架空輸電線路、電力通信光纜、變電站/換流站、電力電纜隧道、光纖複合入戶電纜及大型變壓器、大容量儲能/充電設施等電網關鍵設施設備是能源互聯網的“基石”。它們直接關係到電網安全穩定運行，對其進行有效、主動、可靠的安全評估、風險預警和故障診斷至關重要。
然而，目前對電網關鍵設施設備在線監測的手段仍需完善，已部署的傳感裝置不同程度地存在強電磁不耐受、壽命短、體積大、能耗高、功能單一和集成化程度低等問題，制約了感知的廣度、深度、密度和精度。新型感知裝備的研製亟待開展，以適應電網基礎設施及關鍵設備狀態感知的大範圍、分佈式、低功耗、抗干擾技術需求。
“傳感佈局是建設能源互聯網的關鍵環節，是電網數字化、網絡化、智能化發展的重要支撐。”中國電力科學研究院有限公司總經理、國網能源互聯網技術研究院院長王繼業表示。自2013年起，中國電科院項目團隊依託國家重點研發計劃、國家電網公司基礎前瞻及指南項目等，陸續開展了在線感知標籤、無源光纖傳感、低功耗微機電系統（MEMS）傳感等新型光-機-電傳感器技術研究，在傳感器分佈式測量、低功耗設計、抗電磁干擾、大範圍部署等方面取得了實質性突破。項目成果整體達到國際先進水平，在感傳一體的雙界面物聯網電子標籤研發、基於全光纖傳感的大範圍（>50千米）輸電線路狀態監測應用研究、實用化的交直流MEMS電場傳感器件設計等方面達到國際領先水平。
為配電設備分派資產“身份證”
4月16日，在後臺監控屏幕和巡檢人員手持終端屏幕上，吉林省松原市朝陽鄉兩家子村、土木村和白城市葦海線、民生甲線等區域的配電變壓器的地理位置、殼體溫度、振動噪聲等參數信息一目瞭然。運維值班人員足不出戶即可瞭解上述區域的配電變壓器情況。
年初新冠肺炎疫情發生以來，為減少人員聚集和交叉感染，很多地區的配網設備巡檢工作受到了較大影響。而在吉林省，由中國電科院項目團隊自主研製的eRFID新型物聯網電子標籤幫助運維人員掌握配電設備實時狀態，起到了“現場巡查”的作用，實現疫情防控和配網巡檢“兩不誤”。
自2019年10月起，為了解決吉林省部分地區配電變壓器在冬季低負荷時期容易被盜、缺乏在線監測手段等難題，eRFID新型物聯網電子標籤就開始在國網吉林省電力有限公司低負荷密度區域的相關配變上先後部署應用，實現電力資產的在線感知。
電網資產“實物ID”基於射頻識別（RFID）技術，如同給每個電網設備發放了一個身份標識。設備有了這個唯一身份編碼後，供電員工通過國家電網認證的手持移動終端掃描，就可以獲取設備全壽命週期的各項資產信息。為了讓電子標籤在電力資產管理領域發揮更大作用，中國電科院在遠近結合、在線感知、資產追蹤三方面深入探索，研發了eRFID新型物聯網電子標籤。它具有離線讀取和在線感知雙重功能，具備定位、位移、振動、溫溼度等多參量一體化感傳特性，實現了配網資產的身份標識與狀態監測，為電網數字化、智能化建設提供有效支撐。
電力電纜分佈式光纖傳感器在河南鄭州電纜隧道應用
為輸電線路狀態監測裝上“千里眼”
2008年冰災後，國家電網公司加快電網防災抗災相關研究和改造升級，在重要輸電線路沿線加裝攝像頭、傳感器等設備，以實現設備狀態在線監測。但傳統的傳感器需要電源支撐、受外界環境影響大，在野外長期工作的可靠性得不到保證。
中國電科院項目組針對地線覆冰監測、電纜隧道火災預警、電纜載流量預測與老化評估等長距離、大跨度、分佈式傳感需求，研製了現場無源分佈式光纖溫度傳感器。這種傳感器通過直接在線路一端安裝光源和接收器，利用光信號傳輸過程中波長參數的變化探測線路狀態，實現對輸電線路的覆冰、舞動、溫度及電力電纜的實時監測，在現場不需要外部供電支持。與傳統的攝像頭、有源傳感器相比，光纖傳感器體積小、重量輕、靈敏度高，測溫精度達到0.5攝氏度級，定位精度1米、測量範圍超過26千米，有效解決了傳感器現場供電困難、設備運行可靠性差、傳感器維護成本高等問題。
3月12日，河南鄭州供電公司對基於光纖測溫的電纜隧道火災預警系統開展現場測試。電力電纜分佈式光纖測溫及載流量預測系統覆蓋該公司220千伏博耿線、110千伏耿祥線及部分10千伏電纜，顯示屏主界面上動態展示著長達18千米電力電纜的分佈位置、走向、通過的實時負荷和溫度數據。測試中，火災模擬報警器發出連續的蜂鳴聲。在電纜隧道位置圖上，一個紅點不停閃爍——這是測試人員用熱水袋貼覆測溫光纜來驗證監測系統運行情況。隨後，監測系統報警功能和接收報警短信功能也相繼通過測試。檢修班組一致評價“建設的電力電纜監測系統功能實用、運行靈敏，對提高電力電纜運維能力發揮重要作用”。
2016年12月26日，現場無源分佈式光纖溫度傳感器就在湖南懷化建設的黔平線光纖複合架空地線（OPGW）抗冰線路工程開始試運行。220千伏黔城變電站監控室裡，針對抗冰工程建設的OPGW覆冰在線監測及融冰監控系統將抗冰線路實時溫度展示在屏幕上。該系統基於全光纖傳感技術研發，覆蓋線路26.3千米，可以實時監測融冰線路全線溫度。此前，融冰過程沒有傳感器測量融冰線路的溫度，加載電流大小、融冰時間長短完全根據實驗室的測試數據進行現場估計。在整個融冰過程中，工作人員總會擔心溫度過高燒燬線路。光纖傳感則融冰過程實現可控、可視。目前，這種傳感器也在江西九江110千伏妙星線等線路開展應用，顯著提高了電網抗自然災害的能力。
架空線路覆冰監測及融冰控制系統在湖南輸電線路上應用
為無線充電設備電流檢測配備“聽診器”
大功率無線充電設備周圍存在較強的磁場，通用的溫度傳感器和磁場傳感器很難在強磁場中準確測量，而且這種傳感器中存在金屬導體，會影響無線充電的磁場和傳輸性能。此外，由於無線充電設備緊湊，佈置多個傳感器也會導致各傳感器之間相互干擾，影響傳感精度。中國電科院項目組針對無線充電設備檢測中的問題研發了特種光纖電流傳感器，大幅降低了溫度和磁場波動對測量結果的影響。
特種光纖電流傳感器溫度特性優異，抗強電磁干擾，電流測量範圍為20～2000安，測量誤差≤1%。該種傳感器能夠滿足無線充電系統對電流、磁場測量的需求。
2019年6月，中國電科院電工所利用該傳感器開展了電動汽車無線充電設備檢測測試。試驗結果表明，該傳感器能夠準確測量無線充電設備周圍環境磁場強度，可為無線充電站的推廣建設奠定基礎。
目前，中國電科院的智能傳感器研發成果已在江西、北京、遼寧、河南等多個省份開展試點應用，累計減少運維開支約11342.6萬元。項目緊密結合電網數字化、網絡化、智能化發展趨勢，應用涉及電網多環節基礎設施智能監控、關鍵設備在線監測，極大地降低了運維檢修成本，同時支撐了電網的安全穩定運行，避免電網關鍵設施與設備發生重大運行事故和災害事故，有力保障了工商業、企業及居民客戶的生產生活可靠用電。
全面感知驅動能源互聯，“開展智能傳感器等電力物聯網重點技術研究”是公司2020年重點工作任務之一。中國電科院充分發揮全專業與跨學科融合優勢，同時依託國網能源互聯網技術研究院柔性組織、專項攻關等創新機制，開放吸納內外部學術、技術及產業觀點，已梳理出“發-輸-變-配-用”五大感知場景六大量綱134種主要傳感裝置應用佈局，凝練出先進感知、邊緣計算、微源取能、安全連接、可靠防護五大類20項基礎核心技術攻關方向和“源-網-荷-儲-人-資產”六大領域20類新型感知終端研發方向。中國電科院將依託公司“電力智能傳感技術與應用”聯合實驗室，將智能傳感專業作為重點專項全面謀劃、統籌佈局，全力支撐公司具有中國特色國際領先的能源互聯網企業建設。
（供圖：中國電科院）責任編輯：孫珂責任 編輯 | 國家電網報
本文來自電網頭條 作者：仝傑、雷煜卿
