电力微型智能传感器

完成单位：南方电网数字电网研究院有限公司、广西电网有限责任公司、中国南方电网有限责任公司

主要完成人：李鹏、李立浧、田兵、周柯、王志明、樊小鹏、刘仲、尹旭、张佳明、林跃欢

一、研发背景

  为破解能源与环境的世界性难题，我国正在构建以新能源为主体的新型电力系统。海量新能源的冲击将导致电网运行域超越现有设备传感器监测范围，其安全可靠运行面临巨大挑战。全面可观、可测、可控的数字电网技术是应对电力设备安全可靠运行风险的高效手段，高精度、宽频域、宽量程、自取能、成本低、体积小和即贴即用等特性的微型智能传感器是实现电网数字化转型的关键。现有传感器量程、精度、供能、无线传输等难以满足设备运行状态的及时、全面、精准感知需求。

近年来，随着磁电阻传感技术的逐渐成熟及其在磁场测量领域的应用，具有体积小、灵敏度高、低功耗、低成本、温度稳定性好、不受交/直流限制等优点的磁电阻技术为芯片化的微型电流测量提供了新的可行解决方案。基于磁电阻技术的微型电流传感器有望成为实现数字电网基础数据采集的基本装置之一，具有广阔的应用前景。因此，团队从2013年起开展基于磁电阻技术的微型电流传感技术探索与研发。2017年，团队在李立浧院士带领下，以研发适合海量部署的高精度、宽频域、宽量程、自取能、自组网、低功耗、低成本、高可靠、即贴即用等9大特征的电力微型传感器为目标，启动了“微型智能传感器关键技术研究”项目。2019年，针对电力微型传感器的工业化和产业化，承接并开展了电力微型智能传感器等工业部揭榜项目和国资委攻关任务，最终突破了电力微型智能传感器关键技术，实现了产业化推广应用。

二、发明团队介绍

1. 团队成员介绍

电力微型智能传感器由南方电网智能传感团队发明，智能团队由南方电网数字电网研究院、南方电网公司、广西电网公司等单位的骨干成员组成，现有成员共31人，包括中国工程院院士1名、首席技术专家1名、高级技术专家1名、二级专家1名、三级专家1名。智能传感团队负责人为南网数研院田兵博士，李立浧院士、李鹏总经理/首席技术专家担任技术指导，周柯博士、王志明博士等为核心骨干。

李鹏，电力微型智能传感器核心专利第一发明人，博士、首席技术专家，教授级高工、留学归国人才，“广东省特支计划”科技创新领军人才，现担任南方电网数字电网研究院总经理、国际电气和电子工程师协会（IEEE）P2030.6 标准工作组主席，中电联电力微型智能传感标准化技术委员会主任委员，一直工作在科研和生产一线，牵头研制出系列微型智能电力传感器，有力支撑了电力系统的数字化转型。基于多年的科研工作，累计编写国际标准、国家标准、行业标准7项，出版中文著作1部，发表SCI收录论文20余篇，曾获省部级科技进步/技术发明一等奖5项，获得授权发明专利150余项，牵头研发“伏羲”芯片入选2021年央企“十大国之重器”。主持了多项国家 863 项目和国家重点研发计划项目，是南方电网数字电网领域首席技术专家，2020年度获评中国电力科学技术杰出贡献奖。

李立浧，中国工程院院士、电网工程专家、直流输电专家，电力微型智能传感器发明团队总指导，现任中国南方电网公司专家委员会名誉主任委员，2017年提出了透明电网和小微智能传感器的概念，是电力微型智能传感器的提出人和发明人，指导团队开展技术攻关。

田兵，博士，高级工程师，二级技术专家、团队负责人，长期致力于电力微型传感器研究工作，提出了基于磁电阻芯片阵列的即贴即用微型等电位电流测量方法，发明了多测点协同误差平衡的电流信号高精度提取算法，消除了安装位置、偏转角度等不确定性引起的误差；发明了多种宽范围取能调理电路，实现了传感器自供电，累计获得授权发明专利40余项，曾获2019年度南方电网数字电网有限公司“创新之星”、2020年南网数研院个人二等功、中国电子学会技术发明一等奖、中国电力创新奖创新大奖、电力行业设备管理与技术创新特等奖、南方电网公司科技进步一等奖（3项）等奖励。

周柯，博士，教授级高级工程师、南方电网高级技术专家，国家科技进步二等奖、广西壮族自治区科技进步一等奖（排名第 1）获得者。在智能传感与电力芯片、人工智能与数字电网、先进电能质量等领域攻克了多项“卡脖子”技术难题，成果得到国内外多位院士与知名专家的肯定，近年来获得省部级科技进步一等奖 6项、发表论文 12 篇、获授权发明专利 27 项，参与编制各类技术标准 13 项。

王志明，博士，高级工程师，三级技术专家，从事电力微型智能传感器技术研究工作，微型智能电流传感器的主要发明人，主持研发了输电线路多物理量集成传感器等电力微型智能传感器产品，通过了中国机械工业联合会组织的产品和成果鉴定，整体技术达到国际领先水平，现已成功应用于南方电网20余条500kV输电线路，得到了用户的一致好评。

2. 研发团队概况

团队内部设置了技术研发、产品经营、知识产权管理3个工作组。其中，技术研究工作由田兵博士牵头，负责微型传感新材料、新技术、新工艺等技术研究，以及电流、电压、非电气量等测量算法的理论推导、仿真技术研究，并开展工业化应用的电流、电压、局放、非电气量等智能传感器、集中器及发输变配用等物联传感终端研发工作。产品研发和经营工作由周柯博士、王志明博士牵头，负责传开展市场调研、产品宣传推广、应用培训、工程试点应用情况收集、产品升级维护等工作。知识产权管理工作由陈仁泽牵头，负责构建和完善知识产权管理制度，开展知识产权的创造与应用、促进技术成果的转化。

南方电网智能传感团队成立于2018年，聚焦电力微型智能传感器核心技术攻关、产品研发与产业化，致力于构建数字电网输、变、配、储、碳智能传感产品体系，助力电力能源领域数字化转型。成立以来先后承担了2项国家重点研发计划项目，1项工信部揭榜项目、3项国资委关键技术攻关任务、7项南方电网公司重点科技项目，突破了基于磁电阻技术的非侵入式微型电流传感理论与方法，设计了宽频大量程的磁电阻芯片，攻克了宽范围能量调理、宽量程高精度测量、超低时延可靠无线通信和高效集成等关键核心技术，研制出国际首套基于磁电阻技术的全电压等级高精度、自取能粘贴型微型电流传感器，研制出国际首套微型电气量集成传感器、数字输电领域多参数一体化智能集成传感等产品，开创了芯片化、数字化电力传感的新方向。

依托技术攻关成果，团队牵头成立了中电联电力微型智能传感标委会，IEEE PES数字电网技术委员会电力芯片与智能传感分委会、中电联数字电网标准化工作组中电力芯片与智能传感工作组等，并牵头筹建粤港澳大湾区智能传感器产业链，构建了基于物联网技术的数字电网智能传感产品体系，成果先后获得电力科技创新大奖（最高奖）、南方电网公司科技进步一等奖、中国电子学会技术发明一等奖等荣誉。

三、成果（专利）简介

团队已获得以“电力设备的线路电流测量方法、装置及计算机设备”（公布号CN111521859B、专利号ZL202010571659.8）为核心的86件授权专利，其中发明专利59件。

1.核心专利介绍

2017年，项目团队为研发具备高精度、宽量程等9大特征的微型智能电流传感器，在调研国内外电流传感器、磁电阻技术的基础上，在利用磁电阻技术测量磁场（如图 1所示）的基础上，提出了利用磁电阻芯片阵列的微型电流传感器技术路线，可同时满足低功耗、高精度、宽量程、非侵入式、无源无线、即贴即用等特征要求，在不断探索实践的基础上，最终提出了基于四个单轴磁电阻芯片的宽量程、高精度、非侵入式微型电流测量方法，形成了发明专利“电力设备的线路电流测量方法、装置及计算机设备”（ZL202010571659.8），并利用该技术研发了系列电力微型传感器。

图 1 非侵入式电流测量原理

如图 2所示，电力微型电流传感器核心思路是通过磁电阻芯片阵列测量空间磁场，计算导线位置，进而计算电流。

图 2 基于多个单轴磁电阻传感器的宽量程电流测量方法

  专利的第一个核心发明内容：非侵入式、宽范围电流测量方法。将两类磁阻芯片放在同一直线上，其中第一类磁电阻芯片至少3个，它们的磁敏感方向相同；第二类磁电阻芯片至少1个，其磁敏感方向与直线成一定角度。

如图 2所示，在已知芯片间距离l12 、l23 、l34 ，芯片4与直线 l 的夹角β4；单个磁电阻芯片量程A1；芯片 i 的磁场测量值Bi (i=1,2,3,4)。

如图 3所示，当电流小于额定量程时，根据第一类芯片的相对位置，确定芯片与导线的距离和电流大小（式1.1），计算结果与导线和芯片的相对距离无关，即贴即用，并进一步计算电流与所有芯片磁场的比值k。当导线电流超过量程时，可直接利用k值和第二类磁电阻芯片来计算导线电流，最终实现宽范围电流测量。

图 3微型化宽量程电流测量流程图

 （1.1）

核心发明内容二：提升大量程电流测量的抗干扰能力和精度。如图4和图 5所示，在第一个发明内容的基础上，增加一个或多个敏感方向不同的第二类磁电阻芯片，组成第二类传感芯片阵列，利用多组结果平均值减少误差，实现大量程电流抗干扰和高精度测量。

图 4 基于多个单轴磁电阻传感器的宽量程电流测量方法示意图

图 5 大量程电流测量的抗干扰和精度提升方法流程图

核心发明内容三：拓展电流测量量程。如图 6和图 7所示，在前两个核心发明内容的基础上，通过改变第二类磁电阻芯片的角度和距离，可进一步拓展电流测量量程。

图 6 电流测量量程拓展方法示意图

图 7电流测量量程拓展方法流程图

根据上述发明，如所示，团队提出了非侵入式、微型化、自取能、等电位的微型电流传感器技术架构，进一步研发了基于磁电阻芯片阵列的电流传感器，与传统电流互感器相比，无需环绕导线，测量结果与位置和角度无关，具备宽量程、宽频带、高精度、小体积等优点，替代传统穿心式电流互感器，可在所有电压等级上实现电流的即贴即用监测。

2.系列专利布局

本项目围绕全电压微型智能电流传感器系列产品进行专利布局。

核心专利：ZL202010571659.8（电力设备的线路电流测量方法、装置及计算机设备）提供了一种大量程宽范围的非侵入式测量方式，该方法可以在磁传感器的磁感应强度检测范围固定的情况下，检测到更大的实际电流值，进而可以提供更大的测量范围，是产品实现导线、铜排、电缆等全场景覆盖的核心技术。

支撑专利1：ZL202010603273.0（用于微型智能传感器的通信系统、方法和装置）可以使传感器、电力网关与电力物联网服务器之间通信的效率提高、时延降低和较低的功耗，是产品实现低功耗、低延时、可靠通信的重要技术，对产品具有重要支撑作用。

支撑专利2：ZL202010503805.3（电力参数测量方法、系统、装置、计算机设备和存储介质）提供了一种电力参数测量方法，该方法降低了传感器设备的安装难度，与位置无关，提高了电力参数测量结果的准确性，是产品实现即贴即用的重要技术。

支撑专利3：ZL 202110656386.1（电压测量装置、电压测量方法和存储介质）提供了一种非接触式的工频电压测量方法，相较于传统电压互感器，具有非侵入式的特征，可以实现带电安装，与国内外电压测量仪表相比，具有自供电、高精度等优势，是实现微型化电气量集成测量的关键技术。

支撑专利4：ZL202010572804.4（休眠唤醒方法及系统）提供了一种传感器唤醒休眠方法，通过控制充放电电路的充放电的状态，进而实现了灵活控制自身的休眠时间及工作状态，是产品进一步实现低功耗优化的重要技术。

支撑专利5：ZL202010474126.8（传感器直流分量补偿方法、装置和传感器装置）提供了一种可靠直流分量补偿方法，可以适用于任何存在直流分量的器件中，具有较强的适用性。该专利提高了产品抗干扰能力和环境适应性，降低了抗干扰设计的复杂度，保障了测量精度。

支撑专利6：ZL202010626710.0（电流采集设备、安装方法及拆卸方法）提供了一种传感器带电安装拆卸结构，实现了微型电气量集成传感器在传感器本体运行异常时，可进行带电作业，进而可以对已经投运的开关柜进行带电执行安装传感器的作业。

支撑专利7：ZL202110284919.8（电流传感器、电流测量设备、系统、装置和存储介质）提供了一种双轴TMR芯片的电流测量方式，是产品实现芯片化、微型化的重要技术。

支撑专利8：ZL202111126808.0（电流传感器、电流测量装置、方法和存储介质）提供了一种基于TMR芯片测量电流方法的零漂矫正方法，提高了产品测量精度。

支撑专利9：ZL202011129776.5（开关电路、供电设备和电器设备）提供了一种高效取能电路，实现了自动调整取能大小的效果，可以保持负载供电的稳定性，有利于提高能量的利用率，是产品实现自取电的重要技术。

支撑专利10：ZL202030267964.9（智能电流传感器（微型））是智能电流传感器的外观设计，可用于测量多种型号电力线中的电流，是满足智能电流传感器核心技术使用设计的产品形状。

综上，核心专利与10项基础支撑专利组合有力为电力微型智能传感器系列产品（微型智能电流传感器、微型电气量集成传感器、多物理量集成传感器）提供知识产权保护。

3.专利转化成果

团队基于该专利研发了系列电力微型智能传感器，包括微型智能电流传感器（卡扣式、抱箍式、保护用等）、微型电气量集成传感器、输电多物理量集成传感器等，并基于共性技术研发了无线温度传感器等环境量传感器、局放传感器等。

（1）微型智能电流传感器

微型智能电流传感器是一种基于TMR（隧道磁阻技术）的非侵入式微型电流测量装置，并结合低功耗、智能电源管理策略设计的技术，可实现对一次设备电流值的高精度监测，适用于监测/保护/计量电流的即贴即用量测，可替换传统大型电流互感器。

相较于传统电流互感器，微型智能电流传感器具备体积小、精度高、线性范围大、频响范围宽、可测量交直流电流、可实现无线通信和就地计算、可实现非停电安装和空中升级、造价和运维成本低等诸多优点。微型智能电流传感器可在电网发、输、配、变、用等环节替代传统电流互感器，在成本上降低了1个数量级，在体积上降低了2~3个数量级。

（2）微型电气量集成传感器

微型智能电气量集成传感器采用高频场感应测量原理实现电压、电流集成测量，可满足500V以下低压线路的非接触式电流、电压、频率、相位、有功和无功测量需求，适用于智能变电站、智能配电房及户外低压线路的电气量监测。

（3）输电线路多物理量集成传感器

输电线路非电气量集成传感器（多物理量集成传感器，极目T）是一种用于输电线路导线、环境和通道实时全景智能监测的综合在线监测装备，模块化集成了输电线路通道可视化、导线电流/舞动/温度/弧垂测量、环境温湿度/气压/海拔测量、自供电、无线通信、故障录波、山火和外破等异常智能识别告警等功能，已接入南方电网全域物联网平台和输电运行支持系统。

（4）产品创新点

1）研制出世界首套非侵入式、自取能、芯片化全电气量电力微型传感器，实现了导体电流电压的宽量程、功耗低、小体积、即贴即用测量，首创厘米级芯片化电力微型传感器替代十米级传统互感器，推动了电力传感技术升级换代。

  2）突破了宽频大量程电力传感芯片的电/磁场测量原理。建立了隧穿磁阻和压电压阻复合结构理论分析模型，发明了基于nm级多层薄膜结构的磁阻传感芯片和基于压电压阻耦合效应的微型化电场传感器件，实现了系列宽频大量程磁场（0.1mT~0.2T，DC~10MHz）与电场（0.4kV~15kV/cm，DC~100 kHz）传感芯片自主设计和全流程国产化。

  3）攻克了电力微型传感能量管理与能效优化技术。发明了基于空间交变强磁场的高效能量收集方法和光耦自动控制的μW~W级宽范围取能调理电路，提出了nW级功耗休眠唤醒方法和取能用能自适应机制，突破了传统电力传感器的能效瓶颈，推动了微型传感器自供电技术发展。

  4）研发了电力传感低功耗低时延可靠无线通信技术。发明了百μW级高精度无线对时技术，研发了适用保护信号传输的多模微秒级时延低功耗可靠无线通信技术，构建了低功耗低时延的电力物联传感网络，推动了能源电力行业数字化转型。

  5）突破了强电磁环境中芯片化等电位电力微型传感器设计与制备。首创有限数量磁/电场芯片阵列精确反演三维空间中导体电流/电压的方法，发明了多导体多测点协同误差平衡的高精度信号提取技术，研制了基于传感芯片阵列的自取能全电气量电力微型传感器，实现了强电磁环境中宽频域（DC~10MHz/DC~100 kHz）、高精度非侵入式电流和电压测量，开创了芯片化等电位电力微型传感技术的新方向。

四、经济效益与社会效益

1.推广应用情况

  （1）在保障传感器技术先进性的同时大幅降低造价成本

团队研制的微型智能电流传感器采用磁电阻芯片技术，在南方电网传感终端物资框架采购中，体积最小，性能最优，共有26项技术指标为正偏差。在保证传感器性能指标的前提下，优化传感器工业化设计和成本造价，相较于前代传感器成本下降50%，以530元的报价远低于1455元的平均报价，在成本和技术上具有较强的竞争优势。

  （2）满足智能电网典型设计规范并多次中标框采

微型智能电流传感器是南方电网智能配电房典型设计中最重要的传感器之一，团队研制的微型智能电流传感器完全满足典设要求，并已通过第三方检测，获得南方电网智能配电房典型设计3.0传感器框架采购资格，上架南网商城，全面量产并批量供货应用，为传感器在数字电网领域、智慧能源领域，乃至数字中国的基础性设施部署和建设打好了基础。

  （3）由点及面开展传感器在电网中的示范和规模化推广

微型智能电流传感器已成为智能配电房及台区的必备元件，已成功上架网上商城全面推广销售，先后在广州等粤港大湾区、上海、海南、北京、云南、贵州、四川、青海、吉林等地实现了工程化应用，覆盖南方电网、国家电网、发电企业以及轨道交通、电动汽车等领域。截止目前，电力微型智能传感器及依托核心技术的成果已规模化应用16万余套。

2.经济效益

  依托专利成果形成的经济效益包含产品销售和技术服务两部分。两部分合计2019年涉及销售额为18653.63万元，2020年涉及销售额为19943.24万元，2021 年涉及销售额为27824.02万元，共计66420.89万元，证明件附件4。

（1）产品销售

申报单位自2019年6月起销售“非侵入式微型电气量传感器+智能配电网关”和“多物理量集成传感器”的解决方案(包.含MCS-10-ST-2000、MCS-10-RI- -2000、NKY-CT-1000、 CSG-MP-500等传感器产品)，产品均为该项目成果，经济效益全部计入该项目中。2019年~2021 年累计销售5.94亿元。

（2）技术服务

申报单位利用该项目的成果技术，承接传感器研发项目，提供系统平台服务，形成的技术服务收入计入本项目经济效益，2019年~2021 年涉及技术服务金额累计超7000万元。

3.社会效益

（1）构建了“产学研用”创新联合体，攻克了电力高端传感器“卡脖子”关键技术

“十三五”国家科技创新发展战略提出，重点加强极低功耗芯片、新型传感器等技术与器件的研发，开展物联网系统架构等基础理论研究和工业传感器集成应用等技术攻关。团队在国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目支持下，突破了电力微型智能传感器的“卡脖子”关键技术，构建了覆盖电流、电压测量方法、电力传感芯片、多参数集成传感装置研发和规模化应用等方面的自主知识产权池。

团队联合了清华大学、西安交通大学、空天院等开展磁电阻芯片国产化和电流传感技术攻关，联合南方电网公司、珠海一多监测科技有限公司等开展了装置批量生产和推广应用，构建了“产学研用”创新联合体，实现了电力微型智能传感器的产业化，引领和带动了电力工业传感技术的进步。

（2）有力支撑了数字电网建设，助力电力行业践行数字中国国家战略

项目构建了微型智能传感器、智能网关、全域物联网平台等物联传感网络，开发了智能配电运行支持系统、输电多物理量集成在线监测系统等应用，打通了从终端接入到应用的全业务链条，实现了输电线路、配电网等运行状态实时监控和故障预警，提升了电网运行管理水平，为数字电网建设提供了技术和装备支撑，推动了电力行业践行数字中国国家战略。

（3）构建微型传感体系，助力“双碳”目标实现

项目团队基于电力微型智能传感器的研究成果，持续研发微型电压传感器、电气量集成传感器、多物理量集成传感器等微型化、低功耗、自取能的系列智能传感器，构建覆盖多领域的微型传感产品体系，并依托电力行业微型智能传感器技术标准化委员会，开展微型智能传感器系列标准体系建设。

在“碳达峰、碳中和”目标的引领下，深度减排（减碳）将成为数字能源、智慧交通和智能制造等领域的重要工作，低功耗、自取能、无线通信等特点的微型传感器将作为核心基础元件支撑实现信息化低碳发展，助力国家“双碳”目标的实现。