兩名電力工人在線(xiàn)路上安裝非電氣量集成傳感器。(資料圖片)
在新型電力系統建設中，高比例大規模的風(fēng)電、光伏等可再生能源以及電力電子設備的廣泛接入，對電力系統的運行安全提出巨大挑戰。為解決系統中海量新能源的可靠接入與消納問(wèn)題，需要通過(guò)應用新一代數字技術(shù)，對電力系統全環(huán)節進(jìn)行數字化改造，加快建設數字電網(wǎng)，實(shí)現電力系統的可觀(guān)、可測、可控是關(guān)鍵。
數據是確保電力系統可觀(guān)、可測、可控的要素，也是電力系統調度中樞開(kāi)展指揮控制的關(guān)鍵基礎。通過(guò)在電力系統中加裝海量傳感器，可以精準掌控系統各環(huán)節的物理架構，進(jìn)而掌握系統電力設備及配套裝備的運行方式、實(shí)時(shí)狀態(tài)、運行效率和健康狀態(tài)?；谶@些數據，再運用強大的算力，在電力系統運行邊界內，可以實(shí)現新能源接入和消納的最優(yōu)化。
高端傳感器研發(fā)應用勢在必行
現有的電力測量體系還是以互感器為代表的電氣量測量裝備為主體，以指令計劃和程序控制為實(shí)現方式。而隨著(zhù)新型電力系統不斷演進(jìn)發(fā)展，監控數據從電氣量向環(huán)境量、物理量、動(dòng)作量、狀態(tài)量等多維度拓展，龐大的數據流對測控裝置的邊緣處理、實(shí)時(shí)通信、安全傳輸等能力等提出了巨大挑戰。同時(shí)，新型電力系統還要求對系統全環(huán)節進(jìn)行高密度、高精度、高頻度的數據采集，這就要求測量裝置具備微型化、高精度、寬量程、低功耗、非侵入、即插即用、易部署等特點(diǎn)，這些都是互感器所不具備的，開(kāi)展微型化智能傳感器研發(fā)與應用勢在必行。
近年來(lái)，隨著(zhù)新型敏感材料和微機電(MEMS)工藝快速發(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，其具備微納體積、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。
賽迪研究院、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院等相關(guān)報告統計數據顯示，2021年中國傳感器市場(chǎng)規模約2850億元，市場(chǎng)容量巨大。但高端傳感器領(lǐng)域的研發(fā)、設計、制造加工企業(yè)較少，我國從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應用的企事業(yè)單位共2000多家，從事高端傳感器產(chǎn)品MEMS工藝研發(fā)、制造的企業(yè)僅50多家。在MEMS傳感器方面，工業(yè)控制、消費電子、汽車(chē)電子等領(lǐng)域應用十分廣泛，早在2019年國內MEMS傳感器市場(chǎng)規模就達到了597.8億元。需求量龐大，市場(chǎng)自主供給能力不足，MEMS領(lǐng)域市場(chǎng)集中度較高，以愛(ài)默生、西門(mén)子、博世、意法半導體、霍尼韋爾等為主的跨國公司占據60%以上市場(chǎng)份額，國內產(chǎn)品幾乎全靠進(jìn)口，尤其是芯片的進(jìn)口率達80%。
電力高端傳感器國產(chǎn)化嘗試
在高端傳感器領(lǐng)域，電力行業(yè)企業(yè)進(jìn)行了研發(fā)應用嘗試。
在南方電網(wǎng)，南網(wǎng)數字集團技術(shù)研發(fā)中心智能傳感團隊將MEMS傳感器引入電力量測領(lǐng)域，將磁電阻芯片、電場(chǎng)芯片作為核心敏感元件，研制出了極目智能電流、電壓、電氣量集成傳感器以及非電氣量集成傳感器等多個(gè)產(chǎn)品序列，敏感器件與國內自主研發(fā)企業(yè)和科研單位合作設計開(kāi)發(fā)，實(shí)現了核心MEMS傳感元件的全國產(chǎn)化。團隊先后攻克了微型電流、電壓和電氣量集成傳感技術(shù)，實(shí)現了非侵入式電流電壓測量、高效自取能、微功率無(wú)線(xiàn)對時(shí)、高精度頻率相位測量等核心技術(shù)，攻關(guān)成果經(jīng)多家行業(yè)機構鑒定，整體達到國際領(lǐng)先水平。
目前，極目系列智能傳感器已在粵港澳大灣區、海南自貿港等地應用數萬(wàn)套，對電力發(fā)、輸、變、配、用各環(huán)節的設備狀態(tài)、運行情況實(shí)現了實(shí)時(shí)感知和全景監測，結合智能網(wǎng)關(guān)、數字化平臺，為電力運維、調度、規劃等提供了及時(shí)、精確和完善的數據來(lái)源，有力支撐了新型電力系統中大規模新能源的有序接入和高效消納。
繼續攻關(guān)核心關(guān)鍵技術(shù)
隨著(zhù)新型電力系統建設不斷深入，系統對微型智能傳感器的要求將會(huì )從電流、電壓等電氣量逐步向各類(lèi)物理量、化學(xué)量發(fā)展，而國內現有的諸如氣體、局放、溫濕度等MEMS傳感器及芯片的自主設計研發(fā)制造能力還不足，數字化、智能化、微型化產(chǎn)品還有所欠缺。
好在國家加大對傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持力度，在國家重點(diǎn)科技轉型、產(chǎn)業(yè)規劃中列為重點(diǎn)支持、優(yōu)先發(fā)展的內容，將相關(guān)資源的匹配度和調配度大大提升，為傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展營(yíng)造了良好的政策及市場(chǎng)環(huán)境。同時(shí)，在國內物聯(lián)網(wǎng)和數字化產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，電力傳感器也迎來(lái)了重要的發(fā)展窗口期，尤其在電力企業(yè)數字化轉型的熱潮下，國產(chǎn)電力傳感器機遇空前，大有可為。
接下來(lái)，電力行業(yè)企業(yè)要緊緊抓住MEMS傳感器等高端傳感領(lǐng)域技術(shù)工藝自主創(chuàng )新、人才培養與引進(jìn)、產(chǎn)業(yè)聚集有序發(fā)展等關(guān)鍵工作，重點(diǎn)突破核心產(chǎn)品設計、制造工藝和集成應用等關(guān)鍵技術(shù)，做好電力領(lǐng)域的本地化定制適配，取得與國外競爭的關(guān)鍵優(yōu)勢，擺脫核心高端傳感器的進(jìn)口依賴(lài)，實(shí)現新型電力系統智能傳感器的真正自主可控。
(作者田兵 單位：南網(wǎng)數字集團技術(shù)研發(fā)中心)
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