電力電子裝置智能化研究綜述

曹軍威，楊潔，袁仲達，吳扣林，方太勛，楊飛

(1.清華大學信息技術研究院，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.清華大學信息技術研究院，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智能電網與能源互聯網的重要基礎，對電力電子裝置的智能化研究具有重要的現實意義。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，如傳感、通信、控制等方面的應用進展。在分析電力電子裝置智能化智能監控、故障診斷、狀態評估等研究方向的基礎上，總結了電力電子裝置智能化研究多方面的應用情況。最后對電力電子裝置智能化發展趨勢進行了展望，針對若干亟待解決的問題提出了研究建議。

能源互聯網；智能電網；電力電子裝置；智能化

0 引 言

隨著智能電網與能源互聯網的迅速發展，電力電子技術越來越得到普遍采用。先進的電力電子技術是建設智能電網與能源互聯網的重要基礎和手段，用于解決其中的關鍵問題，如輸電環節的高壓直流輸電和靈活交流輸電、配電環節電能質量治理技術、儲能技術和固態開關技術以及新興的能源路由技術等，所涉及到的電力電子裝置種類眾多。

智能電網與能源互聯網均是互動系統，均要求對其中變更做出迅速響應并保證系統安全。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、通信技術、傳感技術、可視化技術等與電力電子裝置有機結合，實現裝置運行狀態的感知、分析、預警、狀態評估、信息分享等功能，增強智能電網與能源互聯網的自適應能力與穩定性，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智能電網與能源互聯網的重要技術基礎。

事實上，隨著電力電子在能源電力系統中的廣泛應用，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展，將發揮越來越重要的作用。如目前比較成熟的無功補償、有源濾波等電能質量方面的裝置主要在單點針對特定問題發揮作用。隨著未來能源互聯網的發展，能量交換與路由裝置的大量應用，電力電子裝置的功能更加綜合，對系統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與性能提高，很少考慮其智能化和對上層支撐。而智能電網與能源互聯網系統的智能化又很少與電力電子裝置功能相結合，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現狀、電力電子裝置智能化研究已使用的基礎技術、裝置智能化研究方向、智能化應用等4個方面對目前電力電子裝置智能化研究與應用現狀進行綜述與分析，并指出未來電力電子裝置智能化研究發展方向與需要解決的問題。文章主要結構如圖1所示。

圖1 本文結構圖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中的職責也不同，已有相對成熟的電力電子技術包括靈活交流輸電 (flexible AC transmission system，FACTS)技術、高壓直流輸電(high-voltage direct current，HVDC)技術，能夠充分提高傳輸容量和穩定性。用戶電力技術中的電能質量技術、開關技術、儲能技術也有了一定的發展規模，另外還有近幾年提出的能量交換與路由技術。

1.1 FACTS技術

FACTS技術用于提高交流輸電系統快速靈活性和穩定性的技術。FACTS技術包括靜止無功補償器(static var compensator，SVC)、可控串補(thyristor controlled series compensator，TCSC)技術，這2種技術已經發展成熟。伴隨電力電子元器件技術與功能的不斷進步，近年靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)、統一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)等也得到了關注與發展[1]。其中SVC 是目前基于 FACTS 技術應用最廣泛的無功補償裝置，通過控制可控器件晶閘管的導通角來改變阻抗特性，從而實現對無功功率的調節[2]。而STATCOM采用門極可關斷晶閘管(gate-turn-off thyristor，GTO)、絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)等全控開關器件組成橋式電路通過電抗器或者直接并聯在電網上，生成與系統電壓具有一定相位差的信號并控制注入電力系統或直接控制其交流測電流，實現無功補償的目的。SVC與STATCOM因核心電力電子器件的不同而導致了裝置應用領域與特點的不同。SVC價格較低，適用于對諧波與平衡性要求高的線路，STATCOM適用于對響應時間和運行效果、輸電穩定性要求高的線路[3]。TCSC通過可控硅的觸發作用快速連續地控制輸電線路的等值電抗，靈活調節系統潮流，增強系統阻尼，抑制低頻振蕩，提高電力系統的運行穩定性[4]。UPFC則綜合了以上各種FACTS設備的功能，同時具有無功補償、調節電壓等作用，并且可以實現各功能之間良好的切換[5]。

1.2 HVDC技術

高壓直流輸電技術的電能損耗低于傳統交流輸電技術的損耗，能有效提高電能質量并確保電網安全穩定運行，在我國具有廣闊的應用前景[6]。基于電壓源換流器(voltage source converter，VSC)的電壓源換流器型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術是其中代表技術之一，世界首個VSC-HVDC工程在1997年投運成功，自此之后此項技術得到了廣泛應用[7]。常見的多電平換流器有中性點箝位型、級聯型和模塊化多電平型，但當輸出電平較多時，以上類型均不占優勢，有學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]。與傳統模塊化電平的VSC-HVDC 相比，基于MMC的HVDC(MMC-HVDC)系統在安全性和節能方面具有明顯的優勢。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年代發展起來的一種新型HVDC技術，它克服了傳統HVDC受端必須是有源網絡的缺陷，另外還有多端HVDV也將得到廣泛應用。

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。其拓撲結構主要有多端直流和公用接地級2種，其技術主要以兩端線換相(line commutated converter，LCC)為主。UHVDC技術的研究以HVDC技術為基礎，2010年，國家電網公司向家壩—上海±800 kV 等級復奉UHVDC 輸電工程投運，是國內首個UHVDC試點工程。2014年，±800 kV復奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流首次同時滿功率運行，為上海、江蘇地區迎峰度夏提供了充足電能[9]。

1.3 電能質量技術

目前國際上廣泛采用的提高電能質量的電力電子裝置主要有有源電力濾波器(active power filter，APF)，動態電壓恢復器(dynamic voltage restorer，DVR)以及統一電能質量調節器(unified power quality conditioner，UPQC)等。

DVR主要是針對電壓暫降等動態電能質量問題的補償裝置。DVR串聯于電網和負載之間，當電網電壓出現瞬時下降時，裝置在幾ms內迅速動作，輸出電網側同相位下降的電壓值，與原本輸出電壓相疊加，保證負載側電壓不受影響，保證用戶用電安全[10]。其關鍵技術在于如何提升補償容量，提高裝置冬天響應時間。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，其結構可以分為串聯型和并聯型[11]。統一電能質量控制器 UPQC 是近年來的新興裝置，將串聯電壓補償原理和并聯電流補償原理結合在一個裝置中，統一實現多重電能質量調節功能[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 固態開關技術

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

1.5 能量路由器

隨著能源互聯網的發展，能量路由器這一概念被提出，引起了研究者的廣泛關注，能量路由器是能源互聯網架構的核心部件，實現不同特征能源流融合是能量路由器必須具備的功能。借鑒能源互聯網的理念、技術、方法和架構，能量路由器效仿信息網絡路由器，以實現能量交換像信息分享一樣便捷。能量路由器能實現分布式微網等能量自治單元間的能量分享，集電力電子控制、儲能緩存、數據中心智能處理、信息通信等功能于一體，是能源互聯網信息能量融合特征的典型體現，是能源互聯網的核心裝備[15]。

國外對能量路由器的研究已進入應用階段，而國內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鍵技術，指出了該領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，其優勢在于能量密度高、轉換快、電壓等級多。文獻[18]提出一種能量路由器的拓撲結構，運用多代理系統技術實現了能量路由器的自主控制和網絡的協調控制。文獻[19]利用能量路由器實現了線路中潮流的優化分布，并利用智能算法對其主功能和容量進行了優化配置，該線路主要會受到風能影響。文獻[20]同樣是為家庭設計了一種能量路由器的拓撲結構，重點考慮了新能源中光能的運用。

1.6 儲能技術

儲能是建設智能電網與能源互聯網的關鍵技術，在電力系統的各個環節都可以得到利用，可以起到保證電網穩定運行、改善電能質量、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、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，單一的技術均存在著一定的缺陷，對不同性能的儲能進行有機結合，發展復合儲能技術，可發揮各種儲能的優點。目前，蓄電池在儲能設備中應用廣泛，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成混合儲能系統。充分發揮二者優點使系統獲得更好的性能。復合儲能在經濟上具有單一儲能無法比擬的優勢，已成為重要的發展方向[22]。儲能在電力系統中可以發揮削峰填谷的作用，在接入電網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中的應用裝置，從電力系統的整體角度電力電子技術還有許多應用。變頻器(variable-frequency drive，VFD)是應用變頻技術與微電子技術，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備。變頻器有多種拓撲結構，分類方法也多種多樣[23]。受功率器件耐壓水平及技術成本的影響，高壓變頻器不像低壓變頻器具有成熟一致的拓撲結構，功率器件的耐壓問題可用多個器件串聯方式來解決，但會給驅動電路帶來壓力，另外也會導致受壓不均等問題[24]。目前隨著高壓變頻器等裝置的廣泛應用，在遠程運維等領域也出現了智能化需求。

2 智能化基礎技術

2.1 傳感器技術

傳感器是將非電信號轉換為電信號的裝置，是信息系統的源頭。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、無線傳感器網絡等[25]。互感器又稱為儀用變壓器，是電流互感器和電壓互感器的統稱，用于測量或保護系統。溫度傳感器是指能感受溫度并轉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、結構簡便、環境適應性強等優點而得到了廣泛應用。無線傳感器網絡是指布置大量低成本、低功耗的傳感器節點，節點之間以無線通信方式連接，節點與網絡完成感知、數據采集、傳輸、接受等工作。無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和信息處理模式[26]。

在智能電網發展階段，電網側量測傳感裝置得到廣泛應用，未來能源互聯網對需求側低成本的量測傳感裝置需求迫切。

2.2 通信技術

通信技術的發展為電力電子裝置智能化建設奠定了基礎，裝置智能化所主要體現的方面都需要通信技術的支撐，使裝置的運作更加高效、經濟和安全。

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。重要的光纖通信網絡有光纖以太網、串行異步光纖網等。智能電網時代無線通信得到了廣泛應用和飛速發展。電力電子通信領域用到的無線通信技術主要有微波通信和移動通信。無線通信具有成本低廉、建設周期短、適應性和擴展性好等特點，但存在通信環境和距離受限制等缺點[27]。

隨著5G等無線移動通信的發展，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，將給大規模智能化系統的實現提供有力的支撐。

2.3 分布式計算

隨著智能電網與能源互聯網的發展，電力電子裝置在線監測各種數據的數量呈幾何級增長，海量數據需要進行采集、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絡將多臺計算機連接，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據處理問題。典型的分布式計算技術有中間件技術、網格技術、移動Agent技術、P2P技術和Web Service技術。通過引入分布式計算技術，可以增強電力電子裝置在線監測時計算分析能力，快速提供操作依據，增強系統可靠性。

2.4 控制

電力電子裝置主電路拓撲和參數確定后，其性能主要由控制器決定。因此提高系統動靜態性能及魯棒性的控制算法研究是其關鍵技術。目前，很多控制技術都應用到電力電子控制器的設計中，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頻率PWM調制下的電壓源逆變器等效為線性比例環節進行控制器設計，非線性方法考慮了逆變器的非線性本質進行控制器的設計。線性控制方法主要有基于經典控制理論的前饋開環控制、反饋控制、復合控制以及基于現代控制理論的最優控制、狀態反饋控制等。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 數據流技術

電力電子裝置一次系統能量流分析方法構成了裝置分析的基本框架[30]，裝置潮流計算、穩定計算、短路計算均需要能量流。信息流對于二次系統非常重要，一般說來，電力電子裝置二次系統是由繼電保護、監控、故障錄波、保護等多個子系統相互連接而成[31]。通過信息流，可以對系統進行穩態分析、動態分析及對系統的優化控制[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手段處理流數據的新型計算模式[33]。不同于大數據中的面向非實時數據的批處理計算框架(例如Hadoop)，流計算面向的數據規模龐大且實時持續不斷地到達，數據次序獨立且時效性強，同時流數據的價值會隨著時間的流逝而降低，要求數據在產生后必須立即對其進行處理。面對這種“大數據流”，傳統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。能夠實時處理流動數據并做出合適決策的流計算技術應具備實時處理并丟棄、兼容靜態數據與流數據、節點拓展、多線程應用等能力。目前，流計算的模型和框架成為研究的焦點，并已經形成了一系列分布式流計算框架[34]。

2.6 數據挖掘

電力電子裝置所產生數據具有格式多樣化、種類繁多、來源廣泛、時變、不完整、含噪聲等特點，而近年來在國內外受到極大重視的數據挖掘技術就是從海量復雜數據中，提取隱含在其中但有效的信息的過程。數據挖掘在電力系統中的應用主要集中在以下幾個方面：電力系統安全穩定性分析、負荷預測模型構建、故障診斷、仿真模型性能評估、用戶行為分析和異常監測等。根據目標模式的不同，數據挖掘任務主要可以分為：概念/類描述、頻繁模式挖掘、分類與預測、聚類分析、離群點分析和演變分析等幾類。國際權威的學術組織the IEEE International Conference on Data Mining (ICDM) 2006年12月評選出了數據挖掘領域的十大經典算法：C4.5，k-Means，SVM， Apriori，EM，PageRank， AdaBoost， kNN，Naive Bayes和CART。而隨著機器學習、深度學習等人工智能算法的性能提升以及大規模計算能力的提高，大數據分析和數據挖掘將成為智能化的核心。

2.7 物聯網技術

電力電子裝置運行狀態、電氣量、故障診斷等信息的網絡化共享是實現智能電網與能源互聯網中各裝置之間的信息交互、調度優化的必然要求。物聯網利用智能傳感器、射頻識別(radio frequency indentification, RFID)RFID 技術、無線傳感網絡、GPS等技術實現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展[35]。物聯網技術已在電網初步應用，但尚未在電網設施運行安全監控等方面得到應用。文獻[36]提出以物聯網技術為基礎的智能監控體系，為實現電力電子裝置的智能監測與控制提供了理論指導和技術支撐。文獻[37]首次提出電力物聯網的概念，應用該技術可提高系統安全穩定性，提高電力設備狀態評估和智能診斷水平，并可滿足可持續發展要求。

3 電力電子裝置智能化研究方向

3.1 智能監控

變電站智能監控系統的發展要早于各電力電子裝置監控系統的發展，因而電力電子裝置智能監控可以借鑒變電站，變電站監控系統的發展經歷了3個階段：早期傳統的監控系統配備值班人員；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據；而第三階段是伴隨通信技術和計算機技術等發展起來的，用分層分布式機構取代了傳統的集中模式，即變電站監控系統。已有的研究中，針對電力電子裝置監控系統的研究較少，忽略了對其性能穩定性的考慮。電力電子裝置智能化監控系統的設計要點主要包括以下幾個方面：實時數據采集與處理、在線監視、運行控制、歷史數據記錄與查詢、狀態評估、與上級調度通信、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構的SVC監控系統，將監控系統分為上中下三層，其中，上層由后臺工作站組成，中層由就地工作站、監控單元和調節單元組成，底層由水冷系統監控等組成。文獻[39]結合500 kV東莞變電站200 MV·A鏈式STATCOM工程應用實踐，將其監控系統分為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、脈沖觸發單元、二次繼保單元和就地控制單元；監控系統分為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用借鑒。文獻[40]在以.NET 為體系架構的基礎上，對鋰電池儲能監控系統進行了設計，該系統主要由信息采集系統和各級服務器監控系統2個部分組成。該系統通過了實踐驗證，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級鈉硫電池儲能監控系統，研究并設計其總體架構、邏輯架構和功能模塊，以及安全防護方案，在此基礎上開展軟硬件平臺設計。

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。智能監控系統及數據庫在電力電子裝置中的應用為其故障診斷提供了數據基礎，使自動故障分析有可能實現。故障診斷面臨的問題在于故障征兆與真實故障之間關系復雜，需反復探索，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、信息技術以及人工智能的發展，采用油中溶解氣體分析(dissolved gas-in-oil analysis, DGA)與粗糙集技術[42]、人工神經網絡[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的發展提供了新思路。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)和改進粒子群優化(particle swarm optimization，PSO)相結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備，目前對其診斷方法主要有模糊理論[46]、專家系統[47]、BP神經網絡[48]、概率神經網絡[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]針對電池儲能系統換流橋器件IGBT發生故障時，會導致電壓電流的畸變，影響電能質量，嚴重時會對儲能系統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 狀態評估

電力電子裝置的安全運行是十分重要的，所有設備均無故障才能保證整個系統的安全運行。設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，其設備數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自動化程度的發展。采用科學的狀態檢修模式才可適應其發展要求，狀態檢修在降低系統運維成本、縮短停電時間、延長設備壽命等方面表現出極大的優勢。狀態檢修第一步便是對裝置進行狀態評估。

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

變壓器的狀態評估工作已經引起了學者的廣泛重視，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評估模型。文獻[53]為提高這一類設備狀態評估的準確性，對220 kV高壓等級油浸式變壓器進行了狀態評估。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進行整體評估。

評估指標體系是整個狀態評估工作的重點內容，文獻[57]與文獻[58]分別將智能電網評估體系劃分為不同的2個層次。文獻[59]建立了變電站狀態檢修決策模型，根據所提出設備狀態轉移的馬爾科夫過程求解設備狀態概率。文獻[60]建立了電力設備安全狀態模糊綜合評估模型，構建了較為完整的電力設備安全狀態評估體系，并提出了3層架構的評估系統設計方案。

3.4 預測與預警

隨著電力電子裝置的規模越來越大，智能化程度越來越高，運行方式越來越復雜，裝置的安全穩定控制、運行難度也比以往復雜瑣碎，這就需要對裝置設計具有自動監控、自動預測與報警的平臺。自動的預警報警系統可以幫助維修人員在第一時間發現故障。系統設計的目標是利用目前先進的軟硬件和通信技術共同完成一套預警和報警系統。

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

3.5 可視化技術

隨著電力電子裝置不斷往高壓、大容量方向的發展，數據激增，運行更趨于極限。原有監控系統中的數據顯示方式已不能滿足實際要求。裝置運行時，大量復雜的信息需要采用有效、直觀的方式，以告警、圖形、分析結果等形式提供給管理人員，方便管理人員采取有效措施，為裝置監控、分析、安全等提供有力保證[64]。這就要用到可視化技術，可視化技術是指利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉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。可視化技術主要關注的數據類型包括電器元件信息、電氣量信息、預測預警信息等。

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，可以對內部工作及潛在問題進行分析。文獻[67]對電網的實時監控可視化技術進行了研究分析，提出一套較為完整的解決方案，并在實際系統中實現了穩定利用。

4 電力電子裝置智能化應用

4.1 設備運維

傳統運維方案為保證裝置狀態良好，會對其中設備進行定檢、全檢等幾種運維模式，在設備數量大量增加、設備電壓等級升高、新技術大量引入的情況下，有限時間內完成大量的運維檢修任務會有巨大困難，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。

智能電網與能源互聯網的發展，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，傳統的運維模式已經不能適應智能電網與能源互聯網運維需求。為適應智能電網與能源互聯網的發展，智能化的運維模式需要得到快速應用。智能電力電子裝置的設備自檢和通信能力都比傳統裝置要強，可提供詳細全面的狀態信息，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]指出實現電力設備運維的可視化技術可以提高電網信息運維人員對信息設備的管控能力。文獻[69]提出了智能運維系統的整體系統架構和功能部署方案，有效解決了目前智能變電站二次設備在實際運維過程中出現的一系列問題。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主設備運行維護策略輔助決策方法，采用定量的方法評估設備運行風險，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個研究內容：一是儲能裝置本身的能量管理，二是微電網監控和能量管理。目前適用于分布式發電系統及微電網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，不適用于大規模的電力儲能。如果將二者結合起來，組成混合儲能系統，充分發揮各自的優點，則可以揚長避短，既可以實現高功率密度的要求，也可以實現高能量密度的要求，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。

對儲能系統能量管理國外研究起步較早，文獻[71]對于混合儲能系統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的功率進行分配。文獻[73]采用了滑模控制來進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。

國內學者在國外研究基礎上也取得了一定的成就，文獻[76]提出了一種動態能量優化(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的能量管理方法。文獻[78]為滿足對微電網進行監控和能量管理的需要，借鑒智能變電站分層體系結構，提出多層微電網監控與能量管理一體化系統。

4.3 網絡化電能質量治理

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

電能質量監測與治理是一個系統性工程，網絡化的電能質量監測系統已經成為電能質量監測系統的主流趨勢，而網絡化的電能質量治理還未得到應用。已建設的各監測裝置多處于孤立運行狀態，缺乏統一平臺對已有監測采集系統中電能質量相關數據統一分析，制定優化的協同處理策略，無法達到對區域配電網電能質量網絡化監控與決策治理的目的。

互聯網通信技術的發展為網絡化的電能質量治理提供了可能。網絡化的電能質量治理裝置可由多個電力電子裝置和其通信系統組成，位于電網同一或不同線路上，各電力電子裝置通過通信系統與后臺計算中心相連，用于采集其所位于的電網線路的實時信息后通過互聯網上傳，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換成具有一定下發順序的指令，并待所有指令轉換完畢后，將指令分別下發給相應補償單元中的電力電子裝置。這種方式能夠實現多個電力電子裝置動態協調輸出，提高電能質量治理效果，并可采用相同的低容量電力電子裝置，從而節約運行成本和維護成本。

4.4 風光互補監控

可再生能源的合理開發與利用是當今世界的熱點話題，目前絕大多數發達國家都將發電形式從火力發電向可再生能源發電轉變。風光互補發電機由風力發電機、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據傳輸，系統并網時必須保證其電能質量，為了便于工作人員能夠實時監測和控制風光互補發電系統的運行狀況，需要對其進行實時監測，并針對實時監測的數據對風光互補發電系統接入電網后對電網電能質量的影響加以評估，觀察電能質量指標是否存在超出規定限值的情況[80]。文獻[81]開發了風光互補智能控制系統。文獻[82]考慮了風電場、光伏電站出力的隨機性，并且設計二者出力的相關性，提出應用Couple理論建立風電場、光伏電站出力聯合概率分布模型的方法。同時對風光互補發電系統進行了可靠性評估。

4.5 需求側管理

電力需求側管理(power demand side management，PDSM)是為合理利用資源，提高用電效率和減少環境污染而進行的用電管理活動。需求側管理是智能電網與能源互聯網重要的組成部分之一[83]。傳統的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控、計算、通信和控制手段對于需求側管理技術的推進起到了促進作用。與傳統的PDSM相比，智能電網與能源互聯網下的PDSM可具有更強的能力，高水平的監控、智能控制及通訊技術，可實現終端用戶的及時響應，并且支持分布式能源自由接入。

4.6 家庭能源管理

居民側用電量占全社會的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，避免環境資源浪費，國外在20世紀已開展了家庭能源管理系統(home energy management system，HEMS)的研究[84]。該項領域利用傳感器與無線傳感器網絡，采集與傳輸室內溫濕度、空氣質量、人員活動數量和用電設備等信息，將數據綜合處理后，對用電設備進行控制，滿足用戶舒適度的同時實現節能減排。

家庭能源管理系統是智能電網與能源互聯網在居民側的延伸，在這樣的大環境下，家庭能源管理也有了新的需求，如考慮大量用戶協同工作、能量流的雙向流動、支持需求響應在居民側的實施、支持新能源接入電網等。對電力電子裝置智能化的研究有助于家庭能源管理系統的健康發展。

4.7 智能充電系統

如何高效、快速、無損地對蓄電池進行科學充電，一直是蓄電池界關心的問題。充電技術從傳統的恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電，發展到了現在的智能充電。目前國內對大容量智能充電技術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，還能夠對其電池進行維護，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、智能監控技術、物聯網以及通信中CAN總線技術應用到電動汽車智能充電樁的設計與研究中，保證了電動汽車的續航能力與運行安全。文獻[86]在風光互補發電的基礎上，通過總線與監控等技術實現了風光互補發電向電動汽車充電的智能控制。

5 電力電子智能化研究發展方向

已有的電力電子裝置的研制重點在于其基本功能的實現與性能的提高，很少考慮其智能化和對上層支撐。智能電網與能源互聯網系統大環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實意義。而電力電子裝置本身一般已經有相應的裝置級控制系統、上位機監控系統甚至互聯網數據接入系統，這些都為電力電子裝置的智能化研究提供了基礎。未來電力電子智能化研究可以考慮以下方向。

(1)大多智能化的技術或手段，已在變電站或電力系統中得以實現，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；智能化技術的深度使用，必須要有相應的管理制度與評估標準；智能監控系統應根據裝置特性，多考慮分層分布式的體系結構；對智能裝置的能量流與信息流分別進行分析，以保證裝置穩定與運行優化；應用最新的大數據存儲、分析和深度學習方法，結合電力電子裝置的特點，有助于從數據分析層面解決其所面臨的問題，從海量數據中提煉更多有價值的信息，但在實時性、數據一致性和安全性等方面仍面臨挑戰。

(2)已有的電力電子裝置側重于對其拓撲結構的研究，對其性能的控制則多數還停留在理論階段，已在實際裝置中應用的控制方法仍以傳統方法居多，研究先進的控制算法，有利于充分發揮裝置的性能，在保證裝置安全穩定的前提下，提高電能質量和經濟性能。電力電子裝置是龐大的信息數據系統，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調是關鍵技術問題。

(3)已有的故障診斷與狀態評估方法，僅限于電力電子裝置中某一單一設備如變壓器、斷路器等，沒有考慮各器件之間的聯系，缺乏所有設備系統評估與診斷方法，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，因其組成復雜，狀態評估時面臨諸多困難和挑戰，不僅要考慮裝置性能變化，還要考慮到運行環境的變化，每個裝置構成特點迥異，評價標準無法統一，需要監測的信息量也非常龐大，正確、有效地評估其安全狀態是狀態檢修成功的關鍵，對系統運行的安全性與穩定性具有至關重要的作用。同時評估指標的選取應遵守狀態評估科學性、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)發展網絡化智能應用于智能電網和能源互聯網，如網絡化的電能質量治理，是電能質量治理技術中電力電子裝置智能化的重要發展方向。首先要建立完善的電能質量評估方法與等級劃分體系，并基于供用電接口的經濟性分析，分別建立內部技術等級評估體系與用戶經濟性評估體系，建立與健全相關政策、法規，實現智能電網與能源互聯網的“優質經濟”運行。

(5)通過物聯網技術，可實現電力電子裝置信息安全共享，提高預測預警水平，尤其是在未來能源互聯網延伸到需求側，實現源網荷協同等場景。其中，電力電子裝置信息模型、網絡架構、感知體系、通訊模型與接口規范、網絡與信息安全、設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

國家自然科學基金項目(61472200)；國家電網公司科技項目(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量、能源互聯網、先進計算技術等；

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，主要研究方向為數字信號處理以及嵌入式系統；

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

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；

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)