兩名電力工人在線路上安裝非電氣量集成傳感器。(資料圖片)
在新型電力系統建設中，高比例大規模的風電、光伏等可再生能源以及電力電子設備的廣泛接入，對電力系統的運行安全提出巨大挑戰。為解決系統中海量新能源的可靠接入與消納問題，需要通過應用新一代數字技術，對電力系統全環節進行數字化改造，加快建設數字電網，實現電力系統的“可觀、可測、可控”是關鍵。
數據是確保電力系統“可觀、可測、可控”的要素，也是電力系統調度中樞開展指揮控制的關鍵基礎。通過在電力系統中加裝海量傳感器，可以精準掌控系統各環節的物理架構，進而掌握系統電力設備及配套裝備的運行方式、實時狀態、運行效率和健康狀態。基于這些數據，再運用強大的算力，在電力系統運行邊界內，可以實現新能源接入和消納的最優化。
高端傳感器研發應用勢在必行
現有的電力測量體系還是以互感器為代表的電氣量測量裝備為主體，以指令計劃和程序控制為實現方式。而隨著新型電力系統不斷演進發展，監控數據從電氣量向環境量、物理量、動作量、狀態量等多維度拓展，龐大的數據流對測控裝置的邊緣處理、實時通信、安全傳輸等能力等提出了巨大挑戰。同時，新型電力系統還要求對系統全環節進行高密度、高精度、高頻度的數據采集，這就要求測量裝置具備微型化、高精度、寬量程、低功耗、非侵入、即插即用、易部署等特點，這些都是互感器所不具備的，開展微型化智能傳感器研發與應用勢在必行。
近年來，隨著新型敏感材料和微機電(MEMS)工藝快速發展，涌現出了磁阻、壓電、光電、磁光等先進傳感技術和元器件，其具備微納體積、高精度、高信噪比、寬頻帶、超低功耗等優勢，為新一代電力微型智能傳感器發展提供了新的技術路徑。
賽迪研究院、前瞻產業研究院等相關報告統計數據顯示，2021年中國傳感器市場規模約2850億元，市場容量巨大。但高端傳感器領域的研發、設計、制造加工企業較少，我國從事傳感器的研制、生產和應用的企事業單位共2000多家，從事高端傳感器產品MEMS工藝研發、制造的企業僅50多家。在MEMS傳感器方面，工業控制、消費電子、汽車電子等領域應用十分廣泛，早在2019年國內MEMS傳感器市場規模就達到了597.8億元。需求量龐大，市場自主供給能力不足，MEMS領域市場集中度較高，以愛默生、西門子、博世、意法半導體、霍尼韋爾等為主的跨國公司占據60%以上市場份額，國內產品幾乎全靠進口，尤其是芯片的進口率達80%。
電力高端傳感器國產化嘗試
在高端傳感器領域，電力行業企業進行了研發應用嘗試。
在南方電網，南網數字集團技術研發中心智能傳感團隊將MEMS傳感器引入電力量測領域，將磁電阻芯片、電場芯片作為核心敏感元件，研制出了“極目”智能電流、電壓、電氣量集成傳感器以及非電氣量集成傳感器等多個產品序列，敏感器件與國內自主研發企業和科研單位合作設計開發，實現了核心MEMS傳感元件的全國產化。團隊先后攻克了微型電流、電壓和電氣量集成傳感技術，實現了非侵入式電流電壓測量、高效自取能、微功率無線對時、高精度頻率相位測量等核心技術，攻關成果經多家行業機構鑒定，整體達到國際領先水平。
目前，“極目”系列智能傳感器已在粵港澳大灣區、海南自貿港等地應用數萬套，對電力“發、輸、變、配、用”各環節的設備狀態、運行情況實現了實時感知和全景監測，結合智能網關、數字化平臺，為電力運維、調度、規劃等提供了及時、精確和完善的數據來源，有力支撐了新型電力系統中大規模新能源的有序接入和高效消納。
繼續攻關核心關鍵技術
隨著新型電力系統建設不斷深入，系統對微型智能傳感器的要求將會從電流、電壓等電氣量逐步向各類物理量、化學量發展，而國內現有的諸如氣體、局放、溫濕度等MEMS傳感器及芯片的自主設計研發制造能力還不足，數字化、智能化、微型化產品還有所欠缺。
好在國家加大對傳感器產業發展的支持力度，在國家重點科技轉型、產業規劃中列為重點支持、優先發展的內容，將相關資源的匹配度和調配度大大提升，為傳感器產業發展營造了良好的政策及市場環境。同時，在國內物聯網和數字化產業蓬勃發展的背景下，電力傳感器也迎來了重要的發展窗口期，尤其在電力企業數字化轉型的熱潮下，國產電力傳感器機遇空前，大有可為。
接下來，電力行業企業要緊緊抓住MEMS傳感器等高端傳感領域技術工藝自主創新、人才培養與引進、產業聚集有序發展等關鍵工作，重點突破核心產品設計、制造工藝和集成應用等關鍵技術，做好電力領域的本地化定制適配，取得與國外競爭的關鍵優勢，擺脫核心高端傳感器的進口依賴，實現新型電力系統智能傳感器的真正自主可控。
(作者田兵 單位：南網數字集團技術研發中心)
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