加快電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

　　我國“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要提出，加強(qiáng)關(guān)鍵數(shù)字技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，加快推動(dòng)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。當(dāng)前，能源革命與數(shù)字革命相融并進(jìn)，加快電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為推動(dòng)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(shù)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(cè)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(gòu)、負(fù)荷特性、電網(wǎng)形態(tài)等方面呈現(xiàn)多樣性，電網(wǎng)的關(guān)鍵特性將發(fā)生深刻變化，迫切需要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參量的實(shí)時(shí)測(cè)量反饋與動(dòng)態(tài)調(diào)整，提升電力系統(tǒng)的可觀、可測(cè)、可控能力，構(gòu)建數(shù)字孿生電網(wǎng)，保障電網(wǎng)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

　　電力智能傳感技術(shù)主要涉及傳感器、傳感網(wǎng)、智能分析等方面。

　　在電源側(cè)，風(fēng)電、光伏發(fā)電等大量新能源發(fā)電設(shè)備接入，需要感知溫度、光學(xué)及位置等信息，監(jiān)測(cè)發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、健康情況等，預(yù)防事故發(fā)生，提高發(fā)電效率并延長設(shè)備壽命。在電網(wǎng)側(cè)，在輸電、變電、配電等場(chǎng)景下，需要利用微氣象、溫濕度、桿塔傾斜、覆冰、舞動(dòng)、弧垂、風(fēng)偏、局部放電、振動(dòng)及壓力等感知裝置，采集電網(wǎng)運(yùn)行與設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境與其他輔助信息，支撐電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行過程中的信息全面感知及智能應(yīng)用。在負(fù)荷側(cè)，需要利用電能質(zhì)量、負(fù)荷監(jiān)測(cè)等傳感量測(cè)裝置采集智能用電、新能源汽車負(fù)荷等信息，支撐需求側(cè)柔性負(fù)荷資源利用，提升能源利用率及用戶側(cè)用能精細(xì)化管理水平。

　　2021年，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃設(shè)立了“智能傳感器”專項(xiàng)。國家電網(wǎng)公司首批“揭榜掛帥”攻關(guān)任務(wù)建立“微型低功耗電力傳感器技術(shù)及應(yīng)用”研究框架，電力智能傳感技術(shù)進(jìn)入全面發(fā)展的階段。

　　電力智能傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域重點(diǎn)突破

　　電力智能傳感技術(shù)涉及多學(xué)科交叉融合，目前呈現(xiàn)先進(jìn)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(shè)計(jì)等多領(lǐng)域體系化協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)。

　　先進(jìn)傳感材料與器件涉及設(shè)備狀態(tài)表征與“聲、光、電、磁、熱、力”等感知機(jī)理、敏感材料、傳感器件制備等方向，是傳感技術(shù)的核心。隨著感知機(jī)理與傳感材料技術(shù)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(yīng)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(shù)的架空輸電線路動(dòng)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(shí)現(xiàn)變壓器油中溶解氣體的分離，達(dá)到變壓器狀態(tài)檢測(cè)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(gòu)，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(shí)甚至更短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)油氣分離，避免氣化油進(jìn)入檢測(cè)腔。油氣分離膜可穩(wěn)定運(yùn)行3年以上，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。TMR磁敏傳感元件降低了磁場(chǎng)噪聲，提升了探測(cè)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(yīng)用于電網(wǎng)中微弱電流、高精度交直流、電能表計(jì)等場(chǎng)景?；诜墙佑|式傳感技術(shù)的架空輸電線路動(dòng)態(tài)增容系統(tǒng)依靠激光雷達(dá)和紅外測(cè)溫技術(shù)，獲取導(dǎo)線對(duì)地距離和導(dǎo)線溫度等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線載流量評(píng)估和校驗(yàn)，為輸電線路容量調(diào)整提供了基礎(chǔ)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?yàn)閭鞲衅魈峁┓涸谶B接通信媒介，是實(shí)現(xiàn)分布式感知和數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)。由于電力系統(tǒng)環(huán)境復(fù)雜特殊，海量傳感器無源無線化成為重要發(fā)展趨勢(shì)。低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)將提升傳感系統(tǒng)長期運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)維難度。國網(wǎng)智研院基于國家電網(wǎng)公司的輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，研發(fā)超低功耗無線傳感通信模組與匯聚設(shè)備，模組平均功耗達(dá)微瓦級(jí)，經(jīng)測(cè)算可滿足現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)景下感知網(wǎng)絡(luò)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(dòng)及溫差等微量能源為傳感器供能的技術(shù)。目前，國網(wǎng)智研院已研發(fā)出侵入式與非侵入式磁場(chǎng)取能樣機(jī)。在保障樣機(jī)可貼合電纜的前提下，侵入式磁場(chǎng)取能樣機(jī)支持在220千伏電纜應(yīng)用，且在110千伏電纜應(yīng)用時(shí)，可將取能所需的線路負(fù)荷下限由7安降到2安。非侵入式磁場(chǎng)取能樣機(jī)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(chǎng)景推廣應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)傳感器去電池化奠定基礎(chǔ)。

　　此外，邊緣群智分析與融合設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究正在開展。邊緣群智分析技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電力圖像、局部放電等感知信號(hào)的就地處理、智能分析與診斷。融合設(shè)計(jì)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳感、通信、計(jì)算、取能等功能在傳感器的一體化集成及一二次融合，推動(dòng)電力設(shè)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(shù)的不斷突破創(chuàng)新使得物理空間與數(shù)字空間在量測(cè)、計(jì)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(fù)荷全景觀測(cè)：新型電力系統(tǒng)中以分布式電源、新能源汽車、分布式儲(chǔ)能及可調(diào)節(jié)負(fù)荷等為代表的廣義負(fù)荷接入比例不斷攀升，源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)的互動(dòng)關(guān)聯(lián)性將不斷加強(qiáng)。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(shì)，適合在覆蓋范圍廣、線路分支多及負(fù)荷變化大的用戶側(cè)環(huán)境部署使用，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷信息的全景觀測(cè)。

　　局部放電立體監(jiān)測(cè)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(shè)備狀態(tài)感知中廣泛應(yīng)用。未來，電網(wǎng)企業(yè)可通過優(yōu)化的硬件平臺(tái)和專用芯片把智能算法就地部署在傳感器上，形成“物”端計(jì)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(shí)響應(yīng)速度和定位精準(zhǔn)度。

　　輸電線路動(dòng)態(tài)增容能力提升：新能源發(fā)電呈現(xiàn)波動(dòng)性特征，需要準(zhǔn)確獲取導(dǎo)線狀態(tài)、環(huán)境參量，為線路動(dòng)態(tài)增容提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。應(yīng)用非接觸式傳感技術(shù)可采集輸電線路全景信息，利用線路沿線的磁場(chǎng)、電場(chǎng)、振動(dòng)及溫差等外部條件實(shí)現(xiàn)傳感器微源取能，并通過低功耗無線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)可靠安全連接。

　　智能傳感器微型化：微納傳感技術(shù)的發(fā)展使進(jìn)一步壓縮傳感器體積、實(shí)現(xiàn)傳感器與電力設(shè)備的高度融合成為可能。系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）等技術(shù)和工藝的突破和應(yīng)用，將助力電力專用的微型化感知器件開發(fā)，推進(jìn)電力設(shè)備的智能化。

　　電力智能傳感技術(shù)將在加強(qiáng)電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制能力、促進(jìn)多元用戶供需互動(dòng)、提升電力需求側(cè)管理水平和設(shè)備智能化水平等方面發(fā)揮重要作用，引領(lǐng)電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

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