特约主编寄语 | “电力传感技术及应用”专栏

主编寄语

     在国家“3060”双碳目标的驱动下，加快推进能源革命与数字化转型，构建以新能源为主体的新型电力系统已成为行业共识与能源互联网发展方向。与传统电网相比，能源互联网在电源构成、负荷类型、信息传输等各个方面均呈现出显著的多样性，为实现能源互联网，除了构建灵活、稳定、安全的基础网络，还需要实现各种参量的实时测量反馈与动态调整，迫切需要通过传感量测新机理、新技术提供全景信息支撑，以实现电网在复杂网络互联条件下的稳定运行。

为展示该领域的研究进展和发展趋势，共享最新学术和技术成果，《中国电力》组织策划了“电力传感技术及应用”专栏，2021年第2期已刊出第1批7篇文章，本期刊出后续8篇文章。
在传感材料与器件方面，柴彬等人研究了面向电力设备检测与诊断的压电材料和器件，指出在智能电力系统建设中各类压电器件所面临的频率匹配、环境适应性和集成化等方面的挑战与发展趋势。在电力设备状态检测与诊断方法方面，夏小飞等人提出了基于相空间重构与改进GSA-SVM的高压断路器机械故障诊断方法，解决了现有诊断方法的路径扭曲、能量泄露和模态混叠等问题；张武能等人对输电铁塔螺栓连接结构健康监测技术进展与展望进行了综述，同时，利用非线性声弹性效应，建立了输电铁塔螺栓的有限元模型，提出了一种基于多物理场耦合的数值迭代算法；郁琦琛等人提出了基于广义回归神经网络和接收信号幅值强度指纹图的特高频局部放电定位方法，解决了传统方法定位精度低、成本高的缺点；闫帅等人提出了基于特高频无线智能传感阵列的敞开式变电站局部放电定位方法，降低了装置成本、改善了使用便捷性；曹培等人提出了基于多源感知的开关柜绝缘缺陷检测技术，基于自适应模糊神经网络并融合温升与局部放电两种信息源，构建了一种面向开关柜内电缆终端绝缘缺陷检测的红外和紫外光电传感同步采集装置；黄雪莜等人提出了一种基于残差卷积神经网络的开关柜局部放电模式识别方法，提升了模型的泛化性能和工程适用性。在传感装置设计方面，张成等人设计了一种新型电缆多参量带电检测装置，实现了电缆局部放电、红外测温、接地电流及负荷电流等多种状态量的检测，提高了电力电缆带电检测效率和应用水平；张敏等人结合配电房环境监控和运维管理需求，设计了一款能实时监测多种气体浓度和温湿度的多功能传感器。在传感器能量收集方面，李春龙等人综述了环境能量收集技术在电力领域的应用现状以及温差、振动等新型能量收集技术的特点，提出了取能方式多样化、取能器件小型化和取能传感一体化等发展方向；魏建国等人提出用于小尺寸激光光伏转换器金属栅格结构优化设计的数值仿真方法，创建了光伏转换器的混合准三维模型，仿真了不同照明模式下基础层厚度和金属栅格结构对光电转换效率的影响；范世全等人提出了一种具有压电能量源极性判定的高效改进型单脉冲序列可配置能量收集接口电路芯片，避免了压电能量源内部电容上存储的电荷被内部电流源过零后中和而造成的能量损失；聂晴晴等人研究了宽频带范围下磁场能量收集的匹配网络，提出了双级谐振-带通滤波网络，提高了取能模块的功率密度。
本专栏希望通过广大科研工作者对最新研究进展、实践经验和未来方向的共同研讨，促进电力传感技术及应用研究的深入和进步。衷心感谢有关专家学者对本专栏的大力支持！感谢《中国电力》编辑部在本专栏的策划和出版过程中所给予的大力支持！

特约主编

郭经红，博士，教授级高级工程师，现任全球能源互联网研究院电力传感技术研究所所长。2000年毕业于东南大学无线电工程系，曾以访问学者身份访问澳大利亚悉尼大学。国网公司专业领军人才、江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科学技术带头人。全国电力系统管理及其信息交换标准化技术委员会（SAC/TC82）委员及电力通信工作组副组长；IEEE Photonics Society Nanjing Chapter委员；中国电机工程学会电力通信专业委员会委员、学术工作组副组长及业务支撑网学组副组长;中国光学工程学会光纤传感技术专家工作委员会暨中国光纤传感技术及产业创新联盟副主席委员。作为项目负责人主持或作为主要完成人参加了30余项国家/公司科技项目，合著专著4部，获发明专利授权21项，发表论文60多篇。研究成果获中国电力科学技术二等奖1项、三等奖2项，中国光学工程学会创新技术二等奖1项，电力行业信息化优秀成果一等奖1项，国家电网公司科技进步一等奖3项、二等奖1项、三等奖3项等。

江秀臣，上海交通大学教授，现任上海交通大学信息技术与电气工程研究院副院长；国家能源智能电网（上海）研发中心主任；教育部能源与交通学部学部委员，教育部新世纪人才。国家科技部能源领域专家，智能电网重点专项专家，国家可再生能源专家咨询委员会委员。中国电机工程学会名誉理事。承担国家自然科学基金、973、863等国家项目十余项，发表论文一百多篇，获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步（发明）一等奖4项，科技成果转化5项。主要研究方向：电力设备故障预警与定位、电力设备领域的人工智能与大数据。

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01

摘要：随着中国智能电网建设不断推进及电网规模的扩大，以压电材料为核心的传感器和能量采集器在电力系统在线监测、故障检修、无线传感器网络等方面扮演着越来越重要的角色。从电力检测和传感器自取能出发，回顾近年来基于压电效应的电压电场传感器、声检测和环境能量采集装置的研究进展并介绍了压电陶瓷、压电驻极体、压电复合材料等传统和新兴的压电材料。在现有研究基础上，指出在智能电力系统建设中各类压电器件所面临的挑战，包括频率匹配、环境适应性和集成化等，需要新的微纳加工技术、探索压电效应与其他物理效应耦合、设计新型压电材料和能量收集电路来助力新型压电器件的实际应用。

02

摘要：绝缘故障在电气设备故障中占很大比例，在缺陷潜伏阶段将其检测并消除是防止故障发生的重要策略。绝缘缺陷通常伴随温升或局部放电现象，因此可将其作为判断设备绝缘状态的重要依据。红外光电传感器可检测设备的温度，紫外光电传感器可检测设备局放产生的紫外脉冲信号。以开关柜内电缆终端缺陷为例，构建了一个红外和紫外光电传感同步采集装置，基于自适应模糊神经网络，探索了一种融合了温升与局部放电2种信息源的智能检测手段。试验结果表明，相比于单传感器下的信息检测，基于多源感知的诊断算法，对设备缺陷诊断的准确性得到了显著提高。该检测技术为开关柜绝缘缺陷的识别和诊断提供了新的研究思路。

03

摘要：针对压电能量源，提出了一种具有压电能量源极性判定的高效改进型单脉冲序列可配置能量收集接口电路芯片。该芯片通过采用同步电容开关接口电路，实现了在压电能量源内部电流源过零时的电荷再分享，将压电能量源内部电容上的电荷转移至外部电容，再通过开关控制，实现外部电容上的电荷翻转，最后将翻转后的电荷输送回压电能量源内部电容。该方法避免了压电能量源内部电容上存储的电荷被内部电流源过零后中和而造成的能量损失，实现了较高的能量俘获效率。通过采用0.18 μm标准CMOS工艺完成电路和版图设计，芯片版图有效面积仅需0.06 mm²。仿真结果显示：在压电能量源开路电压为2.8 V时，能够实现最高81.8%的电压翻转效率，与标准的全桥整流结构压电接口电路相比较，所提出的结构在能量俘获能力方面实现了最大8.1倍的提升。

04

摘要：磁场能量收集技术是电磁环境中分布式传感器实现自供能的有效手段。与工频磁场和射频磁场等单一频率的磁场环境不同，电力变换器中的磁场分布具有宽频率范围特性。为了提高取能模块的功率密度，应尽可能多地在有限体积内收集能量，提出通过采用双级谐振-带通滤波网络。与此同时，基于相同取能线圈，充分对比了不同电流和负载特性下，单级谐振网络和双级谐振-带通网络的输出特性，归纳出双级谐振-带通网络的适用范围。

05

摘要：针对目前电缆带电检测技术操作复杂、测试难度高、检测设备类型多、检测人员技术水平要求高的问题，设计一种新型电缆多参量带电检测装置，通过配置不同类型的传感装置，实现电缆局部放电、红外测温、接地电流及负荷电流等多种状态量的检测；并将不同的传感装置进行模块化设计，方便现场检测；同时装置具有无线通信传输、人机交互、数据存储等功能，与平台互联互通后，可实现平台检测任务下达、检测数据回传、数据分析及异常诊断等应用，从而降低了对检测人员技术水平的要求，满足物联网模式下电缆智能巡检需求。通过现场实际应用，该装置能够有效提高电力电缆带电检测效率、提升电力电缆带电检测应用水平，同时可节省约2/3的现场作业人员，具有广泛的实用和推广价值。

06

摘要：基于发展输电铁塔螺栓结构健康监测技术的现实需求，利用非线性声弹性效应，建立了输电铁塔螺栓的有限元模型，并发展了一种基于多物理场耦合的数值迭代算法。首先，考虑输电铁塔螺栓的几何构形特征，建立了预紧力作用下螺栓结构的轴对称二维有限元模型，并考虑预紧力作用下超声纵波的非线性声弹性效应，采用考虑三阶声弹性效应的默纳汉超弹性材料，实现螺栓结构的应力-应变场和声场的耦合求解分析，并进行了试验验证。计算结果表明：预紧力和夹持长度对螺栓结构内部的应力场分布状态有着显著的影响，同时预紧力导致的波速变化和螺栓形变对超声纵波的渡越时间有着双重影响。所建模型和分析方法为基于非线性声弹性效应的螺栓预紧力测量技术提供了数值模拟分析平台，可为相关试验研究和仪器研制工作提供技术指导。

07

摘要：光纤激光供电技术是实现高压电气设备监测传感器节点能量供应的重要手段。激光光伏转换器前端接触金属栅格结构的优化设计对光纤激光供电技术的改进和应用至关重要。提出了用于小尺寸激光光伏转换器金属栅格结构优化设计的数值仿真方法。该仿真模型是基于开源Solcore Python库构建的，可以按3个步骤创建光伏转换器的混合准三维模型。基于砷化镓（GaAs）材料单结光伏转换器的不同层结构，仿真研究了不同照明模式下基础层厚度和金属栅格结构对光电转换效率的影响。结果表明：使用该模型可以对金属栅格结构进行优化设计，获得仿真模块在不同层结构配置和照明模式下的最优光电转换效率。该仿真模型和优化结果可用于指导激光光伏转换器的研制。

08

摘要：断路器机械部件传动、撞击产生的振动信号具有混沌特性，运用常规的信号处理方法很难分析其特性。首先采用互信息法和Cao算法将振动信号重构至高维空间后，计算其排列熵作为特征向量，输入支持向量机对断路器机械故障类型进行诊断，最后用粒子群算法（PSO）改进的万有引力搜索算法（GSA）混合算法优化支持向量机参数，利用断路器实测振动信号进行验证。结果表明：相空间重构与排列熵结合能够准确提取断路器振动信号的特征，采用PSO-GSA改进的支持向量机能快速有效分辨断路器故障类型，解决了现有诊断方法的路径扭曲、能量泄露和模态混叠等问题。

 往期回顾 

编辑：杨彪

审核：方彤

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