无线传感器

我国能源安全的新战略为我国能源转型发展、构建“清洁低碳、安全高效”的国家能源体系提出了新要求。以电网为核心的能源互联网和泛在电力物联网正在加速发展。但是，由于高电压等级电网中（尤其是特/超高压电力设备）通常伴随强电磁场，而强电磁场对传统无线传感器的可靠性造成了严重影响，导致高电压等级电网缺乏可靠的传感器。这一瓶颈制约了电力物联网的发展。针对以上问题，我们研究了抗电磁干扰微纳传感器及无线通信技术。基于新材料和器件的温湿度、电磁场、压力、声学等多参量微型传感芯片和封装技术，实现能够适应高电压等级电网复杂工况的微型传感器；研究了多层超表面微结构，实现抗电磁干扰的功能表面并与传感器集成；研究基于抗电磁干扰的功能表面的无线传感通信技术，解决微型传感器在强电磁干扰环境下的通信问题；研究了基于人工智能的故障诊断算法，解决了传感器的智能化问题。

本书围绕电力无线传感网技术创新应用，聚焦于低功耗无线传感网在发电、输电、变电、配电、用电等电力行业领域的应用，具体包括电力发电厂监测区域的事故预警、环境状态判断、劣化趋势分析，输电线路的电力巡检和运维管理，变电站内电力设备的运行状态、环境状态等在线监测，配电领域储能和配电自动化业务的监控和故障定位系统，用电采集和精准负荷控制业务的监测和分析管理等。介绍了无线传感网及其产业发展现状，概述了无线传感网主流技术，总结提炼了电力无线传感网在电力领域的应用情况，分析研究了电力无线传感网的应用价值和挑战，探讨提出了电力无线传感网技术应用发展趋势及建议。 无线传感网是大量的静止或移动的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，可以感知、采集和处理信息，并将获得的详尽信息发送给需要的用户。 “十四五”期间，国家电网有限公司服务新型电力系统构建需求，将“全力推进电力物联网高质量发展”作为重点工作任务之一，其中的各项工作部署均离不开无线传感网的支撑。无线传感器网中众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等。潜在的应用领域可以归纳为军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。新型电力系统的一些重要的、需要被监控的设备上可以安装传感器，实时监控设备的运行状况。采用无线传感网络技术，将监测到的重要参数上传到集中处理平台，智能电力系统可以根据参数的变化，及时发现设备故障等，主动预防可能发生的各种事故。 与传统有线网络相比，无线传感网络具有很明显的优势，主要有：低能耗、低成本、通用性、网络拓扑、安全、实时性、以数据为中心等。无线传感网给电力行业带来应用价值的同时，也面临着极大的挑战。通用无线传感网技术无法满足某些特定的业务需求，变电站、输电线路等某些复杂的电力现场环境对于功耗控制、传输距离、组网灵活性等方面有特定需求，需要结合电力物联网的业务需求和应用场景来实现功耗和连接性能的协同优化；在终端接入和数据传输方面，设备和数据量均呈爆发式增长，海量数据给电力物联网带来了资源和数据传输带宽的压力；传感节点大多布置在户外环境中，恶劣环境和网络攻击均影响传感节点的运行和信息传递，因此，提升终端接入安全和抗干扰能力是保证电力物联网健康发展的重要基础；传感器小型化、无源化技术有待突破，利用电网沿线的磁场、电场、振动及温差等外部条件，实现微源取能是关键难点。为此，电力企业需要弥补现有的不足和短板，结合电力行业发展战略，研究低功耗无线传感网的网络与安全连接技术，全方位地提高感知数据的颗粒度、广度和维度，并持续积极探索基于人工智能的知识赋能、５G通信技术、基于边缘计算的技术、数据开发服务技术等方面融合发展。 联系人：陈姗姗 手 机：13261508443 邮 箱：chenshanshan@eptc.org.cn

主要讲述在设备传感器领域的无线传感网标准设计与应用，重点围绕如何实现传感器微功耗接入、波形类大数据传感器如何接入、多跳组网、同步采样等问题进行详细介绍，介绍现场应用典型案例，并对无线传感网在输变电领域深化应用提出一些建议。他提到近年来，随着无线传感器在电力设备传感领域逐步扩大应用，电力企业也在逐步开展无线传感器网络的标准化建设。

本项目成果已通过国网电力科学研究院实验验证中心的检测认证。基于物联网自组网技术、低功耗蓝牙技术、免维护的各种类型的新型传感器及监测系统，现场应用于银川东士660kV换流站等多个变电站，共1500余个传感器，包括压板位置监测系统，G1S管母线形变监测传感器，敞开式水平翻转刀闸位置传感器，端子箱温湿度传感器、直流接地极水温、水位及环境土壤温湿度监测系统等，在实际应用中成功解决了变电站压板位置无法监测、GIS长母线形变无监测等一系列运维工作中的问题和难题。项目成果进一步延伸了变电站在线监测的类型和种类，提高了运维人员监测准确度和范围。成果的应用能够减少每周人员实际工作量25小时，平均节约社会劳动时间4小时，大大减少了人力成本及时间成本。 本项目研究的成果，可以大幅度减少变电站现场运维工作量，提高运维管理工作质量，预防、减少因刀闸设备操作不到位、GIS母线形变、压板位置设备误投退、漏投退等产生的问题，大幅度提升工作效率，降低运维成本，在变电运维工作中具有广泛的应用前景。电力系统对物联网技术的应用需求，广泛采用物联网技术解决生产实践中的难点问题，反过来将进一步促进无线传感器网络的发展，促进其行业应用，形成新型产业链。

为了满足在偏远地区、地下场景等供电条件困难的环境下，无线通信设备供电时长要求，文章提出了一种低功耗无线发射机发射功率计算方法，通过整个无线通信信道损耗和sub-GHz低功率收发天线芯片的数据表计算出无线发射机发射功率。通过仿真计算，相比传统发射机发射功率计算方法，该方法更精确地计算出发射端所需要的最低发射功率，提升了无线发射机能效，从而使得无线通信设备满足偏远地区、地下场景等供电条件困难环境下的供电时长要求。

光伏发电以其清洁、无污染等优点得到广泛的推广和应用，光伏组件是否正常运行成为了制约光伏系统的整体发电效率。为了提高光伏系统的发电效率，提出了一种基于无线传感器网络的光伏组件故障诊断方法。总结了光伏组件的故障规律，建立了基于高斯过程分类器的故障诊断模型。利用无线传感器网络节点采集了适合高斯分类器训练的样本，并对高斯分类器的诊断模型进行了训练与仿真实验研究。结果验证了该方法的正确性和有效性。

电力设备状态监测是物联网技术在电力行业中应用的主要方向之一，各类小型化、智能化、无线化的传感器给电力物联网技术的应用带来新的思路，本文分析了无源无线传感器技术现状和发展方向，为电力物联网传感器技术研究和应用提供参考。

针对现存大量传感设备未充分发挥作用，各专业系统自成体系，传感设备重复部署，难以满足终端统一接入的管理要求；无法充分挖掘数据在提高电网安全运行水平、效率效益和工作质量等方面的价值，传统的在线监测仍主要依赖于值班人员的专业素养和主观能动性；网建设认识不深，标准接入方式普及有限，接入设备缺乏统一标准，错误接入等问题，基于电力物联网架构体系的安全接入、设备管理及边缘计算、嵌入式系统的软硬件架构的要求，秉承“边端分离”的思路，开发出智慧变电站物联感知边缘物联代理（接入节点）应用解决方案。该装置是一套统一的应用于输、变、配电的边缘物联代理装置（接入节点），用于解决边端一体造成的单一现场配置多个边缘代理或感知终端重复配置的问题，是电力物联网感知层的核心设备，是实现“数据一个源”和“统一接入、边缘智能、共享共用”的关键设备。通过在输、变、配电系统中配置边缘物联代理，实现各种微功率、低功耗无线传感器以及有线传感器的自由组网，南向可实现不同厂家、不同类型、不同协议、不同通信方式的传感器数据接入配置，实现汇聚单元统一接口协议和统一通信协议接入，北向可通过安全加密芯片或安全加密程序实现与汇聚单元及物联网平台的安全通信。凭借EdgeX Foundry（国际物联网边缘计算软件框架），实现边缘算法App在边缘物联代理（接入节点）本地搭载，也可以通过云端对本节点内的边缘算法App进行远程更新，实现高级应用算法远程部署，充分发挥传感设备数据的价值。

电力信息通信

本文应用Zigbee无线传感器网络技术对传统路灯控制节点进行改进，设计了一套智能照明系统。整套系统硬件包括路灯节点和路由节点两部分。可通过上位机程序，实现对路灯开关状态、环境光强、路灯寿命和故障报警等进行远程监测，同时可以对路灯的开关，工作时间，亮度等状态进行远程控制，有效的解决了路灯系统的监测难，排查难的问题，实现了城市照明的智能化控制。