传感器技术在电网中的应用评述*

李慕峰， 王焕娟， 李云龙

(国网电力科学研究院，北京 100053)

0 引 言

传感器是一种检测装置，能按一定规律将被测量变换成为电信号或其他所需形式的信息输出[1],是实现自动检测和自动控制的首要环节[2]。

衡量传感器性能指标的是输入—输出特性，其主要参数有线性度、灵敏度、准确度、稳定性等，并对变化的信号能够及时响应、不失真，要求传感器在这几方面均有足够高的性能值，并且符合经济性[3]。

随着我国智能电网的发展，传感器在电网的应用范围日趋广泛，为了确保应用的准确性、稳定性和可靠性，有必要对遇到的共性问题进行研究，并提出解决办法。

1 传感器技术的国内外发展现状

国外，传感器技术发展迅速，结合数字补偿技术、无线网络化技术、智能化技术、多功能复合技术等新技术，其发展主要有3个方向：微型化、智能化和可移动性[4]。国际先进的传感设备其技术参数指标更加严格，制造工艺更加精细，补偿工艺更加完善，外观质量更加精美。传感器的准确度、稳定性和可靠性等产品质量指标水平更高[5]。

为了加速产业发展，尽快赶上国际发展步伐，我国已将物联网产业确定为战略性新兴产业。传感器是构成物联网的基础，是整个物联网产业链条需求总量最大和最基础的环节。随着物联网产业推进，对传感技术和设备提出了新的要求[6]。

2 传感器技术在电网中的应用现状

我国计划于2020年前初步建成世界上最大的，具有信息化、自动化、互动化特征的统一的坚强智能电网。智能电网的实现，首先依赖于对电网各个环节运行信息的实时感知，传感器作为“智能信息感知前端”，成为推动智能电网发展的重要技术手段[7]。

在电网中，通过各种传感设备，感知末端信息，实现对电网各个环节的信息感知深度和广度。传感器将渗透到发电、输电、变电、配电、用电等各个环节，在电网建设、生产管理、运行维护、信息采集、安全监控、计量应用和用户交互等方面发挥巨大作用。

目前，传感器已在智能电网得到不同程度的应用，现有的调度自动化系统、输变电状态监测系统、智能变电站、配电自动化、智能用电、物资管理、用电信息采集等，都用到了传感器[8]，如图1。

图1 应用架构图

3 传感器技术在电网应用中面临的问题与分析

传感器测量系统由传感器、信号调理电路、显示或记录仪表、电源等组成，如图2。

依图2分析，在电网环境中，可能对传感器的性能产生影响的主要有以下几个方面[9]：

1)传感器的测量能力：在电网环境中，有强的电磁干扰，传感器能否正常工作是关键。

图2 传感器测量系统

2)转换元件、测量电路、调理电路的信号处理能力：在电网环境中，各模块对测量信号处理并放大输出过程将受电磁干扰影响，测量信号处理能力减弱。

3)各功能模块和模块间电路的抗干扰能力:在电网环境中，各功能模块受各种影响，抗干扰能力降低，工作准确度降低。

4)各功能模块的寿命与工作稳定性：在电网环境中，传感器工作环境特殊不易操作，且一旦发生故障易对安全运行造成影响，因此，对传感器整体寿命与稳定性要求高。

综上分析，在电网环境中，对传感器性能产生影响最常见的是电磁干扰，其次是设备供电、使用环境、设备寿命等问题。这些问题影响了传感器工作的线性度、准确度和稳定性等特性[10]。

3.1 电磁干扰问题

在电网环境中，电磁干扰是对传感器性能影响最大的因素，有必要从电磁干扰的形成、耦合方式、解决方法等对电磁干扰进行深入分析[11]。

3.1.1 电磁干扰的形式

1)传导干扰：沿导体传播的电磁干扰即为传导干扰,一般为高次谐波电源畸变、电压波动、三相电压不平衡、电力线载波影响等。在电网环境中，传导性干扰源有：日光灯、信号线、电源线、转换开关、电力控制器、电晕等。

2)辐射干扰：通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰即为辐射干扰。辐射干扰一般为感应干扰、静电耦合干扰、电磁辐射等。在电网环境中，辐射性干扰源有：谐振发生器、电机、开关电弧、固态开关、电力开关装置、电力线、继电器等。

3.1.2 电磁干扰的耦合方式

各种干扰通过耦合方式进入传感器系统，具体有以下几种耦合方式：1)静电电容耦合，是2个电路间存在寄生电容，干扰信号通过寄生电容耦合；2)电感耦合，是电路间存在互感，干扰信号通过互感耦合；3)共阻抗耦合，是2个电路存在公共阻抗，干扰信号通过公共阻抗耦合；4)漏电流耦合，是绝缘不良，流经绝缘电阻的漏电流引起的干扰[12]。

3.1.3 解决电磁干扰的方法

必须对各种电磁干扰和耦合方式进行研究，增强设备电磁兼容性，提高抗干扰能力[13]。根据电磁干扰的类型和特点，一般采取屏蔽、滤波和接地方法抑制电磁干扰。

1)屏蔽

具体方法有：静电屏蔽是利用接地的金属容器来隔断容器内外电联系的技术；电磁屏蔽是利用涡电流抵消高频干扰磁场的影响，抗高频电磁场干扰的技术；低频磁屏蔽是利用高导磁材料作屏蔽层，将干扰限制在屏蔽体内部的抗低频磁干扰的技术；驱动屏蔽是使屏蔽层与被屏蔽导体电位相同的抗干扰技术[14]。

2)滤波

滤波是在信号通道中，接入与噪声信号频带相应的滤波器，达到抑制干扰的目的。滤波技术是滤除电源干扰的有效措施[15],常用滤波方法有:交流电源进线的对称滤波、直流电源输出的滤波、去耦滤波。

3)接地

接地技术是抑制干扰的一种重要措施，选择合理的接地方式能够有效地抑制干扰[16]，具体方式为：并联单点接地、多点接地和混合接地。

3.2 设备供电问题

在电网中，传感器多工作于无法获得外供电源或因安全原因无法接近的区域，必须采用电池供电，或电池储能、可再生能源供电方式[17]。传感器采用电池供电，节点部署容易，电池寿命短的问题[18]；使用可再生能量的关键技术是如何储存能量，一般有2种技术，一是使用充电电池，电能利用率高但充电效率低，另一种是使用超级电容器，充电效率高但电容器自放电大。

随着传感网技术的发展，传感器和网络层方面取得了很大研究成果，网络节点在数量上增加同时尺寸也相应减少，对于电源的体积、寿命和能量密度要求越来越严格，新的供电技术研究十分关键，除研究长寿命电池外，利用可再生能源，发展无寿命限制的自供电技术成为发展方向[19]。

3.3 使用环境问题

电网覆盖范围广，面对的应用问题多，一般有高温、高湿、低温、高紫外线强度、环境污染等问题，面对这样复杂的环境，对传感器的安全稳定运行提出了严格要求[20]。

以温度而言，传感器工作时其电子器件参数特性易受温度影响，形成数据漂移，产生额外误差，影响电路输出信号测量精度。为避免环境温度影响，在选用传感器时应确保环境温度在其稳定工作范围内，若有必要，可换用对环境温度变化不敏感的传感器，或增加温度补偿等措施来保证测量精度。

3.4 设备寿命问题

随着电子设备在电网大量应用，其可靠性越来越受到关注，它决定了电子设备或系统工作持续时间的长短，因此，可靠性是电子设备的一项重要性指标。在可靠性检验方法中，截尾试验方法、加速寿命试验方法以及基于灰色理论的电子设备寿命预测方法，均可以实现对电子设备可靠性的分析，在实际工作中可以利用这些理论研究并指导实践工作[21]。

传感器属于电子器件，与电网一次设备相比，使用寿命低，故障发生率偏高，严重时将影响正常运行工作。为获得高寿命传感器：首先，在设备选用时，对设备要进行认真甄别筛选，确保设备运行可靠。其次，应认真研究系统运行方式，对重点环节要加强防尘、防潮、防静电等措施，必要时设计设备冗余。最后，妥善设计供电方案，应考虑传感器寿命及故障率影响，满足供电质量要求。

此外，在产品的工艺上，传感器设计应结构紧凑，减少易受干扰环节，提高设备稳定性，采用集成数字化或光学转换器技术的传感器，可直接生成不易受干扰的传输量。

要根据传感器安装环境进行认真研究，选择适合的传感器，并采取适当的保护措施，只有这样才能确保检测准确同时，设备寿命获得延长。

4 结束语

本文重点对电磁干扰、设备供电、使用环境以及设备寿命等进行分别分析，并提出解决办法，对提高传感器的使用稳定性、准确性、安全性等具有重要作用，对于传感器在电网的应用有很大帮助。

由于电力系统的复杂电磁环境，系统中设备的抗干扰尤为重要，但是盲目地提高抗干扰性，势必造成设备成本的增加，对电磁环境进行研究，按照设备的安装位置和传输电磁干扰的设备端口对环境分类，对选择抗干扰性试验和合理改善设备的抗干扰性是十分重要的。

为了更好的发展传感技术，通过对其在电网应用中面临问题的深入研究，进而提出解决办法，可对电网安全稳定运行提供技术支撑。

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