电力微型智能传感器研究与应用

中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 电力微型智能传感器（南网极目） 研究与应用 田兵博士 南方电网高级专家、南网传感公司总经理 2024年8月 新技术大会 目录 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 研究背景 2技术研究进展 3趋势展望 EPIC 新技术大会 一、研究背景 数字电网承载并推进新型电力系统发展 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 国家大力实施“碳达峰、碳中和”战略，重点构建以新能源为主体的新型电力系统，南方电网明确 提出“以数字电网推动构建新型电力系统”的发展方向，助力我国能源领域高质量发展。 源存馆 数字 中国南方中网 输电统一模型 配电统一共享 数宇电网自度书 igitalPowerGridWhitePaper 全域物联 或监测 智慧数连接 设馨蛋馆 通道检测数据 日 资产管理 GS设请教据 发电 物理 采集 智慧家管理数字电网：以新一代数字技术为核心驱动力，以数 据为关键生产要素，以现代电力能源网络与新一代 输电用电 信息网络为基础，通过数字技术与能源企业业务 丰 变电配电管理深度融合，不断提高数字化、网络化、智能化 数字电网与新型电力系统映射关系水平，而形成的新型能源生态系统。2024年电力新信息技通信术EP大会 研究背景中国南方电网 数字电网全观全测全控驱需海量部署微型智能传感器 物理电网数字化需要发输变配用各环节广泛部署传感器，及时准确地采集物理电网运行数据、设备状态数据，运行环境数据等，实现数字电网的全观、全测、全控 传感器是数据生产者，产生的大量数据使得人工智能在电网的应用有了数据基础，使得电网的运行从基于物理规律向基于数据关系转变 物理物理运行实时运行健康 结构性能方式状态效率状况 环保 水平 动态环境市场人员企业 行为信息信息信息信息 海量微型智能传感器及传感网络 物理电网EPI 研究背景 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 电力微型智能传感器布局全景图 电力微型智能传感器的种类丰富，在电力系统发输变配用全环节都有广泛的需求，电力系统也是工 业传感器的广阔舞台，电、磁、热、力、光、声等物理量的传感器都有用武之地。 风速风向传感器，变冰监测装疗 位移传感器微风振动监测装置 扭转传感器讲动监测测盘 北斗形交监测装置 北斗位移监测装置 配网故障指示器 配变电油流压电传压感工器感器 智能电能表 非侵入式负荷识别模块 计色箱漏湿度传感器 能效监测终端 位置编码器导线电流监测装置杆塔倾科传感器气蒙雷达配变油温传感器应变传感器导线温代蓝测装置金口流度传感器配变油位传感器振动传感器导线弧亚监测装置图像通成配变家气传感器 压力化感器中山监测装行投地电阳监测装置孔斗授时配变振动传感器 计计量量箱装磁动场传传感感器 计童箱压力传感 用水计量装置用气计量装置用热计量装置 智能微型断略器 功必变送器风偏监测装宵拉线张力监测装置北是位配变噪声传感器计童箱微型摄像头 流丘感器培箱御能门创 转速编码器分布式故障监测灿装置图像监拍装宵配变接线机头温度传感器计压粘红外传感器随器计量终端 视锁监控装置JP柜温湿度传感器电件上洗洲传盛器 光霸射传感器防山火红外监训装置资产标识国感知标务 环意温湿度传感器线路微气象监测装置 高放监测装置 是子不体各部件温度传感器 变电站微气象监测装置压器同放传感器电缆局放传感器通道水应传感部符变隔室温湿度传感器 交床器会管介损临测装立 定了络组端影摄动传感器变电站图像视频监控装置 电缆接地环流在线监测装置通清代体代感带开火恒/门线头温升传感器 通沉降胎如装置 Q压缇纠光纤测温传感雅 绝缘过热传感器遥书器洲露电流传感器交席品红外温度成像监控装置电缆分布式光纤圳传感器迪遣温湿度传感器电变房烟雾传必器转了转速传感器开美触头温度传感器变压器振动市纹传必器电缆接头内置测温传感器通道火灵蓝测表宵配变历视频光控装置转子恒间短路监测装置开关柜超声波局胶传感器交床器汕色谱监测装口缆分布式故障定位装置集水开水位传感器转子振动传必器开关柜贴高频品放传感器交压器铁芯接地电流传感器异常状态监测装置迪道机械振动传感器地m水爱传感器 集心不温度传感器开美柜智态地电广监测装置变压器统红变形传感部电缆介质损耗监测装置通造图像视频监控装置门熨传感器/智能门锁 冷凝战度传器 断路器特商频局救传感器电缆油用监物装置通值外破光震动传感器电缴车局放传感器 电传必器 相电压必器斯路器超声波局放传感器多光谱设备快陷认别装置电缆智能升合闸监测保护装置断露器SF6体监测装置电容型设备电压传盛器电缆电子标签轴电压传晟器新路器分合闸线图电流传感器电容型设备木屏市流传感媒 断路器机械操动故障传感器2024年电力信息通信 高放略测装置新技术大会 目录 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 研究背景 2技术研究进展 3趋势展望 EPIC 新技术大会 二、技术研究进展 2.1技术研究框架 包括MEMS传感芯片、非侵入式测量、高效取能、可靠通信、装置研发等方面 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 电力微型智能传感器技术研究框架 MEMS传感芯片测量方法高效取能可靠通信极目”传感产品 TMR磁场芯片阵列化磁场测量CT宽范围取能高精度BLE对时 直流取能低功耗无线通信 电气量集成传感器 MEMS压力芯片气体压力-浓度反演 电场取能加密通信 MEMS气体芯片 多组分气体互补 阵列传感低功耗休眠唤配高可靠光电通信 全电压等级保护用电流传感器 MEMS红外芯片导线动态增容方法多源取用储管理多跳自组网通信 输电多物理量传感器 2、技术研究进展每敏感元件 磁场传感芯片（TMR）-研究进展 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 提出灵敏度量程积（有效灵敏系数）来衡量TMR性能，研发高性能MTJ结，在高性能MTJ结基础上增 加磁通聚集器可实现灵敏度数百mV/V/Oe，增加屏蔽和旁路，能实现数干Oe。 有效灵敏系数：K=S*H来衡量传感器的指标； 其中S为传感器的灵敏度，H为传感器的量程。 序号量程灵敏度线性度 (Gs)(mV/V/Gs)(%) 2 92 0.5 3 133 0.38 4 250 0.12 切割封装1109 晶圆敏感结构TMR芯片 1 1 1.5 2024年电力信息通信 新技术大会 EPIC 2、技术研究进展敏感元件 磁场传感芯片（TMR）-研究进展 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 在南网等电力行业的需求牵引及联合攻关下，圭我国TMR技术从全面落后到国际持平，技术指标突飞猛进目前技术水平已经能够满足电力系统大部分测量需求，对比3年前后的TMR技术参数：线性度从1%提升 至0.2%，线性范围从2000e提升至10000e。 400120 300测试条件：90 T=25℃ 20060 Vop=1V 30 电压00 -100-30 200 -300 输出电压（mV） -60 -90 -400 -500 050010001500 2000 2500 -120 -500-400-300-200-10010100200300400500 磁场强度（G）磁场（Gs) 2021年之前某TMR产品参数2023年某TMR产品参数 2024年电力信息通信 EPIC 丰 新技术大会10 2、技术研究进展/敏感元件 电场传感芯片-研究进展 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 联合国内高校和研究所开展MEMS电场敏感元件敏感机理与芯片制备技术研究，研制了电场传感芯 片，实现量程覆盖100kV/m、精度1%、频域DC-1kHz电场测量。 35传感器1线性度：0.241% 灵敏度 传感器2线性度：0.223%0.338 30传感器3线性度：0.367%传感器4线性度：0.382% 0.251 25 MEMS电场敏感元件有限元仿真敏感芯片加工后晶圆电场敏感元件 罐点感应电极2 屏蔽电极、 扭转梁 驱动电极1 0.186 150.167 10 感应电极！ 驱动电极2 村底 020406080100 电强(kV/m) MEMS电场敏感元件结构MEMS电场敏感元件裸片极目E电场传感芯片（封装）性能指标 2024年电力信息通信EPC 2、技术研究进展敏感元件 气敏芯片-研究进展 丰中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 针对油中uL/L级H，✁预警需求，研制MEMS✃金合金气敏芯片，研究✃金材料配比、折线结构形貌调 控、介质薄膜应力补偿和包覆式温控等传感技术，大幅提升传感器灵敏度和可靠性 加热电阻气敏材料测温电阻 绝缘层 硅基底 Pd掺杂Au后晶格合金吸H后晶格膨胀 ✃金合金气敏原理Si:N4SiO2 气敏芯片结构 Pd-Au 气敏芯片样片 Pd+HPdHx(a)-PdHx(β) Hydrogen H R/R Hydrogen (cH%)abs100 金掺杂提升H溶解度提高灵敏性✃合金随氢气浓度变化✁电阻变化 Ch,h,scO. 气敏芯片制备气敏芯片性能参数12 2、技术研究进展敏感元件中国南方电网 气敏芯片-研究进展 针对电力场景下气体组分精准感知需求，研发16阵列集成✁MEMS金属氧化物半导体气敏传感芯片，建立了氢气、 氧化碳、乙烯、乙炔等多类特征气体✁最佳敏感材料体系库，气体检出限低至ppm级 催化膜 目标催化模 气敏膜气敏膜 气体插齿电极 加热电极 测温电极 WO,+Rh氢气 +Pt 氧 2SnO,+PtNio化碳 单个传感单元结构设计批量产出✁传感芯片单个传感芯片封装后✁✁传感芯片 量一标定曲线第1次 LSnO,+Pt乙烯 SnO,-PdCuCeOx乙炔 WO,+PtTVOC 一浓度识别曲线50打速寿金实验第1000次 准确性稳定性可靠性 1001000 浓度(ppm)浓度(ppm)浓度(ppm) 敏感材料体系库16阵列气体传感芯片设计气体传感芯片性能2024年电力信息通信 新技术大会 2、技术研究进展/测量方法 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 非侵入式电流测量技术 提出了基于磁电阻芯片阵列✁电流精确测量方法：求解空间任意位置长直导线电流✁充分必要条件是 要且仅要三个单轴TMR芯片 第一步：空间中共线共敏 感方向布置三个TMR芯片 载流导线 第一步：根据TMR位置关 磁敏感 移 BB，方向纵向偏旋 系和磁场计算导线位置 TMR1TMR2TMR3 m 第三步：根据导线位置和 横向偏移 磁场计算导线电流测量原理示意图测量板及效果 非侵入、不环绕导线、位置无关✁2024年电力信息通信 新技术大会 2、技术研究进展一测量方法 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRI 非侵人式电流测量技术 推论：对于任意距离平方反比✁物理场，要且仅要三个场传感器即可求解长直线型✁场源位置和大小 电流测量推导过程及计算公式电场->电压反演电流电压集成反演 LoI,sine =B. LoIsine. =B.. 2元2元x21）毕奥-萨伐尔定律 xisine,-x,sine2=x,sine. x,coser-x,cose,-m2）空间位置关系 特测导线 xcose-x,cose,=n B2B 磁场磁场 电磁场芯片 敏感方向 维电场维电场 维电场 芯片1 芯片2 (c3d,arcraia2)芯片1芯片2芯片3 (caic3+2cidia,b)ced.cr2cid,ab) k-(c.b? 新技术大会 平方反比是三维空间普适性✁规律：适用于磁场、电场、万有引力场等2024年电力信息通信 2、技术研究进展测量方法 中国南方电网 CHINASOUTHERNPOWERGRID 非侵入式电流测量技术 提出了基于磁电阻芯片阵列✁电流测量抗干扰方法：设置≥4个✁TMR，每三个TMR芯片即可求解 次导线位置和电流，根据多个组合计算结果之间✁差异分离出干扰量，最终达到抗干扰✁效果 被测导线 抗干扰计算结果 传感芯 H1 传感