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公司新闻

电网的“神经末梢”——智能传感器让设备状态“可感”、故障在线研判

架空输电线路、电力通信光缆、变电站/换流站、电力电缆隧道、光纤复合入户电缆及大型变压器、大容量储能/充电设施等电网关键设施设备是能源互联网的“基石”。它们直接关系到电网安全稳定运行,对其进行有效、主动、可靠的安全评估、风险预警和故障诊断至关重要。


然而,目前对电网关键设施设备在线监测的手段仍需完善,已部署的传感装置不同程度地存在强电磁不耐受、寿命短、体积大、能耗高、功能单一和集成化程度低等问题,制约了感知的广度、深度、密度和精度。新型感知装备的研制亟待开展,以适应电网基础设施及关键设备状态感知的大范围、分布式、低功耗、抗干扰技术需求。


“传感布局是建设能源互联网的关键环节,是电网数字化、网络化、智能化发展的重要支撑。”中国电力科学研究院有限公司总经理、国网能源互联网技术研究院院长王继业表示。自2013年起,中国电科院项目团队依托国家重点研发计划、国家电网公司基础前瞻及指南项目等,陆续开展了在线感知标签、无源光纤传感、低功耗微机电系统(MEMS)传感等新型光-机-电传感器技术研究,在传感器分布式测量、低功耗设计、抗电磁干扰、大范围部署等方面取得了实质性突破。项目成果整体达到国际先进水平,在感传一体的双界面物联网电子标签研发、基于全光纤传感的大范围(>50千米)输电线路状态监测应用研究、实用化的交直流MEMS电场传感器件设计等方面达到国际领先水平。


为配电设备分派资产“身份证”

4月16日,在后台监控屏幕和巡检人员手持终端屏幕上,吉林省松原市朝阳乡两家子村、土木村和白城市苇海线、民生甲线等区域的配电变压器的地理位置、壳体温度、振动噪声等参数信息一目了然。运维值班人员足不出户即可了解上述区域的配电变压器情况。


年初新冠肺炎疫情发生以来,为减少人员聚集和交叉感染,很多地区的配网设备巡检工作受到了较大影响。而在吉林省,由中国电科院项目团队自主研制的eRFID新型物联网电子标签帮助运维人员掌握配电设备实时状态,起到了“现场巡查”的作用,实现疫情防控和配网巡检“两不误”。


自2019年10月起,为了解决吉林省部分地区配电变压器在冬季低负荷时期容易被盗、缺乏在线监测手段等难题,eRFID新型物联网电子标签就开始在国网吉林省电力有限公司低负荷密度区域的相关配变上先后部署应用,实现电力资产的在线感知。


电网资产“实物ID”基于射频识别(RFID)技术,如同给每个电网设备发放了一个身份标识。设备有了这个唯一身份编码后,供电员工通过国家电网认证的手持移动终端扫描,就可以获取设备全寿命周期的各项资产信息。为了让电子标签在电力资产管理领域发挥更大作用,中国电科院在远近结合、在线感知、资产追踪三方面深入探索,研发了eRFID新型物联网电子标签。它具有离线读取和在线感知双重功能,具备定位、位移、振动、温湿度等多参量一体化感传特性,实现了配网资产的身份标识与状态监测,为电网数字化、智能化建设提供有效支撑。


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电力电缆分布式光纤传感器在河南郑州电缆隧道应用


为输电线路状态监测装上“千里眼”

2008年冰灾后,国家电网公司加快电网防灾抗灾相关研究和改造升级,在重要输电线路沿线加装摄像头、传感器等设备,以实现设备状态在线监测。但传统的传感器需要电源支撑、受外界环境影响大,在野外长期工作的可靠性得不到保证。


中国电科院项目组针对地线覆冰监测、电缆隧道火灾预警、电缆载流量预测与老化评估等长距离、大跨度、分布式传感需求,研制了现场无源分布式光纤温度传感器。这种传感器通过直接在线路一端安装光源和接收器,利用光信号传输过程中波长参数的变化探测线路状态,实现对输电线路的覆冰、舞动、温度及电力电缆的实时监测,在现场不需要外部供电支持。与传统的摄像头、有源传感器相比,光纤传感器体积小、重量轻、灵敏度高,测温精度达到0.5摄氏度级,定位精度1米、测量范围超过26千米,有效解决了传感器现场供电困难、设备运行可靠性差、传感器维护成本高等问题。


3月12日,河南郑州供电公司对基于光纤测温的电缆隧道火灾预警系统开展现场测试。电力电缆分布式光纤测温及载流量预测系统覆盖该公司220千伏博耿线、110千伏耿祥线及部分10千伏电缆,显示屏主界面上动态展示着长达18千米电力电缆的分布位置、走向、通过的实时负荷和温度数据。测试中,火灾模拟报警器发出连续的蜂鸣声。在电缆隧道位置图上,一个红点不停闪烁——这是测试人员用热水袋贴覆测温光缆来验证监测系统运行情况。随后,监测系统报警功能和接收报警短信功能也相继通过测试。检修班组一致评价“建设的电力电缆监测系统功能实用、运行灵敏,对提高电力电缆运维能力发挥重要作用”。


2016年12月26日,现场无源分布式光纤温度传感器就在湖南怀化建设的黔平线光纤复合架空地线(OPGW)抗冰线路工程开始试运行。220千伏黔城变电站监控室里,针对抗冰工程建设的OPGW覆冰在线监测及融冰监控系统将抗冰线路实时温度展示在屏幕上。该系统基于全光纤传感技术研发,覆盖线路26.3千米,可以实时监测融冰线路全线温度。此前,融冰过程没有传感器测量融冰线路的温度,加载电流大小、融冰时间长短完全根据实验室的测试数据进行现场估计。在整个融冰过程中,工作人员总会担心温度过高烧毁线路。光纤传感则融冰过程实现可控、可视。目前,这种传感器也在江西九江110千伏妙星线等线路开展应用,显著提高了电网抗自然灾害的能力。


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架空线路覆冰监测及融冰控制系统在湖南输电线路上应用


为无线充电设备电流检测配备“听诊器”

大功率无线充电设备周围存在较强的磁场,通用的温度传感器和磁场传感器很难在强磁场中准确测量,而且这种传感器中存在金属导体,会影响无线充电的磁场和传输性能。此外,由于无线充电设备紧凑,布置多个传感器也会导致各传感器之间相互干扰,影响传感精度。中国电科院项目组针对无线充电设备检测中的问题研发了特种光纤电流传感器,大幅降低了温度和磁场波动对测量结果的影响。


特种光纤电流传感器温度特性优异,抗强电磁干扰,电流测量范围为20~2000安,测量误差≤1%。该种传感器能够满足无线充电系统对电流、磁场测量的需求。


2019年6月,中国电科院电工所利用该传感器开展了电动汽车无线充电设备检测测试。试验结果表明,该传感器能够准确测量无线充电设备周围环境磁场强度,可为无线充电站的推广建设奠定基础。


目前,中国电科院的智能传感器研发成果已在江西、北京、辽宁、河南等多个省份开展试点应用,累计减少运维开支约11342.6万元。项目紧密结合电网数字化、网络化、智能化发展趋势,应用涉及电网多环节基础设施智能监控、关键设备在线监测,极大地降低了运维检修成本,同时支撑了电网的安全稳定运行,避免电网关键设施与设备发生重大运行事故和灾害事故,有力保障了工商业、企业及居民客户的生产生活可靠用电。


全面感知驱动能源互联,“开展智能传感器等电力物联网重点技术研究”是公司2020年重点工作任务之一。中国电科院充分发挥全专业与跨学科融合优势,同时依托国网能源互联网技术研究院柔性组织、专项攻关等创新机制,开放吸纳内外部学术、技术及产业观点,已梳理出“发-输-变-配-用”五大感知场景六大量纲134种主要传感装置应用布局,凝练出先进感知、边缘计算、微源取能、安全连接、可靠防护五大类20项基础核心技术攻关方向和“源-网-荷-储-人-资产”六大领域20类新型感知终端研发方向。中国电科院将依托公司“电力智能传感技术与应用”联合实验室,将智能传感专业作为重点专项全面谋划、统筹布局,全力支撑公司具有中国特色国际领先的能源互联网企业建设。



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