产品可靠性的评估
6.2 智能电器的电磁兼容
6.2.1 概述
6.2.2 智能电器的电磁干扰源
6.2.3 智能电器中的电磁耦合方式
6.2.4 智能电器中的电磁干扰抑制措施
6.3 智能电器的电磁兼容试验和标准
6.3.1 概述
6.3.2 电磁兼容抗扰度试验
6.3.3 电磁兼容标准
思考题
参考文献
第7章 配电自动化——智能电器应用之一
7.1 概述
7 1 1我国配电网的现状
7.1.2 配电自动化的基本概念
7.1.3 配电自动化的发展及现状
7.1.4 配电网自动化的技术难点
7.2 智能式重合器与分段器
7.2.1 重合器与分段器
7.2.2 自动重合器与分段器
7.3 配电网馈线自动化的基本模式
7.3.1 以重合器／分段器构成的控制模式
7.3.2 以FTU实现SCADA集中控制模式
7.3.3 “无信道就地智能控制+SACDA”模式
7.3.4 “有信道就地智能控制+SCADA”模式
7.4 馈线远方终端——FTU
7.4.1 FTU的功能及性能要求
7.4.2 FTU的技术核心
7.4.3 FTU的组成
7.5 配电自动化的通信
7.5.1 配电自动化通信方式
7.5.2 配电自动化通信规约
7.5.3 基于Internet的配电自动化通信体系
思考题
参考文献
第8章 柔性交流输电系统电器——智能电器应用之二
8.1 柔性交流输电问题的提出
8.2 电力电子技术在输电系统的应用
8.2.1 电力电子技术对输电系统的影响
8.2.2 在输电系统中应用的电力电子开关
8.2.3 FACTS电器在输电系统中的应用
8.3 典型柔性交流输电系统（FACTS）电器
8.3.1 静止无功补偿器
8.3.2 高级静止无功发生器
8.3.3 故障电流限制器
8.3.4 储能系统
8.4 超高压真空开关的实现
8.4.1 高压和超高压领域发展真空开关的可行性
8.4.2 光控模块式真空开关
8.4.3 多断口真空开关的整体结构
思考题
参考文献
第9章 统一电能质量管理系统——智能电器的发展
9.1 电能质量问题的提出
9.1.1 理想的三相交流系统的电能
9.1.2 电力环境污染及其危害
9.1.3 电能质量标准
9.2 无功补偿
9.2.1 无功功率与功率因数
9.2.2 无功功率的物理意义
9.2.3 动态无功补偿原理
9.3 瞬时无功功率理论
9.3.1 基本理论
9.3.2 谐波和无功电流的检测
9.4 有源滤波
9.4.1 有源滤波器系统的构成
9.4.2 有源滤波器的主电路
9.5 动态电能质量调节
9.5.1 不间断电源（UPS）
9.5.2 动态电压恢复器（DVR）
9.6 统一电能质量调节器
9.6.1 概述
9.6.2 统一电能质量调节器的主电路
9.6.3 统一电能质量调节器的控制技术
思考题
参考文献
附录 常用分析与仿真工具
附录A MATLAB及其应用
附录B EMTP-ATP及其应用
附录C ANSYS及其应用

随着人们对电力的需求日益增加，对电能质量的要求日益提高。近年来，我国电力系统及电力设备行业得到了长足的发展。伴随计算机技术及信息技术的飞速发展，开关电器领域正经历新一轮的更新换代，新概念电器层出不穷。其中最能代表时代发展的、也是发展最为迅速的是智能化电器。经过近年来业内科技工作者的不懈努力，智能电器所涉及的理论问题已越来越清楚，各种智能电器产品也逐渐得到了市场的认同。    首先，我们考虑以下电器智能化的内涵与智能电器的定义。所谓电器的智能化主要指开关电器实现人工智能的过程。按人工智能的定义，智能化是指使对象具备灵敏准确的感知功能、正确的思维与判断功能以及行之有效的执行功能而进行的工作。感知功能包括设备的自诊断，各种运行参数和系统参数的检测；思维和判断功能也就是控制，可依靠计算机或数字信号处理器(DSP)来完成；执行功能对开关电器而言就是对一次设备的操动。因此我们可以这样定义智能电器：在某一方面或整体上具有人工智能的电器元件或系统。    电器智能化是一种理念，是一种方法，是一个发展和进步的过程，其目的是使电器产品通过人工智能的部分或全部功能，尤其是应用现代计算机和网络技术，使产品达到最佳工况。因此，电器智能化涉及的理论与技术除了电器学基础外，还应包括数字信号处理、计算机网络和数据通信、控制理论与控制工程、电力电子技术、软件工程以及现代传感器技术等。由于电力系统和电力设备物理过程的复杂性、不确定性，一般难以有精确的数学描述。    早在30年前，人们就开始在配电系统实践开关电器的智能化，即在配电开关外附加以智能控制器，用以自动判别线路故障，切除与隔离故障并恢复健康区段的供电。人们把这种带控制器的开关系统称为自动重合器与自动分段器。随着计算机技术的发展，越来越多的电站实现了微机化控制与管理，这使得开关智能化沿两条路线发展。路线之一是以电力系统的需求为主，基于开关的所谓“四遥”，把设备状态反映到电站主控微机，  由它实现开关控制乃至整个系统的智能化。而对国内外大多制造厂家来说，则更侧重另一条发展路线：他们首先追求的是开关本体智能化，类似自动重合器与自动分段器，然后逐步实现整个系统的智能化与网络化。这种分步实施的路线也是国外大部分配电系统的发展路线。实际上，元件智能化才是最根本和最可靠的智能化。    近年来，国内外已有很多智能化开关投入市场，它们的特点都是采用先进的传感器技术和计算机信号处理与控制技术，使整个组合电器的在线监测与二次系统在一个计算机控制平台上。20世纪90年代末的典型产品如ABB公司的VM1型真空开关，采用了永磁操动机构，配合新型传感器以及二次控制无触点化，使该产品达到了较高的智能化水平。作者曾介绍了相同类型的真空开关永磁机构，其意义不仅大大简化了机械传动，提高了机构的可靠性；更重要的是它改进了操动的可控性，为进一步的高压开关选相合分打下了基础。在开关智能化理论方面，还有人提出智能操作的概念，即要求开关可根据电网中发出的不同工况，  自动选择和调整操动机构或／和灭弧室，合理地预定工作条件。变速操作打破了传统断路器单一分闸特性的概念，实际上是上述执行功能的智能化，是对高电压等级开关操动机构的改造十分有益的尝试。    电器智能化是一个更新换代的工作，涉及很多电器领域的新概念，要求我们做很多深入细致的工作，很多试验和考验是必须的。结合必要的理论计算和计算机仿真可以大大推进研究开发工作。电力系统希望开关生产厂采用更多的智能化技术，不断提高产品的档次和技术含量，赶超国际先进水平；但同时要积极扶持新概念电器，更多地采用智能化开关，从而在根本上解决电力系统的硬件水平问题，加速电力系统的现代化步伐。只要科研工作者与生产厂、系统用户更密切地配合，携手共进；我国的开关智能化水平就一定能达到国际前沿。    本书共分三部分，第一部分为智能电器的定义及其基础知识；第二部分为智能电器基本结构及相关理论，包括智能电器的信号检测系统、控制系统和电子操动，智能电器的可靠性与电磁兼容等；第三部分为智能电器的应用，包括配电自动化、FACTS电器、统一电能质量管理系统等。第1章智能电器概论，介绍电器的定义与分类，电器的典型结构，电器智能化的内涵与主要内容，智能电器的理论任务等；第2章电器学基本理论与信号处理基础，包括电流的热效应与力效应，  电接触与电弧，磁路计算，采样与数字滤波，常用信号分析方法等；第3章智能电器的信号检测系统，包括现场参量类型及数字化测量方法，智能电器中的各类传感器，信号输入通道设计，现场参量的信号分析与处理以及信号检测系统误差等；第4章智能电器的控制系统，包括控制器的基本结构与组成，控制器的基本功能与特点，控制器的系统设计，智能电器控制器的硬件系统，智能电器控制器的控制算法基础，智能电器的网络化与通信系统等；第5章电子操动与永磁机构，包括传统操动系统及其局限性，电子操动的构成与设计原则，永磁操动机构的磁设计，相控开关，电子操动控制精度与可靠性分析，基于永磁机构的直流