能源创新青年论坛--电力专用传感器技术研讨会

南方电网科学研究院罗兵2025年11月8日中国重庆 电力传感器与数字电网体系 新型电力系统建设 “双高（高比例可再生能源与高比例电力电子设备）、“双低”（低可控性与低转动惯量）、“双波动”（供给侧和需求侧均具有波动性）。 对电力平稳可靠供应、系统安全稳定运行带来的挑战。 对电力设备自身安全、生命周期管理、设备试验考核和运维体系带来的挑战 电力传感器与数字电网体系 南网的新型电力系统建设 全面建设安全、可靠、绿色、高效、智能的现代化电网，在实现碳达峰、碳中和自标过程中确保新能源高效消纳和电力可靠供应 以数字电网为载体，以技术创新为关键，加大规模化经济型储能应用，建设电碳经济服务平台，科学谋划建设路径 电力传感器与数字电网体系 数字电网是信息技术、计算技术、通信技术、传感技术、控制理论和控制技术、运筹学、人工智能、互联网等与电力系统的深度融合。 数字电网以物理电网为基础，与云大物移智等数字化、信息化、智能化技术深度融合，实现电网系统级和设备级两个层面的全面可观、可测、可控 电力传感器与数字电网体系 ■应用对象 口系统级传感 电力系统整体运行状态（负荷水平、潮流分布、控制保护电流、电压、频率、相位、时间同步等 口设备级传感 输变配计量设备状态参量 电气量：电流、电压、磁场等非电气量：压力、温度、振动、噪声化学... 电力传感器与数字电网体系 系统级传感技术研究应用现状 传统电流/电压互感器的局限性 传统电流电压测量使用互感器，体积大、成本高、频响窄精度低、故障率高、安装维护工作量大；同时，在直流配电网、海上风电、新能源接入等场景中使用受限。因此，传感设备小型化势在必行。 系统级传感技术研究应用现状 南方电网小微传感器应用 ■关键技术和性能指标 6.自取能：无源、不用电池，空间取能，穴余 7.自组网：无线传输的双向通信功能，地址的唯一性 3.高精度：0.5级、0.1级 8.易安装：一贴即用/一插即用 9．自学习能力、方便地修改定值或删除数据 系统级传感技术研究应用现状 微型智能电流传感器（MicroCT） 南方电网在粘贴型微型智能电流传感器研发上取得突破进展，已有卡扣式和抱箍式两种型号投入工业生产。传感器体积小、性能优，功耗均为40uW左右，体积分别6.0*2.7*6.8cm3和3.0*2.5*1.5cm3，重量分别为72g和11.5g，量测范围100mA-2400A，测量精度均为0.5S级。 成果应用优势：小空间、低成本、易安装、免维护 系统级传感技术研究应用现状 ■全电压等级电流传感器 》在满足保护、测量指标要求的基础上，增加了无线通信和IEC61850数字化输出的功能。 》满足数字化继电保护、测控装置采样的要求，实现“智能化一次设备，网络化二次设备真正替代传统CT。 系统级传感技术研究应用现状 ■宽温域高精度量子电流敏感元件及传感器技术研究 >宽温域高精度量子电流敏感元件及传感器 -40℃~85℃的极端环境 系统级传感技术研究应用现状 ■五合一智能电气量集成传感器（MicroPTCT） ■微型智能电压传感器（MicroPT） >基本原理：基于位移电流/分布电容分压与标准>信号源相结合的电压测量方法 基本原理：基于巨磁阻芯片的电流测量方法+非接触电压测量方法；集成电压、电流、频率、功角(cOSp)等电气量测量及对时功能。 1.实现非接触电压测量2.误差：≤0.5%3.量程（当前水平）：500V4.自取能5.带电卡扣式安装 1.电流测量：精度0.5S级，量程600A 电压测量：误差≤0.5%，量程500V 3.自取能+备用电池，带电卡扣式安装 4.本相间百纳秒级无线低功耗对时，可测量序分量 5.IP67防护等级 系统级传感技术研究应用现状 ■多物理量集成传感器 》集成导线温度、振动/舞动、环境温湿度、气压、海拔、可见光图像、红外图像、电流等物理量新型输电线路传感装备，实现了输电线路实时全景监测。 1.温度测量范围-20℃~125℃2.导线振动/舞动测量幅值：0m（p-p）~10m（p-p）3.图像分辨率：≥1280*7204.1P67防护等级 系统级传感技术研究应用现状 ■芯片化保护 >成功研发世界首套110kV/220kV/500kV芯片化保护装置。 >110/220kV已经成功运行3年。 口体积缩小40倍，功耗降到原来的1/6口关键数据不出芯片。元器件数量从近万个降低成800个口保护速动时间压缩了20%口实现了装置无防护安装 系统级传感技术研究应用现状 ■系统级传感研究与应用目标 >微型智能电流和多物理量集成传感器，技术达国际领先，实现规模化应用 >将继续攻克各电压等级电流传感器和非侵入式电压传感技术，改变传统测量方式与装置形态 设备级传感 ■电力设备检修的发展和要求 定期检修 状态检修 (Time-BasedMaintenance,TBM) (Condition-BasedMaintenance,CBM) 通过提取故障特征信号（故障先兆）利用被监测特性的变化或趋势，在严重故障发生前与之维护需要，或评估设备的健康状况。 根据检修时间表或运行时间对设备进行离线检修。 ■对设备传感技术的基本要求 长寿命 免维护 高可靠 智能传感设备服役年限或检修周期应与主设备相匹配传感设备各部件时间损耗曲线一致 ·高测量精度低传感/传输功耗·宽服役范围（温湿度）·抗电磁、机械干扰 定期维护→免维护供能方式应不受系统运行状况影响 设备级传感 MEMS油中气体组分传感 ■主流的气体传感检测器 氢焰离子化检测器（FID） 氮离子化检测器（PDHID） 热导检测法（TCD） 检测原理：利用气中稳定的，低能耗的脉冲直流放电作为电离源，使被测组分电离产生信号。 检测原理：利用被检测组分与载气的热导率的差别来检测组分的浓度变化。 检测原理：利用氢火焰作电离源，使有机物电离，产生微电流而响应的检测器。 核心优势：构造简单、检测稳定可靠。 核心优势：对烃类具有非常好的响应，灵敏度高。 核心优势：对无机和有机化合物均有较高灵敏度的响应。 设备级传感 MEMS油中气体组分传感 ■基于绝缘体上硅（SiliconOnInsulator，Sol）的热导检测器芯片设计 A、B、C三种色谱柱结构内部速度场仿真 设备级传感 MEMS油中气体组分传感 MEMS气体检测传感器测试优于检测限要求 微型色谱柱和检测器芯片均达到cm级尺寸要求 检测器：μTCD，载气：H2检测器uTCD分析CO100ppm，H2无法检出cO检出限约在5ppm，优于25ppm的检测限要求。 检测器：μTCD，载气：H2检测器uTCD分析CO250PPM（0.8min出峰）检出限为10PPM，优于检测限要求。 技术优势： 大幅度提升DGA测量灵敏度 具备高可靠性，抗机械冲击能力强 CCSG2023.AllRightsReserved 设备级传感 光学传感 设备级传感 光学传感 ·无样品污染风险Wavenumber(cm")·无需载气、色谱柱等耗材·控制系统相对简单，可靠性好·具有更高的调制选择性及更大的动态检测范围·具有更好的长期稳定性及免维护性 光声效应：气体吸收入射光的光能并释放热能，使其和周围介质产生压力波动，微音器拾取并放大得到光声信号。 设备级传感 光学传感 激光光声光谱技术 ·采用模块化设计。各单元相对独立，方便升级与检修·采用全电调制光源控制，消除机械振动噪声干扰，提高设备灵敏度与稳定性·采用真空脱气，脱气效率高 采用半导体激光，单色性好，有效防止交叉干扰 ·优化设计光声池，优选微音器，保证装置检测灵敏度与准确性，满足油中溶解气体监测要求26 设备级传感 光学传感 激光光声光谱产品应用情况 广西北海500kV福成站 CCSG2023.AllRightsReserved 设备级传感 光学传感 光纤传感技术在主设备状态监测的应用研究 设备级传感 量子传感 电磁感应透明效应（EIT）是指在电磁场的作用下，使得原本不透明的介质呈现出一种透明的现象（量子相干效应）。·Stark效应是指原子或分子在外电场作用下能级和光谱发生分裂的现象。原子谱线分裂程度与外电场的大小在一定范围内成正比。CCSG2023.AllRightsReserved 技术优势： 对微波场强具有高灵敏度，达到55nVcm-1Hz-1/2高分辨率，微波电场最小探测极限780pVcm-1，空间分辨率可达66um 设备级传感 传感器供能 ■智能传感供能技术分类 电池供能 自取能 传输供能 原理：变换器将低压侧电能转换为激光或微波等，经光纤等介质传至高压侧。 原理：利用铅蓄电池、锂电池等储能器件供能。 核心优势：高低压完全隔离 设备级传感 传感器供能 常见自取能技术 设备级传感 传感器供能 设备级传感 传感器供能 ■RFID与压电传感技术 设备级传感 传感器供能 电磁式振动能量采集 刚柔结合式振动能量收集方案优点： 振动能到电能的高效转化单体输出功率密度高（体积）器件集成精度高，输出一致性好 设备级传感 ■电力计量终端面临的难题 形成电能表统一技术规范，电能表的外观型式、技术要求、试验方法、数据接口等进行标准设计和规范统一。 按照统一技术规范，开展电能表电能表检定，保障计量公平公正。 计量器具标准化 电力计量软硬件升级，实现电能计量数据远程读取，电能双向计量、分时计量、多费率计量、需量计量等功能。 运行监测实时化 电能表在线监测与状态评价对异常表计实现精准定位，做到“实时失准更换” 计量器具智能化 设备级传感 量子精密传感 设备级传感 量子精密传感 里德堡原子：一个价电子被激发到高量子态（具有大主量子数）的原子被称为高激发原子，也被称为里德伯原子。里德堡原子具有大极化率、低场电离间值和大电偶极矩的特性，对外部电磁场十分敏感。 设备级传感 量子精密传感 量子磁传感器基于碳化硅色心的量子电流精密测量技术 应用于电力系统测量所面临的挑战 主要技术优势： 高性能的碳化硅色心的制备方法量子态人工调控机理和最优控制参数强磁场下测量精度和灵敏度影响因素 一、二次侧隔离固态自旋色心环境稳定性强测量精度高、量程大、频带宽微纳加工技术成熟（集成化、小型化） 传感新应用 宽频谐波监测 宽频振荡事件影响凸显 新传感技术研究 宽频谐波监测 宽频谐波同步测量装置（SEPRI-HM2500） 口实现5大功能 基波/谐波/间谐波测量功能时钟同步授时/守时功能录波存储与传输功能宽频谐波数据高速通信功能谐波管理主站分析功能 新传感技术研究 新传感技术研究 数字李生电网 镜像/数字李生电网 基于传感器建立的物理电网系统在数字空间的镜像数字李生电网随物理电网的变化持续更新基于数字李生电网可以实现对物理电网的全面感知和预测 电网数字李生研究 省级电网的数字李生系统示范-配电网的数字李生系统示范 新传感技术研究 人工智能（AI）与电力系统 Al+PowerSystem 人工智能（Al）与电力系统（ElectricPowerSystem）的融合是建设新型电力系统的必由之路电力人工智能系统（AEPS）的本质是真正具备智能属性的强大软件系统，即电力系统的“超级大脑”。 软件系统对电网运行进行实时、精确的控制与管理，实现全面可见、可知、可控的透明化。 电力人工智能系统AIEPS 技术展望 电力智能传感未来发展方向 电力智能传感是数字电网的基础，需开展大量先进传感技术研究与装备研发，才能支撑绿色低碳、数字赋能的新型电力系统建设。 智能传感技术研究：未来主要围绕新型传感器研制、系统集成，以及可靠性评价、标准化等方面开展，建立传感端硬件保障，夯实数字电网海量数据基础。 谢谢！THANK YOU