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【摘 要】本文分析了我国仪器仪表技术目前发展状况和差距，着重论述了有关电能量测量、电能质量测量分析等技术进展及其在节能减排工作中的作用，提出了对于智能仪表技术及其应用未来发展方向的建议。
【关键词】电工；仪器仪表；节能设计；智能化发展；探讨
近年来，随着世界各国对能源和环境问题的高度重视，特别是我国提出建设“资源节约型、环境友好型”社会，明确节能减排的要求，更加需要研究高效利用能源、节约能源的技术方法和措施。要实现这些目的，就必须对能源的主要组成部分——电力能源进行精确的测量、细致的分析，并提出相应有效的管理方法。电工仪器仪表技术领域重点研究开发电力系统及工业自动化测控系统的电磁参量测量，技术方法、仪器仪表和测试系统。为了达到节能减排的目的， 在电工仪器仪表的设计阶段，就应充分考虑其节能特性；另外，节约电能和控制电能质量是节能减排的一个重要方面，而在电力系统中，电能的损耗主要是由无功功率引起，电能质量则主要取决于谐波的含量， 因此开发谐波抑制和无功补偿装置对于节能减排具有重要意义。总之，在节能减排的工作中，电工仪器仪表正在发挥着非常重要的作用。在风能、太阳能等可再生资源的利用中，风力发电和光伏发电的工业化和并网紧密依靠着电工仪器仪表和测控技术。
1 我国仪器仪表技术目前发展状况和差距
1.1 我国仪器仪表技术目前发展状况
我国仪器仪表行业整体呈高速、平稳发展势态，行业呈现以下特征：
（1）我国的仪器仪表需求量日益加大，成为发展最快的国家之一。目前我国生产的部分产品已经占到全世界的十分之一；
（2）并购重组速度加快。经过几年的发展和市场竞争，电工仪器仪表生产企业的生产集中度、集约化、规模化得到进一步提高，并形成了以少数电能表企业为龙头引领整个行业发展的局面。
（3）国际标准制定达到世界水平。国内多家企业、科研院所参与研制的具有自主知识产权技术的EPA正式纳入现场总线国际标准，标志着我国在现场总线领域拥有了国际认可的自主核心技术；
（4）先进自控系统、检测仪表、高端科学仪器等在研发及应用方面不断取得突破性进展。如上海维思仪器仪表有限公司研制的多声道超声波流量计，填补了我国高压气体超声流量计的空白，具有自主知识产权。
1.2 我国仪器仪表技术与国际水平的差距
（1）我国仪器仪表行业与发达国家相比有10～15年的差距。我国企业生产的产品基本能够满足科研、生产和社会各个方面的一般性需求，但是高端需要主要依赖进口；
（2）产品可靠性差。现代工业仪器仪表的总体特征是高可靠性、高性能、高适用性，我国企业的大部分产品与国外产品的差距也正在这些方面。
（3）数字化、智能化、集成化水平低。我国产品一般常规品种居多，智能型产品刚刚起步。
（4）新技术应用不够。国际上目前普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）等技术。而在我国这些技术尚不能得到充分利用；
（5）创新能力不足。目前我国的先进仪器仪表绝大多数依靠进口，但国外最先进的仪器仪表一般都在实验室里自行研制，市场上无法买到。我国要进行第一流的科技创新活动不能只依靠进口仪器仪表，必须从现在就开展研制最先进的仪器仪表的活动。
（6）环境在线监测市场有待开拓。目前，我国环境监测仪器多是中小企业生产的中低档产品，技术水平一般，产品种类少，故障率高，使用寿命短。
2 电工仪器仪表的节能设计
电工仪器仪表设计中， 应综合考虑产品的结构、功能、工艺，充分利用新技术、新理论、新器件、新电路、新材料，使产品在使用过程中消耗能量最少。电工仪器仪表的节能设计应遵循以下原则。
2.1 选用低功耗传感器
近年来，传感器发展速度非常快，新型低功耗传感器不断问世。仪器仪表在选用传感器敏感元件时，应选择性能、价格符合设计使用要求的低功耗、微功耗传感器。
2.2 简化仪器功能
多功能势必增加仪器硬、软件的复杂性，降低产品的可靠性，增加电流消耗。仪器设计不能片面追求多功能模式。在满足仪器必要功能的基础上，简化硬件电路设计，尽量利用软件实现仪器的功能，是降低仪器功耗的有效方法。
2.3 设计低功耗电路，采用低功耗器件
这是降低仪器功耗的主要设计原则。仪器的模拟放大电路可采用低（微）功耗运算放大器；数字电路可采用CMOS 器件，并采用可编程器件FPGA 实现数字电路功能，从而取代分立元件，降低电路功耗；显示可采用IXTD 显示器。
2.4 单电源、低电压供电
单电源供电可以提高电源的使用效率， 降低功耗。单电源供电状态下， 应注意降低供电电压。大部分模拟电路的工作电压范围宽，电路正常工作的动态范围较广， 在允许牺牲电路增益的条件下，降低电源电压可大大降低电路的工作电流，从而降低功耗。以低功耗集成运算放大器LM324为例，其单电源电压工作范围为5～30V，当电源电压为5V 时，功耗约为15mW；当电源电压为10V时，功耗约为90mW；当电源电压为15V 时，功耗约为220mW。低电压供电对于减低器件电流消耗的作用十分明显。
2.5 降低信息处理单元的时钟频率
仪器中的信息处理单元（如DSP、单片机等）的功耗与振荡频率有关。在权衡信息处理单元的运算速度后，选用较低的时钟频率可以降低电流消耗。此外， 睡眠方式可以减少仪器的工作时间，从而降低功耗。
3 电能量采集及电能质量测量分析
电能量采集和电能质量测量与分析是电工仪器仪表的一个重要构成部分，也是电力工业中发电、输电、配电环节电能交易计量和贸易结算的基础，同时还是电力需求侧管理的基本数据来源。目前电能量计量技术发展很快，技术水平主要表现在高准确度（0.1级）、高稳定性、高可靠性、长寿命（10～30 年）、宽量程（5～120A）、低功耗。通过不断采用新技术和新器件，电能表的种类也日益增加，从电磁感应式电能表逐渐发展到电子式电能表，一直到采用 DSP 数字信号处理的多功能电能表。针对一些窃电现象，在电能表设计上考虑了各种反窃电措施和方法，最大限度地降低因技术手段进行窃电而造成的损失。 电能质量测量与分析是解决电力系统中各种谐波污染，提高供电电能质量的重要基础，其核心是谐波测量。电力系统中各种扰动引起的电能质量问题分为稳态和暂态两大类：稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷及噪声等；暂态电能质量问题则以频谱和持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态，表现为瞬时电压上升或下降，出现瞬时谐波、振荡。
目前国内外电能质量测量技术主要有 FFT 算法、基于 MALLAT 算法、小波包变换、连续小波变换、复小波变换、自适应小波和基于神经网络测量方法等。应用小波变换等快速、准确的测量方法和可靠的测量仪器对电能质量进行长期的监测，对检测出的扰动数据进行分类和分析，应用模糊-神经网络方法确定有效信息的传输、存储，找到影响电能质量的原因，采取相应的解决办法，消除谐波污染并提高功率因数。
影响电能质量的主要因素是各种非线性用电设备、变压器和各类铁心电抗器，可分为以下几类：
电力电子装置，特别是变频器，这是最严重的谐波源，一般用于电动机的变频调速，如电力机车、水泵、风机、中央空调、锅炉等，这些装置在整流、逆变、调压及变频可程中产生大量的谐波；
电弧炉，如炼钢用的交流电弧炉；
家用电器，如日光灯、电视机、空调、电冰箱等；
有开关电源的设备，如计算机等。必须对这些设备进行电磁兼容性设计和检测，以符合国家标准的要求，减少和消除对电网的污染。
4 对于智能仪表技术及其应用未来发展方向的建议
4.1 智能仪表的智能化程度有待进一步提高
智能仪表的智能化程度表征着其应用的广度和深度，目前的智能仪表还只是处于一个较低水平的初级智能化阶段，但某些特殊工艺及应用场合则对仪表的智能化提出了较高的要求，而当前的智能化理论，如：神经网络、遗传算法、小波理论、混沌理论等已经具备潜在的应用基础，这就意味着我们有必要也有能力结合具体的应用需要下大气力开发高级智能化的仪表技术。
4.2 智能仪表的稳定性、可靠性有待长期和持续的关注
仪表运行的稳定性、可靠性是用户首要关心的问题，智能仪表也不例外，随着智能仪表技术的不断拓展、新型的智能仪表也将陆续投放市场，这需要我们始终把握一个原则：每一项智能新技术的应用有待实践的检验，是否用户有信心和勇气敢于做“第一个吃螃蟹的人”。这就需要安全性、可靠性技术的并行开发。
4.3 智能仪表的潜在功能应用有待最大化
目前工业自动化领域的实际应用尚未将智能仪表的功能发挥最大化，而更多的只是应用了其总体功能的半数左右，而这一应用现状的主要原因是，控制系统的总体架构忽略了诸如现场总线的技术优势，这需要仪表厂商与用户建立良好的合作伙伴关系，加强长期合作，以短期投资促长期效益，通过建立“智能仪表+现场总线”的控制系统架构，确立优化的投资观念，达成和谐共赢的目标。
5 结束语
电工仪器仪表在工业和民用领域的应用都非常广泛，涉及工业生产、人身健康、财产安全、节约能源、环境保护等诸多方面。电工仪器仪表的技术进步为电力能源管理提供了至关重要的基础，不断发展和提高电工仪器仪表技术对提倡节能减排，建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。随着微电子、计算机、网络和通讯技术的飞速发展以及综合自动化程度的不断提高，目前广泛应用于工业自动化领域的智能仪表，其技术也同样在过去的二十多年里得到了迅猛的发展。目前国外智能仪表占据了国际应用市场的绝大比重，如何结合目前智能仪表的工业应用经验并快速跟踪国际智能前沿技术应用于我国智能仪表的开发研究成为振兴民族智能仪器仪表的一大突出问题。
参考文献：
[1]侯建朝，谭忠富.我国能源发展的国际对比及存在问题的解决途径[J].中国电力，2012（4）.
[2]任殿义.中国电工仪器仪表行业发展报告“十五”综述[R].哈尔滨：哈尔滨电工仪表研究所，2009.
[3]周林，夏雪等.基于小波变换的谐波测量方法综述[J].电工技术学报，2013（09）.
[4]艾茂民.变电站电能质量的监测与分析[J].农村电气化，2011（07）.
[5]赵彩虹，唐寅生.我国电网降损节能方面几个关键问题[J].中国电力，2010（12）.
[6]孙曙光，王景芹.等.单相电路谐波及无功电流实时检测的研究[J].电测与仪表，2012（05）.
【关键词】电工；仪器仪表；节能设计；智能化发展；探讨
近年来，随着世界各国对能源和环境问题的高度重视，特别是我国提出建设“资源节约型、环境友好型”社会，明确节能减排的要求，更加需要研究高效利用能源、节约能源的技术方法和措施。要实现这些目的，就必须对能源的主要组成部分——电力能源进行精确的测量、细致的分析，并提出相应有效的管理方法。电工仪器仪表技术领域重点研究开发电力系统及工业自动化测控系统的电磁参量测量，技术方法、仪器仪表和测试系统。为了达到节能减排的目的， 在电工仪器仪表的设计阶段，就应充分考虑其节能特性；另外，节约电能和控制电能质量是节能减排的一个重要方面，而在电力系统中，电能的损耗主要是由无功功率引起，电能质量则主要取决于谐波的含量， 因此开发谐波抑制和无功补偿装置对于节能减排具有重要意义。总之，在节能减排的工作中，电工仪器仪表正在发挥着非常重要的作用。在风能、太阳能等可再生资源的利用中，风力发电和光伏发电的工业化和并网紧密依靠着电工仪器仪表和测控技术。
1 我国仪器仪表技术目前发展状况和差距
1.1 我国仪器仪表技术目前发展状况
我国仪器仪表行业整体呈高速、平稳发展势态，行业呈现以下特征：
（1）我国的仪器仪表需求量日益加大，成为发展最快的国家之一。目前我国生产的部分产品已经占到全世界的十分之一；
（2）并购重组速度加快。经过几年的发展和市场竞争，电工仪器仪表生产企业的生产集中度、集约化、规模化得到进一步提高，并形成了以少数电能表企业为龙头引领整个行业发展的局面。
（3）国际标准制定达到世界水平。国内多家企业、科研院所参与研制的具有自主知识产权技术的EPA正式纳入现场总线国际标准，标志着我国在现场总线领域拥有了国际认可的自主核心技术；
（4）先进自控系统、检测仪表、高端科学仪器等在研发及应用方面不断取得突破性进展。如上海维思仪器仪表有限公司研制的多声道超声波流量计，填补了我国高压气体超声流量计的空白，具有自主知识产权。
1.2 我国仪器仪表技术与国际水平的差距
（1）我国仪器仪表行业与发达国家相比有10～15年的差距。我国企业生产的产品基本能够满足科研、生产和社会各个方面的一般性需求，但是高端需要主要依赖进口；
（2）产品可靠性差。现代工业仪器仪表的总体特征是高可靠性、高性能、高适用性，我国企业的大部分产品与国外产品的差距也正在这些方面。
（3）数字化、智能化、集成化水平低。我国产品一般常规品种居多，智能型产品刚刚起步。
（4）新技术应用不够。国际上目前普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）等技术。而在我国这些技术尚不能得到充分利用；
（5）创新能力不足。目前我国的先进仪器仪表绝大多数依靠进口，但国外最先进的仪器仪表一般都在实验室里自行研制，市场上无法买到。我国要进行第一流的科技创新活动不能只依靠进口仪器仪表，必须从现在就开展研制最先进的仪器仪表的活动。
（6）环境在线监测市场有待开拓。目前，我国环境监测仪器多是中小企业生产的中低档产品，技术水平一般，产品种类少，故障率高，使用寿命短。
2 电工仪器仪表的节能设计
电工仪器仪表设计中， 应综合考虑产品的结构、功能、工艺，充分利用新技术、新理论、新器件、新电路、新材料，使产品在使用过程中消耗能量最少。电工仪器仪表的节能设计应遵循以下原则。
2.1 选用低功耗传感器
近年来，传感器发展速度非常快，新型低功耗传感器不断问世。仪器仪表在选用传感器敏感元件时，应选择性能、价格符合设计使用要求的低功耗、微功耗传感器。
2.2 简化仪器功能
多功能势必增加仪器硬、软件的复杂性，降低产品的可靠性，增加电流消耗。仪器设计不能片面追求多功能模式。在满足仪器必要功能的基础上，简化硬件电路设计，尽量利用软件实现仪器的功能，是降低仪器功耗的有效方法。
2.3 设计低功耗电路，采用低功耗器件
这是降低仪器功耗的主要设计原则。仪器的模拟放大电路可采用低（微）功耗运算放大器；数字电路可采用CMOS 器件，并采用可编程器件FPGA 实现数字电路功能，从而取代分立元件，降低电路功耗；显示可采用IXTD 显示器。
2.4 单电源、低电压供电
单电源供电可以提高电源的使用效率， 降低功耗。单电源供电状态下， 应注意降低供电电压。大部分模拟电路的工作电压范围宽，电路正常工作的动态范围较广， 在允许牺牲电路增益的条件下，降低电源电压可大大降低电路的工作电流，从而降低功耗。以低功耗集成运算放大器LM324为例，其单电源电压工作范围为5～30V，当电源电压为5V 时，功耗约为15mW；当电源电压为10V时，功耗约为90mW；当电源电压为15V 时，功耗约为220mW。低电压供电对于减低器件电流消耗的作用十分明显。
2.5 降低信息处理单元的时钟频率
仪器中的信息处理单元（如DSP、单片机等）的功耗与振荡频率有关。在权衡信息处理单元的运算速度后，选用较低的时钟频率可以降低电流消耗。此外， 睡眠方式可以减少仪器的工作时间，从而降低功耗。
3 电能量采集及电能质量测量分析
电能量采集和电能质量测量与分析是电工仪器仪表的一个重要构成部分，也是电力工业中发电、输电、配电环节电能交易计量和贸易结算的基础，同时还是电力需求侧管理的基本数据来源。目前电能量计量技术发展很快，技术水平主要表现在高准确度（0.1级）、高稳定性、高可靠性、长寿命（10～30 年）、宽量程（5～120A）、低功耗。通过不断采用新技术和新器件，电能表的种类也日益增加，从电磁感应式电能表逐渐发展到电子式电能表，一直到采用 DSP 数字信号处理的多功能电能表。针对一些窃电现象，在电能表设计上考虑了各种反窃电措施和方法，最大限度地降低因技术手段进行窃电而造成的损失。 电能质量测量与分析是解决电力系统中各种谐波污染，提高供电电能质量的重要基础，其核心是谐波测量。电力系统中各种扰动引起的电能质量问题分为稳态和暂态两大类：稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷及噪声等；暂态电能质量问题则以频谱和持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态，表现为瞬时电压上升或下降，出现瞬时谐波、振荡。
目前国内外电能质量测量技术主要有 FFT 算法、基于 MALLAT 算法、小波包变换、连续小波变换、复小波变换、自适应小波和基于神经网络测量方法等。应用小波变换等快速、准确的测量方法和可靠的测量仪器对电能质量进行长期的监测，对检测出的扰动数据进行分类和分析，应用模糊-神经网络方法确定有效信息的传输、存储，找到影响电能质量的原因，采取相应的解决办法，消除谐波污染并提高功率因数。
影响电能质量的主要因素是各种非线性用电设备、变压器和各类铁心电抗器，可分为以下几类：
电力电子装置，特别是变频器，这是最严重的谐波源，一般用于电动机的变频调速，如电力机车、水泵、风机、中央空调、锅炉等，这些装置在整流、逆变、调压及变频可程中产生大量的谐波；
电弧炉，如炼钢用的交流电弧炉；
家用电器，如日光灯、电视机、空调、电冰箱等；
有开关电源的设备，如计算机等。必须对这些设备进行电磁兼容性设计和检测，以符合国家标准的要求，减少和消除对电网的污染。
4 对于智能仪表技术及其应用未来发展方向的建议
4.1 智能仪表的智能化程度有待进一步提高
智能仪表的智能化程度表征着其应用的广度和深度，目前的智能仪表还只是处于一个较低水平的初级智能化阶段，但某些特殊工艺及应用场合则对仪表的智能化提出了较高的要求，而当前的智能化理论，如：神经网络、遗传算法、小波理论、混沌理论等已经具备潜在的应用基础，这就意味着我们有必要也有能力结合具体的应用需要下大气力开发高级智能化的仪表技术。
4.2 智能仪表的稳定性、可靠性有待长期和持续的关注
仪表运行的稳定性、可靠性是用户首要关心的问题，智能仪表也不例外，随着智能仪表技术的不断拓展、新型的智能仪表也将陆续投放市场，这需要我们始终把握一个原则：每一项智能新技术的应用有待实践的检验，是否用户有信心和勇气敢于做“第一个吃螃蟹的人”。这就需要安全性、可靠性技术的并行开发。
4.3 智能仪表的潜在功能应用有待最大化
目前工业自动化领域的实际应用尚未将智能仪表的功能发挥最大化，而更多的只是应用了其总体功能的半数左右，而这一应用现状的主要原因是，控制系统的总体架构忽略了诸如现场总线的技术优势，这需要仪表厂商与用户建立良好的合作伙伴关系，加强长期合作，以短期投资促长期效益，通过建立“智能仪表+现场总线”的控制系统架构，确立优化的投资观念，达成和谐共赢的目标。
5 结束语
电工仪器仪表在工业和民用领域的应用都非常广泛，涉及工业生产、人身健康、财产安全、节约能源、环境保护等诸多方面。电工仪器仪表的技术进步为电力能源管理提供了至关重要的基础，不断发展和提高电工仪器仪表技术对提倡节能减排，建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。随着微电子、计算机、网络和通讯技术的飞速发展以及综合自动化程度的不断提高，目前广泛应用于工业自动化领域的智能仪表，其技术也同样在过去的二十多年里得到了迅猛的发展。目前国外智能仪表占据了国际应用市场的绝大比重，如何结合目前智能仪表的工业应用经验并快速跟踪国际智能前沿技术应用于我国智能仪表的开发研究成为振兴民族智能仪器仪表的一大突出问题。
参考文献：
[1]侯建朝，谭忠富.我国能源发展的国际对比及存在问题的解决途径[J].中国电力，2012（4）.
[2]任殿义.中国电工仪器仪表行业发展报告“十五”综述[R].哈尔滨：哈尔滨电工仪表研究所，2009.
[3]周林，夏雪等.基于小波变换的谐波测量方法综述[J].电工技术学报，2013（09）.
[4]艾茂民.变电站电能质量的监测与分析[J].农村电气化，2011（07）.
[5]赵彩虹，唐寅生.我国电网降损节能方面几个关键问题[J].中国电力，2010（12）.
[6]孙曙光，王景芹.等.单相电路谐波及无功电流实时检测的研究[J].电测与仪表，2012（05）.