我國運行管理著(zhù)世界上最大的電網(wǎng)，雙碳目標正在推動(dòng)以新能源為主體的新型電力系統的加速建設。經(jīng)過(guò)幾年的探索和實(shí)踐，電網(wǎng)的數字化轉型已經(jīng)成為行業(yè)共識，數字電網(wǎng)的重要特征和標志是實(shí)現電網(wǎng)全環(huán)節、全要素、全時(shí)空的可觀(guān)、可測、可控。而傳感器對于數字電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，就像人體的神經(jīng)末梢一般，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在感知和產(chǎn)生各類(lèi)量測數據，是物理電網(wǎng)數字化的關(guān)鍵基礎元件。
在電力系統誕生的一百多年時(shí)間里，互感器作為電力系統主要的傳感測量設備，能夠很好地解決傳統電力系統的測量問(wèn)題。然而，隨著(zhù)具有隨機性、間歇性、波動(dòng)性特征的新能源占比越來(lái)越大，直至成為新型電力系統的主體，電網(wǎng)的電壓、電流狀態(tài)的特征以及測量需求發(fā)生了巨大變化：一是直流環(huán)節，尤其是中低壓直流環(huán)節大幅增加，帶來(lái)的直流測量需求也大幅增加，而且直流測量需求往往與kHz-MHz的高頻交流測量需求伴隨出現，因此，不僅需要測量元件兼顧到直流測量，而且對測量頻帶范圍也提出了較高要求。二是電流的變化范圍更大，尤其是對小電流的測量需求增長(cháng)快速，比如光伏、充電樁等設備uA-mA級的泄漏電流監測正在成為行業(yè)標準，因此需要測量元件更加靈敏，能夠準確檢測到更小的電流。三是電流的變化速度更快，風(fēng)、光等新能源的出力變化極快，傳統的SCADA系統15分鐘級的采集頻次漏掉很多細節變化，不利于精準控制，因此需要測量元件能夠滿(mǎn)足高頻次采集的要求。四是參與新型電力系統的分布式主體數量呈指數增長(cháng)，所需要的測量布點(diǎn)也是指數增長(cháng)，大規模部署測量元件本身也可能導致占地大、引入新的安全風(fēng)險、消耗能源等問(wèn)題，因此需要測量元件體積小、安全性高、功耗低。傳統基于鐵芯和線(xiàn)圈的互感器不能測量直流、頻帶范圍窄、小電流測量困難、體積大、存在開(kāi)路（電流互感器）或者短路（電壓互感器）的安全風(fēng)險，難以適應新型電力系統帶來(lái)的新測量需求。
近年來(lái)，隨著(zhù)新型敏感材料和微機電（MEMS）工藝的快速發(fā)展，涌現出了磁阻、壓電、光電、磁光等先進(jìn)傳感技術(shù)和元器件，它們具備微納體積、高精度、高信噪比、寬頻帶、超低功耗等優(yōu)勢，為新一代電力微型智能傳感器發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑。同時(shí)，高端傳感器也是國際科技競爭的重要領(lǐng)域。研發(fā)和應用基于MEMS技術(shù)的電力微型智能傳感器，除需要滿(mǎn)足前述新型電力系統的基本需求外，還需要著(zhù)重關(guān)注和研究以下幾個(gè)方面的技術(shù)。
一是抗強電磁干擾的新材料和防護技術(shù)。MEMS元件工作在電力系統強電磁環(huán)境中，磁場(chǎng)可達T級、電場(chǎng)可達100kV/m級，MEMS元器件內部的材料和結構在強電磁環(huán)境下不應發(fā)生擊穿、改性等現象。因此，有必要不斷探索能夠適應強電磁環(huán)境的新材料，研究強電磁防護技術(shù)，提升MEMS傳感器的使用壽命。
二是非侵入式原位測量技術(shù)。不與一次帶電導體接觸的非侵入式測量是保障測量安全的根本措施。對于電流測量，單導線(xiàn)的非侵入式測量較容易實(shí)現，多芯電纜的空間磁場(chǎng)分布非常復雜，非侵入式測量十分困難；對于電壓測量，由于電壓是兩點(diǎn)電勢差的本質(zhì)原因，傳統的電壓測量方法必須與待測導體和參考點(diǎn)金屬接觸，非侵入式的電壓精確測量是世界性難題，需要持續攻關(guān)，從工程上找到誤差可以接受的測量方法。
三是低功耗模擬/數字芯片技術(shù)與低功耗通信技術(shù)。低功耗技術(shù)是一種系統性技術(shù)。當前，國內模擬芯片和數字芯片的功耗與國際領(lǐng)先水平相比還有差距。在這一細分領(lǐng)域，還需要長(cháng)時(shí)間的摸索和經(jīng)驗積累，才能打破國外的技術(shù)壟斷。實(shí)踐表明，無(wú)線(xiàn)通信的功耗占到智能傳感器功耗的一半以上，目前市面上宣傳的低功耗無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，要么以犧牲通信距離為代價(jià)，要么以犧牲通信數據量和延長(cháng)通信間隔為代價(jià)，還需要進(jìn)一步研發(fā)極低功耗約束下的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。
四是空間能量收集技術(shù)。目前在電網(wǎng)中最為可行的空間能量收集技術(shù)的是CT取能，振動(dòng)、溫差等取能方式的能量密度太低，與當前電子元器件的功耗水平相差太遠，但隨著(zhù)模擬/數字芯片的功耗水平不斷降低，取能材料的性能不斷提升，未來(lái)兩者實(shí)現匹配，將對傳感器技術(shù)起到巨大推進(jìn)作用。能量收集的另一個(gè)研究熱點(diǎn)是能量收集芯片的設計與制造，目前這一細分領(lǐng)域也被國外壟斷，國內目前還幾乎是空白?？臻g能量收集技術(shù)與低功耗技術(shù)可共同實(shí)現傳感器自供能式的無(wú)源無(wú)線(xiàn)運行。
近年來(lái)，我國出臺了多項促進(jìn)高端傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規劃和措施，珠三角、長(cháng)三角等地區已組建傳感器產(chǎn)業(yè)集群。電力行業(yè)從滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)需求的角度出發(fā)，率先成立電力微型智能傳感技術(shù)標準化委員會(huì )和專(zhuān)委會(huì )，以需求為引領(lǐng)，攻克了一批高端傳感器設計制造技術(shù)，培育了一批傳感材料、芯片、模組、應用等產(chǎn)業(yè)鏈上下游中堅企業(yè)。以電流和電壓傳感器為例，從2017年李立浧院士提出微型智能電流傳感器以來(lái)，在TMR磁傳感器、電流非侵入式測量方法、寬范圍取能、智能電流傳感裝置集成等方面，南網(wǎng)數字集團聯(lián)合高校、研究所、制造廠(chǎng)商和電網(wǎng)公司開(kāi)展了大量研究與應用工作，取得顯著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，6年內，TMR磁傳感器的線(xiàn)性范圍提升了10倍、靈敏度提升了3倍，線(xiàn)性度從1%提升到0.2%，功耗降低兩個(gè)數量級。在電力線(xiàn)性測量領(lǐng)域，TMR整體技術(shù)從2017年全面落后國外廠(chǎng)商到如今整體領(lǐng)先國外廠(chǎng)商，實(shí)現了工業(yè)級線(xiàn)性磁傳感器的自立自強。在電壓傳感器方面，南網(wǎng)數字集團提出非侵入式電壓測量方法，打破了國外的技術(shù)壟斷，研發(fā)了世界首款非侵入式自取能電壓傳感器，非侵入式電壓測量精度達到1%，在中低壓配網(wǎng)實(shí)現規?；瘧?，解決了配網(wǎng)電壓監測最后一公里的問(wèn)題。此外，還研發(fā)了自供能的輸電線(xiàn)路多物理量集成傳感器，實(shí)現了電流、溫濕度、可見(jiàn)光圖像/視頻、紅外圖像、振動(dòng)/舞動(dòng)、氣壓/海拔等多物理量的實(shí)時(shí)監測和傳感器端側人工智能異常識別和告警，大幅降低了山區和無(wú)人區輸電線(xiàn)路的巡維工作難度和工作量。南網(wǎng)數字集團形成了數研極目傳感器自主品牌，涵蓋電氣量、非電氣量等多個(gè)產(chǎn)品系列，在世界范圍內推廣應用了數十萬(wàn)套電力微型智能傳感器。
隨著(zhù)在電力系統內的應用越來(lái)越廣泛，微型智能傳感器在行業(yè)內得到越來(lái)越多的認可，未來(lái)將進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展期，中科飛龍將繼續與產(chǎn)業(yè)鏈上下游研究機構和制造廠(chǎng)商一道，致力于高端工業(yè)傳感器研發(fā)與產(chǎn)業(yè)應用，打造良性生態(tài)循環(huán)，爭取在國際科技競爭格局中取得關(guān)鍵優(yōu)勢，擺脫高端傳感器依賴(lài)進(jìn)口的現狀，實(shí)現高端傳感器自主可控。
