傳感器技術在電網中的應用評述*

李慕峰， 王煥娟， 李云龍

(國網電力科學研究院，北京 100053)

0 引 言

傳感器是一種檢測裝置，能按一定規律將被測量變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出[1],是實現自動檢測和自動控制的首要環節[2]。

衡量傳感器性能指標的是輸入—輸出特性，其主要參數有線性度、靈敏度、準確度、穩定性等，并對變化的信號能夠及時響應、不失真，要求傳感器在這幾方面均有足夠高的性能值，并且符合經濟性[3]。

隨著我國智能電網的發展，傳感器在電網的應用范圍日趨廣泛，為了確保應用的準確性、穩定性和可靠性，有必要對遇到的共性問題進行研究，并提出解決辦法。

1 傳感器技術的國內外發展現狀

國外，傳感器技術發展迅速，結合數字補償技術、無線網絡化技術、智能化技術、多功能復合技術等新技術，其發展主要有3個方向：微型化、智能化和可移動性[4]。國際先進的傳感設備其技術參數指標更加嚴格，制造工藝更加精細，補償工藝更加完善，外觀質量更加精美。傳感器的準確度、穩定性和可靠性等產品質量指標水平更高[5]。

為了加速產業發展，盡快趕上國際發展步伐，我國已將物聯網產業確定為戰略性新興產業。傳感器是構成物聯網的基礎，是整個物聯網產業鏈條需求總量最大和最基礎的環節。隨著物聯網產業推進，對傳感技術和設備提出了新的要求[6]。

2 傳感器技術在電網中的應用現狀

我國計劃于2020年前初步建成世界上最大的，具有信息化、自動化、互動化特征的統一的堅強智能電網。智能電網的實現，首先依賴于對電網各個環節運行信息的實時感知，傳感器作為“智能信息感知前端”，成為推動智能電網發展的重要技術手段[7]。

在電網中，通過各種傳感設備，感知末端信息，實現對電網各個環節的信息感知深度和廣度。傳感器將滲透到發電、輸電、變電、配電、用電等各個環節，在電網建設、生產管理、運行維護、信息采集、安全監控、計量應用和用戶交互等方面發揮巨大作用。

目前，傳感器已在智能電網得到不同程度的應用，現有的調度自動化系統、輸變電狀態監測系統、智能變電站、配電自動化、智能用電、物資管理、用電信息采集等，都用到了傳感器[8]，如圖1。

圖1 應用架構圖

3 傳感器技術在電網應用中面臨的問題與分析

傳感器測量系統由傳感器、信號調理電路、顯示或記錄儀表、電源等組成，如圖2。

依圖2分析，在電網環境中，可能對傳感器的性能產生影響的主要有以下幾個方面[9]：

1)傳感器的測量能力：在電網環境中，有強的電磁干擾，傳感器能否正常工作是關鍵。

圖2 傳感器測量系統

2)轉換元件、測量電路、調理電路的信號處理能力：在電網環境中，各模塊對測量信號處理并放大輸出過程將受電磁干擾影響，測量信號處理能力減弱。

3)各功能模塊和模塊間電路的抗干擾能力:在電網環境中，各功能模塊受各種影響，抗干擾能力降低，工作準確度降低。

4)各功能模塊的壽命與工作穩定性：在電網環境中，傳感器工作環境特殊不易操作，且一旦發生故障易對安全運行造成影響，因此，對傳感器整體壽命與穩定性要求高。

綜上分析，在電網環境中，對傳感器性能產生影響最常見的是電磁干擾，其次是設備供電、使用環境、設備壽命等問題。這些問題影響了傳感器工作的線性度、準確度和穩定性等特性[10]。

3.1 電磁干擾問題

在電網環境中，電磁干擾是對傳感器性能影響最大的因素，有必要從電磁干擾的形成、耦合方式、解決方法等對電磁干擾進行深入分析[11]。

3.1.1 電磁干擾的形式

1)傳導干擾：沿導體傳播的電磁干擾即為傳導干擾,一般為高次諧波電源畸變、電壓波動、三相電壓不平衡、電力線載波影響等。在電網環境中，傳導性干擾源有：日光燈、信號線、電源線、轉換開關、電力控制器、電暈等。

2)輻射干擾：通過空間以電磁波形式傳播的電磁干擾即為輻射干擾。輻射干擾一般為感應干擾、靜電耦合干擾、電磁輻射等。在電網環境中，輻射性干擾源有：諧振發生器、電機、開關電弧、固態開關、電力開關裝置、電力線、繼電器等。

3.1.2 電磁干擾的耦合方式

各種干擾通過耦合方式進入傳感器系統，具體有以下幾種耦合方式：1)靜電電容耦合，是2個電路間存在寄生電容，干擾信號通過寄生電容耦合；2)電感耦合，是電路間存在互感，干擾信號通過互感耦合；3)共阻抗耦合，是2個電路存在公共阻抗，干擾信號通過公共阻抗耦合；4)漏電流耦合，是絕緣不良，流經絕緣電阻的漏電流引起的干擾[12]。

3.1.3 解決電磁干擾的方法

必須對各種電磁干擾和耦合方式進行研究，增強設備電磁兼容性，提高抗干擾能力[13]。根據電磁干擾的類型和特點，一般采取屏蔽、濾波和接地方法抑制電磁干擾。

1)屏蔽

具體方法有：靜電屏蔽是利用接地的金屬容器來隔斷容器內外電聯系的技術；電磁屏蔽是利用渦電流抵消高頻干擾磁場的影響，抗高頻電磁場干擾的技術；低頻磁屏蔽是利用高導磁材料作屏蔽層，將干擾限制在屏蔽體內部的抗低頻磁干擾的技術；驅動屏蔽是使屏蔽層與被屏蔽導體電位相同的抗干擾技術[14]。

2)濾波

濾波是在信號通道中，接入與噪聲信號頻帶相應的濾波器，達到抑制干擾的目的。濾波技術是濾除電源干擾的有效措施[15],常用濾波方法有:交流電源進線的對稱濾波、直流電源輸出的濾波、去耦濾波。

3)接地

接地技術是抑制干擾的一種重要措施，選擇合理的接地方式能夠有效地抑制干擾[16]，具體方式為：并聯單點接地、多點接地和混合接地。

3.2 設備供電問題

在電網中，傳感器多工作于無法獲得外供電源或因安全原因無法接近的區域，必須采用電池供電，或電池儲能、可再生能源供電方式[17]。傳感器采用電池供電，節點部署容易，電池壽命短的問題[18]；使用可再生能量的關鍵技術是如何儲存能量，一般有2種技術，一是使用充電電池，電能利用率高但充電效率低，另一種是使用超級電容器，充電效率高但電容器自放電大。

隨著傳感網技術的發展，傳感器和網絡層方面取得了很大研究成果，網絡節點在數量上增加同時尺寸也相應減少，對于電源的體積、壽命和能量密度要求越來越嚴格，新的供電技術研究十分關鍵，除研究長壽命電池外，利用可再生能源，發展無壽命限制的自供電技術成為發展方向[19]。

3.3 使用環境問題

電網覆蓋范圍廣，面對的應用問題多，一般有高溫、高濕、低溫、高紫外線強度、環境污染等問題，面對這樣復雜的環境，對傳感器的安全穩定運行提出了嚴格要求[20]。

以溫度而言，傳感器工作時其電子器件參數特性易受溫度影響，形成數據漂移，產生額外誤差，影響電路輸出信號測量精度。為避免環境溫度影響，在選用傳感器時應確保環境溫度在其穩定工作范圍內，若有必要，可換用對環境溫度變化不敏感的傳感器，或增加溫度補償等措施來保證測量精度。

3.4 設備壽命問題

隨著電子設備在電網大量應用，其可靠性越來越受到關注，它決定了電子設備或系統工作持續時間的長短，因此，可靠性是電子設備的一項重要性指標。在可靠性檢驗方法中，截尾試驗方法、加速壽命試驗方法以及基于灰色理論的電子設備壽命預測方法，均可以實現對電子設備可靠性的分析，在實際工作中可以利用這些理論研究并指導實踐工作[21]。

傳感器屬于電子器件，與電網一次設備相比，使用壽命低，故障發生率偏高，嚴重時將影響正常運行工作。為獲得高壽命傳感器：首先，在設備選用時，對設備要進行認真甄別篩選，確保設備運行可靠。其次，應認真研究系統運行方式，對重點環節要加強防塵、防潮、防靜電等措施，必要時設計設備冗余。最后，妥善設計供電方案，應考慮傳感器壽命及故障率影響，滿足供電質量要求。

此外，在產品的工藝上，傳感器設計應結構緊湊，減少易受干擾環節，提高設備穩定性，采用集成數字化或光學轉換器技術的傳感器，可直接生成不易受干擾的傳輸量。

要根據傳感器安裝環境進行認真研究，選擇適合的傳感器，并采取適當的保護措施，只有這樣才能確保檢測準確同時，設備壽命獲得延長。

4 結束語

本文重點對電磁干擾、設備供電、使用環境以及設備壽命等進行分別分析，并提出解決辦法，對提高傳感器的使用穩定性、準確性、安全性等具有重要作用，對于傳感器在電網的應用有很大幫助。

由于電力系統的復雜電磁環境，系統中設備的抗干擾尤為重要，但是盲目地提高抗干擾性，勢必造成設備成本的增加，對電磁環境進行研究，按照設備的安裝位置和傳輸電磁干擾的設備端口對環境分類，對選擇抗干擾性試驗和合理改善設備的抗干擾性是十分重要的。

為了更好的發展傳感技術，通過對其在電網應用中面臨問題的深入研究，進而提出解決辦法，可對電網安全穩定運行提供技術支撐。

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