我國“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要提出，加強關鍵數(shù)字技術創(chuàng)新應用，加快推動數(shù)字產(chǎn)業(yè)化，推進產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。當前，能源革命與數(shù)字革命相融并進，加快電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為推動電網(wǎng)和電網(wǎng)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。電力智能傳感技術連接電力系統(tǒng)的物理空間與數(shù)字空間，將加快電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
電力系統(tǒng)可觀可測可控能力亟待提升
隨著大量分布式能源和電力電子器件接入電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)在電源結(jié)構、負荷特性、電網(wǎng)形態(tài)等方面呈現(xiàn)多樣性，電網(wǎng)的關鍵特性將發(fā)生深刻變化，迫切需要實現(xiàn)對各種參量的實時測量反饋與動態(tài)調(diào)整，提升電力系統(tǒng)的可觀、可測、可控能力，構建數(shù)字孿生電網(wǎng)，保障電網(wǎng)在復雜網(wǎng)絡互聯(lián)條件下穩(wěn)定運行。
電力智能傳感技術主要涉及傳感器、傳感網(wǎng)、智能分析等方面。
在電源側(cè)，風電、光伏發(fā)電等大量新能源發(fā)電設備接入，需要感知溫度、光學及位置等信息，監(jiān)測發(fā)電設備運行狀態(tài)、健康情況等，預防事故發(fā)生，提高發(fā)電效率并延長設備壽命。在電網(wǎng)側(cè)，在輸電、變電、配電等場景下，需要利用微氣象、溫濕度、桿塔傾斜、覆冰、舞動、弧垂、風偏、局部放電、振動及壓力等感知裝置，采集電網(wǎng)運行與設備狀態(tài)、環(huán)境與其他輔助信息，支撐電網(wǎng)生產(chǎn)運行過程中的信息全面感知及智能應用。在負荷側(cè)，需要利用電能質(zhì)量、負荷監(jiān)測等傳感量測裝置采集智能用電、新能源汽車負荷等信息，支撐需求側(cè)柔性負荷資源利用，提升能源利用率及用戶側(cè)用能精細化管理水平。
2021年，國家重點研發(fā)計劃設立了“智能傳感器”專項。國家電網(wǎng)公司首批“揭榜掛帥”攻關任務建立“微型低功耗電力傳感器技術及應用”研究框架，電力智能傳感技術進入全面發(fā)展的階段。
電力智能傳感技術實現(xiàn)多領域重點突破
電力智能傳感技術涉及多學科交叉融合，目前呈現(xiàn)先進傳感材料與器件、低功耗傳感網(wǎng)、傳感器微源取能、邊緣群智分析、融合設計等多領域體系化協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展趨勢。
先進傳感材料與器件涉及設備狀態(tài)表征與“聲、光、電、磁、熱、力”等感知機理、敏感材料、傳感器件制備等方向，是傳感技術的核心。隨著感知機理與傳感材料技術不斷創(chuàng)新突破，各類新型的電氣量、狀態(tài)量、環(huán)境量、行為量傳感器將應用于新型電力系統(tǒng)。國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司目前在變壓器油溶氣體分離裝置、隧穿磁阻（TMR）磁敏電流傳感器、基于非接觸式傳感技術的架空輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)等方面取得一定成果。變壓器油溶氣體分離裝置主要利用油氣分離膜實現(xiàn)變壓器油中溶解氣體的分離，達到變壓器狀態(tài)檢測的目的。該公司自主研發(fā)的油氣分離膜采用中空纖維結(jié)構，增加了油氣分離膜的壽命，提升了油氣分離效率，可在1小時甚至更短時間內(nèi)實現(xiàn)油氣分離，避免氣化油進入檢測腔。油氣分離膜可穩(wěn)定運行3年以上，提高了檢測的準確性和可靠性。TMR磁敏傳感元件降低了磁場噪聲，提升了探測靈敏度。未來，基于TMR磁敏傳感元件形成的低功耗、易部署的微型電流傳感器可應用于電網(wǎng)中微弱電流、高精度交直流、電能表計等場景。基于非接觸式傳感技術的架空輸電線路動態(tài)增容系統(tǒng)依靠激光雷達和紅外測溫技術，獲取導線對地距離和導線溫度等關鍵參數(shù)，實現(xiàn)導線載流量評估和校驗，為輸電線路容量調(diào)整提供了基礎數(shù)據(jù)，提升了輸電通道的最大安全輸送能力。
低功耗傳感網(wǎng)能夠為傳感器提供泛在連接通信媒介，是實現(xiàn)分布式感知和數(shù)據(jù)融合的基礎。由于電力系統(tǒng)環(huán)境復雜特殊，海量傳感器無源無線化成為重要發(fā)展趨勢。低功耗無線傳感網(wǎng)絡將提升傳感系統(tǒng)長期運行可靠性，降低運維難度。國網(wǎng)智研院基于國家電網(wǎng)公司的輸變電設備物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，采用低功耗設計技術，研發(fā)超低功耗無線傳感通信模組與匯聚設備，模組平均功耗達微瓦級，經(jīng)測算可滿足現(xiàn)場電池供電類傳感器持續(xù)工作7年以上的需求，可解決輸變電場景下感知網(wǎng)絡的超低功耗、安全可靠接入難題。
傳感器微源取能是通過收集環(huán)境中電磁、振動及溫差等微量能源為傳感器供能的技術。目前，國網(wǎng)智研院已研發(fā)出侵入式與非侵入式磁場取能樣機。在保障樣機可貼合電纜的前提下，侵入式磁場取能樣機支持在220千伏電纜應用，且在110千伏電纜應用時，可將取能所需的線路負荷下限由7安降到2安。非侵入式磁場取能樣機體積已縮小至7.2立方厘米，相比國內(nèi)外同類裝置，取能效率約提升66%，有望在品字形電纜、三芯電纜等場景推廣應用，為實現(xiàn)傳感器去電池化奠定基礎。
此外，邊緣群智分析與融合設計關鍵技術研究正在開展。邊緣群智分析技術可實現(xiàn)電力圖像、局部放電等感知信號的就地處理、智能分析與診斷。融合設計技術可實現(xiàn)傳感、通信、計算、取能等功能在傳感器的一體化集成及一二次融合，推動電力設備智能化。
將為電力系統(tǒng)精確感知與智能控制提供支撐
電力智能傳感技術的不斷突破創(chuàng)新使得物理空間與數(shù)字空間在量測、計算及控制等多環(huán)節(jié)上高效融合，將為新型電力系統(tǒng)的精確感知與智能控制提供支撐。
廣義負荷全景觀測：新型電力系統(tǒng)中以分布式電源、新能源汽車、分布式儲能及可調(diào)節(jié)負荷等為代表的廣義負荷接入比例不斷攀升，源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)的互動關聯(lián)性將不斷加強。未來，基于新型磁阻材料的電流傳感器具有低成本、易帶電安裝的優(yōu)勢，適合在覆蓋范圍廣、線路分支多及負荷變化大的用戶側(cè)環(huán)境部署使用，實現(xiàn)負荷信息的全景觀測。
局部放電立體監(jiān)測與精確定位：現(xiàn)階段，高頻、特高頻、超聲等局部放電傳感器在電力主設備狀態(tài)感知中廣泛應用。未來，電網(wǎng)企業(yè)可通過優(yōu)化的硬件平臺和專用芯片把智能算法就地部署在傳感器上，形成“物”端計算系統(tǒng)，并結(jié)合典型案例庫與算法庫，提高故障立體辨識響應速度和定位精準度。
輸電線路動態(tài)增容能力提升：新能源發(fā)電呈現(xiàn)波動性特征，需要準確獲取導線狀態(tài)、環(huán)境參量，為線路動態(tài)增容提供基礎數(shù)據(jù)。應用非接觸式傳感技術可采集輸電線路全景信息，利用線路沿線的磁場、電場、振動及溫差等外部條件實現(xiàn)傳感器微源取能，并通過低功耗無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)可靠安全連接。
智能傳感器微型化：微納傳感技術的發(fā)展使進一步壓縮傳感器體積、實現(xiàn)傳感器與電力設備的高度融合成為可能。系統(tǒng)級封裝（SIP）、微機電系統(tǒng)（MEMS）、納機電系統(tǒng)（NEMS）等技術和工藝的突破和應用，將助力電力專用的微型化感知器件開發(fā)，推進電力設備的智能化。
電力智能傳感技術將在加強電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制能力、促進多元用戶供需互動、提升電力需求側(cè)管理水平和設備智能化水平等方面發(fā)揮重要作用，引領電力系統(tǒng)數(shù)字化技術創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。
（作者單位：國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司）
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