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我国工业电器行业智能化技术的发展

2009年12月01日 09:39中国机床商务网点击:3094

  攻城略地,交叉领域集成创新

  开关电器是工业电器的主要组成部分,也是电力系统中最重要的保护设备。随着经济的发展和社会的进步,人们对开关电器运行的经济性、安全性和自动化程度提出了更高要求。然而,由于传统电器无法感知其运行过程中的故障类型,也不具备思维、判断和基于故障特征的智能操作等功能,因此难以适应现代电器工业发展的需求。

  “智能化电器属于电器和电子信息交叉领域。它融合了现代电器理论与电子信息技术,是开关电器适应现代电器工业发展的必然趋势,在电力、石油、煤矿等工业领域需求广泛。因此,智能化电器的研究和应用是提高供用电系统运行技术水平的关键,涉及的学科多、系统复杂、技术难度大,仅美、德等少数发达国家的跨国公司掌握部分核心技术。”西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室主任王建华说。

  为打破这一垄断,在我国电器研究领域拥有雄厚技术实力和悠久历史的西安交通大学,联合行业知名研究所和生产企业,形成产学研联合体,吐故纳新,集成聚合,从1996年起,在国家自然科学基金、国家科技攻关计划等项目资助下,率先提出“智能化电器”的概念,并确定了智能化电器所涉及的基本理论、关键技术和应用范围。项目组很快确定了研发“路线图”:不仅要突破国外核心技术封锁,还要研发智能化电器领域最前沿的智能操作技术。

  他们首先从智能化电器理论研究入手,在国际上率先提出了基于运行状态和开关电弧特征的智能操作概念,制定了与智能化电器所服役环境和自身性能相适应的智能操作模式;建立了智能化电器的多体动力学模型,发现了在线运行条件下电器的劣化规律。

  在理论研究的基础上,项目组攻城略地,提出并攻克了实现智能化电器操作和可靠运行的一系列关键技术。他们先后发明了具有根据环境和工况自适应控制的高低压智能化电器的智能操作技术,智能化电器实现过程中的现场信号提取、分析及状态检测技术。为了实现对这些技术的系统集成,项目组还发明了智能化电器专用集成电路的可重构硬件设计平台,以及可以满足不同功能需求的智能化电器专用芯片,不但实现了智能化电器的在线状态检测,而且还满足了不同保护对象、不同智能操作、不同保护条件下的应用要求。

  辛勤耕耘终于换来了收获的喜悦。项目历时12年,不但建立了产学研联合体,全面研究并实现了智能化电器的感知、思维判断功能以及智能操作功能,而且开发了系列产品并得以推广应用,为引领和推动国内智能化电器产品的研发与应用,起到了不可替代的作用。

  10余年间,项目组先后发表相关论文119篇,SCI、EI收录78篇,出版专著2本,申请发明专利13项,已授权9项,获软件著作权5项,获得陕西省科技进步一等奖。

  而对于这一项目的最后鉴定,专家们得出的权威结论,同样令人欢欣鼓舞:项目整体技术处于国际先进,部分达到国际领先。

  “市场是检验技术和产品优劣的试金石。我们利用这些研究成果,与电器行业的知名研究所、企业展开了广泛合作,先后开发了16个系列50余种型号的智能电器产品。通过国家权威机构的检测,这些产品的性能均达到国外同类产品的先进水平,其中列入国家重点新产品两项,国家级火炬计划两项。”王建华说。

  据研究团队核心成员、长江学者荣命哲介绍:“一是自主调控与适应。如环保节能,采用智能操作理论开发的智能接触器,可以自动适应电网状态,大幅度减小闭合噪音,降低能耗达93%%,符合国家倡导的节能减排政策。二是智能感知与诊断。如开发的系列具有状态监测能力的智能化电器,可以极大提高电力设备的可靠性,保证电网安全稳定地运行。三是强大的信息交互能力。本项目开发的智能化电器系列产品都具备信息交互能力,可以方便地组成控制网络,这就为构建电力自动化系统、用电管理自动化系统打下很好的基础。”

  如今,智能化电器系列产品实现了具有完全自主知识产权的大批量生产,打破了国外产品的长期垄断,在20余个省市得以推广应用,并拓展应用到国防领域。据测算,该系列产品近3年累计新增产值23.71亿元,新增利税4.54亿元。今后,成果还可应用于石油、煤矿和化工等行业,潜在效益巨大。

  为扩大和增强我国智能化电器产品的影响力和竞争力,依托电力设备电气绝缘国家重点实验室,该研究团队还发起成立了中国电工技术学会电器智能化系统及应用专委会,王建华教授担任主任委员,研究团队核心成员耿英三教授担任秘书长;研究团队还先后举办国际和国内学术会议12次,引领和推动我国该领域的技术发展。

  锐意创新,咬定青山不放松

  电气工程一直是西安交通大学的传统优势学科,但在历史的发展中,也经历了起伏。为寻找传统优势学科的提升途径,上世纪90年代初期,王建华开始将目光瞄准了国内尚为空白的“智能化电器”领域。

  “学科发展到一定程度后,就必须开拓新的研究方向,否则必然要衰弱,不能始终保持领先地位。也正因如此,我们才在国内率先提出了智能化电器研究这个方向。”耿英三对记者说,“这个方向开展以后,学科开始迈上了一个新台阶。”

  从一开始专家同行们的怀疑到备受业界人士的关注,从艰苦寂寞的探索起步到如今的业内领军,一切的努力都来源于“创新”二字。

  多年来,在繁重的行政工作之余,王建华总是千方百计地挤出时间亲历亲为,为智能化电器行业的创新和发展殚精竭虑,出谋划策。

  “学科发展的大局观就是‘瞻前顾后,左顾右盼’。就是看一些技术或产品,通过什么样的方法能够使它们结合、创新、提高。‘瞻前’就是有什么方法我们还没有用过,‘顾后’就是看看曾经有什么是可以用的。‘左顾右盼’就是看看其他学科有没有新的成就是可以用的,借鉴一下,进行学科交叉,但是自己的学科不能丢,必须花时间去想。”王建华说。

  “在智能化电器研究方面,我们就要求研究人员把电器本身的性能做好。在研究中首先考虑基本理论,研究电器的智能控制。同时对电器的基本原理必须有新的认识。在这个系统中间,开关是一个庞然大物,在开合之间产生着巨大的能量。过去,就是用一个操作机构来拉开或者合上。而在智能控制条件下,拉开的过程究竟是怎么进行的?这个问题的理论研究就跟电弧过程、机械特性绑在了一起。通过研究,我们发现原来可以有更好的办法实现,关键是过去的技术没有办法达到,现在就可以用信息控制的技术来达到很好的效果。这就是智能化。”王建华说。

  “王建华的创新能力很强。他勇于创新,善于创新。对于看好的研究方向,特别执著。”荣命哲说,“到了现在,我们还在这个领域中不断创新。在电弧等离子体应用领域,我们就提出在国防、材料处理方面进行应用。现在也凝聚了团队,培养了人才,科研氛围非常好。”

  研究团队骨干成员张国钢博士还记得在2005年,大家在一起讨论一个不是非常突出的项目:交流接触器的智能控制。“当时我们觉得这个项目也就能做成一个和企业合作的很小的课题。王建华听完后,就把我们几个老师留下来。他说这个方向非常好,能和国家整个节能、节材这方面的发展方向结合起来。他觉得很有希望,当时就说想把这个工作继续下去,后续想做成一个产业化项目。”后来,该项目作为全省重大产业化项目立项,现在已经取得成功。专家预测,如果能在国内推广开来,每年可实现经济效益十几亿元,节能节材效果相当显著。

  创新,在课题组里无处不在。无论是在学术方向探究、学科领域扩展还是在人才培养方面,这里都像一只勇往直前的航船,在求新求变的海洋中乘风破浪。

  教学和科研珠联璧合,双轮驱动

  在这里,教学和科研是相互促进的。经过长期的实践和探索,他们走出了一条教学与科研双轮驱动,比翼齐飞,珠联璧合,相互促进的良性发展之路。

  “我们的特色就是把科研和教学相结合,以科研促进教学。”荣命哲教授自豪地说。

  “我们很重视把智能化电器方面的科研成果及时运用到教学中,也很重视在研究生培养方面开展课程改革。我们从2003年开始,就开设了智能化电器关键技术这门研究生课程。项目组的各位老师,虽然都在搞科研,但是作为教师,我们是很乐意、也很重视把科研工作跟本科教学、研究生教学结合起来,而且投入很大精力去做这个工作。”研究团队核心成员宋政湘教授对记者如是说。

  “智能化电器领域的研究,要求学生不仅具备电器设备方面的知识,还要有信息方面的基础知识。所以前几年,在这个方面综合能力培养的课程就开得非常多。”耿英三说,“我们的学生,在智能化、自动化方面的开发能力是很强的。在智能电器专用集成电路的研究方面,核心技术都是自己开发出来的。研究生们毕业以后留下来做这方面的工作。从开始到现在,这个研究方向培养出64名研究生,其中博士生近20名,特别是一大批中青年人才快速成长,已成为重点实验室的学术带头人和骨干,研究团队成员中有国家百千万人才工程入选者1名,“长江学者奖励计划”特聘教授1名,教育部“新世纪优秀人才培养计划”获得者两名。

  “我们当时毕业的好几个博士生,现在基本上都在国内重要开关电器企业和研究机构担任要职。”说起实验室里的人才培养,耿英三如数家珍,竹筒倒豆一样给记者详数起课题组的做法。

  作为实验室主任和学科带头人,王建华十分注重研究过程中的育人功能。他要求基本教育环节必须要扎实,学生必须要勤奋踏实,导师必须要不断指导和督促。要善于培养学生的自学能力,以及对新东西新方法的敏感性和发现力。在这里,研究生的培养率先采取了集体导师的做法,并且充分发挥了博士生的作用。博士生们可以带领一个科研小组,按照导师要求,制定研究计划并决定一些课题经费的使用,极大地调动了学生的积极性。

  在课题组的师生之间有一个学术研讨会。学生们讲,老师们评论,渐渐地形成了“只认真理不认人”的氛围。有的时候会因为一个论题“吵”得面红耳赤,但是大家却很投入很高兴。

  “不同研究方向的学生之间,包括老师之间,要经常进行定期讨论,效果非常好。因为眼界开阔了,我们的研究生找工作非常方便,非常容易,工作岗位也比较好。而且还经常会出现一些情况,就是学生找的工作跟他在学校期间做的工作不完全一致,但是企业也愿意接受他。因为他在课题组里面对各方面的研究工作都有了解,有基础,很容易适应需求。”荣命哲说。

  和谐团队,安放心灵的港湾

  任何优秀成果的取得,如果没有一支特别能吃苦、特别能战斗、特别能奉献的团结协作的人才队伍,就等于痴人说梦,纸上谈兵。

  在电力设备电气绝缘国家重点实验室里,就活跃着这样一批特别能吃苦、特别能战斗、特别能奉献的具有团队协作精神的科研尖兵。借助电力设备电气绝缘国家重点实验室提供的国际先进的研究条件,形成了以王建华为学术带头人,长江学者和新世纪人才为核心的电器领域创新型研究团队。他们不分节假寒暑,不计个人得失,日复一日,年复一年,在艰苦的科研战线上,默默无闻地探索着、拼搏着、奉献着,用对事业的执着追求书写着人生的价值和辉煌。

  “我们这个团队是一个非常有特色的团队。它之所以能够获得国家大奖,首先是学术带头人发挥了不可替代的作用。他的创新思维,对学科发展的战略思考,以及他的包容胸怀,把具有各种特点和特长的人融合在一起、凝聚在一起,这点是非常重要、非常了不起的。”荣命哲说。

  在不久前的国家重点实验室评估中,专家们都夸赞实验室团结协作,发展得很快。他们认为这与实验室主任包容的胸怀和考虑问题的高瞻远瞩有很大的关系。

  在记者走访课题组期间,教师们提到的最多的就是这里的“开放”和“自由”。“我们在搞研究的时候,都是带着一种乐趣和兴趣在做事情,所以我们从来不觉得痛苦、不觉得枯燥。”一位老师如是说。

  “从一开始接触智能化电器,虽然国内没有先例,但因为这是一个很新的领域,大家都很感兴趣。碰到困难解决不了的话,大家都会全身心投入进去。譬如我晚上编软件,调程序的时候,烧一壶水放上去,可一调软件就忘掉这事了,把水烧干了都不知道。第二天早上一看,壶底已经没了。”耿英三说。

  项目组对青年教师的培养非常重视,也给予了很大的发展空间。项目组的教师们互相支持彼此的发展规划、联系项目,互通有无。

  “在生活上,课题组对我也很关心,不管是个人问题,还是住房问题,都给了我很大的关心和帮助。我觉得我们课题组的气氛非常团结、和睦。这种关系很融洽,是安心做好事业的强大基石。”宋政湘说。

(来源:科技日报)

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