电力智能传感技术 加快电力系统数字化转型

我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要提出，加强关键数字技术创新应用，加快推动数字产业化，推进产业数字化转型。当前，能源革命与数字革命相融并进，加快电力系统数字化转型已成为推动电网和电网企业高质量发展的必由之路。电力智能传感技术连接电力系统的物理空间与数字空间，将加快电力系统数字化转型。

电力系统可观可测可控能力亟待提升

随着大量分布式能源和电力电子器件接入电力系统，新型电力系统在电源结构、负荷特性、电网形态等方面呈现多样性，电网的关键特性将发生深刻变化，迫切需要实现对各种参量的实时测量反馈与动态调整，提升电力系统的可观、可测、可控能力，构建数字孪生电网，保障电网在复杂网络互联条件下稳定运行。

电力智能传感技术主要涉及传感器、传感网、智能分析等方面。

在电源侧，风电、光伏发电等大量新能源发电设备接入，需要感知温度、光学及位置等信息，监测发电设备运行状态、健康情况等，预防事故发生，提高发电效率并延长设备寿命。在电网侧，在输电、变电、配电等场景下，需要利用微气象、温湿度、杆塔倾斜、覆冰、舞动、弧垂、风偏、局部放电、振动及压力等感知装置，采集电网运行与设备状态、环境与其他辅助信息，支撑电网生产运行过程中的信息全面感知及智能应用。在负荷侧，需要利用电能质量、负荷监测等传感量测装置采集智能用电、新能源汽车负荷等信息，支撑需求侧柔性负荷资源利用，提升能源利用率及用户侧用能精细化管理水平。

2021年，国家重点研发计划设立了“智能传感器”专项。国家电网公司首批“揭榜挂帅”攻关任务建立“微型低功耗电力传感器技术及应用”研究框架，电力智能传感技术进入全面发展的阶段。

电力智能传感技术实现多领域重点突破

电力智能传感技术涉及多学科交叉融合，目前呈现先进传感材料与器件、低功耗传感网、传感器微源取能、边缘群智分析、融合设计等多领域体系化协同创新发展趋势。

先进传感材料与器件涉及设备状态表征与“声、光、电、磁、热、力”等感知机理、敏感材料、传感器件制备等方向，是传感技术的核心。随着感知机理与传感材料技术不断创新突破，各类新型的电气量、状态量、环境量、行为量传感器将应用于新型电力系统。国网智能电网研究院有限公司目前在变压器油溶气体分离装置、隧穿磁阻（TMR）磁敏电流传感器、基于非接触式传感技术的架空输电线路动态增容系统等方面取得一定成果。变压器油溶气体分离装置主要利用油气分离膜实现变压器油中溶解气体的分离，达到变压器状态检测的目的。该公司自主研发的油气分离膜采用中空纤维结构，增加了油气分离膜的寿命，提升了油气分离效率，可在1小时甚至更短时间内实现油气分离，避免气化油进入检测腔。油气分离膜可稳定运行3年以上，提高了检测的准确性和可靠性。TMR磁敏传感元件降低了磁场噪声，提升了探测灵敏度。未来，基于TMR磁敏传感元件形成的低功耗、易部署的微型电流传感器可应用于电网中微弱电流、高精度交直流、电能表计等场景。基于非接触式传感技术的架空输电线路动态增容系统依靠激光雷达和红外测温技术，获取导线对地距离和导线温度等关键参数，实现导线载流量评估和校验，为输电线路容量调整提供了基础数据，提升了输电通道的最大安全输送能力。

低功耗传感网能够为传感器提供泛在连接通信媒介，是实现分布式感知和数据融合的基础。由于电力系统环境复杂特殊，海量传感器无源无线化成为重要发展趋势。低功耗无线传感网络将提升传感系统长期运行可靠性，降低运维难度。国网智研院基于国家电网公司的输变电设备物联网通信协议，采用低功耗设计技术，研发超低功耗无线传感通信模组与汇聚设备，模组平均功耗达微瓦级，经测算可满足现场电池供电类传感器持续工作7年以上的需求，可解决输变电场景下感知网络的超低功耗、安全可靠接入难题。

传感器微源取能是通过收集环境中电磁、振动及温差等微量能源为传感器供能的技术。目前，国网智研院已研发出侵入式与非侵入式磁场取能样机。在保障样机可贴合电缆的前提下，侵入式磁场取能样机支持在220千伏电缆应用，且在110千伏电缆应用时，可将取能所需的线路负荷下限由7安降到2安。非侵入式磁场取能样机体积已缩小至7.2立方厘米，相比国内外同类装置，取能效率约提升66%，有望在品字形电缆、三芯电缆等场景推广应用，为实现传感器去电池化奠定基础。

此外，边缘群智分析与融合设计关键技术研究正在开展。边缘群智分析技术可实现电力图像、局部放电等感知信号的就地处理、智能分析与诊断。融合设计技术可实现传感、通信、计算、取能等功能在传感器的一体化集成及一二次融合，推动电力设备智能化。

将为电力系统精确感知与智能控制提供支撑

电力智能传感技术的不断突破创新使得物理空间与数字空间在量测、计算及控制等多环节上高效融合，将为新型电力系统的精确感知与智能控制提供支撑。

广义负荷全景观测：新型电力系统中以分布式电源、新能源汽车、分布式储能及可调节负荷等为代表的广义负荷接入比例不断攀升，源、网、荷、储各环节的互动关联性将不断加强。未来，基于新型磁阻材料的电流传感器具有低成本、易带电安装的优势，适合在覆盖范围广、线路分支多及负荷变化大的用户侧环境部署使用，实现负荷信息的全景观测。

局部放电立体监测与精确定位：现阶段，高频、特高频、超声等局部放电传感器在电力主设备状态感知中广泛应用。未来，电网企业可通过优化的硬件平台和专用芯片把智能算法就地部署在传感器上，形成“物”端计算系统，并结合典型案例库与算法库，提高故障立体辨识响应速度和定位精准度。

输电线路动态增容能力提升：新能源发电呈现波动性特征，需要准确获取导线状态、环境参量，为线路动态增容提供基础数据。应用非接触式传感技术可采集输电线路全景信息，利用线路沿线的磁场、电场、振动及温差等外部条件实现传感器微源取能，并通过低功耗无线传感网实现可靠安全连接。

智能传感器微型化：微纳传感技术的发展使进一步压缩传感器体积、实现传感器与电力设备的高度融合成为可能。系统级封装（SIP）、微机电系统（MEMS）、纳机电系统（NEMS）等技术和工艺的突破和应用，将助力电力专用的微型化感知器件开发，推进电力设备的智能化。

电力智能传感技术将在加强电网协调控制能力、促进多元用户供需互动、提升电力需求侧管理水平和设备智能化水平等方面发挥重要作用，引领电力系统数字化技术创新和产业升级。

（作者单位：国网智能电网研究院有限公司）