電力智能傳感技術 加快電力系統數字化轉型
發布時間 : 2022-03-22

我國“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要提出,加強關鍵數字技術創新應用,加快推動數字產業化,推進產業數字化轉型。當前,能源革命與數字革命相融并進,加快電力系統數字化轉型已成為推動電網和電網企業高質量發展的必由之路。電力智能傳感技術連接電力系統的物理空間與數字空間,將加快電力系統數字化轉型。

電力系統可觀可測可控能力亟待提升

隨著大量分布式能源和電力電子器件接入電力系統,新型電力系統在電源結構、負荷特性、電網形態等方面呈現多樣性,電網的關鍵特性將發生深刻變化,迫切需要實現對各種參量的實時測量反饋與動態調整,提升電力系統的可觀、可測、可控能力,構建數字孿生電網,保障電網在復雜網絡互聯條件下穩定運行。

電力智能傳感技術主要涉及傳感器、傳感網、智能分析等方面。

在電源側,風電、光伏發電等大量新能源發電設備接入,需要感知溫度、光學及位置等信息,監測發電設備運行狀態、健康情況等,預防事故發生,提高發電效率并延長設備壽命。在電網側,在輸電、變電、配電等場景下,需要利用微氣象、溫濕度、桿塔傾斜、覆冰、舞動、弧垂、風偏、局部放電、振動及壓力等感知裝置,采集電網運行與設備狀態、環境與其他輔助信息,支撐電網生產運行過程中的信息全面感知及智能應用。在負荷側,需要利用電能質量、負荷監測等傳感量測裝置采集智能用電、新能源汽車負荷等信息,支撐需求側柔性負荷資源利用,提升能源利用率及用戶側用能精細化管理水平。

2021年,國家重點研發計劃設立了“智能傳感器”專項。國家電網公司首批“揭榜掛帥”攻關任務建立“微型低功耗電力傳感器技術及應用”研究框架,電力智能傳感技術進入全面發展的階段。

電力智能傳感技術實現多領域重點突破

電力智能傳感技術涉及多學科交叉融合,目前呈現先進傳感材料與器件、低功耗傳感網、傳感器微源取能、邊緣群智分析、融合設計等多領域體系化協同創新發展趨勢。

先進傳感材料與器件涉及設備狀態表征與“聲、光、電、磁、熱、力”等感知機理、敏感材料、傳感器件制備等方向,是傳感技術的核心。隨著感知機理與傳感材料技術不斷創新突破,各類新型的電氣量、狀態量、環境量、行為量傳感器將應用于新型電力系統。國網智能電網研究院有限公司目前在變壓器油溶氣體分離裝置、隧穿磁阻(TMR)磁敏電流傳感器、基于非接觸式傳感技術的架空輸電線路動態增容系統等方面取得一定成果。變壓器油溶氣體分離裝置主要利用油氣分離膜實現變壓器油中溶解氣體的分離,達到變壓器狀態檢測的目的。該公司自主研發的油氣分離膜采用中空纖維結構,增加了油氣分離膜的壽命,提升了油氣分離效率,可在1小時甚至更短時間內實現油氣分離,避免氣化油進入檢測腔。油氣分離膜可穩定運行3年以上,提高了檢測的準確性和可靠性。TMR磁敏傳感元件降低了磁場噪聲,提升了探測靈敏度。未來,基于TMR磁敏傳感元件形成的低功耗、易部署的微型電流傳感器可應用于電網中微弱電流、高精度交直流、電能表計等場景?;诜墙佑|式傳感技術的架空輸電線路動態增容系統依靠激光雷達和紅外測溫技術,獲取導線對地距離和導線溫度等關鍵參數,實現導線載流量評估和校驗,為輸電線路容量調整提供了基礎數據,提升了輸電通道的最大安全輸送能力。

低功耗傳感網能夠為傳感器提供泛在連接通信媒介,是實現分布式感知和數據融合的基礎。由于電力系統環境復雜特殊,海量傳感器無源無線化成為重要發展趨勢。低功耗無線傳感網絡將提升傳感系統長期運行可靠性,降低運維難度。國網智研院基于國家電網公司的輸變電設備物聯網通信協議,采用低功耗設計技術,研發超低功耗無線傳感通信模組與匯聚設備,模組平均功耗達微瓦級,經測算可滿足現場電池供電類傳感器持續工作7年以上的需求,可解決輸變電場景下感知網絡的超低功耗、安全可靠接入難題。

傳感器微源取能是通過收集環境中電磁、振動及溫差等微量能源為傳感器供能的技術。目前,國網智研院已研發出侵入式與非侵入式磁場取能樣機。在保障樣機可貼合電纜的前提下,侵入式磁場取能樣機支持在220千伏電纜應用,且在110千伏電纜應用時,可將取能所需的線路負荷下限由7安降到2安。非侵入式磁場取能樣機體積已縮小至7.2立方厘米,相比國內外同類裝置,取能效率約提升66%,有望在品字形電纜、三芯電纜等場景推廣應用,為實現傳感器去電池化奠定基礎。

此外,邊緣群智分析與融合設計關鍵技術研究正在開展。邊緣群智分析技術可實現電力圖像、局部放電等感知信號的就地處理、智能分析與診斷。融合設計技術可實現傳感、通信、計算、取能等功能在傳感器的一體化集成及一二次融合,推動電力設備智能化。

將為電力系統精確感知與智能控制提供支撐

電力智能傳感技術的不斷突破創新使得物理空間與數字空間在量測、計算及控制等多環節上高效融合,將為新型電力系統的精確感知與智能控制提供支撐。

廣義負荷全景觀測:新型電力系統中以分布式電源、新能源汽車、分布式儲能及可調節負荷等為代表的廣義負荷接入比例不斷攀升,源、網、荷、儲各環節的互動關聯性將不斷加強。未來,基于新型磁阻材料的電流傳感器具有低成本、易帶電安裝的優勢,適合在覆蓋范圍廣、線路分支多及負荷變化大的用戶側環境部署使用,實現負荷信息的全景觀測。

局部放電立體監測與精確定位:現階段,高頻、特高頻、超聲等局部放電傳感器在電力主設備狀態感知中廣泛應用。未來,電網企業可通過優化的硬件平臺和專用芯片把智能算法就地部署在傳感器上,形成“物”端計算系統,并結合典型案例庫與算法庫,提高故障立體辨識響應速度和定位精準度。

輸電線路動態增容能力提升:新能源發電呈現波動性特征,需要準確獲取導線狀態、環境參量,為線路動態增容提供基礎數據。應用非接觸式傳感技術可采集輸電線路全景信息,利用線路沿線的磁場、電場、振動及溫差等外部條件實現傳感器微源取能,并通過低功耗無線傳感網實現可靠安全連接。

智能傳感器微型化:微納傳感技術的發展使進一步壓縮傳感器體積、實現傳感器與電力設備的高度融合成為可能。系統級封裝(SIP)、微機電系統(MEMS)、納機電系統(NEMS)等技術和工藝的突破和應用,將助力電力專用的微型化感知器件開發,推進電力設備的智能化。

電力智能傳感技術將在加強電網協調控制能力、促進多元用戶供需互動、提升電力需求側管理水平和設備智能化水平等方面發揮重要作用,引領電力系統數字化技術創新和產業升級。(摘自:北極星電力網 作者:白巍、陸陽 來源:國家電網報 原標題:加快電力系統數字化轉型)

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