电力微型智能传感器研究与应用

田兵博士 南方电网高级专家、南网传感公司总经理2024年8月 目录 研究背景 2 技术研究进展 3 趋势展望 一、研究背景 数字电网承载并推进新型电力系统发展 国家大力实施“碳达峰、碳中和”战略，重点构建以新能源为主体的新型电力系统，南方电网明确提出“以数字电网推动构建新型电力系统”的发展方向，助力我国能源领域高质量发展。 数字电网：以新一代数字技术为核心驱动力，以数据为关键生产要素，以现代电力能源网络与新一代信息网络为基础，通过数字技术与能源企业业务管理深度融合，不断提高数字化、网络化、智能化水平，而形成的新型能源生态系统。2024年电力信息通信EP新技术大会 研究背景 数字电网全观全测全控驱需海量部署微型智能传感器 物理电网数字化需要发输变配用各环节广泛部署传感器，及时准确地采集物理电网运行数据、设备状态数据，运行环境数据等，实现数字电网的全观、全测、全控 传感器是数据生产者，产生的大量数据使得人工智能在电网的应用有了数据基础，使得电网的运行从基于物理规律向基于数据关系转变 海量微型智能传感器及传感网络 研究背景 电力微型智能传感器布局全景图 电力微型智能传感器的种类丰富，在电力系统发输变配用全环节都有广泛的需求，电力系统也是工业传感器的广阔舞台，电、磁、热、力、光、声等物理量的传感器都有用武之地。 目录 研究背景 技术研究进展 2 3 趋势展望 二、技术研究进展 2.1技术研究框架 包括MEMS传感芯片、非侵入式测量、高效取能、可靠通信、装置研发等方面 2、技术研究进展每敏感元件 磁场传感芯片（TMR）-研究进展 提出灵敏度量程积（有效灵敏系数）来衡量TMR性能，研发高性能MTJ结，在高性能MTJ结基础上增加磁通聚集器可实现灵敏度数百mV/V/Oe，增加屏蔽和旁路，能实现数干Oe。 有效灵敏系数：K=S*H来衡量传感器的指标；其中S为传感器的灵敏度，H为传感器的量程。 2、技术研究进展敏感元件 磁场传感芯片（TMR）-研究进展 在南网等电力行业的需求牵引及联合攻关下，圭我国TMR技术从全面落后到国际持平，技术指标突飞猛进目前技术水平已经能够满足电力系统大部分测量需求，对比3年前后的TMR技术参数：线性度从1%提升至0.2%，线性范围从2000e提升至10000e。 2、技术研究进展/敏感元件 电场传感芯片-研究进展 联合国内高校和研究所开展MEMS电场敏感元件敏感机理与芯片制备技术研究，研制了电场传感芯片，实现量程覆盖100kV/m、精度1%、频域DC-1kHz电场测量。 2、技术研究进展敏感元件 气敏芯片-研究进展 针对油中uL/L级H，的预警需求，研制MEMS钯金合金气敏芯片，研究钯金材料配比、折线结构形貌调控、介质薄膜应力补偿和包覆式温控等传感技术，大幅提升传感器灵敏度和可靠性 2、技术研究进展敏感元件 气敏芯片-研究进展 针对电力场景下气体组分精准感知需求，研发16阵列集成的MEMS金属氧化物半导体气敏传感芯片，建立了氢气、氧化碳、乙烯、乙炔等多类特征气体的最佳敏感材料体系库，气体检出限低至ppm级 2、技术研究进展/测量方法 非侵入式电流测量技术 提出了基于磁电阻芯片阵列的电流精确测量方法：求解空间任意位置长直导线电流的充分必要条件是要且仅要三个单轴TMR芯片 2、技术研究进展一测量方法 非侵人式电流测量技术 推论：对于任意距离平方反比的物理场，要且仅要三个场传感器即可求解长直线型的场源位置和大小 平方反比是三维空间普适性的规律：适用于磁场、电场、万有引力场等2024年电力信息通信新技术大会 2、技术研究进展测量方法 非侵入式电流测量技术 提出了基于磁电阻芯片阵列的电流测量抗干扰方法：设置≥4个的TMR，每三个TMR芯片即可求解次导线位置和电流，根据多个组合计算结果之间的差异分离出干扰量，最终达到抗干扰的效果 提升抗同频段电磁场干扰能力，实现有效信号高精度提取，提升测量精度2024年电力信息通信新技木大会 2、技术研究进展测量方法 非侵入式电压测量技术 提出异频信号注入+分布电容分压的非侵入式电压测量方法。待测电压与已知异频信号在同一个回路两者分压规律相同。HC 铜箔 非侵入式电压测量计算方法 非侵入式电压测量等效电路 非侵入式电压测量示意图 2、技术研究进展测量方法 非侵入式电压测量技术 提出同频信号注入+分布电容分压的非侵入式电压测量方法。分布电容在不同的频率下呈现出较强的非线性特征且对感应铜箔的位置敏感，进一步提出同频注入的方法，构造出三种不同的工况 2、技术研究进展高效取能 CT取能方法 发明μW～mW级宽范围自适应能量收集调理方法。基于常闭光耦大电流开路的取能泄放方法，大电流不发热。0.5A～2400A稳定可靠工作。 测试条件：一次电流2400A，1小时；测试结果：导线192℃，传感器51℃ 2400A，当电缆温度达到192℃C，传感器不明显发热 2、技术研究进展高效取能 能量收集调理电路 宽动态范围的迟滞比较电路。巧妙利用运放、稳压器的相互配合，保证电路从零状态到带电状态工作逻辑的正确性，实现小电流情况下，只要积累足够能量，确保传感器采集发送一次数据，真正达到能量收集的效果。 2、技术研究进展可靠通信 高可靠无线近场通信 提出光电协同超高可靠、低时延、低功耗无线通信技术。近距离（≤30m），4k采样率约1314年丢包数据，时延小于等于500us，功耗500mW。 2、技术研究进展可靠通信 高可靠无线近场通信 通过光晃动试验结果表明，接收阵列能够准确感知光发射机晃动过程中的传输信息并完整提取出来，有效解决了光发射机在线路上抖动时存在的丢包率风险。 2、技术研究进展可靠通信 2低功耗近距离无线通信对时 研究基于2.4G无线射频模块的微功率高精度对时技术，提出基于硬件互联技术的时钟调整技术。对时核心过程无CPU干预，实现稳定可靠的百纳秒级、百微瓦级对时 2、技术研究进展1智能传感系列产品 打造“南网极”系列电力智能传感器产品谱系 遵循数字电网“云管边端”技术架构，自主研制电流、电压、电气量集成、电气量集成等20余款传感器及装置涵盖输电变电、配电用电业务领域，形成了南网极自系列智能传感器产品体系 2、技术研究进展智能传感系列产品 配电典型产品-微型电气量集成传感器 研究非侵入电压测量核心技术，集成TMR作为核心电流测量单元，研发出非侵入自取能电气量集成传感器可满足中低压线路的电流、电压、频率、谐波等测量需求。适用于智能变电站智能配电房及户外低压线路等应用场景的电气量综合监测。 多合一集成测量 集成电压、电流、功率、相位、谐波测量功能 非侵入、高精度、宽量程、广频或 非侵入：不与火线有金属接触电流精度0.5S级；量程720A；20倍谐波电,压精度1%；量程400V，频响30-150Hz 安装方便，一贴即用，空中升级，免维护 体积厘米级，电流百安级，电压干伏级，功耗微瓦级，无源无线，即贴即用 2、技术研究进展/智能传感系列产品 变电典型产品-全电压等级保护用电流传感器 针对输变配全场景电流测量与保护需求，研究高精度非侵入式电流测量、高稳定取能、高可靠低时延通信等核心技术，研发全球首套保护用全电压等级电流传感器 全电压等级电流传感器 面向测量及保护应用替代传统CT 2、技术研究进展智能传感系列产品 输电典型产品-输电线路多物理量集成传感器 研发输电线路多物理量集成传感器，集成了导线温度/电流/弧垂/舞动、环境温度/湿度/气压/海拔、通道图像/视频等物理量，实现了输电线路全景实时监测与异常智能识别告警，可个性化定义关注/监控内容，满足重要交叉跨越费动区段重点外破隐串区段的监测需求 2、技术研究进展1产品可靠性提升 对标军工/车规级产品可靠性 引入FMECA质量管控，ESS筛选试验，国军标管理体系等一系列可靠性管理方法，从设计源头、供应链管理、制造工艺、试验检验到售后服务等各个环节入手，提高产品的可靠性水平 2、技术研究进展产品产业化 先水平。 创新成果推广目录 成果319：微型智能电流传感器 成果320：非电气盘集成传感器 国资委《中央企业科技创新成果推荐目录（2022年版）》 2、技术研究进展】应用 配电领域规模化海量部署 配电系列产品在全国各地规模化应用数万套，覆盖了智能配电、新能源和轨道交通等应用场景。 实现了中低压设备运行状态及运行环境的透明化，有力支撑了物理电网的数字化 2、技术研究进展1应用 输电领域规模化推广应用 多物理量集成传感器在500kV输电线路上安装数百套，通过输电线路在线监测系统可实时查看装置在线状态，告警信息，导线电流、温度、环境温湿度、气压、通道图像/视频等 发现了施工外破作业、山火等异常百余起，及时通知运维部门排查和处置，实现了输电线路数字化全景监测E 2、技术研究进展行业影响 行业影响力显著 在南网国际技术论坛、博鳌新型电力系统国际论坛发布，获得央视新闻直播等报道 ■2022年8月，电力微型智能传感器参展法国巴黎国际大电网会议（CIGRE） 央媒人民日报、光明日报、中国能源报、中国电力报、腾讯、新浪等平台积极宣传应用成效。 产品展览及应用报道 成果央媒新闻报道 电力微型智能传感标准化工作全面开展 电力微型智能传感标准化工件 近日中电联电力微型智能传感标委度会设对今工作进行总结并对了具体部著。会议聚集商方电网，匡家日业、科研院所，高校及没备厂商40余业上下游单位，共50会名专家学者共行业微型智能传感标委会交流合作平台 央视新闻直播 实现，双碳”日标，能源是土战场写，构建以新能源为生体的新型毛力系型电力系必要效加快数专电网建设准配用全环节信点化，教宝化作为精海量电力微型香能传感型将构行起经系统脏予具全用感知，智能决策，大，从而全面提广电力系统信息采集应用能力，破能量与信具，业务，留的境争，功力以新能源为手体的新型电力 博鳌新型电力系统国际论坛