我國運行管理著世界上最大的電網(wǎng)，雙碳目標正在推動以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的加速建設。經(jīng)過幾年的探索和實踐，電網(wǎng)的數(shù)字化轉型已經(jīng)成為行業(yè)共識，數(shù)字電網(wǎng)的重要特征和標志是實現(xiàn)電網(wǎng)全環(huán)節(jié)、全要素、全時空的可觀、可測、可控。而傳感器對于數(shù)字電網(wǎng)來說，就像人體的神經(jīng)末梢一般，無時無刻不在感知和產(chǎn)生各類量測數(shù)據(jù)，是物理電網(wǎng)數(shù)字化的關鍵基礎元件。
在電力系統(tǒng)誕生的一百多年時間里，互感器作為電力系統(tǒng)主要的傳感測量設備，能夠很好地解決傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的測量問題。然而，隨著具有隨機性、間歇性、波動性特征的新能源占比越來越大，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(xiàn)，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快速，比如光伏、充電樁等設備uA-mA級的泄漏電流監(jiān)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、光等新能源的出力變化極快，傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)15分鐘級的采集頻次漏掉很多細節(jié)變化，不利于精準控制，因此需要測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，所需要的測量布點也是指數(shù)增長，大規(guī)模部署測量元件本身也可能導致占地大、引入新的安全風險、消耗能源等問題，因此需要測量元件體積小、安全性高、功耗低。傳統(tǒng)基于鐵芯和線圈的互感器不能測量直流、頻帶范圍窄、小電流測量困難、體積大、存在開路（電流互感器）或者短路（電壓互感器）的安全風險，難以適應新型電力系統(tǒng)帶來的新測量需求。
近年來，隨著新型敏感材料和微機電（MEMS）工藝的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出了磁阻、壓電、光電、磁光等先進傳感技術和元器件，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)展提供了新的技術路徑。同時，高端傳感器也是國際科技競爭的重要領域。研發(fā)和應用基于MEMS技術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，還需要著重關注和研究以下幾個方面的技術。
一是抗強電磁干擾的新材料和防護技術。MEMS元件工作在電力系統(tǒng)強電磁環(huán)境中，磁場可達T級、電場可達100kV/m級，MEMS元器件內(nèi)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(xiàn)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，提升MEMS傳感器的使用壽命。
二是非侵入式原位測量技術。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，單導線的非侵入式測量較容易實現(xiàn)，多芯電纜的空間磁場分布非常復雜，非侵入式測量十分困難；對于電壓測量，由于電壓是兩點電勢差的本質(zhì)原因，傳統(tǒng)的電壓測量方法必須與待測導體和參考點金屬接觸，非侵入式的電壓精確測量是世界性難題，需要持續(xù)攻關，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(shù)字芯片技術與低功耗通信技術。低功耗技術是一種系統(tǒng)性技術。當前，國內(nèi)模擬芯片和數(shù)字芯片的功耗與國際領先水平相比還有差距。在這一細分領域，還需要長時間的摸索和經(jīng)驗積累，才能打破國外的技術壟斷。實踐表明，無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線通信技術，要么以犧牲通信距離為代價，要么以犧牲通信數(shù)據(jù)量和延長通信間隔為代價，還需要進一步研發(fā)極低功耗約束下的無線通信技術。
四是空間能量收集技術。目前在電網(wǎng)中最為可行的空間能量收集技術的是CT取能，振動、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，未來兩者實現(xiàn)匹配，將對傳感器技術起到巨大推進作用。能量收集的另一個研究熱點是能量收集芯片的設計與制造，目前這一細分領域也被國外壟斷，國內(nèi)目前還幾乎是空白?？臻g能量收集技術與低功耗技術可共同實現(xiàn)傳感器自供能式的無源無線運行。
近年來，我國出臺了多項促進高端傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃和措施，珠三角、長三角等地區(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標準化委員會和專委會，以需求為引領，攻克了一批高端傳感器設計制造技術，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，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(shù)字集團聯(lián)合高校、研究所、制造廠商和電網(wǎng)公司開展了大量研究與應用工作，取得顯著技術進步，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%，功耗降低兩個數(shù)量級。在電力線性測量領域，TMR整體技術從2017年全面落后國外廠商到如今整體領先國外廠商，實現(xiàn)了工業(yè)級線性磁傳感器的自立自強。在電壓傳感器方面，南網(wǎng)數(shù)字集團提出非侵入式電壓測量方法，打破了國外的技術壟斷，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)實現(xiàn)規(guī)?；瘧?，解決了配網(wǎng)電壓監(jiān)測最后一公里的問題。此外，還研發(fā)了自供能的輸電線路多物理量集成傳感器，實現(xiàn)了電流、溫濕度、可見光圖像/視頻、紅外圖像、振動/舞動、氣壓/海拔等多物理量的實時監(jiān)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(qū)和無人區(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、非電氣量等多個產(chǎn)品系列，在世界范圍內(nèi)推廣應用了數(shù)十萬套電力微型智能傳感器。
隨著在電力系統(tǒng)內(nèi)的應用越來越廣泛，微型智能傳感器在行業(yè)內(nèi)得到越來越多的認可，未來將進入一個快速發(fā)展期，中科飛龍將繼續(xù)與產(chǎn)業(yè)鏈上下游研究機構和制造廠商一道，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鍵優(yōu)勢，擺脫高端傳感器依賴進口的現(xiàn)狀，實現(xiàn)高端傳感器自主可控。
