我國(guó)運(yùn)行管理著世界上最大的電網(wǎng)，雙碳目標(biāo)正在推動(dòng)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的加速建設(shè)。經(jīng)過(guò)幾年的探索和實(shí)踐，電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為行業(yè)共識(shí)，數(shù)字電網(wǎng)的重要特征和標(biāo)志是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全環(huán)節(jié)、全要素、全時(shí)空的可觀、可測(cè)、可控。而傳感器對(duì)于數(shù)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(cè)數(shù)據(jù)，是物理電網(wǎng)數(shù)字化的關(guān)鍵基礎(chǔ)元件。
在電力系統(tǒng)誕生的一百多年時(shí)間里，互感器作為電力系統(tǒng)主要的傳感測(cè)量設(shè)備，能夠很好地解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的測(cè)量問(wèn)題。然而，隨著具有隨機(jī)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(tǒng)的主體，電網(wǎng)的電壓、電流狀態(tài)的特征以及測(cè)量需求發(fā)生了巨大變化：一是直流環(huán)節(jié)，尤其是中低壓直流環(huán)節(jié)大幅增加，帶來(lái)的直流測(cè)量需求也大幅增加，而且直流測(cè)量需求往往與kHz-MHz的高頻交流測(cè)量需求伴隨出現(xiàn)，因此，不僅需要測(cè)量元件兼顧到直流測(cè)量，而且對(duì)測(cè)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(duì)小電流的測(cè)量需求增長(zhǎng)快速，比如光伏、充電樁等設(shè)備uA-mA級(jí)的泄漏電流監(jiān)測(cè)正在成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此需要測(cè)量元件更加靈敏，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)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(tǒng)的SCADA系統(tǒng)15分鐘級(jí)的采集頻次漏掉很多細(xì)節(jié)變化，不利于精準(zhǔn)控制，因此需要測(cè)量元件能夠滿足高頻次采集的要求。四是參與新型電力系統(tǒng)的分布式主體數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，所需要的測(cè)量布點(diǎn)也是指數(shù)增長(zhǎng)，大規(guī)模部署測(cè)量元件本身也可能導(dǎo)致占地大、引入新的安全風(fēng)險(xiǎn)、消耗能源等問(wèn)題，因此需要測(cè)量元件體積小、安全性高、功耗低。傳統(tǒng)基于鐵芯和線圈的互感器不能測(cè)量直流、頻帶范圍窄、小電流測(cè)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(xiǎn)，難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)帶來(lái)的新測(cè)量需求。
近年來(lái)，隨著新型敏感材料和微機(jī)電（MEMS）工藝的快速發(fā)展，涌現(xiàn)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(shì)，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(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的重要領(lǐng)域。研發(fā)和應(yīng)用基于MEMS技術(shù)的電力微型智能傳感器，除需要滿足前述新型電力系統(tǒng)的基本需求外，還需要著重關(guān)注和研究以下幾個(gè)方面的技術(shù)。
一是抗強(qiáng)電磁干擾的新材料和防護(hù)技術(shù)。MEMS元件工作在電力系統(tǒng)強(qiáng)電磁環(huán)境中，磁場(chǎng)可達(dá)T級(jí)、電場(chǎng)可達(dá)100kV/m級(jí)，MEMS元器件內(nèi)部的材料和結(jié)構(gòu)在強(qiáng)電磁環(huán)境下不應(yīng)發(fā)生擊穿、改性等現(xiàn)象。因此，有必要不斷探索能夠適應(yīng)強(qiáng)電磁環(huán)境的新材料，研究強(qiáng)電磁防護(hù)技術(shù)，提升MEMS傳感器的使用壽命。
二是非侵入式原位測(cè)量技術(shù)。不與一次帶電導(dǎo)體接觸的非侵入式測(cè)量是保障測(cè)量安全的根本措施。對(duì)于電流測(cè)量，單導(dǎo)線的非侵入式測(cè)量較容易實(shí)現(xiàn)，多芯電纜的空間磁場(chǎng)分布非常復(fù)雜，非侵入式測(cè)量十分困難；對(duì)于電壓測(cè)量，由于電壓是兩點(diǎn)電勢(shì)差的本質(zhì)原因，傳統(tǒng)的電壓測(cè)量方法必須與待測(cè)導(dǎo)體和參考點(diǎn)金屬接觸，非侵入式的電壓精確測(cè)量是世界性難題，需要持續(xù)攻關(guān)，從工程上找到誤差可以接受的測(cè)量方法。
三是低功耗模擬/數(shù)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(tǒng)性技術(shù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)模擬芯片和數(shù)字芯片的功耗與國(guó)際領(lǐng)先水平相比還有差距。在這一細(xì)分領(lǐng)域，還需要長(zhǎng)時(shí)間的摸索和經(jīng)驗(yàn)積累，才能打破國(guó)外的技術(shù)壟斷。實(shí)踐表明，無(wú)線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(shù)據(jù)量和延長(zhǎng)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(dāng)前電子元器件的功耗水平相差太遠(yuǎn)，但隨著模擬/數(shù)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(xiàn)匹配，將對(duì)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(shè)計(jì)與制造，目前這一細(xì)分領(lǐng)域也被國(guó)外壟斷，國(guó)內(nèi)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(xiàn)傳感器自供能式的無(wú)源無(wú)線運(yùn)行。
近年來(lái)，我國(guó)出臺(tái)了多項(xiàng)促進(jìn)高端傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃和措施，珠三角、長(zhǎng)三角等地區(qū)已組建傳感器產(chǎn)業(yè)集群。電力行業(yè)從滿足產(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(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)和專委會(huì)，以需求為引領(lǐng)，攻克了一批高端傳感器設(shè)計(jì)制造技術(shù)，培育了一批傳感材料、芯片、模組、應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈上下游中堅(jiān)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(cè)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(shù)字集團(tuán)聯(lián)合高校、研究所、制造廠商和電網(wǎng)公司開(kāi)展了大量研究與應(yīng)用工作，取得顯著技術(shù)進(jìn)步，6年內(nèi)，TMR磁傳感器的線性范圍提升了10倍、靈敏度提升了3倍，線性度從1%提升到0.2%，功耗降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在電力線性測(cè)量領(lǐng)域，TMR整體技術(shù)從2017年全面落后國(guó)外廠商到如今整體領(lǐng)先國(guó)外廠商，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)線性磁傳感器的自立自強(qiáng)。在電壓傳感器方面，南網(wǎng)數(shù)字集團(tuán)提出非侵入式電壓測(cè)量方法，打破了國(guó)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(cè)量精度達(dá)到1%，在中低壓配網(wǎng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，解決了配網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)最后一公里的問(wèn)題。此外，還研發(fā)了自供能的輸電線路多物理量集成傳感器，實(shí)現(xiàn)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(jiān)測(cè)和傳感器端側(cè)人工智能異常識(shí)別和告警，大幅降低了山區(qū)和無(wú)人區(qū)輸電線路的巡維工作難度和工作量。南網(wǎng)數(shù)字集團(tuán)形成了數(shù)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(nèi)推廣應(yīng)用了數(shù)十萬(wàn)套電力微型智能傳感器。
隨著在電力系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，微型智能傳感器在行業(yè)內(nèi)得到越來(lái)越多的認(rèn)可，未來(lái)將進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展期，中科飛龍將繼續(xù)與產(chǎn)業(yè)鏈上下游研究機(jī)構(gòu)和制造廠商一道，致力于高端工業(yè)傳感器研發(fā)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，打造良性生態(tài)循環(huán)，爭(zhēng)取在國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)格局中取得關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，擺脫高端傳感器依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)高端傳感器自主可控。
