2.3 未来发展趋势、发展前景与发展路线图

我国智能电网的逐步启动，将带动电力电子等相关行业的快速发展，而传感器作为使用面最广的电力电子产品，将在国家的智能电网项目建设过程中实现技术与市场的双重效应。传感器是感知电网状态、获取电网运行信息的底层功能元件和节点，传感网则是汇聚和传输节点信息的主通道。与传统电网相比，智能电网具备自愈、互动、集成及安全等特征，并以全方位多维感知为基础，因此，传感器与传感网在其中的作用愈发关键。

2.3.1 传感器发展趋势与前景

传感器技术是研究传感器材料、设计、工艺、性能和应用的综合技术，它以传感器为核心逐渐外延，与测量学、微电子学、物理学、光学、机械学、材料学及计算机科学等多门学科密切相关，多种技术相互渗透、相互结合而形成的一种密集型综合性学科领域。针对智能电网的特点和需求，在研发、设计及制造等环节进行改进和创新，逐步发展性能优、可靠性高、适合规模应用的传感器。

1. 环境可靠性设计与保证

我国幅员辽阔，区域气候条件各不相同，智能电网的分布既有低纬度热带地区的自然高温高湿，也有高纬度地区的低温严寒特点，沿海地区还存在着特有的盐雾现象。过度的高温和低温几乎对所有的材料都会产生不同程度的有害影响，各种材料的物理性能、电性能等将发生变化，导致暂时性或永久性的性能下降，甚至引起失效。盐雾腐蚀则是一种常见和最有破坏性的大气腐蚀。盐雾中的氯离子可以穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应，对金属材料产生腐蚀，造成对产品极坏的反应。另外，在产品储存、运输、使用和安装过程中，除了自然气候的变化以外，也会遇到因人类的社会实践而诱发的环境温度的变化。由于急剧的温度变化将使产品受到一定的热冲击力，导致电工电子元器件的涂覆层脱落、密封材料龟裂甚至破碎、填充材料泄漏等，从而引起电子元器件电性能下降；对于由不同材料构成的产品，由于温度变化时产品受热不均匀，会导致产品变形、开裂、破碎等。

电网运行中产生的电磁干扰主要有两点：一是通过电磁感应在输电线和电力设备周围产生较强的工频电磁场干扰；二是电晕放电产生的空间辐射电磁波（可至几百兆赫）。二者都会对传感器的正常工作造成较大的影响，轻则无法获取有效数据，严重情况下可能导致传感器的永久失效。

传感器在各种环境条件下的稳定可靠工作是智能电网有效运行的基础。智能电网应用的传感器，必须经受环境稳定性的考验，这需要传感器在原理设计、材料选取、制造加工等方面采取多种手段进行优化。另外，在交付使用之前，除了功能测试之外，还必须对传感器进行温湿度、高低温冲击、盐雾、电磁兼容性等多种试验，来确保电网运行环境中传感器的长期准确性和可靠性。

2. 微型化研制与低成本制造

智能电网建设中需要的各种功能的传感器必须是专用、低成本的，要在现有使用的传感器上加以改进和创新。发展新的材料及加工技术，实现传感器微型化，开展制造工艺研究实现低成本，大批量生产能力是传感器将来重要的发展趋势。融合体微加工、表面微加工、键合工艺和LIGA工艺等多种微细加工方法的微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术在传感器领域有着十分广阔的应用前景。相对于传统传感器产品，采用MEMS技术制作的传感器尺寸小、质量轻、功耗低及可靠性高。由于采用与集成电路类似的生成技术，因此可利用集成电路生产中的成熟技术和工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统产品大幅度提高。

3. 多功能集成与模块化

市场上现有的传感器产品多是针对单一检测量进行检查，功能简单，结构尺寸大，信噪比低。智能电网的发展进一步向传感器提出了增加品种、减小体积和降低成本等要求。这就需要研制可检测多个参数的多功能集成传感器，同时对传感器的功能部分和电路部分集成封装，并模块化设计，满足批量制造和低成本生产的要求。

多功能集成即指多个传感器功能的集成，又指传感器和电路部分的封装集成，面向用户提供一个数字量的接口。模块化设计包括功能和外观的统一设计和制造，一方面易于批量化定制生产、降低成本，另一方面在传感器发生故障需要更换维修时可以快速替换，及时保证传感信号的连续性和整个监控系统的完整性。

4. 标准化接口与全数字化

智能电网用传感器的关键技术之一是网络接口技术。传感器必须符合某种传输协议，使得现场测控数据能直接或间接进入网络。目前工业现场存在多种网络标准，因此也具有各种不同的网络接口单元类型。有线连接方式有低压电力线通信，TCP/IP，现场总线，如CAN、RS485等；无线连接方式有WiFi、蓝牙、ZigBee及UWB等。在整个网络类型确定的基础上，对传感器的输出进行标准化接口设计。由于电网中传感器类型和节点数量均很多，一般以局域网的方式存在，在网关处再统一上传。所以传感器接口应以现场总线为主，在布线不方便的地方可采用低功耗的ZigBee技术。因此，为简化系统设计，传感器均应包含模拟—数字化转换单元，直接输出数字信号，并使传感器端内置一个或多个标准化接口和协议，方便接入局域网中心采集单元。

2.3.2 传感网发展趋势与前景

智能电网的运行首先依赖于电网各个环节运行参数的实时监测和信息掌控，作为先进的信息获取和处理技术，传感网已经在医疗、工业、农业、商业、公共管理及国防等领域得到了广泛应用，是促进未来经济发展，提高社会发展水平的重要手段。发展适合智能电网应用的传感网技术是智能电网有效运营、提高智能电网运营效率的关键环节和保证。

1. 数据融合技术

传感网的基本功能是收集并返回各个传感器节点的信息。无论是有线采集方式还是无线采集方式，采用各个节点单独传送数据到最终数据存储端的方法有两个弊端：一是浪费了通信带宽和能量；二是降低了信息采集的效率。为避免上述问题，传感网中需要使用数据融合技术。数据融合是将多份数据或信息进行处理，组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。

根据传感器数据的操作级别，可以将数据融合技术分为三类：

1）数据级融合。操作对象是传感器采集得到的数据，是面向数据的融合，大多数情况下仅依赖于传感器的类型，不依赖于用户需求。

2）特征级融合。通过一些特征提取手段将数据表示为一系列的特征量，以反映事物的属性，是面向采集对象特征的融合。

3）决策级融合。根据应用需求进行较高级的决策，是最高级的融合。可以根据特征级融合提取的数据特征，对监测对象进行判别、分类，执行满足应用需求的决策。

2. 双向性

智能电网应用中配电网与电力用户之间互动的需求对传感网提出了双向的要求，此外，及时调节某些传感器工作参数的需要也使得传感网不但可以将节点采集数据上传，也需要将指令数据下送。目前的网络协议均支持数据的双向传输，在此基础上对传感器和网络应用层进行升级设计，使得传感器具备接收上层数据和指令并处理的能力，使得网络应用层除了采集节点数据并传输外，具备向指定节点下发特定数据和指令的能力。

3. 无线传感网与安全性

在传感网应用中，既有有线连接方式，又有无线连接方式，并且可以预见的是无线传感网的应用会越来越广泛。无线传感网络强调灵活、便捷的接入和传输方式，具有自组织、自适应、动态拓扑和多跳路由等特点，能够保证系统的健壮性和稳定性。

在智能电网中，使用无线传感网络组成分布式局域网，在局域网内以自组织的无线传感网存在，局域网内节点采集数据到达网关后再以有线的方式远距离传输。这种方式既有无线网络的灵活布置和健壮的特点，又具备数据远距离快速可靠传输的能力，是以后的一个重要发展方向。无线传感器网络的安全隐患在于网络部署区域的开放特性和无线通信的广播特性，存在信息泄露和空间攻击等问题。安全问题在网络协议的物理层、数据链路层、网络层、数据融合层、传输层和应用层都应该充分考虑，应通过在不同层面的安全编码、加密解密及密钥的管理，以及交换、认证机制及入侵检测等方面开展研究并予以解决。

2.3.3 发展路线图

传感器与传感网关键技术和产业发展路线图如图2-14所示。