智能电器现状及发展趋势
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2．Department of Computer Engineering, Henan Polytechnic Instiute, Nanyang Henan ，473009, China) 【Abstract】Discussing definition of intelligent electrical apparatus and components, and description on technical features and key technology affected development of intelligent electrical apparatuses, discussion on research trends and developing of intelligent electrical apparatus both at home and abroad. 【Key words】Intelligent electrical apparatus；Microcontrollers/Microprocessor；Communication；Intelligence
图 1 智能电器原理框图 Fig.1 Block diagram of intelligent electrical apparatus
理器控制的输出数字信号；RS232/RS485 总线接口是简单的串行 通 信 接口，也是多数智能电器配置的信息交换接口，现场总线接口是通过 总线控制器和总线收发器提供的，总线控制器和总线收发器之间一般 有光电隔离电路(图中未画出)。
科技信息
○科教前沿○
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
2010 年 第 7 期
智能电器现状及发展趋势
张晓亮 1 时 磊 2 （1．武汉大学计算机学院 湖北 武汉 430079；2．河南工业职业技术学院计算机工程系 河南 南阳 473009）
【摘 要】讨论智能电器的定义及组成，阐述了国内外智能电器的技术特性和影响智能电器发展的关键技术，论述国内外智能电器的研究 动态及发展趋势。
2 实验结果及分析
本文实验在 matlab6.5 环境下运行。
算 法 性 能 的 评 价 标 准 ，由 下 式 ［5］来 衡 量 ：
1
n
n1
Σ Σ ΣΣ E= （
bij
-1）+
bij
-1
i = 1 j = 1 maxK bik
j = 1 i = 1 maxK bkj
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(2-1)
其中 B=｛bkj｝=W軜A，是一个 l×n 全局矩阵 maxk bik =max｛ bi1 ， bi2 ，…， bin ｝，maxk bkj =max｛ b1j ， b2j ，…， blj ｝。 E（E莛0）越
2 智能电器现状及发展趋势
根据国内外电器产品和研究动态来看，智能电器具有以下发展趋 势： 2．1 智能电器产品化：将智能电器制成相对独立的通用性 产 品 ，使 其 适用范围不仅限于开关、保护作用。 20 世纪末,国际上一些著名的大公 司基于 CPU 技术不断进步和发展,纷纷推出新一代的智能型可通信的 低 压 断 路 器,比 如 施 耐 德 公 司 的 M、MT 开 关,西 门 子 公 司 的 3WL/3VL 断路器,ABB 公司的 F、Emax 等系列低压断路器。 西门子公司推出的新 一代断路器 SENTRON WL/VL 较以前产品有了很大的提高。 特别是在 网络连接方面,具有 Profibus-DP、Cubicle BUS、以太网 、RS-232C 等多 种总线接口(Cubicle BUS 为断路器内部数据总线)。 西门子通过模块化 结 构 和 内 部 数 据 总 线 使 SENTRON 可 以 方 便 灵 活 地 配 置 和 减 少 内 部 接线。 施耐德公司的 Masterpct 系列断路器支持 Modbus 和 BatiBUS,同 时还提供用于连接 Profibus 和以太网的外置网络模块。 2．2 智能电器电子化：随着半导体集成技术、微电子和计 算 机 技 术 的 迅猛发展，智能电器的控制能力越来越强，将从常规的电压、电流、功 率等电参数的智能化监测与控制方面， 发展到对诸如触头材料磨损、 灭弧室温升等非参数的监测 Lj 控制等方面。 2．3 智 能 和 通 信 化 ：电 器 中 采 用 微 处 理 器 ，从 而 具 有 应 用 软 件 ，这 样 在硬件不变的情况下具备较大的适用性和升级能力，在电器中加入相 关的监测、判断和通信等芯片或电路，使电器的各种状态和工作参数 能通过传输媒质(如现场总线、串口线等)与线路的其他电器设备进行 信息交流，以适应当前电器设备智能及网络化的发展趋势。 目前一些 主要断路器厂商虽然尚未在自己的产品中支持以太网技术,但都为用 户提供连接以太网的解决方案,大多采用协议转接方法对以太网进行 支持。 西门子公司主推 Profibus 现场总线,断路器产品通过通信模块连 接至 Profibus 总线,然后通过 Profibus 网络的主站连接至以太网。 断路 器附件 BDA(断路器数据适配器)则起到远程/就地调校工作,不 用 于 现 场监控通信场合。 施耐德公司通过 EGX 或 CM4000+ECC 实现 Modbus 协议与 TCP/IP 协议的转换。
【关键词】智能电器；微控制器/微处理器；通信；智能化 Present Condition and Developing Tendency of Intelligent Electrical Apparatus ZHANG Xiao-liang1 SHI Lei2 （1．Computer School of Wuhan University,Wuhan Hebei，430079,China;
有些微控制器/微处理器 中 集 成 了 A/D 转 换 器 、 大 容 量 的 RAM、 ROM 乃至总线控制器，则此时图 1 框图可得到简化；当人机交互功能 比较强大时， 图 1 的人机接口管理单元即为一个单独的微控制器/微 处理器(这也是智能电器的一种比较典型的配置)，此时该微控制器/微 处理器也可能会承担现场总线通信任务。
智能电器的核心部件为微控制器/微处理器，与传统电器相比，智 能电器的功能有“质”的飞跃；智能电器是电子装置，而传统电器是电 气设备。 具有现场总线接口以实现可通信/网络化是现代智能电器的 重要特征和主要发展趋势。 1.2 智能电器的组成
图 1 给出了典型智能电器的组成。 由图 1 可见，典型智能电器的 输 入 可 以 是 电 压 信 号 、电 流 信 号(模 拟 信 号)，也 可 以 是 数 字 信 号 ，(对 于 非电输入信号须转换成电信号)；模拟信号经变换器和调理电路变换、 处理后送给 A/D 转换器，数 字 信 号 一 般 须 经 过 隔 离 、处 理 后 再 送 给 微 控制器/微处理器；微控制器/微处理器是智能电器的核心部件(如上所 述)；为 实 现 人 机 交 互 ， 须 有 键 盘 电 路 、 打 印 接 口 电 路 、 显 示 与 报 警 电 路，这些电路受人机接口管理单元的管理/控制；为实现外部故障和内 部故障的记忆或事件记录功能须有时钟电路 (一般应有电池备用供 电，图中未画出)；电平信号、触点信号/动作信号均为由微控制器/微处
W軜＝ 0.2043 －0.9175 －0.3414 ，
－0.9234 －0.2963 0.2439
9 9 0.0089 －1.0000 －0.0041
B＝W軜A＝ －0.9999 －0.0088 －0.0138
0.0138 0.0041 －0.9999
算法性能 E＝0.0119（T＝500），其分离效果如下图：
接近于 0，分离效果越好。
仿真实验数据：
源信号是三路信号：
莛 S1=sin（ t
）,S2=
0，jf t+1＜ 3×（T-1） 或 t+1＞ 7×（T-1）
10
10 ，
2
3，else
S3=
rem（t，27）-13 9
，
其中 T 是样本个数，本实验取 T=500，混合矩阵
9 9 -0.2198 0.3139 0.9218
A= 0.9156 －0.2585 0.3079 ，A 是正交矩阵。
0.3366 0.9117 －0.2355
基于遗传算法优化独立分量分析算法中采用的参数：
总迭代次数：5000 ,种群个数：30,交叉概率：0.60, 变异概率：0.01
实验结果如下：
9 9 －0.3250 0.2654 －0.9078
1 智能电器定义及组成 1.1 智能电器的定义
关于智能电器的定义或阐释已有很多，如：智能电器是指能自动 适应电网、环境及控制要求的变化，始终处于最佳运行工况的电器。 这 里从构成智能电器的核心部件及其功能出发， 给出智能电器的定义： 智能电器是以微控制器/微处理器为核心，除具有传统电器的切换、控 制、保护、检测、变换和调节功能外，还具有显示、外部故障和内部故障 诊断与记忆、运算与处理以及与外界通信等功能的电子装置。
0 引言
电器在国民经济的各部门和国防领域均占有非常重要的位置，起 着不可或缺的作用。 电器的主要发展趋势是高性能、高可靠、小型化、 电 子 化 、数 字 化 、组 合 化 、集 成 化 、多 功 能 化 、智 能 化 及 可 通 信 化/网 络 化，其核心是智能化和网络化。 随着现代信息电子技术、电力电子技 术、微机控制技术、现代传感器技术、数字通信技术及计算机网络技术 的多学科交叉和融合，电器逐渐向智能化发展，出现了各种智能电器。
在我国，电器通信的要求可体现为遥测、遥控、遥讯和遥调，这距 离网络化还有很大的差距。 我国低压断路器的可通信技术这几年也有 了长足的发展,以上海电器科学研究所(集团)有限公司为主的研究机 构正致力于现场总线技术的研究和开发。常熟开关制（下转第 441 页）
439
科技信息
○科教前沿○
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
图 2-2 三个混合信号(观察信号)
图 2-3 基于遗传算法优化独立分量分析得出的分离信号
在基于遗传算法优化独立分量分析算法 中 ，本 文 以 KL 散 度 为 基 础选择适应度函数，结合遗传算法全局收敛的特点，克服了当前诸多 算法中容易陷入局部最优的问题，在任何初始条件下能得到良好的全 局最优解，从而实现了较好的分离效果，不过在本实验中，此算法耗费 的 时 间 较 长 ，时 间 为 435.656 秒 ，这 是 一 种 时 间 与 精 度 和 性 能 间 的 权 衡。 3 结语
2010 年 第 7 期
4）执行轮盘赌选择、算术组合交叉和沿权值梯度方向变异，得到 下一代的群体，保持群体的规模不变；
5）判断群体性能是否满足某一指标或已经完成预定的迭代次数， 不 满 足 则 返 回 步 骤 (4), 或 修 改 遗 传 策 略 再 返 回 步 骤 (4) ， 本 文 采 用 迭 代 次数作为终止条件。
本文采用遗传算法全局收敛的特点优化独立分量分析，通过实验 改进了独立分量分析的分离效果，在实际中会有更广泛的应用。 科
● 【参考文献】
［1］ P Comon. Independent Component Analysis, A New Concept. Signal Processing. 1994, 36 (3): 287-314. ［2］ J H Holland. Adaptation in Natural and Artificial Systems. University of Michigan, Ann Arbor.1975. ［3］杨 行 峻 ,郑 君 里 .人 工 神 经 网 络 与 盲 信 号 处 理 .北 京 :清 华 大 学 出 版 社 ，2003. ［4］ Y K F Richard, J F Tang, D W Wang. Extension of a Hybrid Genetic Algorithm for Nonlinear Programming Problems with Equality and Inequality Constraints. Computers & Operation Research. 2002, 29 (3): 261-274. ［5］ S Amari, A Cichochi, H H Yang. Recurrent Neural Networks For Blind Separation of Sources. 1995 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications, NOLTA’95, Las Vegas. 1995：37-42.
图 1 智能电器原理框图 Fig.1 Block diagram of intelligent electrical apparatus
理器控制的输出数字信号；RS232/RS485 总线接口是简单的串行 通 信 接口，也是多数智能电器配置的信息交换接口，现场总线接口是通过 总线控制器和总线收发器提供的，总线控制器和总线收发器之间一般 有光电隔离电路(图中未画出)。
科技信息
○科教前沿○
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
2010 年 第 7 期
智能电器现状及发展趋势
张晓亮 1 时 磊 2 （1．武汉大学计算机学院 湖北 武汉 430079；2．河南工业职业技术学院计算机工程系 河南 南阳 473009）
【摘 要】讨论智能电器的定义及组成，阐述了国内外智能电器的技术特性和影响智能电器发展的关键技术，论述国内外智能电器的研究 动态及发展趋势。
2 实验结果及分析
本文实验在 matlab6.5 环境下运行。
算 法 性 能 的 评 价 标 准 ，由 下 式 ［5］来 衡 量 ：
1
n
n1
Σ Σ ΣΣ E= （
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-1）+
bij
-1
i = 1 j = 1 maxK bik
j = 1 i = 1 maxK bkj
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(2-1)
其中 B=｛bkj｝=W軜A，是一个 l×n 全局矩阵 maxk bik =max｛ bi1 ， bi2 ，…， bin ｝，maxk bkj =max｛ b1j ， b2j ，…， blj ｝。 E（E莛0）越
2 智能电器现状及发展趋势
根据国内外电器产品和研究动态来看，智能电器具有以下发展趋 势： 2．1 智能电器产品化：将智能电器制成相对独立的通用性 产 品 ，使 其 适用范围不仅限于开关、保护作用。 20 世纪末,国际上一些著名的大公 司基于 CPU 技术不断进步和发展,纷纷推出新一代的智能型可通信的 低 压 断 路 器,比 如 施 耐 德 公 司 的 M、MT 开 关,西 门 子 公 司 的 3WL/3VL 断路器,ABB 公司的 F、Emax 等系列低压断路器。 西门子公司推出的新 一代断路器 SENTRON WL/VL 较以前产品有了很大的提高。 特别是在 网络连接方面,具有 Profibus-DP、Cubicle BUS、以太网 、RS-232C 等多 种总线接口(Cubicle BUS 为断路器内部数据总线)。 西门子通过模块化 结 构 和 内 部 数 据 总 线 使 SENTRON 可 以 方 便 灵 活 地 配 置 和 减 少 内 部 接线。 施耐德公司的 Masterpct 系列断路器支持 Modbus 和 BatiBUS,同 时还提供用于连接 Profibus 和以太网的外置网络模块。 2．2 智能电器电子化：随着半导体集成技术、微电子和计 算 机 技 术 的 迅猛发展，智能电器的控制能力越来越强，将从常规的电压、电流、功 率等电参数的智能化监测与控制方面， 发展到对诸如触头材料磨损、 灭弧室温升等非参数的监测 Lj 控制等方面。 2．3 智 能 和 通 信 化 ：电 器 中 采 用 微 处 理 器 ，从 而 具 有 应 用 软 件 ，这 样 在硬件不变的情况下具备较大的适用性和升级能力，在电器中加入相 关的监测、判断和通信等芯片或电路，使电器的各种状态和工作参数 能通过传输媒质(如现场总线、串口线等)与线路的其他电器设备进行 信息交流，以适应当前电器设备智能及网络化的发展趋势。 目前一些 主要断路器厂商虽然尚未在自己的产品中支持以太网技术,但都为用 户提供连接以太网的解决方案,大多采用协议转接方法对以太网进行 支持。 西门子公司主推 Profibus 现场总线,断路器产品通过通信模块连 接至 Profibus 总线,然后通过 Profibus 网络的主站连接至以太网。 断路 器附件 BDA(断路器数据适配器)则起到远程/就地调校工作,不 用 于 现 场监控通信场合。 施耐德公司通过 EGX 或 CM4000+ECC 实现 Modbus 协议与 TCP/IP 协议的转换。
【关键词】智能电器；微控制器/微处理器；通信；智能化 Present Condition and Developing Tendency of Intelligent Electrical Apparatus ZHANG Xiao-liang1 SHI Lei2 （1．Computer School of Wuhan University,Wuhan Hebei，430079,China;
有些微控制器/微处理器 中 集 成 了 A/D 转 换 器 、 大 容 量 的 RAM、 ROM 乃至总线控制器，则此时图 1 框图可得到简化；当人机交互功能 比较强大时， 图 1 的人机接口管理单元即为一个单独的微控制器/微 处理器(这也是智能电器的一种比较典型的配置)，此时该微控制器/微 处理器也可能会承担现场总线通信任务。
智能电器的核心部件为微控制器/微处理器，与传统电器相比，智 能电器的功能有“质”的飞跃；智能电器是电子装置，而传统电器是电 气设备。 具有现场总线接口以实现可通信/网络化是现代智能电器的 重要特征和主要发展趋势。 1.2 智能电器的组成
图 1 给出了典型智能电器的组成。 由图 1 可见，典型智能电器的 输 入 可 以 是 电 压 信 号 、电 流 信 号(模 拟 信 号)，也 可 以 是 数 字 信 号 ，(对 于 非电输入信号须转换成电信号)；模拟信号经变换器和调理电路变换、 处理后送给 A/D 转换器，数 字 信 号 一 般 须 经 过 隔 离 、处 理 后 再 送 给 微 控制器/微处理器；微控制器/微处理器是智能电器的核心部件(如上所 述)；为 实 现 人 机 交 互 ， 须 有 键 盘 电 路 、 打 印 接 口 电 路 、 显 示 与 报 警 电 路，这些电路受人机接口管理单元的管理/控制；为实现外部故障和内 部故障的记忆或事件记录功能须有时钟电路 (一般应有电池备用供 电，图中未画出)；电平信号、触点信号/动作信号均为由微控制器/微处
W軜＝ 0.2043 －0.9175 －0.3414 ，
－0.9234 －0.2963 0.2439
9 9 0.0089 －1.0000 －0.0041
B＝W軜A＝ －0.9999 －0.0088 －0.0138
0.0138 0.0041 －0.9999
算法性能 E＝0.0119（T＝500），其分离效果如下图：
接近于 0，分离效果越好。
仿真实验数据：
源信号是三路信号：
莛 S1=sin（ t
）,S2=
0，jf t+1＜ 3×（T-1） 或 t+1＞ 7×（T-1）
10
10 ，
2
3，else
S3=
rem（t，27）-13 9
，
其中 T 是样本个数，本实验取 T=500，混合矩阵
9 9 -0.2198 0.3139 0.9218
A= 0.9156 －0.2585 0.3079 ，A 是正交矩阵。
0.3366 0.9117 －0.2355
基于遗传算法优化独立分量分析算法中采用的参数：
总迭代次数：5000 ,种群个数：30,交叉概率：0.60, 变异概率：0.01
实验结果如下：
9 9 －0.3250 0.2654 －0.9078
1 智能电器定义及组成 1.1 智能电器的定义
关于智能电器的定义或阐释已有很多，如：智能电器是指能自动 适应电网、环境及控制要求的变化，始终处于最佳运行工况的电器。 这 里从构成智能电器的核心部件及其功能出发， 给出智能电器的定义： 智能电器是以微控制器/微处理器为核心，除具有传统电器的切换、控 制、保护、检测、变换和调节功能外，还具有显示、外部故障和内部故障 诊断与记忆、运算与处理以及与外界通信等功能的电子装置。
0 引言
电器在国民经济的各部门和国防领域均占有非常重要的位置，起 着不可或缺的作用。 电器的主要发展趋势是高性能、高可靠、小型化、 电 子 化 、数 字 化 、组 合 化 、集 成 化 、多 功 能 化 、智 能 化 及 可 通 信 化/网 络 化，其核心是智能化和网络化。 随着现代信息电子技术、电力电子技 术、微机控制技术、现代传感器技术、数字通信技术及计算机网络技术 的多学科交叉和融合，电器逐渐向智能化发展，出现了各种智能电器。
在我国，电器通信的要求可体现为遥测、遥控、遥讯和遥调，这距 离网络化还有很大的差距。 我国低压断路器的可通信技术这几年也有 了长足的发展,以上海电器科学研究所(集团)有限公司为主的研究机 构正致力于现场总线技术的研究和开发。常熟开关制（下转第 441 页）
439
科技信息
○科教前沿○
SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
图 2-2 三个混合信号(观察信号)
图 2-3 基于遗传算法优化独立分量分析得出的分离信号
在基于遗传算法优化独立分量分析算法 中 ，本 文 以 KL 散 度 为 基 础选择适应度函数，结合遗传算法全局收敛的特点，克服了当前诸多 算法中容易陷入局部最优的问题，在任何初始条件下能得到良好的全 局最优解，从而实现了较好的分离效果，不过在本实验中，此算法耗费 的 时 间 较 长 ，时 间 为 435.656 秒 ，这 是 一 种 时 间 与 精 度 和 性 能 间 的 权 衡。 3 结语
2010 年 第 7 期
4）执行轮盘赌选择、算术组合交叉和沿权值梯度方向变异，得到 下一代的群体，保持群体的规模不变；
5）判断群体性能是否满足某一指标或已经完成预定的迭代次数， 不 满 足 则 返 回 步 骤 (4), 或 修 改 遗 传 策 略 再 返 回 步 骤 (4) ， 本 文 采 用 迭 代 次数作为终止条件。
本文采用遗传算法全局收敛的特点优化独立分量分析，通过实验 改进了独立分量分析的分离效果，在实际中会有更广泛的应用。 科
● 【参考文献】
［1］ P Comon. Independent Component Analysis, A New Concept. Signal Processing. 1994, 36 (3): 287-314. ［2］ J H Holland. Adaptation in Natural and Artificial Systems. University of Michigan, Ann Arbor.1975. ［3］杨 行 峻 ,郑 君 里 .人 工 神 经 网 络 与 盲 信 号 处 理 .北 京 :清 华 大 学 出 版 社 ，2003. ［4］ Y K F Richard, J F Tang, D W Wang. Extension of a Hybrid Genetic Algorithm for Nonlinear Programming Problems with Equality and Inequality Constraints. Computers & Operation Research. 2002, 29 (3): 261-274. ［5］ S Amari, A Cichochi, H H Yang. Recurrent Neural Networks For Blind Separation of Sources. 1995 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications, NOLTA’95, Las Vegas. 1995：37-42.