新型電力系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷傳感芯片關(guān)鍵技術(shù)與展望

秦潘昊，陳威宇，胡秦然，杜 力，吳在軍，楊生哲

（1.東南大學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇省南京市 210096；2.南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省南京市 210023）

0 引言

電力設(shè)備是構(gòu)成電力系統(tǒng)的基本元件，其可靠平穩(wěn)運(yùn)行是系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的根本保證。利用傳感技術(shù)感知電力關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷（condition monitoring and diagnosis，CMD），是預(yù)防和發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常和故障的重要手段。為了全面推進(jìn)能源革命，構(gòu)建新型能源體系，推動(dòng)能源高質(zhì)量發(fā)展，踐行中國(guó)“雙碳”目標(biāo)，需構(gòu)建以安全高效、清潔低碳、柔性靈活、智慧融合為基本特征的新型電力系統(tǒng)［1］。然而，隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，系統(tǒng)電壓等級(jí)不斷升高，電壓波動(dòng)愈發(fā)劇烈［2-3］，高頻次、高強(qiáng)度的電壓沖擊影響關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行可靠性；新能源并網(wǎng)比例大幅提升，越來越多的新能源發(fā)電機(jī)組通過電力電子設(shè)備并網(wǎng)，加劇了電力系統(tǒng)中諧波成分的復(fù)雜程度［4］，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣加速老化、關(guān)鍵設(shè)備過熱，甚至縮短關(guān)鍵設(shè)備壽命［5］。以上問題使得電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，亟需能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力關(guān)鍵設(shè)備實(shí)時(shí)全面狀態(tài)監(jiān)測(cè)和及時(shí)準(zhǔn)確故障診斷的技術(shù)手段，以保證新型電力系統(tǒng)中電力關(guān)鍵設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，傳感芯片為解決電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 弊端提供了技術(shù)途徑。

目前，電力系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的CMD 技術(shù)主要存在以下弊端:

1）離線檢測(cè)仍是主要手段。離線檢測(cè)是指在設(shè)備脫離正常帶電運(yùn)行狀態(tài)的停機(jī)狀態(tài)下以人工試驗(yàn)等方式進(jìn)行檢測(cè)。離線檢測(cè)檢修成本高、檢測(cè)間隔周期長(zhǎng)，且難以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，該方法對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性提升較為有限。

2）部分關(guān)鍵設(shè)備CMD 僅將單一參數(shù)作為主要指標(biāo)，難以反映設(shè)備真實(shí)運(yùn)行狀況。在設(shè)備異常運(yùn)行與故障發(fā)生時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諸如溫升、振動(dòng)、噪聲和異常放電等多種異常情況。不同的異常運(yùn)行狀態(tài)有可能會(huì)表現(xiàn)出相似的外部特征。因此，選取單一運(yùn)行參數(shù)作為設(shè)備CMD 指標(biāo)往往會(huì)出現(xiàn)漏判、誤判情況，增加運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與運(yùn)維成本。

3）CMD 數(shù)據(jù)分析效率和挖掘程度低。雖然CMD 數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯集和分析方式能夠全面了解區(qū)域電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，但龐大的數(shù)據(jù)體量將增加分析運(yùn)維的難度。設(shè)備故障往往不是一蹴而就，故障前的運(yùn)行狀態(tài)可以一定程度上反映將要發(fā)生的故障。目前，對(duì)海量設(shè)備CMD 數(shù)據(jù)的集中分析無法充分挖掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。

面向新型電力系統(tǒng)的設(shè)備CMD 傳感芯片是指集成多種傳感元件，具有信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析、信息傳輸功能的一體化電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 終端，能夠?qū)﹄娏﹃P(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)全面的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和及時(shí)準(zhǔn)確的故障診斷，具有小型化、模塊化、高精度、低成本、低功耗的特征。一方面，對(duì)于不同CMD 場(chǎng)景，傳感芯片可以按需集成相應(yīng)的傳感模塊，實(shí)時(shí)在線地采集電力關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)，助力新型電力系統(tǒng)的安全高效建設(shè)；另一方面，傳感芯片利用計(jì)算模塊本地預(yù)分析傳感采集數(shù)據(jù)，利用分布式計(jì)算減輕數(shù)據(jù)終端壓力，深度挖掘電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，推動(dòng)新型電力系統(tǒng)智慧融合建設(shè)。

本文首先從定義、特征以及結(jié)構(gòu)3 個(gè)方面介紹傳感芯片的概念；接著，綜述了傳感芯片所包含的傳感采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析以及信息傳輸4 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)模塊的發(fā)展現(xiàn)狀；然后，分析了由新型電力系統(tǒng)中極端工況和監(jiān)測(cè)場(chǎng)景拓展為設(shè)備CMD 傳感芯片關(guān)鍵技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)；最后，展望了電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 傳感芯片的研究方向。

1 電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 傳感芯片概念

1.1 定義

傳感器是以特定精確度把被測(cè)物理參量按規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或其他形式信號(hào)的器件或裝置。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，傳感芯片僅是傳感器微型化、集成化的產(chǎn)物。它具備集成或外接多種敏感元件的能力，內(nèi)置轉(zhuǎn)換元件，是將電力設(shè)備上的聲、光、電、力、化學(xué)等參量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的重要器件［6-8］。

在新型電力系統(tǒng)中，由于更為復(fù)雜的工作環(huán)境和應(yīng)用需求的出現(xiàn)，傳感芯片將不再局限于微型化傳感器。隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步和感算一體、感存算一體等技術(shù)的發(fā)展［8］，以傳感功能模塊為核心，結(jié)合前端敏感元件與后端數(shù)據(jù)分析模塊和信息傳輸模 塊，通 過SoC（system on chip）、SiP（system in package）等封裝技術(shù)進(jìn)行整合，傳感芯片將成為一體化電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 終端。這種演變將為電力關(guān)鍵設(shè)備提供更為智能、高效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷，適應(yīng)新型電力系統(tǒng)安全高效、智慧融合的建設(shè)要求。

1.2 特征

電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 傳感芯片適應(yīng)于新型電力系統(tǒng)安全高效、清潔低碳、柔性靈活、智慧融合的基本要求，具有以下特征:

1）高精度。傳感芯片需要具備靈敏反映關(guān)鍵設(shè)備相關(guān)參數(shù)指標(biāo)變化的能力。

2）小型化。通過集成電路工藝實(shí)現(xiàn)集成化和小型化，便于傳感芯片在關(guān)鍵設(shè)備上的部署安裝，不占用過多空間或改變?cè)O(shè)備原有結(jié)構(gòu)。

3）低功耗。低功耗是傳感芯片大范圍部署、長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的前提。

4）低成本。按需定制和批量生產(chǎn)可降低成本，支持傳感芯片的大面積部署應(yīng)用。

5）模塊化。傳感芯片具有豐富的接口，以連接前后端各模塊，從而構(gòu)建關(guān)鍵設(shè)備CMD 一體化終端［8-10］。

1.3 結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，面向新型電力系統(tǒng)的設(shè)備CMD 傳感芯片主體結(jié)構(gòu)由傳感采集模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成。各模塊均由電源管理模塊供電，電能可來自電池或自取能器件。

圖1 CMD 傳感芯片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of CMD sensor chip structure

1）傳感采集模塊:負(fù)責(zé)采集電力設(shè)備的CMD參數(shù)，如電壓、電流、溫度、振動(dòng)等。該模塊主要由面向電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 場(chǎng)景的敏感元件組成，將采集到的參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以便處理和分析。

2）信號(hào)處理模塊:負(fù)責(zé)對(duì)傳感采集模塊采集到的信號(hào)進(jìn)行處理和調(diào)制，如濾波、放大、補(bǔ)償?shù)?，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該模塊通常由接口電路、模擬信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字信號(hào)處理電路等組成，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、抑制干擾和噪聲以便數(shù)據(jù)分析和通信。

3）數(shù)據(jù)分析模塊:數(shù)據(jù)分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如數(shù)據(jù)挖掘、模型推理、預(yù)測(cè)分析、計(jì)算執(zhí)行等。通過集成邊緣端處理計(jì)算芯片，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等技術(shù)，對(duì)接收自信號(hào)處理模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的分析和處理，以支持新型電力系統(tǒng)的智能化管理和運(yùn)行優(yōu)化。

4）數(shù)據(jù)通信模塊:負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器或其他終端設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和協(xié)同處理。該模塊通常由通信芯片、網(wǎng)絡(luò)接口電路和協(xié)議棧等組成，兼容實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議和方式，滿足不同的通信需求。

2 電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 傳感芯片技術(shù)現(xiàn)狀

本章將從傳感采集技術(shù)、傳感信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及信息傳輸技術(shù)4 個(gè)方面，對(duì)電力關(guān)鍵設(shè)備傳感芯片技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

2.1 傳感采集技術(shù)

表1 歸納了目前應(yīng)用于電力關(guān)鍵設(shè)備的CMD場(chǎng)景及技術(shù)。傳感采集技術(shù)在電力關(guān)鍵設(shè)備CMD中得到廣泛應(yīng)用。各類型傳感器在電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 中應(yīng)用場(chǎng)景各異。

表1 電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 技術(shù)現(xiàn)狀Table 1 State-of-the-art CMD technology for key power equipment

本節(jié)根據(jù)傳感器信號(hào)載體，將傳感采集模塊相關(guān)技術(shù)分為電效應(yīng)傳感技術(shù)與光纖傳感技術(shù)，表2對(duì)兩種傳感采集技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

表2 傳感采集技術(shù)分類Table 2 Classification of sensor acquisition technology

2.1.1 電效應(yīng)傳感技術(shù)

電效應(yīng)傳感技術(shù)的基本原理是通過不同電物理/化學(xué)效應(yīng)，如電磁效應(yīng)、壓電效應(yīng)、光電效應(yīng)，將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而進(jìn)行量化測(cè)量［11-14］。

按工作原理劃分，基于電效應(yīng)的傳感器主要有:1）電阻式傳感器［12］，包含電位器式電阻傳感器和應(yīng)變片式電阻傳感器；2）電容式傳感器，具有低成本、響應(yīng)快、非侵入式、無輻射等特點(diǎn)［13］，根據(jù)工作原理可以分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型；3）電感式傳感器，可以分為自感式傳感器、變壓式傳感器、渦流式傳感器和壓磁式傳感器；4）壓電式傳感器，基于壓電效應(yīng)，將受力后產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)化為與外力成正比的電量輸出［14］；5）熱電式傳感器，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動(dòng)勢(shì)等變化進(jìn)行測(cè)量，如熱電偶、溫敏電阻等；6）電化學(xué)傳感器，通過與被測(cè)介質(zhì)中的氣體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)，主要分為2 電極和3 電極2 種類型［14］。

電磁信號(hào)傳感器在電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 的應(yīng)用場(chǎng)景主要有溫度監(jiān)測(cè)、局部放電檢測(cè)等［15］。

根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，常用的傳感器有溫敏電阻、熱電偶等。溫敏電阻的阻值隨溫度變化，分為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)溫敏電阻，同屬半導(dǎo)體器件。溫敏電阻因高靈敏度、寬工作范圍以及小體積常應(yīng)用于變壓器溫度監(jiān)測(cè)［16］。嵌入式溫敏電阻配合電刷可用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組和磁極的溫升監(jiān)測(cè)［16］。熱電偶通過將溫度差轉(zhuǎn)化為電勢(shì)差，實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)監(jiān)測(cè)，無需外加電源。熱電偶常作為分布式溫度傳感器監(jiān)測(cè)架空線和電纜的運(yùn)行溫度［17-18］，評(píng)估載流情況并依據(jù)Arrhenius 方程進(jìn)行絕緣老化評(píng)估［19］。

常用于局部放電檢測(cè)的傳感器有超高頻傳感器、高頻電流互感器以及暫態(tài)對(duì)地電壓傳感器等。超高頻傳感器通過檢測(cè)由局部放電產(chǎn)生的高頻電磁波（0.3～3.0 GHz）定位局部放電發(fā)生位置，具有抗電磁干擾的特點(diǎn)［20］。利用夾具可將高頻電流互感器固定在高壓電纜上，通過感應(yīng)線圈檢測(cè)局部放電發(fā)生時(shí)在導(dǎo)體中流過的高頻電流信號(hào)［21-23］。高頻電流互感器可進(jìn)行非侵入式量測(cè)，克服嵌入式超高頻傳感器在電纜局部放電故障檢測(cè)時(shí)對(duì)電纜本身電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響的弊端。暫態(tài)對(duì)地電壓傳感器通常安裝在高壓設(shè)備接地點(diǎn)附近的設(shè)備表面，通過感應(yīng)局部放電故障在設(shè)備表面與地面之間產(chǎn)生的高頻電磁信號(hào)來診斷不同局部放電類型［24-25］。

2.1.2 光纖傳感技術(shù)

光纖不僅是現(xiàn)代信息社會(huì)光纖通信的基石，在電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 技術(shù)中光纖傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用。光纖傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、傳輸損耗低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備耐腐蝕性和抗電磁干擾能力［26］。由于光波在光纖中傳播的特征參量會(huì)受外界因素的影響而發(fā)生變化，利用光纖傳感器能分析探測(cè)影響光波傳輸?shù)耐饨缥锢?、化學(xué)和生物的變化［27］。光纖傳感器由光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測(cè)器以及解調(diào)制器等組成。按照光纖功能，可將光纖傳感器分為功能型和非功能型。前者將光纖作為敏感元件，光在光纖內(nèi)受外界被測(cè)因素調(diào)制；后者的光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，光在其他敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制［28］。

光纖傳感器在電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括分布式溫度監(jiān)測(cè)、氣體監(jiān)測(cè)以及異常振動(dòng)及局部放電檢測(cè)等。

分布式光纖溫度傳感器可用于變壓器內(nèi)部溫升監(jiān)測(cè)，以及架空線、電纜溫度監(jiān)測(cè)等，實(shí)時(shí)反映這些設(shè)備關(guān)鍵部件的溫升，并具備耐受電磁強(qiáng)干擾的能力［29］。光纖分布式溫度傳感器可以分成兩類:布拉格光柵光纖溫度傳感器［30-32］和散射光譜光纖溫度傳感器。散射光譜傳感器主要包含瑞利散射［33-35］、布里淵頻移［36-38］以及拉曼散射3 種類型［39-42］。

光纖氣體傳感器廣泛應(yīng)用于油浸式變壓器的溶解氣體分析（dissolved gas analysis，DGA）和SF6空氣斷路器的氣體成分分析等。這類傳感器主要監(jiān)測(cè)氣體成分、濃度以及產(chǎn)生速率，通過這些參數(shù)可以評(píng)估設(shè)備的故障類型和程度，例如局部放電、火花、電弧以及過熱等。光纖氣體傳感器主要包括布拉格光柵光纖氣體傳感器［41］、紅外吸收光譜光纖氣體傳感器［43-44］以及拉曼光譜光纖氣體傳感器［45-48］。

異常振動(dòng)信號(hào)和局部放電產(chǎn)生的超聲信號(hào)屬于機(jī)械波，因而可以使用同類光纖傳感器監(jiān)測(cè)和診斷變壓器中電磁力引起的繞組振動(dòng)、磁滯伸縮引起的硅鋼片振動(dòng)以及各類設(shè)備中的局部放電故障［49］。這類光纖傳感器主要包括布拉格光柵振動(dòng)超聲傳感器［50-52］和光干涉振動(dòng)超聲傳感器。其中，光干涉振動(dòng) 超 聲 傳 感 器 包 括Mach-Zehnder 干 涉 儀 類［53-55］、Michelson 干 涉 儀 類［56-57］、Sagnac 干 涉 儀（Sagnac interferometer，SI）類［58-60］以 及Fabry-Perot 干 涉儀類［61-63］。

2.2 傳感信號(hào)處理技術(shù)

2.2.1 信號(hào)調(diào)理

信號(hào)調(diào)理技術(shù)用于改善傳感信號(hào)質(zhì)量從而提高關(guān)鍵設(shè)備CMD 精度和靈敏度，通過改善信號(hào)的特性，如減少噪聲、提高信噪比、改變頻率響應(yīng)以及補(bǔ)償溫度漂移等，降低后端模塊處理分析信號(hào)數(shù)據(jù)的難度。其主要包括以下幾個(gè)部分［6］。

1）傳感信號(hào)放大技術(shù)。這一技術(shù)通過放大器實(shí)現(xiàn)，其功能不局限于將傳感采集模塊輸出的微弱信號(hào)放大到合適電平，還包括:通過高共模抑制來抑制共模干擾；通過低輸入?yún)⒖荚肼暫偷驮肼曄禂?shù)提升信噪比、保證信號(hào)質(zhì)量；通過高輸入阻抗防止信號(hào)衰減，保證傳感元件正常工作；通過建立補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)相位、幅值偏移的調(diào)整等。在工程應(yīng)用中，工頻及其諧波產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)微弱信號(hào)采集造成了極大困難，故常采用儀表放大器作為輸入級(jí)，通過較大的共模抑制比放大差模信號(hào)并有效去除共模信號(hào)，結(jié)合偏置與補(bǔ)償電路構(gòu)成信號(hào)調(diào)理前端。

2）傳感信號(hào)濾波技術(shù)。經(jīng)典濾波技術(shù)根據(jù)目標(biāo)信號(hào)所在頻段，通過軟硬件建立低通、高通或帶通等濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾噪聲頻段幅值衰減，能夠有效對(duì)電力系統(tǒng)中常規(guī)干擾進(jìn)行濾除。而數(shù)字實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)代濾波技術(shù)基于信號(hào)的隨機(jī)性本質(zhì)，將信號(hào)和噪聲作為隨機(jī)信號(hào)，通過統(tǒng)計(jì)特性實(shí)現(xiàn)信號(hào)估計(jì)。例如，通過建立信號(hào)與噪聲空間狀態(tài)模型估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)的卡爾曼濾波、基于蒙特卡洛序列采樣技術(shù)近似后驗(yàn)分布的粒子濾波等?，F(xiàn)代濾波技術(shù)在電力系統(tǒng)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)狀態(tài)估計(jì)、電機(jī)狀態(tài)和參數(shù)估計(jì)等難以精確觀測(cè)或數(shù)據(jù)模糊的場(chǎng)景有較好應(yīng)用［64-68］。

3）抗干擾與噪聲抑制技術(shù)。高壓電網(wǎng)、無線電發(fā)射裝置以及雷電造成的干擾可經(jīng)電磁耦合影響信號(hào)放大電路。針對(duì)外源性干擾，常通過芯片封裝、金屬屏蔽及良好接地等方式形成法拉第籠進(jìn)行有效控制；針對(duì)內(nèi)源性噪聲，如電源噪聲、模數(shù)信號(hào)串?dāng)_，在傳感芯片設(shè)計(jì)與板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需嚴(yán)格考慮模擬、數(shù)字、功率各信號(hào)域劃分，采取地平面分割、分布式電源、信號(hào)屏蔽等手段，并進(jìn)行合適的電源管理與去耦濾波。影響傳感信號(hào)的噪聲主要包括背景噪聲和脈沖噪聲。通過時(shí)域和頻域建?？蓪?duì)噪聲進(jìn)行針對(duì)性濾除。

2.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換

模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，使電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 參數(shù)數(shù)據(jù)化。模數(shù)轉(zhuǎn)換需經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼4 個(gè)過程。按結(jié)構(gòu)和工作原理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（successive-approximation register analog-to-digital converter，SAR ADC）、流 水 線 型 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 器（pipelined ADC）和Sigma-Delta 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Sigma-Delta ADC）。這3 種模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有不同的精度和速度范圍，對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。Sigma-Delta ADC 通過過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)模轉(zhuǎn)化，分辨率相對(duì)較高但有效采樣速度受到限制；Pipelined ADC 相反，它犧牲采樣精度來提高采樣速度，最高可高達(dá)2 GHz；SAR ADC 介于兩者中間，具有高精度，低功耗的特點(diǎn)，其最高采樣率可達(dá)2～5 MHz［69-72］。用 于 物 聯(lián) 網(wǎng) 傳 感 的SAR ADC 在6.4 kHz 采樣率下僅需1 V 電源提供560 nA 功耗電流，400 Hz 采 樣 率 模 式 下 僅41 nW 功 耗［73］。基 于SAR ADC 結(jié) 構(gòu) 的 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 器 在8 bit、20 kHz 測(cè) 量10 kHz 信 號(hào)下僅需1.12 μW 功耗，對(duì)于100 Hz 正弦波僅需106 nW 功耗［74］。

電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 中的監(jiān)測(cè)參數(shù)通常為低頻小信號(hào)，信號(hào)變化慢，故對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的精度和速度要求較低；而由于設(shè)備工作環(huán)境惡劣，空間小、供電難、運(yùn)維不易，在體積、成本、功耗方面有更高的需求［75］。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低的SAR ADC 已成為傳感芯片中應(yīng)用最為廣泛的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)，大量應(yīng)用于溫濕度、壓力、電壓、電流等信號(hào)參數(shù)采集以及探傷、振動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域。

2.3 數(shù)據(jù)分析技術(shù)

電力系統(tǒng)中的不同類型傳感器產(chǎn)生大量異構(gòu)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)增長(zhǎng)快速、類型豐富，符合典型大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，涵蓋了系統(tǒng)的運(yùn)行信息，能夠反映潛在的設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與故障。現(xiàn)階段，新型電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)有以下特征:1）終端設(shè)備接入泛化，數(shù)據(jù)多元化，數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)迅猛；2）電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)欠挖掘，海量高價(jià)值數(shù)據(jù)應(yīng)用不充分；3）低延時(shí)需求增長(zhǎng)，多元化業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)分析響應(yīng)需求增大；4）分布式設(shè)備部署存在數(shù)據(jù)“壁壘”，需要協(xié)同分析。

針對(duì)海量存在的數(shù)據(jù)采集終端，邊緣計(jì)算及結(jié)合云計(jì)算的協(xié)同技術(shù)能夠部署在靠近作為數(shù)據(jù)源頭的傳感芯片側(cè)，滿足CMD 信息數(shù)據(jù)體量大、算力資源受限、帶寬需求高、靈敏度要求高的需求。

邊緣計(jì)算是在物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算快速發(fā)展形勢(shì)下提出的新計(jì)算模式，可將具有計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用等功能的智慧平臺(tái)部署在靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)側(cè)，并提供智能服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等需求［76］。目前，針對(duì)電力系統(tǒng)中已經(jīng)存在的海量數(shù)據(jù)采集終端，如智能電表等，電力公司借助云計(jì)算平臺(tái)對(duì)各類數(shù)據(jù)資源進(jìn)行了整合和管理，為系統(tǒng)調(diào)度和控制提供了計(jì)算服務(wù)和應(yīng)用需求。然而，隨著傳感芯片的不斷接入，新型電力系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的容量可能上升1 個(gè)數(shù)量級(jí)，而云計(jì)算服務(wù)器難以負(fù)擔(dān)如此龐大的數(shù)據(jù)分析任務(wù)。通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，邊緣計(jì)算能夠以分布式的數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)方式提供電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 數(shù)據(jù)服務(wù)，降低云端網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)的計(jì)算壓力。

邊緣計(jì)算具有智能化、低時(shí)延、低能耗以及高可靠性的特點(diǎn)，適用于電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 參數(shù)的實(shí)時(shí)、短周期數(shù)據(jù)分析需求，以本地決策的方式對(duì)設(shè)備異常運(yùn)行狀態(tài)和即將發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警。但受限于設(shè)備體積、功耗要求、芯片算力等，邊緣計(jì)算難以完成大規(guī)模數(shù)據(jù)的運(yùn)算。相比之下，云計(jì)算更適用于非實(shí)時(shí)、長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，可以利用累積的設(shè)備CMD 數(shù)據(jù)評(píng)估絕緣老化程度等，進(jìn)而對(duì)設(shè)備壽命進(jìn)行預(yù)估。但海量數(shù)據(jù)所帶來的數(shù)據(jù)傳輸帶寬壓力使得僅基于云計(jì)算的后端計(jì)算模式難以滿足新型電力系統(tǒng)CMD 設(shè)備的實(shí)時(shí)性要求。

因此，將邊緣計(jì)算和云計(jì)算優(yōu)勢(shì)結(jié)合，構(gòu)建云-邊協(xié)同計(jì)算生態(tài)是新型電力系統(tǒng)智能化應(yīng)用的大勢(shì)所趨。通過將邊緣計(jì)算部署在傳感芯片側(cè)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理、計(jì)算與預(yù)測(cè)執(zhí)行，能夠滿足低延時(shí)響應(yīng)要求，在進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)挖掘深度的同時(shí)，有效緩解云計(jì)算平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)帶寬和計(jì)算存儲(chǔ)方面的壓力；云端長(zhǎng)期維護(hù)邊緣計(jì)算上傳數(shù)據(jù)，將大數(shù)據(jù)分析形成的計(jì)算結(jié)果反饋到邊緣側(cè)終端，有效提高電力系統(tǒng)CMD 設(shè)備的維護(hù)管理精度與準(zhǔn)確度，形成協(xié)同互補(bǔ)。

將邊緣計(jì)算和云計(jì)算相結(jié)合的云-邊協(xié)同技術(shù)能夠發(fā)揮邊緣計(jì)算和云計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，將邊緣計(jì)算作為云計(jì)算的延伸，促進(jìn)新型電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。在這個(gè)協(xié)同中，云端負(fù)責(zé)大數(shù)據(jù)分析、模型訓(xùn)練、算法更新等任務(wù)；邊緣計(jì)算負(fù)責(zé)傳感芯片的就地?cái)?shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸?shù)热蝿?wù)［77-79］。在需要借助多種傳感數(shù)據(jù)和多種算法的CMD 數(shù)據(jù)分析場(chǎng)景下，還可以在不同邊緣端的傳感芯片之間建立安全的通信機(jī)制，利用不同邊緣的本地信息進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和協(xié)同，構(gòu)建邊-邊協(xié)同機(jī)制。

云-邊協(xié)同一般包括3 種模式［80］:1）訓(xùn)練-計(jì)算的云-邊協(xié)同；2）云導(dǎo)向的云-邊協(xié)同；3）邊緣導(dǎo)向的云-邊協(xié)同。邊-邊協(xié)同也包括3 種模式［80］:1）邊-邊計(jì)算協(xié)同；2）邊-邊分布式訓(xùn)練協(xié)同；3）邊-邊聯(lián)邦訓(xùn)練協(xié)同。

2.4 信息傳輸技術(shù)

2.4.1 電力線載波通信

電力線載波通信（power line communication，PLC）是一種以電力線作為通信介質(zhì)，利用現(xiàn)有電網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，將發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字調(diào)制得到適合電力線傳輸?shù)男盘?hào)，輸出并耦合至電力線后，接收端從電力線中分離出通信信號(hào)，完成解調(diào)操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像以及語(yǔ)音等信息的傳輸。PLC的優(yōu)勢(shì)在于線纜覆蓋范圍廣泛、成本相對(duì)低廉、即插即用且應(yīng)用性強(qiáng)［81］。針對(duì)輸電線路的傳感芯片CMD 信息可以優(yōu)先考慮PLC 技術(shù)傳輸。

傳統(tǒng)PLC 通過單載波調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如頻移鍵控［82-84］（frequency shift keying，F(xiàn)SK）、擴(kuò)頻型頻移鍵控（spread frequency shift，SFSK）以及相移鍵控（phase shift keying，PSK）［85］等。但單載波調(diào)頻存在通信速率較低、易受干擾等問題。隨著PLC 技術(shù)的 發(fā) 展，正 交 頻 分 復(fù) 用［86］（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。作為一種多載波調(diào)頻技術(shù)，OFDM 能夠?qū)⒋齻鬏數(shù)母咚俅袛?shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換為多個(gè)低速并行子數(shù)據(jù)流，提高碼元長(zhǎng)度，有效避免了符號(hào)間干擾（inter symbol interference，ISI）與 子 載 波 間 干 擾（inter carrier interference，ICI），擁有頻譜利用率高、抗多徑干擾以及通信速率高等優(yōu)點(diǎn)［87］。

2.4.2 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信作為一項(xiàng)重要的通信技術(shù)，具備廣泛覆蓋和靈活部署的特點(diǎn)。隨著電網(wǎng)的大規(guī)?；ヂ?lián)和能源互聯(lián)網(wǎng)的興起，衛(wèi)星通信在電力系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)潛力和融合能力，推動(dòng)了電力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變［88］。衛(wèi)星通信技術(shù)主要以非移動(dòng)通信的方式為電力系統(tǒng)提供調(diào)度業(yè)務(wù)和應(yīng)急業(yè)務(wù)的服務(wù)支持，包括數(shù)據(jù)、語(yǔ)音以及視頻等［89-93］。對(duì)于傳感芯片，通信衛(wèi)星主要用于傳輸狀態(tài)參數(shù)和故障信息等數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳輸上技術(shù)成熟度較高，異步傳輸速率為19.2～75.0 kbit/s，同步傳輸速率為1.2～65.0 kbit/s，延遲小于1.5 s，誤碼率小于1×10-7，丟包率小于0.01%［88］，適用于部署在偏遠(yuǎn)山區(qū)設(shè)備中的傳感芯片CMD 信息傳輸。

同時(shí)，衛(wèi)星通信的超小型孔徑終端（very small aperture terminal for satellite communications，VAST）技術(shù)發(fā)展也為傳感芯片數(shù)據(jù)傳輸模塊小型化 提 供 便 利［94］。VAST 由1 個(gè) 小 型 天 線（稱 為VSAT 終端）和1 顆地球軌道衛(wèi)星組成，主要特點(diǎn)是天線小型化，直徑在0.75～1.2 m 之間［95］。相比于傳統(tǒng)的大型衛(wèi)星接收器和發(fā)射器，VSAT 天線更加緊湊和易于安裝，適用于各種環(huán)境，包括農(nóng)村地區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)以及其他對(duì)移動(dòng)通信需求較高的環(huán)境。

2.4.3 無線通信技術(shù)

表3 歸納了可應(yīng)用于傳感芯片的無線通信技術(shù)。

表3 傳感芯片無線通信技術(shù)Table 3 Wireless communication technology for sensor chips

1）無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要基于分布式基站的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。每個(gè)基站都為其覆蓋區(qū)域提供通信服務(wù)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)包括覆蓋范圍廣、移動(dòng)性高。5G 等現(xiàn)代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高數(shù)據(jù)傳輸和低延遲，并具有接入大量設(shè)備的能力。

2）WiFi 基于IEEE 802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來，通常用于搭建家庭、辦公室無線局域網(wǎng)和公共熱點(diǎn)，提供Internet 接入服務(wù)。WiFi 的數(shù)據(jù)傳輸速度高且適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸速率和頻段。

3）全球微波互聯(lián)接入（WiMax）是基于IEEE 802.16 標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)，主要用于提供寬帶無線接入。WiMax 的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋范圍廣，可以達(dá)到幾十千米，并且能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，適合用于覆蓋大范圍的網(wǎng)絡(luò)接入需求。

4）ZigBee 基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，其低功耗的特點(diǎn)尤其適合于低數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，例如智能家居、工業(yè)控制等。ZigBee 支持大量節(jié)點(diǎn)接入的網(wǎng)絡(luò)并具有較高的安全性和可靠性。

5）Z-Wave 同樣也是一種低功耗無線通信技術(shù)，專為自動(dòng)化設(shè)備和智能家居設(shè)備設(shè)計(jì)。Z-Wave 使用較低的頻率，在物理障礙物之間的穿透力更強(qiáng)，支持大量設(shè)備的互聯(lián)，并且每個(gè)設(shè)備都可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的中繼器。

6）Insteon 是一種家居自動(dòng)化協(xié)議，它結(jié)合了無線和電力線通信技術(shù)，具有更高的可靠性。Insteon設(shè)備可直接互相通信形成一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，提高了信號(hào)的傳播范圍。

7）藍(lán)牙是基于IEEE 802.15.1 標(biāo)準(zhǔn)的近距離無線通信的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、電腦、耳機(jī)、汽車等設(shè)備中，用以替代傳統(tǒng)的有線連接。最新的藍(lán)牙5.0 標(biāo)準(zhǔn)提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的通信距離。

無線通信技術(shù)提供了海量傳感芯片的CMD 信息接入數(shù)據(jù)終端的能力，適用于傳感芯片部署密度大、關(guān)鍵設(shè)備集中的發(fā)電廠、變電站等區(qū)域。

3 電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 傳感芯片技術(shù)挑戰(zhàn)

傳感芯片關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)為電力系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備CMD 提供一定的保障，對(duì)潛在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備故障做出預(yù)警，避免重大事故的發(fā)生。但面臨一些極端工況時(shí)，參數(shù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度和故障診斷可靠性尚有不足，對(duì)于旋轉(zhuǎn)設(shè)備以及新型并網(wǎng)設(shè)備缺乏CMD 手段，嚴(yán)重影響了新型電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。本文從極端工況和監(jiān)測(cè)技術(shù)拓展兩方面對(duì)傳感芯片面臨的挑戰(zhàn)展開討論。

3.1 極端工況挑戰(zhàn)

在電能的生產(chǎn)和傳輸環(huán)節(jié)，系統(tǒng)電壓等級(jí)較高且存在著眾多電磁信號(hào)發(fā)射源，傳感芯片的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)遭受這些信號(hào)源產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾。電磁干擾可能由設(shè)備本身造成，如開關(guān)操作、電壓/電流突變等，或是外部干擾信號(hào)，如雷擊、無線電等。干擾信號(hào)可能會(huì)被傳感芯片誤識(shí)別為真實(shí)的電力設(shè)備狀態(tài)參數(shù)或是故障信號(hào)，尤其在電磁干擾源具有與局部放電相似的電磁信號(hào)特征時(shí)，極易導(dǎo)致誤識(shí)別［16］，給電力設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)造成不必要的風(fēng)險(xiǎn)和損失。雖然目前的傳感采集技術(shù)，如各類光纖傳感技術(shù)，可以通過采集非電信號(hào)來抵抗電磁干擾對(duì)CMD 的影響，但強(qiáng)電磁仍有可能會(huì)影響傳感芯片向數(shù)據(jù)終端反饋關(guān)鍵的CMD 信息，使得傳感芯片功能失效，提高傳感芯片在電磁干擾下的數(shù)據(jù)通信可靠性仍然面臨較大挑戰(zhàn)。

由于電磁力的作用，靜止設(shè)備和旋轉(zhuǎn)設(shè)備都時(shí)刻承受著機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)電力設(shè)備故障發(fā)生時(shí)，電壓/電流驟變也會(huì)使傳感芯片及敏感元件所受應(yīng)力發(fā)生突變，并可能造成短時(shí)高頻高強(qiáng)度的機(jī)械振動(dòng)，導(dǎo)致傳感芯片及敏感元件發(fā)生損壞。作為設(shè)備CMD 終端，傳感芯片本身對(duì)異常振動(dòng)和應(yīng)力的耐受程度不足將會(huì)使被監(jiān)測(cè)設(shè)備暴露在由機(jī)械力造成的故障風(fēng)險(xiǎn)中。對(duì)此，一方面，需要提高傳感芯片元件的機(jī)械強(qiáng)度；另一方面，也需要根據(jù)電力關(guān)鍵設(shè)備中實(shí)際機(jī)械應(yīng)力的分布情況評(píng)估傳感芯片的部署方式。

渦流和集膚效應(yīng)是造成設(shè)備金屬部件發(fā)熱的主要原因。關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行溫度不僅是受傳感芯片監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)，同時(shí)也影響著傳感芯片的正常運(yùn)行。一方面，長(zhǎng)期過高的設(shè)備溫度在縮短設(shè)備自身絕緣壽命的同時(shí)，對(duì)傳感芯片的敏感元件、電路板以及芯片的長(zhǎng)久平穩(wěn)工作也會(huì)造成較大影響；另一方面，異常狀態(tài)下設(shè)備的高溫可能會(huì)直接導(dǎo)致傳感芯片的損壞。傳感芯片的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮避免渦流對(duì)關(guān)鍵元件可能造成的影響，同時(shí)，在嵌入式安裝時(shí)考慮設(shè)備內(nèi)部的溫度分布，避免重要元件暴露在高溫下。

3.2 監(jiān)測(cè)技術(shù)拓展

對(duì)于電力系統(tǒng)中的靜止設(shè)備，即便不采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞揭部梢酝ㄟ^有線連接的方式獲取設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)。然而，對(duì)諸如同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)部件，停機(jī)檢修仍是設(shè)備CMD 的主要手段。發(fā)電機(jī)較少發(fā)生單純的機(jī)械或電磁故障，從單一參數(shù)進(jìn)行發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷的準(zhǔn)確程度和可靠性難以保證。當(dāng)前，對(duì)轉(zhuǎn)子繞組相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)，如轉(zhuǎn)子繞組、鐵芯、磁極等部件的溫度監(jiān)測(cè)，主要通過溫敏電阻配合電刷輸出信號(hào)，并結(jié)合勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電壓計(jì)算轉(zhuǎn)子繞組電抗和溫升。但數(shù)值計(jì)算方法求得的平均溫度不能及時(shí)反映短時(shí)異常溫升。另外，對(duì)于發(fā)電機(jī)氣隙參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)手段十分匱乏，潛在的轉(zhuǎn)子偏心、磁極缺陷等故障只能通過定期檢修的方式排除。風(fēng)電機(jī)組是新型電力系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)中的重要組成部分，其風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)以及調(diào)向器均為旋轉(zhuǎn)部件，特殊的安裝方式更是增加了人工檢修的危險(xiǎn)性，如何利用傳感芯片對(duì)機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行CMD 是其在監(jiān)測(cè)技術(shù)上面臨的挑戰(zhàn)。

4 電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 傳感芯片技術(shù)展望

4.1 傳感采集技術(shù)展望

1）提高電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度。隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)，新能源滲透率的提高，不同類型機(jī)組的靈活發(fā)電技術(shù)、不同時(shí)間尺度與規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)和柔性交直流輸電技術(shù)的發(fā)展，新型電力系統(tǒng)將在更小時(shí)間尺度內(nèi)有更強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，需要對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有更加精確的把握。因此，傳感技術(shù)需要具備更高的測(cè)量精度和時(shí)間/空間分辨率。

2）增強(qiáng)電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 傳感技術(shù)的抗干擾能力和環(huán)境耐受能力。電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高以及諧波成分的增加使得傳感芯片需要面臨更高強(qiáng)度、更寬頻段的電磁干擾，一些通過感知高頻脈沖來檢測(cè)局部放電故障的傳感技術(shù)更需區(qū)分干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)。傳感芯片應(yīng)當(dāng)能夠耐受極端工況和極端氣候造成的影響，從而在電力設(shè)備最有可能出現(xiàn)故障時(shí)提供可靠的監(jiān)測(cè)能力。

3）提高設(shè)備兼容性，降低安裝和維護(hù)成本。新型電力系統(tǒng)中，并網(wǎng)電力設(shè)備種類更加豐富，傳感芯片需要提高對(duì)不同品牌設(shè)備的兼容性。采取嵌入式和非侵入式傳感技術(shù)相結(jié)合的方式，密切監(jiān)測(cè)設(shè)備重要部件運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，降低傳感芯片對(duì)原設(shè)備電磁場(chǎng)分布的影響。對(duì)于需更換耗材的傳感器，應(yīng)當(dāng)預(yù)留便捷的維護(hù)途徑以降低成本。

4.2 信息傳輸展望

1）提高電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 信息傳輸速率與可靠性。傳感終端的數(shù)量大幅增加以及采樣頻率的大幅提升使得電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 信息的時(shí)間、空間分辨率提升，數(shù)據(jù)更新間隔縮短但更新內(nèi)容增多。因此，需要更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。但數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲和丟包可能會(huì)導(dǎo)致CMD 信息出現(xiàn)數(shù)據(jù)不同步、缺失等問題的發(fā)生，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃詥栴}不容忽視。

2）提高電力關(guān)鍵設(shè)備CMD 信息傳輸安全性。大量的CMD 數(shù)據(jù)中包含著詳盡的電力關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和故障診斷信息，多種無線信息傳輸技術(shù)使感知參數(shù)的傳輸更加便利，但也因此增加了數(shù)據(jù)暴露的風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)據(jù)安全漏洞將直接威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，傳感芯片信息傳輸過程中的數(shù)據(jù)保護(hù)和加密技術(shù)需要得到重視。

3）提高傳感芯片的上行數(shù)據(jù)兼容性，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化。傳感芯片服務(wù)于電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度與維護(hù)管理，兼容性更強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)便于融合不同途徑的CMD 數(shù)據(jù)，進(jìn)而提升數(shù)據(jù)傳輸性能，統(tǒng)籌多元數(shù)據(jù)，充分挖掘CMD 數(shù)據(jù)價(jià)值。此外，需要推進(jìn)傳感芯片信息傳輸管理的標(biāo)準(zhǔn)化，降低數(shù)據(jù)預(yù)處理過程的復(fù)雜度，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)利用效率。

4.3 數(shù)據(jù)分析展望

1）結(jié)合本地計(jì)算和在線服務(wù)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)分析。邊緣計(jì)算及其協(xié)同技術(shù)極大程度提升了對(duì)高維度、大體量設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算和分析能力。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，傳感芯片本地處理數(shù)據(jù)的能力將逐步提升，預(yù)先完成噪聲濾波、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)特征提取等分析步驟能減少數(shù)據(jù)傳輸體量，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率和同步率。將人工智能算法集成到傳感芯片上可以強(qiáng)化傳感芯片對(duì)高維數(shù)據(jù)的本地分析能力，降低原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。

2）挖掘多源、海量的CMD 數(shù)據(jù)價(jià)值。傳感芯片單位時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)體量巨大但價(jià)值密度低，集成計(jì)算單元的傳感芯片通過挖掘不同數(shù)據(jù)源的狀態(tài)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值升格。在進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合過程中，應(yīng)當(dāng)通過加權(quán)平均、貝葉斯估計(jì)、模糊集理論等方法解決可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)沖突問題。

4.4 芯片技術(shù)展望

1）低功耗、高效能、長(zhǎng)續(xù)航。隨著傳感芯片的數(shù)量和覆蓋范圍的增加，低功耗、高效能、長(zhǎng)續(xù)航是必然的發(fā)展趨勢(shì)。在部分模塊進(jìn)行無源化處理，以實(shí)現(xiàn)功耗的進(jìn)一步降低。傳感芯片也可以通過自取能自供電的方式，實(shí)現(xiàn)無需電池供電的超長(zhǎng)續(xù)航，提高穩(wěn)定性并降低成本。

2）集成化、小型化。隨著集成電路工藝的不斷發(fā)展，芯片小型化、微型化的成本也在不斷下降。電力系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備CMD 的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，安裝傳感系統(tǒng)的空間有限，要求傳感芯片具有更高的集成度與更小的體積以適配不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

3）智能化。面對(duì)新型電力系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，傳感芯片將進(jìn)一步結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算等技術(shù)。感存算一體的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)的一體化。本地算力的提高使傳感芯片可通過在線學(xué)習(xí)不斷收集CMD 數(shù)據(jù)樣本以具備決策能力，從而推進(jìn)新型電力系統(tǒng)的智慧融合建設(shè)。

5 結(jié)語(yǔ)

新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建是適應(yīng)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化改革和踐行“雙碳”目標(biāo)的必要舉措，但同時(shí)也對(duì)電力關(guān)鍵設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行提出了更高的要求。目前，電力關(guān)鍵設(shè)備的CMD 手段存在的時(shí)效性不足、準(zhǔn)確度欠佳以及無法對(duì)潛在故障進(jìn)行預(yù)警等問題逐漸凸顯，通過新型傳感芯片進(jìn)行CMD 可有效解決所面臨的困境。本文從面向新型電力系統(tǒng)的設(shè)備CMD 傳感芯片的概念出發(fā)，綜述了傳感芯片的傳感采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析以及信息傳輸4 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出由新型電力系統(tǒng)中極端工況和監(jiān)測(cè)場(chǎng)景拓展所帶來的傳感芯片技術(shù)挑戰(zhàn)。最后，從傳感采集技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及芯片技術(shù)展望了面向新型電力系統(tǒng)的設(shè)備CMD 傳感芯片的研究方向，希望對(duì)后續(xù)研究提供參考。

本文研究得到鎮(zhèn)江市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科技專項(xiàng)（ZD2020005）資助，謹(jǐn)此致謝！