两名电力工人在线路上安装非电气量集成传感器。(资料图片)
在新型电力系统建设中，高比例大规模的风电、光伏等可再生能源以及电力电子设备的广泛接入，对电力系统的运行安全提出巨大挑战。为解决系统中海量新能源的可靠接入与消纳问题，需要通过应用新一代数字技术，对电力系统全环节进行数字化改造，加快建设数字电网，实现电力系统的“可观、可测、可控”是关键。
数据是确保电力系统“可观、可测、可控”的要素，也是电力系统调度中枢开展指挥控制的关键基础。通过在电力系统中加装海量传感器，可以精准掌控系统各环节的物理架构，进而掌握系统电力设备及配套装备的运行方式、实时状态、运行效率和健康状态。基于这些数据，再运用强大的算力，在电力系统运行边界内，可以实现新能源接入和消纳的最优化。
高端传感器研发应用势在必行
现有的电力测量体系还是以互感器为代表的电气量测量装备为主体，以指令计划和程序控制为实现方式。而随着新型电力系统不断演进发展，监控数据从电气量向环境量、物理量、动作量、状态量等多维度拓展，庞大的数据流对测控装置的边缘处理、实时通信、安全传输等能力等提出了巨大挑战。同时，新型电力系统还要求对系统全环节进行高密度、高精度、高频度的数据采集，这就要求测量装置具备微型化、高精度、宽量程、低功耗、非侵入、即插即用、易部署等特点，这些都是互感器所不具备的，开展微型化智能传感器研发与应用势在必行。
近年来，随着新型敏感材料和微机电(MEMS)工艺快速发展，涌现出了磁阻、压电、光电、磁光等先进传感技术和元器件，其具备微纳体积、高精度、高信噪比、宽频带、超低功耗等优势，为新一代电力微型智能传感器发展提供了新的技术路径。
赛迪研究院、前瞻产业研究院等相关报告统计数据显示，2021年中国传感器市场规模约2850亿元，市场容量巨大。但高端传感器领域的研发、设计、制造加工企业较少，我国从事传感器的研制、生产和应用的企事业单位共2000多家，从事高端传感器产品MEMS工艺研发、制造的企业仅50多家。在MEMS传感器方面，工业控制、消费电子、汽车电子等领域应用十分广泛，早在2019年国内MEMS传感器市场规模就达到了597.8亿元。需求量庞大，市场自主供给能力不足，MEMS领域市场集中度较高，以爱默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等为主的跨国公司占据60%以上市场份额，国内产品几乎全靠进口，尤其是芯片的进口率达80%。
电力高端传感器国产化尝试
在高端传感器领域，电力行业企业进行了研发应用尝试。
在南方电网，南网数字集团技术研发中心智能传感团队将MEMS传感器引入电力量测领域，将磁电阻芯片、电场芯片作为核心敏感元件，研制出了“极目”智能电流、电压、电气量集成传感器以及非电气量集成传感器等多个产品序列，敏感器件与国内自主研发企业和科研单位合作设计开发，实现了核心MEMS传感元件的全国产化。团队先后攻克了微型电流、电压和电气量集成传感技术，实现了非侵入式电流电压测量、高效自取能、微功率无线对时、高精度频率相位测量等核心技术，攻关成果经多家行业机构鉴定，整体达到国际领先水平。
目前，“极目”系列智能传感器已在粤港澳大湾区、海南自贸港等地应用数万套，对电力“发、输、变、配、用”各环节的设备状态、运行情况实现了实时感知和全景监测，结合智能网关、数字化平台，为电力运维、调度、规划等提供了及时、精确和完善的数据来源，有力支撑了新型电力系统中大规模新能源的有序接入和高效消纳。
继续攻关核心关键技术
随着新型电力系统建设不断深入，系统对微型智能传感器的要求将会从电流、电压等电气量逐步向各类物理量、化学量发展，而国内现有的诸如气体、局放、温湿度等MEMS传感器及芯片的自主设计研发制造能力还不足，数字化、智能化、微型化产品还有所欠缺。
好在国家加大对传感器产业发展的支持力度，在国家重点科技转型、产业规划中列为重点支持、优先发展的内容，将相关资源的匹配度和调配度大大提升，为传感器产业发展营造了良好的政策及市场环境。同时，在国内物联网和数字化产业蓬勃发展的背景下，电力传感器也迎来了重要的发展窗口期，尤其在电力企业数字化转型的热潮下，国产电力传感器机遇空前，大有可为。
接下来，电力行业企业要紧紧抓住MEMS传感器等高端传感领域技术工艺自主创新、人才培养与引进、产业聚集有序发展等关键工作，重点突破核心产品设计、制造工艺和集成应用等关键技术，做好电力领域的本地化定制适配，取得与国外竞争的关键优势，摆脱核心高端传感器的进口依赖，实现新型电力系统智能传感器的真正自主可控。
(作者田兵 单位：南网数字集团技术研发中心)
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