曹軍威，楊潔，袁仲達，吳扣林，方太勛，楊飛

(1.清華大學(xué)信息技術(shù)研究院，北京市100084；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京市 211102；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽市 110004)

電力電子裝置智能化研究綜述

曹軍威1，楊潔1，袁仲達1，吳扣林2，方太勛2，楊飛3

(1.清華大學(xué)信息技術(shù)研究院，北京市100084；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京市 211102；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，沈陽市 110004)

智能化的電力電子裝置是建設(shè)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)，對電力電子裝置的智能化研究具有重要的現(xiàn)實意義。為了推進電力電子裝置智能化理論研究和實用化研制，對目前電力電子裝置智能化研究現(xiàn)狀進行了綜述。該文按功能不同對電力電子裝置進行了分類，針對不同類別，分析了電力電子裝置智能化的主要技術(shù)，如傳感、通信、控制等方面的應(yīng)用進展。在分析電力電子裝置智能化智能監(jiān)控、故障診斷、狀態(tài)評估等研究方向的基礎(chǔ)上，總結(jié)了電力電子裝置智能化研究多方面的應(yīng)用情況。最后對電力電子裝置智能化發(fā)展趨勢進行了展望，針對若干亟待解決的問題提出了研究建議。

能源互聯(lián)網(wǎng)；智能電網(wǎng)；電力電子裝置；智能化

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，電力電子技術(shù)越來越得到普遍采用。先進的電力電子技術(shù)是建設(shè)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和手段，用于解決其中的關(guān)鍵問題，如輸電環(huán)節(jié)的高壓直流輸電和靈活交流輸電、配電環(huán)節(jié)電能質(zhì)量治理技術(shù)、儲能技術(shù)和固態(tài)開關(guān)技術(shù)以及新興的能源路由技術(shù)等，所涉及到的電力電子裝置種類眾多。

智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)均是互動系統(tǒng)，均要求對其中變更做出迅速響應(yīng)并保證系統(tǒng)安全。因而在電力電子裝置普遍采用的同時，對其智能化要求也提高了許多。需要將先進的計算技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、可視化技術(shù)等與電力電子裝置有機結(jié)合，實現(xiàn)裝置運行狀態(tài)的感知、分析、預(yù)警、狀態(tài)評估、信息分享等功能，增強智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的自適應(yīng)能力與穩(wěn)定性，提升裝置自身的可靠性和利用率。電力電子裝置智能化是實現(xiàn)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

事實上，隨著電力電子在能源電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，電力電子裝置的功能從以往的單一化向未來的集成化方向發(fā)展，將發(fā)揮越來越重要的作用。如目前比較成熟的無功補償、有源濾波等電能質(zhì)量方面的裝置主要在單點針對特定問題發(fā)揮作用。隨著未來能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能量交換與路由裝置的大量應(yīng)用，電力電子裝置的功能更加綜合，對系統(tǒng)級智能化支撐的需求將越來越迫切。

目前，已有的電力電子裝置的研制重點在于其基本功能的實現(xiàn)與性能提高，很少考慮其智能化和對上層支撐。而智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的智能化又很少與電力電子裝置功能相結(jié)合，真正針對電力電子裝置的智能化研究較少，對這一問題的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

為了推進電力電子裝置智能化理論研究和實用化研制，本文從已有電力電子裝置各類技術(shù)現(xiàn)狀、電力電子裝置智能化研究已使用的基礎(chǔ)技術(shù)、裝置智能化研究方向、智能化應(yīng)用等4個方面對目前電力電子裝置智能化研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述與分析，并指出未來電力電子裝置智能化研究發(fā)展方向與需要解決的問題。文章主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 本文結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of this paper

1 電力電子裝置功能分類

不同的電力電子裝置在電網(wǎng)中的職責也不同，已有相對成熟的電力電子技術(shù)包括靈活交流輸電 (flexible AC transmission system，F(xiàn)ACTS)技術(shù)、高壓直流輸電(high-voltage direct current，HVDC)技術(shù)，能夠充分提高傳輸容量和穩(wěn)定性。用戶電力技術(shù)中的電能質(zhì)量技術(shù)、開關(guān)技術(shù)、儲能技術(shù)也有了一定的發(fā)展規(guī)模，另外還有近幾年提出的能量交換與路由技術(shù)。

1.1 FACTS技術(shù)

FACTS技術(shù)用于提高交流輸電系統(tǒng)快速靈活性和穩(wěn)定性的技術(shù)。FACTS技術(shù)包括靜止無功補償器(static var compensator，SVC)、可控串補(thyristor controlled series compensator，TCSC)技術(shù)，這2種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟。伴隨電力電子元器件技術(shù)與功能的不斷進步，近年靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)、統(tǒng)一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)等也得到了關(guān)注與發(fā)展[1]。其中SVC 是目前基于 FACTS 技術(shù)應(yīng)用最廣泛的無功補償裝置，通過控制可控器件晶閘管的導(dǎo)通角來改變阻抗特性，從而實現(xiàn)對無功功率的調(diào)節(jié)[2]。而STATCOM采用門極可關(guān)斷晶閘管(gate-turn-off thyristor，GTO)、絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)等全控開關(guān)器件組成橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，生成與系統(tǒng)電壓具有一定相位差的信號并控制注入電力系統(tǒng)或直接控制其交流測電流，實現(xiàn)無功補償?shù)哪康?。SVC與STATCOM因核心電力電子器件的不同而導(dǎo)致了裝置應(yīng)用領(lǐng)域與特點的不同。SVC價格較低，適用于對諧波與平衡性要求高的線路，STATCOM適用于對響應(yīng)時間和運行效果、輸電穩(wěn)定性要求高的線路[3]。TCSC通過可控硅的觸發(fā)作用快速連續(xù)地控制輸電線路的等值電抗，靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流，增強系統(tǒng)阻尼，抑制低頻振蕩，提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性[4]。UPFC則綜合了以上各種FACTS設(shè)備的功能，同時具有無功補償、調(diào)節(jié)電壓等作用，并且可以實現(xiàn)各功能之間良好的切換[5]。

1.2 HVDC技術(shù)

高壓直流輸電技術(shù)的電能損耗低于傳統(tǒng)交流輸電技術(shù)的損耗，能有效提高電能質(zhì)量并確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，在我國具有廣闊的應(yīng)用前景[6]?；陔妷涸磽Q流器(voltage source converter，VSC)的電壓源換流器型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)是其中代表技術(shù)之一，世界首個VSC-HVDC工程在1997年投運成功，自此之后此項技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[7]。常見的多電平換流器有中性點箝位型、級聯(lián)型和模塊化多電平型，但當輸出電平較多時，以上類型均不占優(yōu)勢，有學(xué)者提出了一種新型的模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的概念[8]。與傳統(tǒng)模塊化電平的VSC-HVDC 相比，基于MMC的HVDC(MMC-HVDC)系統(tǒng)在安全性和節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢。世界首個MMC-HVDC 工程2010年在美國舊金山市北部投入運行，我國首個MMC-HVDC 工程于2011年在上海投入運行。該技術(shù)仍需進一步研究與實踐。另外還有輕型HVDC是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新型HVDC技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)HVDC受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)的缺陷，另外還有多端HVDV也將得到廣泛應(yīng)用。

特高壓直流輸電(ultra high-voltage direct current，UHVDC)是指電壓等級超過800 kV的HVDC技術(shù)。其拓撲結(jié)構(gòu)主要有多端直流和公用接地級2種，其技術(shù)主要以兩端線換相(line commutated converter，LCC)為主。UHVDC技術(shù)的研究以HVDC技術(shù)為基礎(chǔ)，2010年，國家電網(wǎng)公司向家壩—上?！?00 kV 等級復(fù)奉UHVDC 輸電工程投運，是國內(nèi)首個UHVDC試點工程。2014年，±800 kV復(fù)奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流首次同時滿功率運行，為上海、江蘇地區(qū)迎峰度夏提供了充足電能[9]。

1.3 電能質(zhì)量技術(shù)

目前國際上廣泛采用的提高電能質(zhì)量的電力電子裝置主要有有源電力濾波器(active power filter，APF)，動態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamic voltage restorer，DVR)以及統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner，UPQC)等。

DVR主要是針對電壓暫降等動態(tài)電能質(zhì)量問題的補償裝置。DVR串聯(lián)于電網(wǎng)和負載之間，當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)瞬時下降時，裝置在幾ms內(nèi)迅速動作，輸出電網(wǎng)側(cè)同相位下降的電壓值，與原本輸出電壓相疊加，保證負載側(cè)電壓不受影響，保證用戶用電安全[10]。其關(guān)鍵技術(shù)在于如何提升補償容量，提高裝置冬天響應(yīng)時間。APF為無功補償抑制諧波的裝置，當負載中諧波過大時，裝置迅速動作，輸出負載側(cè)大小相同方向相反的電流，使其相互抵消，從而消除諧波影響，其結(jié)構(gòu)可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型[11]。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器 UPQC 是近年來的新興裝置，將串聯(lián)電壓補償原理和并聯(lián)電流補償原理結(jié)合在一個裝置中，統(tǒng)一實現(xiàn)多重電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能[12]。對UPQC的研究重點不僅在于補償效果，還要有各種功能之間的迅速平滑切換[13]。

1.4 固態(tài)開關(guān)技術(shù)

電網(wǎng)中非線性負荷的增多以及對短路容量的需求不斷增大，對其中開關(guān)設(shè)備的要求也不斷增加，傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備如接觸器、繼電器等在開端容量方面很難有大幅度提升，因而固態(tài)開關(guān)這一概念被提出來，主要用于隔離故障、保證設(shè)備及人身安全[14]。固態(tài)開關(guān)種類主要有固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)和固態(tài)斷路器，二者的不同之處在于：故障發(fā)生時，固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)將負載切換至備用電源，而固態(tài)斷路器則將負載斷開。

1.5 能量路由器

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能量路由器這一概念被提出，引起了研究者的廣泛關(guān)注，能量路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的核心部件，實現(xiàn)不同特征能源流融合是能量路由器必須具備的功能。借鑒能源互聯(lián)網(wǎng)的理念、技術(shù)、方法和架構(gòu)，能量路由器效仿信息網(wǎng)絡(luò)路由器，以實現(xiàn)能量交換像信息分享一樣便捷。能量路由器能實現(xiàn)分布式微網(wǎng)等能量自治單元間的能量分享，集電力電子控制、儲能緩存、數(shù)據(jù)中心智能處理、信息通信等功能于一體，是能源互聯(lián)網(wǎng)信息能量融合特征的典型體現(xiàn)，是能源互聯(lián)網(wǎng)的核心裝備[15]。

國外對能量路由器的研究已進入應(yīng)用階段，而國內(nèi)對能量路由器的研究僅僅處于起步階段，其定義尚未明確，但對其功能的研究較多。文獻[16]分析了能源路由器的關(guān)鍵技術(shù)，指出了該領(lǐng)域需要突破的研究方向。文獻[17]提出多端口能量路由器，使其適用于家庭中，其優(yōu)勢在于能量密度高、轉(zhuǎn)換快、電壓等級多。文獻[18]提出一種能量路由器的拓撲結(jié)構(gòu)，運用多代理系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)了能量路由器的自主控制和網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)控制。文獻[19]利用能量路由器實現(xiàn)了線路中潮流的優(yōu)化分布，并利用智能算法對其主功能和容量進行了優(yōu)化配置，該線路主要會受到風能影響。文獻[20]同樣是為家庭設(shè)計了一種能量路由器的拓撲結(jié)構(gòu)，重點考慮了新能源中光能的運用。

1.6 儲能技術(shù)

儲能是建設(shè)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，在電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都可以得到利用，可以起到保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行、改善電能質(zhì)量、提高新能源利用率等重要作用，具有重要的研究意義。按照存儲具體方式可分為機械、電化學(xué)、電磁和熱力儲能四大類型[21]。4種類型中都包含不同的儲能元件，單一的技術(shù)均存在著一定的缺陷，對不同性能的儲能進行有機結(jié)合，發(fā)展復(fù)合儲能技術(shù)，可發(fā)揮各種儲能的優(yōu)點。目前，蓄電池在儲能設(shè)備中應(yīng)用廣泛，其能量密度大，但功率密度小，而超級電容功率密度非常高，并且充放電過程具有良好的可逆性，故而常將這2種儲能元件通過一定的方式連接構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)。充分發(fā)揮二者優(yōu)點使系統(tǒng)獲得更好的性能。復(fù)合儲能在經(jīng)濟上具有單一儲能無法比擬的優(yōu)勢，已成為重要的發(fā)展方向[22]。儲能在電力系統(tǒng)中可以發(fā)揮削峰填谷的作用，在接入電網(wǎng)時需要采用電力電子雙向逆變的支持。

1.7 變頻器

以上方面均為電力電子在電網(wǎng)中的應(yīng)用裝置，從電力系統(tǒng)的整體角度電力電子技術(shù)還有許多應(yīng)用。變頻器(variable-frequency drive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器有多種拓撲結(jié)構(gòu)，分類方法也多種多樣[23]。受功率器件耐壓水平及技術(shù)成本的影響，高壓變頻器不像低壓變頻器具有成熟一致的拓撲結(jié)構(gòu)，功率器件的耐壓問題可用多個器件串聯(lián)方式來解決，但會給驅(qū)動電路帶來壓力，另外也會導(dǎo)致受壓不均等問題[24]。目前隨著高壓變頻器等裝置的廣泛應(yīng)用，在遠程運維等領(lǐng)域也出現(xiàn)了智能化需求。

2 智能化基礎(chǔ)技術(shù)

2.1 傳感器技術(shù)

傳感器是將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置，是信息系統(tǒng)的源頭。不同傳感器在裝置中起到的作用不同。電力電子裝置中常用的有互感器、溫度傳感器、光纖傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等[25]?；ジ衅饔址Q為儀用變壓器，是電流互感器和電壓互感器的統(tǒng)稱，用于測量或保護系統(tǒng)。溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。近年來，光纖傳感器因具有敏感度高、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡便、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指布置大量低成本、低功耗的傳感器節(jié)點，節(jié)點之間以無線通信方式連接，節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)完成感知、數(shù)據(jù)采集、傳輸、接受等工作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和信息處理模式[26]。

在智能電網(wǎng)發(fā)展階段，電網(wǎng)側(cè)量測傳感裝置得到廣泛應(yīng)用，未來能源互聯(lián)網(wǎng)對需求側(cè)低成本的量測傳感裝置需求迫切。

2.2 通信技術(shù)

通信技術(shù)的發(fā)展為電力電子裝置智能化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，裝置智能化所主要體現(xiàn)的方面都需要通信技術(shù)的支撐，使裝置的運作更加高效、經(jīng)濟和安全。

常用的通信傳輸方式有電力線通信、光纖通信和無線通信等。各種通信方式并存，相互補充。電力線通信頻譜資源有限，信道時變衰減大、噪聲干擾嚴重。而光纖通信是利用光波作為載波，以光纖作為傳輸媒質(zhì)的通信方式。光纖通信的傳輸頻帶寬、抗干擾性高、信號衰減小，已成為通信中主要的傳輸方式。重要的光纖通信網(wǎng)絡(luò)有光纖以太網(wǎng)、串行異步光纖網(wǎng)等。智能電網(wǎng)時代無線通信得到了廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展。電力電子通信領(lǐng)域用到的無線通信技術(shù)主要有微波通信和移動通信。無線通信具有成本低廉、建設(shè)周期短、適應(yīng)性和擴展性好等特點，但存在通信環(huán)境和距離受限制等缺點[27]。

隨著5G等無線移動通信的發(fā)展，泛在的通信支撐將以更低的成本、更高的帶寬和更好的性能唾手可得，將給大規(guī)模智能化系統(tǒng)的實現(xiàn)提供有力的支撐。

2.3 分布式計算

隨著智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電力電子裝置在線監(jiān)測各種數(shù)據(jù)的數(shù)量呈幾何級增長，海量數(shù)據(jù)需要進行采集、分析和存儲，單臺計算機的能力明顯不足。分布式計算是指利用網(wǎng)絡(luò)將多臺計算機連接，組成虛擬超級計算機，完成單臺計算機所無法解決的海量數(shù)據(jù)處理問題。典型的分布式計算技術(shù)有中間件技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、移動Agent技術(shù)、P2P技術(shù)和Web Service技術(shù)。通過引入分布式計算技術(shù)，可以增強電力電子裝置在線監(jiān)測時計算分析能力，快速提供操作依據(jù)，增強系統(tǒng)可靠性。

2.4 控制

電力電子裝置主電路拓撲和參數(shù)確定后，其性能主要由控制器決定。因此提高系統(tǒng)動靜態(tài)性能及魯棒性的控制算法研究是其關(guān)鍵技術(shù)。目前，很多控制技術(shù)都應(yīng)用到電力電子控制器的設(shè)計中，大致可分為線性控制和非線性控制，線性控制理論把高壓開關(guān)頻率PWM調(diào)制下的電壓源逆變器等效為線性比例環(huán)節(jié)進行控制器設(shè)計，非線性方法考慮了逆變器的非線性本質(zhì)進行控制器的設(shè)計。線性控制方法主要有基于經(jīng)典控制理論的前饋開環(huán)控制、反饋控制、復(fù)合控制以及基于現(xiàn)代控制理論的最優(yōu)控制、狀態(tài)反饋控制等。非線性控制方法主要有Lyapunov直接法、反饋線性化法、魯棒控制、滑模、模糊等智能控制方法[28-29]。

2.5 數(shù)據(jù)流技術(shù)

電力電子裝置一次系統(tǒng)能量流分析方法構(gòu)成了裝置分析的基本框架[30]，裝置潮流計算、穩(wěn)定計算、短路計算均需要能量流。信息流對于二次系統(tǒng)非常重要，一般說來，電力電子裝置二次系統(tǒng)是由繼電保護、監(jiān)控、故障錄波、保護等多個子系統(tǒng)相互連接而成[31]。通過信息流，可以對系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)分析及對系統(tǒng)的優(yōu)化控制[32]。

流計算是指一種高效利用并行和定位，使用流計算處理器、流計算編程語言等多種技術(shù)手段處理流數(shù)據(jù)的新型計算模式[33]。不同于大數(shù)據(jù)中的面向非實時數(shù)據(jù)的批處理計算框架(例如Hadoop)，流計算面向的數(shù)據(jù)規(guī)模龐大且實時持續(xù)不斷地到達，數(shù)據(jù)次序獨立且時效性強，同時流數(shù)據(jù)的價值會隨著時間的流逝而降低，要求數(shù)據(jù)在產(chǎn)生后必須立即對其進行處理。面對這種“大數(shù)據(jù)流”，傳統(tǒng)的分布式計算模型不再能滿足需求，而批處理計算框架在實時性、容錯性等方面都有所欠缺。能夠?qū)崟r處理流動數(shù)據(jù)并做出合適決策的流計算技術(shù)應(yīng)具備實時處理并丟棄、兼容靜態(tài)數(shù)據(jù)與流數(shù)據(jù)、節(jié)點拓展、多線程應(yīng)用等能力。目前，流計算的模型和框架成為研究的焦點，并已經(jīng)形成了一系列分布式流計算框架[34]。

2.6 數(shù)據(jù)挖掘

電力電子裝置所產(chǎn)生數(shù)據(jù)具有格式多樣化、種類繁多、來源廣泛、時變、不完整、含噪聲等特點，而近年來在國內(nèi)外受到極大重視的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)就是從海量復(fù)雜數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中但有效的信息的過程。數(shù)據(jù)挖掘在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面：電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性分析、負荷預(yù)測模型構(gòu)建、故障診斷、仿真模型性能評估、用戶行為分析和異常監(jiān)測等。根據(jù)目標模式的不同，數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)主要可以分為：概念/類描述、頻繁模式挖掘、分類與預(yù)測、聚類分析、離群點分析和演變分析等幾類。國際權(quán)威的學(xué)術(shù)組織the IEEE International Conference on Data Mining (ICDM) 2006年12月評選出了數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的十大經(jīng)典算法：C4.5，k-Means，SVM， Apriori，EM，PageRank， AdaBoost， kNN，Naive Bayes和CART。而隨著機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能算法的性能提升以及大規(guī)模計算能力的提高，大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘?qū)⒊蔀橹悄芑暮诵摹?/p>

2.7 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

電力電子裝置運行狀態(tài)、電氣量、故障診斷等信息的網(wǎng)絡(luò)化共享是實現(xiàn)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)中各裝置之間的信息交互、調(diào)度優(yōu)化的必然要求。物聯(lián)網(wǎng)利用智能傳感器、射頻識別(radio frequency indentification, RFID)RFID 技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、GPS等技術(shù)實現(xiàn)物體之間的信息交互，作為“智能信息感知末梢”，將推動電力電子裝置智能化的發(fā)展[35]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已在電網(wǎng)初步應(yīng)用，但尚未在電網(wǎng)設(shè)施運行安全監(jiān)控等方面得到應(yīng)用。文獻[36]提出以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能監(jiān)控體系，為實現(xiàn)電力電子裝置的智能監(jiān)測與控制提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。文獻[37]首次提出電力物聯(lián)網(wǎng)的概念，應(yīng)用該技術(shù)可提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，提高電力設(shè)備狀態(tài)評估和智能診斷水平，并可滿足可持續(xù)發(fā)展要求。

3 電力電子裝置智能化研究方向

3.1 智能監(jiān)控

變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展要早于各電力電子裝置監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，因而電力電子裝置智能監(jiān)控可以借鑒變電站，變電站監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：早期傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)配備值班人員；第二階段是利用遠動裝置來采集各裝置電壓電流等實時數(shù)據(jù)；而第三階段是伴隨通信技術(shù)和計算機技術(shù)等發(fā)展起來的，用分層分布式機構(gòu)取代了傳統(tǒng)的集中模式，即變電站監(jiān)控系統(tǒng)。已有的研究中，針對電力電子裝置監(jiān)控系統(tǒng)的研究較少，忽略了對其性能穩(wěn)定性的考慮。電力電子裝置智能化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要點主要包括以下幾個方面：實時數(shù)據(jù)采集與處理、在線監(jiān)視、運行控制、歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢、狀態(tài)評估、與上級調(diào)度通信、曲線報表打印等功能。

文獻[38]提出了基于分層分布式體系結(jié)構(gòu)的SVC監(jiān)控系統(tǒng)，將監(jiān)控系統(tǒng)分為上中下三層，其中，上層由后臺工作站組成，中層由就地工作站、監(jiān)控單元和調(diào)節(jié)單元組成，底層由水冷系統(tǒng)監(jiān)控等組成。文獻[39]結(jié)合500 kV東莞變電站200 MV·A鏈式STATCOM工程應(yīng)用實踐，將其監(jiān)控系統(tǒng)分為5個相對獨立的單元：基于CAN總線的主控單元、可編程控制器PLC水冷控制單元、脈沖觸發(fā)單元、二次繼保單元和就地控制單元；監(jiān)控系統(tǒng)分為5層：遠程控制、就地控制、上層控制、中層控制和下層控制。這種分層控制模式可供同類大功率電力電子裝置工程化應(yīng)用借鑒。文獻[40]在以.NET 為體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對鋰電池儲能監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)計，該系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)和各級服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)2個部分組成。該系統(tǒng)通過了實踐驗證，在一定程度上滿足了用戶的要求。文獻[41]提出一種模塊化、智能化的MW級鈉硫電池儲能監(jiān)控系統(tǒng)，研究并設(shè)計其總體架構(gòu)、邏輯架構(gòu)和功能模塊，以及安全防護方案，在此基礎(chǔ)上開展軟硬件平臺設(shè)計。

3.2 故障診斷

電力電子裝置中，故障診斷的目的是為了快速定位故障位置、縮短故障處理時間，以提高故障處理的效率。智能監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫在電力電子裝置中的應(yīng)用為其故障診斷提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使自動故障分析有可能實現(xiàn)。故障診斷面臨的問題在于故障征兆與真實故障之間關(guān)系復(fù)雜，需反復(fù)探索，所涉及故障診斷方法眾多。

對于電力電子裝置的故障診斷，目前僅僅針對其中某一設(shè)備的方法，大型電力電子裝置中均含有變壓器，隨著計算機、信息技術(shù)以及人工智能的發(fā)展，采用油中溶解氣體分析(dissolved gas-in-oil analysis, DGA)與粗糙集技術(shù)[42]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[43]以及支持向量機(support vector machine，SVM)[44]等方法可以對變壓器故障進行有效診斷，為電力變壓器故障診斷技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。文獻[45]為了提高故障診斷的準確率，提出了一種多分類最小二乘支持向量機(least squares support vector maohine，LSSVM)和改進粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization，PSO)相結(jié)合的電力變壓器故障診斷方法，可以準確、有效地對變壓器進行故障診斷

電力電子裝置中，高壓斷路器是其必不可少的設(shè)備，目前對其診斷方法主要有模糊理論[46]、專家系統(tǒng)[47]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[48]、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[49]等。

電力電子裝置中對逆變電路的診斷方法主要分為電流檢測方法和電壓檢測方法，增加電壓或電流傳感器的方法均不能檢測出故障位置，其他電流檢測方法如對比直流側(cè)電流或分析其波形頻譜、電流矢量軌跡診斷法、電流瞬時功率法、三相平均電流帕克變換法等，以上方法可以判斷功率器件故障位置，但缺點在于診斷過程中需要采集電流并分析，時間長。

文獻[50]針對APF中IGBT容易損壞的特點，提出一種低成本的基于硬件電路的開路故障診斷與容錯控制方案。文獻[51]針對電池儲能系統(tǒng)換流橋器件IGBT發(fā)生故障時，會導(dǎo)致電壓電流的畸變，影響電能質(zhì)量，嚴重時會對儲能系統(tǒng)的安全運行造成威脅這一問題，提出了一種開路故障診斷方法。

3.3 狀態(tài)評估

電力電子裝置的安全運行是十分重要的，所有設(shè)備均無故障才能保證整個系統(tǒng)的安全運行。設(shè)備有無故障與安全運行需要通過檢修的方式，對于高壓、大容量的電力電子裝置來說，其設(shè)備數(shù)量龐大造成檢修工作量也非常大，以往所提倡的故障檢修和定期檢修限制了系統(tǒng)自動化程度的發(fā)展。采用科學(xué)的狀態(tài)檢修模式才可適應(yīng)其發(fā)展要求，狀態(tài)檢修在降低系統(tǒng)運維成本、縮短停電時間、延長設(shè)備壽命等方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢。狀態(tài)檢修第一步便是對裝置進行狀態(tài)評估。

電力電子裝置中需要進行評估的設(shè)備一般有變壓器、電抗器、電流電壓互感器、斷路器、真空接觸器、負荷開關(guān)、功率單元(IGBT)、空冷或水冷系統(tǒng)、線路等。為分析電力電子裝置系統(tǒng)是否安全運行，則需要考慮每個設(shè)備的多種因素，絕大多數(shù)設(shè)備都可以從預(yù)防性試驗、運行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等幾個方面來綜合分析自身運行安全狀態(tài)。

變壓器的狀態(tài)評估工作已經(jīng)引起了學(xué)者的廣泛重視，文獻[52]綜合考慮了其模型中存在的不確定性問題，建立了多層次的狀態(tài)評估模型。文獻[53]為提高這一類設(shè)備狀態(tài)評估的準確性，對220 kV高壓等級油浸式變壓器進行了狀態(tài)評估。文獻[54]針對高壓斷路器提出了兩級模糊評估模型。文獻[55]討論了電容器工作中的缺陷，并利用紅外技術(shù)解決運行中的問題。文獻[56]針對絕緣柵雙極型晶體管的在線評估，提出一種監(jiān)控壓降變化的有效方法。以上均是對電力電子裝置中的某一設(shè)備進行評估，對于整個裝置來說，需要從宏觀上對其安全運行狀態(tài)進行整體評估。

評估指標體系是整個狀態(tài)評估工作的重點內(nèi)容，文獻[57]與文獻[58]分別將智能電網(wǎng)評估體系劃分為不同的2個層次。文獻[59]建立了變電站狀態(tài)檢修決策模型，根據(jù)所提出設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移的馬爾科夫過程求解設(shè)備狀態(tài)概率。文獻[60]建立了電力設(shè)備安全狀態(tài)模糊綜合評估模型，構(gòu)建了較為完整的電力設(shè)備安全狀態(tài)評估體系，并提出了3層架構(gòu)的評估系統(tǒng)設(shè)計方案。

3.4 預(yù)測與預(yù)警

隨著電力電子裝置的規(guī)模越來越大，智能化程度越來越高，運行方式越來越復(fù)雜，裝置的安全穩(wěn)定控制、運行難度也比以往復(fù)雜瑣碎，這就需要對裝置設(shè)計具有自動監(jiān)控、自動預(yù)測與報警的平臺。自動的預(yù)警報警系統(tǒng)可以幫助維修人員在第一時間發(fā)現(xiàn)故障。系統(tǒng)設(shè)計的目標是利用目前先進的軟硬件和通信技術(shù)共同完成一套預(yù)警和報警系統(tǒng)。

對電力電子裝置的預(yù)測與預(yù)警還沒有開展大規(guī)模研究，目前的研究集中于電力系統(tǒng)和變電站，對電力電子裝置預(yù)測與預(yù)警可以起到借鑒作用。文獻[61]為合理應(yīng)對電力系統(tǒng)大規(guī)模停電事故，研究了電網(wǎng)災(zāi)變預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的功能和架構(gòu)，并進行了仿真驗證。文獻[62]指出，研究在線預(yù)警系統(tǒng)對于風電并網(wǎng)的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定具有重大意義，完成了預(yù)警系統(tǒng)的研制，并通過實際運行證明了該系統(tǒng)的功能。文獻[63]給出了電力設(shè)備載流故障預(yù)測的各種實現(xiàn)方法。

3.5 可視化技術(shù)

隨著電力電子裝置不斷往高壓、大容量方向的發(fā)展，數(shù)據(jù)激增，運行更趨于極限。原有監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示方式已不能滿足實際要求。裝置運行時，大量復(fù)雜的信息需要采用有效、直觀的方式，以告警、圖形、分析結(jié)果等形式提供給管理人員，方便管理人員采取有效措施，為裝置監(jiān)控、分析、安全等提供有力保證[64]。這就要用到可視化技術(shù)，可視化技術(shù)是指利用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術(shù)?？梢暬夹g(shù)主要關(guān)注的數(shù)據(jù)類型包括電器元件信息、電氣量信息、預(yù)測預(yù)警信息等。

采用文獻[65]方法，對變壓器作可視化診斷后，可以迅速、準確地掌握變壓器絕緣故障全面的故障信息，具有很強的實用價值。文獻[66]指出對變電站繼電保護故障，利用可視化技術(shù)，可以對內(nèi)部工作及潛在問題進行分析。文獻[67]對電網(wǎng)的實時監(jiān)控可視化技術(shù)進行了研究分析，提出一套較為完整的解決方案，并在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)了穩(wěn)定利用。

4 電力電子裝置智能化應(yīng)用

4.1 設(shè)備運維

傳統(tǒng)運維方案為保證裝置狀態(tài)良好，會對其中設(shè)備進行定檢、全檢等幾種運維模式，在設(shè)備數(shù)量大量增加、設(shè)備電壓等級升高、新技術(shù)大量引入的情況下，有限時間內(nèi)完成大量的運維檢修任務(wù)會有巨大困難，也會帶來許多問題如：維修不足、維修過剩、提前維修、維修滯后等。

智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對電力電子裝置的管理、運行、維護、檢修人員也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的運維模式已經(jīng)不能適應(yīng)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)運維需求。為適應(yīng)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能化的運維模式需要得到快速應(yīng)用。智能電力電子裝置的設(shè)備自檢和通信能力都比傳統(tǒng)裝置要強，可提供詳細全面的狀態(tài)信息，使得運維人員能夠更準確地掌握裝置運行情況。隨著精細化管理要求的不斷提升，文獻[68]指出實現(xiàn)電力設(shè)備運維的可視化技術(shù)可以提高電網(wǎng)信息運維人員對信息設(shè)備的管控能力。文獻[69]提出了智能運維系統(tǒng)的整體系統(tǒng)架構(gòu)和功能部署方案，有效解決了目前智能變電站二次設(shè)備在實際運維過程中出現(xiàn)的一系列問題。文獻[70]提出了一種綜合考慮基于風險的檢修和基于全壽命周期成本的電網(wǎng)主設(shè)備運行維護策略輔助決策方法，采用定量的方法評估設(shè)備運行風險，并在深圳供電局各變電站的變壓器上得到了實際應(yīng)用。以上方法均為電力電子裝置智能化的運維提供了借鑒。

4.2 儲能能量管理

儲能能量管理分為2個研究內(nèi)容：一是儲能裝置本身的能量管理，二是微電網(wǎng)監(jiān)控和能量管理。目前適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)及微電網(wǎng)中的儲能方式主要為蓄電池儲能，主要原因為其能量密度高、技術(shù)成熟，但其缺點為功率密度低，使用壽命短。超級電容與蓄電池具有較強的互補性，其功率密度大，工作壽命長，但是能量密度較低，不適用于大規(guī)模的電力儲能。如果將二者結(jié)合起來，組成混合儲能系統(tǒng)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，則可以揚長避短，既可以實現(xiàn)高功率密度的要求，也可以實現(xiàn)高能量密度的要求，同時可以減少蓄電池的額定容量并延長其壽命，這也成為目前儲能研究的熱點。

對儲能系統(tǒng)能量管理國外研究起步較早，文獻[71]對于混合儲能系統(tǒng)的能量管理進行了研究并提出了一種基于多項式控制方式來控制儲能單元的充放電。文獻[72]采用模糊控制的方式對混合儲能系統(tǒng)的功率進行分配。文獻[73]采用了滑?？刂苼磉M行蓄電池和超級電容之間的功率分配。文獻[74]提出了基于多模式模糊控制的能量管理方法，將工作狀態(tài)分為多種模式切換工作。文獻[75]中將蓄電池作為主要儲能元件，超級電容僅起到補充輔助作用。

國內(nèi)學(xué)者在國外研究基礎(chǔ)上也取得了一定的成就，文獻[76]提出了一種動態(tài)能量優(yōu)化(dynamic energy optimization based on energy predietion，DEOEP)算法。文獻[77]提出了基于平滑控制的混合儲能系統(tǒng)的能量管理方法。文獻[78]為滿足對微電網(wǎng)進行監(jiān)控和能量管理的需要，借鑒智能變電站分層體系結(jié)構(gòu)，提出多層微電網(wǎng)監(jiān)控與能量管理一體化系統(tǒng)。

4.3 網(wǎng)絡(luò)化電能質(zhì)量治理

目前對電能質(zhì)量問題的治理，技術(shù)上主要包括各種電能質(zhì)量治理裝置的介入，并建立電能質(zhì)量監(jiān)測體系，完善用戶電能質(zhì)量投訴流程管理等。這些手段僅僅取得了一定程度的應(yīng)用，由于目前電力電子裝置智能化的普及水平不足，中低壓側(cè)還主要依靠人工監(jiān)測、定期巡視和用戶投訴等途徑來掌握電能質(zhì)量情況，因此無法保證對電能質(zhì)量存在問題掌控與處理的正確性與及時性[79]。

電能質(zhì)量監(jiān)測與治理是一個系統(tǒng)性工程，網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的主流趨勢，而網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量治理還未得到應(yīng)用。已建設(shè)的各監(jiān)測裝置多處于孤立運行狀態(tài)，缺乏統(tǒng)一平臺對已有監(jiān)測采集系統(tǒng)中電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分析，制定優(yōu)化的協(xié)同處理策略，無法達到對區(qū)域配電網(wǎng)電能質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控與決策治理的目的。

互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量治理提供了可能。網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量治理裝置可由多個電力電子裝置和其通信系統(tǒng)組成，位于電網(wǎng)同一或不同線路上，各電力電子裝置通過通信系統(tǒng)與后臺計算中心相連，用于采集其所位于的電網(wǎng)線路的實時信息后通過互聯(lián)網(wǎng)上傳，并接收后臺計算中心的指令，輸出補償電流或電壓進行補償；后臺計算中心用于計算補償總量及每一電力電子裝置的補償分量，且將每一補償分量均轉(zhuǎn)換成具有一定下發(fā)順序的指令，并待所有指令轉(zhuǎn)換完畢后，將指令分別下發(fā)給相應(yīng)補償單元中的電力電子裝置。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)多個電力電子裝置動態(tài)協(xié)調(diào)輸出，提高電能質(zhì)量治理效果，并可采用相同的低容量電力電子裝置，從而節(jié)約運行成本和維護成本。

4.4 風光互補監(jiān)控

可再生能源的合理開發(fā)與利用是當今世界的熱點話題，目前絕大多數(shù)發(fā)達國家都將發(fā)電形式從火力發(fā)電向可再生能源發(fā)電轉(zhuǎn)變。風光互補發(fā)電機由風力發(fā)電機、太陽能光伏板、風光互補控制器和逆變器等許多部分組成，在各部分之間都存在大量的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)并網(wǎng)時必須保證其電能質(zhì)量，為了便于工作人員能夠?qū)崟r監(jiān)測和控制風光互補發(fā)電系統(tǒng)的運行狀況，需要對其進行實時監(jiān)測，并針對實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)對風光互補發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響加以評估，觀察電能質(zhì)量指標是否存在超出規(guī)定限值的情況[80]。文獻[81]開發(fā)了風光互補智能控制系統(tǒng)。文獻[82]考慮了風電場、光伏電站出力的隨機性，并且設(shè)計二者出力的相關(guān)性，提出應(yīng)用Couple理論建立風電場、光伏電站出力聯(lián)合概率分布模型的方法。同時對風光互補發(fā)電系統(tǒng)進行了可靠性評估。

4.5 需求側(cè)管理

電力需求側(cè)管理(power demand side management，PDSM)是為合理利用資源，提高用電效率和減少環(huán)境污染而進行的用電管理活動。需求側(cè)管理是智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)重要的組成部分之一[83]。傳統(tǒng)的PDSM還處于政策性管理階段，智能化的電力電子裝置中先進的監(jiān)控、計算、通信和控制手段對于需求側(cè)管理技術(shù)的推進起到了促進作用。與傳統(tǒng)的PDSM相比，智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)下的PDSM可具有更強的能力，高水平的監(jiān)控、智能控制及通訊技術(shù)，可實現(xiàn)終端用戶的及時響應(yīng)，并且支持分布式能源自由接入。

4.6 家庭能源管理

居民側(cè)用電量占全社會的36.3%，但存在用電效率低、浪費嚴重的情況。為提高這一用電效率，避免環(huán)境資源浪費，國外在20世紀已開展了家庭能源管理系統(tǒng)(home energy management system，HEMS)的研究[84]。該項領(lǐng)域利用傳感器與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集與傳輸室內(nèi)溫濕度、空氣質(zhì)量、人員活動數(shù)量和用電設(shè)備等信息，將數(shù)據(jù)綜合處理后，對用電設(shè)備進行控制，滿足用戶舒適度的同時實現(xiàn)節(jié)能減排。

家庭能源管理系統(tǒng)是智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)在居民側(cè)的延伸，在這樣的大環(huán)境下，家庭能源管理也有了新的需求，如考慮大量用戶協(xié)同工作、能量流的雙向流動、支持需求響應(yīng)在居民側(cè)的實施、支持新能源接入電網(wǎng)等。對電力電子裝置智能化的研究有助于家庭能源管理系統(tǒng)的健康發(fā)展。

4.7 智能充電系統(tǒng)

如何高效、快速、無損地對蓄電池進行科學(xué)充電，一直是蓄電池界關(guān)心的問題。充電技術(shù)從傳統(tǒng)的恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電，發(fā)展到了現(xiàn)在的智能充電。目前國內(nèi)對大容量智能充電技術(shù)的研究還處于初始階段，電動汽車智能充電樁不僅能夠解決電動汽車需要隨時隨地充電的問題，還能夠?qū)ζ潆姵剡M行維護，并且具有人性化的人機交互界面和完善的通訊能力。文獻[85]將電力電子技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)以及通信中CAN總線技術(shù)應(yīng)用到電動汽車智能充電樁的設(shè)計與研究中，保證了電動汽車的續(xù)航能力與運行安全。文獻[86]在風光互補發(fā)電的基礎(chǔ)上，通過總線與監(jiān)控等技術(shù)實現(xiàn)了風光互補發(fā)電向電動汽車充電的智能控制。

5 電力電子智能化研究發(fā)展方向

已有的電力電子裝置的研制重點在于其基本功能的實現(xiàn)與性能的提高，很少考慮其智能化和對上層支撐。智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大環(huán)境對電力電子裝置的智能化提出了高要求，對這一問題的研究具有重要的現(xiàn)實意義。而電力電子裝置本身一般已經(jīng)有相應(yīng)的裝置級控制系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)甚至互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，這些都為電力電子裝置的智能化研究提供了基礎(chǔ)。未來電力電子智能化研究可以考慮以下方向。

(1)大多智能化的技術(shù)或手段，已在變電站或電力系統(tǒng)中得以實現(xiàn)，對于電力電子裝置智能化是一個很好的借鑒：智能傳感裝置工作中容易受到電磁干擾甚至損壞，提高此類裝置的抗干擾能力及精度是一項重要工作；智能化技術(shù)的深度使用，必須要有相應(yīng)的管理制度與評估標準；智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)裝置特性，多考慮分層分布式的體系結(jié)構(gòu)；對智能裝置的能量流與信息流分別進行分析，以保證裝置穩(wěn)定與運行優(yōu)化；應(yīng)用最新的大數(shù)據(jù)存儲、分析和深度學(xué)習(xí)方法，結(jié)合電力電子裝置的特點，有助于從數(shù)據(jù)分析層面解決其所面臨的問題，從海量數(shù)據(jù)中提煉更多有價值的信息，但在實時性、數(shù)據(jù)一致性和安全性等方面仍面臨挑戰(zhàn)。

(2)已有的電力電子裝置側(cè)重于對其拓撲結(jié)構(gòu)的研究，對其性能的控制則多數(shù)還停留在理論階段，已在實際裝置中應(yīng)用的控制方法仍以傳統(tǒng)方法居多，研究先進的控制算法，有利于充分發(fā)揮裝置的性能，在保證裝置安全穩(wěn)定的前提下，提高電能質(zhì)量和經(jīng)濟性能。電力電子裝置是龐大的信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)，具有很強的非線性與不確定性，考慮其魯棒性控制與多種運行方式如何并存與協(xié)調(diào)是關(guān)鍵技術(shù)問題。

(3)已有的故障診斷與狀態(tài)評估方法，僅限于電力電子裝置中某一單一設(shè)備如變壓器、斷路器等，沒有考慮各器件之間的聯(lián)系，缺乏所有設(shè)備系統(tǒng)評估與診斷方法，電力電子裝置智能化研究中可以考慮健全整個裝置的故障診斷與狀態(tài)評估體系。對于超大容量、高壓的電力電子裝置而言，因其組成復(fù)雜，狀態(tài)評估時面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，不僅要考慮裝置性能變化，還要考慮到運行環(huán)境的變化，每個裝置構(gòu)成特點迥異，評價標準無法統(tǒng)一，需要監(jiān)測的信息量也非常龐大，正確、有效地評估其安全狀態(tài)是狀態(tài)檢修成功的關(guān)鍵，對系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。同時評估指標的選取應(yīng)遵守狀態(tài)評估科學(xué)性、全面性等原則，可考慮對裝置進行分級評估，避免資源浪費。

(4)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化智能應(yīng)用于智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)，如網(wǎng)絡(luò)化的電能質(zhì)量治理，是電能質(zhì)量治理技術(shù)中電力電子裝置智能化的重要發(fā)展方向。首先要建立完善的電能質(zhì)量評估方法與等級劃分體系，并基于供用電接口的經(jīng)濟性分析，分別建立內(nèi)部技術(shù)等級評估體系與用戶經(jīng)濟性評估體系，建立與健全相關(guān)政策、法規(guī)，實現(xiàn)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的“優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟”運行。

(5)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)電力電子裝置信息安全共享，提高預(yù)測預(yù)警水平，尤其是在未來能源互聯(lián)網(wǎng)延伸到需求側(cè)，實現(xiàn)源網(wǎng)荷協(xié)同等場景。其中，電力電子裝置信息模型、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、感知體系、通訊模型與接口規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)與信息安全、設(shè)備間的信息共享與交互策略等問題都是需要深入研究的問題。

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(編輯 張媛媛)

Review of Intelligent Power Electronic Device Research

CAO Junwei1, YANG Jie1, YUAN Zhongda1, WU Koulin2, FANG Taixun2, YANG Fei3

(1. Research Institute of Information Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China;3. State Grid Liaoning Electric Power Supply Co., Ltd., Shenyang 110004, China)

Intelligent power electronics device is the important foundation for smart grid and energy Internet. It is vitally important and has practical significance to carry out research on intelligent power electronics device. In order to promote the theoretical research and practical development of intelligent power electronics devices, this paper surveys the current progress of intelligent power electronics device. Power electronics devices are classified according to their major functionalities. For each class, this paper discusses supporting techniques such as sensing, communication, automatic control and so on. Based on the analysis of research directions of intelligent monitoring, fault diagnosis and condition assessment, this paper summarizes the application situation of intelligent power electronics devices. In the end, this paper discusses the development trend of intelligent power electronic devices, and proposes suggestions on some urgent problems.

energy Internet; smart grid; power electronic device; intelligent

國家自然科學(xué)基金項目(61472200)；國家電網(wǎng)公司科技項目(5222AS15000C)

TM 1；TM 7

A

1000-7229(2017)05-0018-13

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.003

2017-01-09

曹軍威(1973)，男，博士，研究員，主要研究方向為電能質(zhì)量、能源互聯(lián)網(wǎng)、先進計算技術(shù)等；

楊潔(1985)，女，博士，助理研究員，本文通信作者，主要研究方向為智能電力與控制；

袁仲達(1976)，男，博士，助理研究員，主要研究方向為數(shù)字信號處理以及嵌入式系統(tǒng)；

吳扣林(1984)，男，碩士，工程師，主要研究方向為靜止無功發(fā)生器等大功率電力電子技術(shù)；

方太勛(1973)，男，碩士，教授級高級工程師，主要研究方向為大功率電力電子技術(shù)；

楊飛(1983)，男，碩士，高級工程師，主要從事繼電保護及安全自動裝置管理和直流輸電控制保護工作。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(61472200)