支撑新型电力系统建设的电力微型智能传感器的发展

当今世界能源行业数字化演变日益加强，我国电力体制改革也在深入推进，为了完成碳达峰、碳中和的目标计划，构建以新能源为主体的新型电力系统是发展的必由之路，是推动能源革命的必然要求。而新型电力系统呈现数字与物理系统深度融合的特征，以数据流引领和优化能量流、业务六流，以数据作为核心生产要素，打通源网荷储各个环节信息，发电侧实现“全面可观、精确可测、高度可控”，电网侧形成云边融合的调控体系，用电侧有效聚合海量可调节资源支撑实时动态响应，通过海量信息数据分析和高性能计算技术，使电网具备超强感知能力、智慧决策能力和快速执行能力。

来源：北极星电力网

作者：辛明勇、冯起辉（贵州电网公司电力科学研究院系统技术研究中心专责）

作为承载新型电力系统最佳形态的数字电网，其包含的感知层是其根基。但现有电压、电流和非电量量测传感器由于体积笨重、功能单一、造价高昂，已经难以满足数字电网全面、实时感知信息的基本需求。而小尺寸、低功耗的小微智能传感器以及集成先进传感器的智能话设备可以实时获取电力系统中电压、电流、温度等物理信息，为信息网络提供数据支撑，通过大规模数据的获取，利用信息网络进行互联，使用先进管理控制算法，结合云端计算与边缘计算，信息化电力系统可以实现电力与能源网络的数字化、信息化、智能化管理，构建以全景信息为支撑的数字电网，是实现电网数字化的物理基础和先决条件。

微型传感器是一类小尺寸、高性能、易于批量制作的测量设备。微型传感器一般具有以下特点：（1）小尺寸，相比于传统的互感器等测量设备，微型传感器体积大大减小。（2）高性能，相比于传统的测量设备，微型传感器在测量范围、灵敏度、分辨率等方面均表现出高性能。（3）标准化制备流程，微型传感器往往基于微加工技术进行微型化制备，实现特定功能，同时降低传感器生产成本；（4）集成化，小微型传感器采用集成方式，将微处理器、信息检测与处理、记忆与逻辑判断功能集到一块芯片，同时兼有强大通信功能。

在电力系统中，微型传感器主要有三大类，分别是微型电流传感器、微型电压传感器以及非电量传感器。其中微型电流传感器，主要用于对于电力线路的电流测量，其测量原理主要以被测电流所建立的磁场为基础，即将对电力线路电流的测量转换成对电力线电流所激发的磁场测量的问题，通过测量磁密、磁通或者磁势的方法来间接实现的。按照测量的原理不同，微型电流传感器的主要有磁光电流传感器、磁通门电流传感器、巨磁阻的电流传感器等。

微型电压传感器的测量原理主要基于电场信息。电场信号包含了大量电网和设备运行信息，对于实现电力系统信息化管理具有重要意义。一方面多点电场测量可以用于电压信息的反演，从而代替传统电压互感器，从而实现高电压的非接触式测量。目前主要采用的微型电压传感器按测量原理主要包括基于电光效应的微型电场传感器、基于感应电荷的微型电场传感器、基于逆压电效应的微型电场传感器和基于静电力的微型电场传感器。

在需要充分感知的新型电力系统中，除了监测电压和电流等电信号，同时也需要检测气体、温度、位移等辅助信息的非电量传感器。例如，通过采用微型红外传感器来检测气体和温度，即根据红外光谱吸收原理，可以用于检验GIS器件的SF6泄露情况；利用MEMS纤毛式矢量水听器，可用于架空线路风向、风速监控，杆塔倾斜以及导线舞动等环境状态的监控；MEMS加速度传感器采用微加工的方式，用于采集质点加速度，可用于电力系统振动环境的监测。目前，量子传感器也受到了越来越多的关注。所谓量子传感器是根据量子力学规律，即量子相干、量子纠缠、量子统计等特性，可以实现对电磁场、温度、压力等物理量进行高精度的测量。

微型智能传感器的未来发展，将会针对新型电力系统的未来需求以及微型传感器目前的不足，进行新方法和新技术的探索，主要包括：1）为适应复杂的测量环境，考虑温度、气压、湿度的变化对传感器工作特性的影响，从原理设计、信号处理方式以及封装方式上进行改进；2）针对测量频率有限的问题，需进一步研究电场传感原理，提高电场传感器的测量频率范围，拓展电场传感器的适用范围；3）对于实际应用难、效果不良的问题，需要在传感器原理、耦合机制、传感结构、新材料、微加工技术以及集成配合方面进一步突破；4）为提高微型传感器的使用寿命，可采用无源结构，研究利用自供电微能源采集及无线传感技术来给传感器提供必要的能量等供电方式。

微型智能传感器将顺应新型电力系统的发展，从一种新技术装备逐渐全面推广应用，助力电力系统充分感知的实现，有效支撑电力系统数字化、透明化，最终助力国家双碳目标的达成。