兩名電力工人在線路上安裝非電氣量集成傳感器。(資料圖片)
在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中，高比例大規(guī)模的風(fēng)電、光伏等可再生能源以及電力電子設(shè)備的廣泛接入，對電力系統(tǒng)的運行安全提出巨大挑戰(zhàn)。為解決系統(tǒng)中海量新能源的可靠接入與消納問題，需要通過應(yīng)用新一代數(shù)字技術(shù)，對電力系統(tǒng)全環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化改造，加快建設(shè)數(shù)字電網(wǎng)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的“可觀、可測、可控”是關(guān)鍵。
數(shù)據(jù)是確保電力系統(tǒng)“可觀、可測、可控”的要素，也是電力系統(tǒng)調(diào)度中樞開展指揮控制的關(guān)鍵基礎(chǔ)。通過在電力系統(tǒng)中加裝海量傳感器，可以精準(zhǔn)掌控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的物理架構(gòu)，進(jìn)而掌握系統(tǒng)電力設(shè)備及配套裝備的運行方式、實時狀態(tài)、運行效率和健康狀態(tài)?；谶@些數(shù)據(jù)，再運用強大的算力，在電力系統(tǒng)運行邊界內(nèi)，可以實現(xiàn)新能源接入和消納的最優(yōu)化。
高端傳感器研發(fā)應(yīng)用勢在必行
現(xiàn)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現(xiàn)方式。而隨著新型電力系統(tǒng)不斷演進(jìn)發(fā)展，監(jiān)控數(shù)據(jù)從電氣量向環(huán)境量、物理量、動作量、狀態(tài)量等多維度拓展，龐大的數(shù)據(jù)流對測控裝置的邊緣處理、實時通信、安全傳輸?shù)饶芰Φ忍岢隽司薮筇魬?zhàn)。同時，新型電力系統(tǒng)還要求對系統(tǒng)全環(huán)節(jié)進(jìn)行高密度、高精度、高頻度的數(shù)據(jù)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，這些都是互感器所不具備的，開展微型化智能傳感器研發(fā)與應(yīng)用勢在必行。
近年來，隨著新型敏感材料和微機(jī)電(MEMS)工藝快速發(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，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(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年中國傳感器市場規(guī)模約2850億元，市場容量巨大。但高端傳感器領(lǐng)域的研發(fā)、設(shè)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(yīng)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、汽車電子等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，早在2019年國內(nèi)MEMS傳感器市場規(guī)模就達(dá)到了597.8億元。需求量龐大，市場自主供給能力不足，MEMS領(lǐng)域市場集中度較高，以愛默生、西門子、博世、意法半導(dǎo)體、霍尼韋爾等為主的跨國公司占據(jù)60%以上市場份額，國內(nèi)產(chǎn)品幾乎全靠進(jìn)口，尤其是芯片的進(jìn)口率達(dá)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(yīng)用嘗試。
在南方電網(wǎng)，南網(wǎng)數(shù)字集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心智能傳感團(tuán)隊將MEMS傳感器引入電力量測領(lǐng)域，將磁電阻芯片、電場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產(chǎn)品序列，敏感器件與國內(nèi)自主研發(fā)企業(yè)和科研單位合作設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)了核心MEMS傳感元件的全國產(chǎn)化。團(tuán)隊先后攻克了微型電流、電壓和電氣量集成傳感技術(shù)，實現(xiàn)了非侵入式電流電壓測量、高效自取能、微功率無線對時、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(jī)構(gòu)鑒定，整體達(dá)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(qū)、海南自貿(mào)港等地應(yīng)用數(shù)萬套，對電力“發(fā)、輸、變、配、用”各環(huán)節(jié)的設(shè)備狀態(tài)、運行情況實現(xiàn)了實時感知和全景監(jiān)測，結(jié)合智能網(wǎng)關(guān)、數(shù)字化平臺，為電力運維、調(diào)度、規(guī)劃等提供了及時、精確和完善的數(shù)據(jù)來源，有力支撐了新型電力系統(tǒng)中大規(guī)模新能源的有序接入和高效消納。
繼續(xù)攻關(guān)核心關(guān)鍵技術(shù)
隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)不斷深入，系統(tǒng)對微型智能傳感器的要求將會從電流、電壓等電氣量逐步向各類物理量、化學(xué)量發(fā)展，而國內(nèi)現(xiàn)有的諸如氣體、局放、溫濕度等MEMS傳感器及芯片的自主設(shè)計研發(fā)制造能力還不足，數(shù)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，在國家重點科技轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中列為重點支持、優(yōu)先發(fā)展的內(nèi)容，將相關(guān)資源的匹配度和調(diào)配度大大提升，為傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)I造了良好的政策及市場環(huán)境。同時，在國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的背景下，電力傳感器也迎來了重要的發(fā)展窗口期，尤其在電力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的熱潮下，國產(chǎn)電力傳感器機(jī)遇空前，大有可為。
接下來，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(yǎng)與引進(jìn)、產(chǎn)業(yè)聚集有序發(fā)展等關(guān)鍵工作，重點突破核心產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝和集成應(yīng)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，實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)智能傳感器的真正自主可控。
(作者田兵 單位：南網(wǎng)數(shù)字集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心)
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