结合人工智能的传感器技术及其在电力物联网中的应用

结合人工智能的传感器技术及其在电力物联网中的应用李伟 研究员中科院上海微系统与信息技术研究所2019年6月27日Part

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1中科院上海微系统所简介人工智能用于芯片级传感设计总结Part

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4人工智能用于电力传感上海微系统所-1934年冬，国立中央研究院院长蔡元培（左三）、工程研究所所长周仁（右二）等在工程研究所办公楼前合影建所之初实业救国五六十年代新中国建设七八十年代材料科学九十年代知识创新工程冶金、陶瓷、玻璃制造钢铁、有色金属、耐火材料电子学、材料科学及金属腐蚀与防护微小卫星、无线传感网、未来移动通信、微系统技术、信息功能材料上海微系统所自建国以来，上海微系统所获得国家级科技奖项49项、部省级357项，其中“甲种分离膜”技术获国家科技进步特等奖，“高速、超高速双极型数字集成电路”、“高端硅基SOI材料研发和

产业化”先后荣获“国家科技进步一等奖”。1999年9月，吴自良院士被中共中央、国务院、中央军委授予“

两弹一星”功勋奖章两弹一星功勋。先后牵头国家科技进步特等奖1项，国家科技进步一等奖2项 科研布局：围绕信息产业的材料、芯片、器件、系统相变存储器及应用太赫兹固态技术高端硅基材料及应用智能感知微系统超导量子器件与电路特种宽带无线通讯技术与装备微纳传感技术与器件类脑芯片与仿生视觉所况上海微系统所现有在职职工612人，其中正高级89人，副高级139人；现有院士3人，国家

“千人计划”7人和青年“千人计划”2人、中国科学院“百人计划”18人，国家杰出青年科学基金获得者4人；首批博士、硕士学位授予单位之一，设有电子科学与技术、信息与通信工程两个专业一级学科博士/硕士研究生培养点，材料物理与化学专业二级学科博士/硕士研究生培养点，有电子科学与技术、材料科学与工程两个专业一级学科博士后流动站，现有在学研究生635人；传统优势单元：传感技术全方位覆盖材料、芯片、器件、系统全球领先的8英寸

“超越摩尔”

研发中试线，创建国家智能传感创新中心 近5000平方米的高等级微纳加工超净厂房表面硅、体硅、3D微纳加工技术MEMS、硅光子、RF、硅基III-V族、3D集成、MR磁传感器、功率及生物等相关工艺和测量设备MtM产品和技术无缝迁移，实现中试和量产2017.9.10国内首条、全球领先、兼容CMOS的8英寸研发中试线正式运营，取得里程碑式进展五大平台--硅基光子学工艺平台产业目标面向长距离光通信/数据中心等硅光子明确的市场应用，培育产业链企业，建设硅光子基地，形成新的增长点和特色产业。技术目标突破片上高速硅基光源芯片和高速集成电路芯片等核心部件，发展全光集成、光电集成和片内互连等先进集成技术。引 导支 撑硅光芯片中试/量产平台和封装技术支撑支撑上海市自然科学一等奖解决中国硅光发展的工艺瓶颈，已成功实现全流程硅光工艺流片，性能指标与IMEC、IME相当五大平台--同步辐射光源

中国第一个基于同步辐射的综合研究平台;电子结构研究的最高层次，发挥了最佳综合性能，为“材料观察科学”向“材料控制科学”的发展提供了有力的基础工具;在新能源和环境材料的基础和应用研究领域具有很好的应用前景;上海能源与环境材料集成平台用于研究能源与环境材料原位电子结构的光束线和装置最新进展完成两条光束线的安装调试，顺利出光ME2平台已部分对用户开放，2017年用户发表论文8篇五大平台--超导电子学器件与电路研发平台(SELF)世界上最先进的超导电子学器件与电路研发平台之一；一个重要的支撑平台;通过提供先进的微纳加工设备及基础工艺，促进中国在超导电子学器件与电路研发方面的制备能力。一个开放共享平台;通过有偿使用或合作研究的形式为政府机构、产业和科研院所提供服务.提供平台和工艺支撑advanced五大平台--微纳表征平台提供从材料微观形貌、成份分析、电性能分析到材料原子、电子结构分析等一系列表征技术；为信息功能材料领域的科学研究提供深度的技术支撑，为科研院所、高校、企业等单位提供高水平的测试、咨询与培训服务；为超导材料与超导电子学应用、高端硅基材料与应用、新型纳电子材料与器件、化合物半导体材料、器件和应用等方向的科学研究提供技术支撑。与华为合作建立福州NB-IOT物联网开放实验室福州物联网开放实验室将成为国内最先具备覆盖端到端的NB-IoT物联网产品商用测试和验证能力的实验室在物联网行业标准化和打造物联网生态圈中发挥关键作用。实验室还将提供国内领先的物联网真实场景应用模拟环境，极大加速物联网技术在行业的应用拓展总占地面积：约2万平方米配备最先进物联网测试开发设备总投资：约6亿元人民币14Trillion物联网InternetofThingsTrillion

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NodesBillion手机微纳传感器全球市场已超200亿美元，预计2020年将达到300亿美元Million汽车加速度计陀螺仪磁传感器压力传感器温湿度传感器流体传感器红外图像仪微镜光机角度计温度传感器氧传感器爆震传感器光传感器3轴加速度计3轴磁传感器3轴陀螺仪硅麦克风近距离环境光射频MEMS压力传感器超声传感器红外夜视仪微驱动器微投影仪生化/环境传感器智能家居智能医疗智能城市智能物流智能环保智能交通智能农业智能机器人加速度计陀螺仪压力传感器温湿度传感器紫外线传感器气体传感器血糖传感器血压传感器心电传感器体温传感器脑电波传感器中国是全球最大的汽车和手机市场目前MEMS/MtM产品主要依赖于进口物联网的开始研究开发一系列微纳传感芯片单光子探测器国际领先SNSPD器件继续保持国际领先首次提出并实现新原理微纳光纤耦合SNSPD器件P,

等国内外科技网站跟踪报道

——”实用化SNSPD效率达到90%纪录“全球第二套航空低温超导全张量磁梯度测量实用化样机美国报道“中国量子潜艇探测器能够保护南中国海“乌兰浩特外场SQUID前沿研究及应用创新构建快速测量nano-SQUID纳米超导量子干涉器件系统实现微小颗粒物性表征12墨子号量子探测卫星高端硅基材料及集成芯片建成我国唯一的SOI材料基地，制备出与国际最先进水平同步的SOI晶圆片,

为我国特殊用核心元器件的开发扫除障碍，实现了我国微电子材料的跨越式发展自主高可靠键合加固SOI晶圆成功量产“新微芯”安全芯片搭载北斗导航卫星发射成功短波红外InGaAs探测器外延材料首获航天应用科创板：上海硅产业集团国家科技进步一等奖相变存储芯片及存储器，跻身国际先进水平可逆相变机理研究国际

观察到固-固可逆相变事实首次

看到相变材料结构与电性能对应关系晶化 非晶化面向3D

PCRAM三维交叉堆叠存储器阵列结构国际上第一篇3D

PCRAM读出电路论文全球首款量产130nm嵌入式PCRAM芯片PCRAM加密芯片通过全球60多款型号打印机实测，已出货1600万颗，真正从技术研发走向市场推广应用相变存储器产业化获突破性进展特种宽带无线通信技术与装备区域宽带接入系统技术状态变更并完成鉴定配合各总体厂家整车试验“八项目“定型

&

铁路位置网参加国家电网230M无线专网技术体制研制和标准制定，有望成为民口的“八项目”圆满完成广铁集团位置网系统第二阶段实验，多尺度复合定位、低功耗、电源等工程化技术达到应用预期乌鲁木齐铁路局疲劳驾驶车载终端实验通过验证开发智能铁鞋管理、智慧站场管理、工具管理、司机行为识别等新需求创业板：上海瀚讯信息技术股份有限公司南水北调“物联网系统技术保障单位”全球最大的人工调水工程惠及人口：4.38亿，全长：1432千米，供水区域为河南，河北，北京，天津四个省（市）是南水北调中段试点信息系统的设计总体单位。上海物联网中心超大规模异构传感器网络为南水北调工程提供全面保障传感网标准化工作组的组长单位推升物联网被列为国家新兴战略产业中国物联网发源地，推升物联网成为国家战略智能感知微系统与大规模物联网新一代多功能复合智能感知微系统应用于国家电子边界、森林防火预警系统，为国际覆盖面积最大的物联网工程；电子警戒系统完成“一带一路”

国际合作高峰论坛安全保障任务。智慧森林配备智能感知系统的消防员智能感知系统应用案例领导关怀习近平、胡锦涛、吴邦国、温家宝等中央领导同志先后考察上海微系统所Part

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1中科院上海微系统所简介人工智能用于芯片级传感设计总结Part

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4人工智能用于电力传感传感器是“能源互联网”及“泛在电力物联网”一切“数据互联”的基础电力传感器需求的特点温度\应变\振动\液位等A设备种类多、数量多、空间分布广发电设备、变电设备、输电设备、配电设备传感器网络需要长距离、海量信息传输能力B参数多C强电磁场干扰电力设备内部\高压输电线路雷电\传感器本身电源电力传感器的发展趋势微纳传感芯片设计难题：传感类型多、原理多、芯片结构复杂难点：微纳器件参数多，其组合搭配的种类达到天文量级；还存在损耗、带宽、尺寸等多目标优化问题27NP-Hard

Problem决策变量优化目标约束条件结构参数、几何参数材料参数

……器件指标、集成指标

…工艺、材料、测试….步奏2、智能仿真设计策略仿真系统评价&反馈应用人工智能解决多目标优化问题步奏1、分析建模专家系统&机器学习几何参数1几何参数2几何参数3几何参数n材料参数1……材料参数2结构参数1材料参数3材料参数n结构参数2结构参数3结构参数n………………XX参数关键技术1：引入人工智能，解决传感芯片设计的多目标优化问题28难点：力、热、电、光等多物理场耦合计算需求上升到“亿级”

网格点，而现有商业软件仅满足“百万级”网格计算（1）并行化混合算法，支持数万个CPU并行计算，解决“可算性”问题（2）MPI分布式内存通讯，解决算法和硬件资源的相互匹配问题新算法流程实现“亿级”网格计算，计算耗时压缩到“天”关键技术2：并行混合算法，解决芯片设计的多物理场耦合及“亿级”网格计算难题关键技术3：抗强电磁干扰微纳结构的智能设计与研制构造超表面满足“频率选择”t

t i

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修正的斯涅耳定律微纳超构膜对工频电磁场（

50Hz）保持屏蔽，对无线通信电磁

波100MHz）以上保持透明引入该超构膜进行系统封装，研制防强电磁干扰无线传感器500A

量程，波长变化±25nm，波长精度±1pm（0.004%F.S）0～20000A

量程，分辨率0.004%F.S，采样频率10KHz，响应时间达微秒级磁场-扭矩-波长调制无源无温漂的高速光学电流/电压互感器 振动（加速度）传感器温度传感器、应变传感器 位移传感器、压力传感器 倾角传感器、静力水准传感器 可燃气体监测模块（甲烷、CO等可燃气体监测

）温湿度监测模块（井内环境温湿度监测）抗电磁干扰液位传感器（井内水位超预警值报警）抗电磁振动传感器（井盖防盗、电缆外破监测报警）有毒气体监测模块（硫化氢气体浓度监测）抗电磁干扰NB-IOT各类通信协议低功耗运行，使用寿命长无需运维，大幅降低运维成本其他多类抗电磁干扰无线传感器 Part

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1中科院上海微系统所简介人工智能用于芯片级传感设计总结Part

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4人工智能用于电力传感通过数据挖掘及分析，实现电网

故障及故障隐患

的实时检测、快速诊断定位对电网的运维及可靠性提升有重要价值是否有故障/隐患？故障属于什么类型？故障发生在哪里？电力设备状态评估、主动预警与检修决策支持故障检测 故障诊断 故障定位 故障修复如何修复故障？基于传感的人工智能监测与诊断的数据分析流程故障是否发生？故障特征是什么？故障属于什么类型？故障预警及决策分析HHT算法PCA算法SVM机器学习算法贝叶斯网络推理算法故障诊断算法引入人工智能的数据分析流程数据分析：HHT算法发生故障时，瞬态的传感信号通常为非线性、非平稳信号利用HHT算法，可解决故障检测环节中非基频信号瞬时频率的准确计算获取问题引入人工智能的数据分析流程数据分析：HHT算法利用HHT，仅需对信号的1个周期采样，20毫秒内就可对故障快速诊断，实时性强一个信号周期，小于20ms引入人工智能的数据分析流程010203把HHT算法处理后的数据进行标准化再造，构造标准化样本向量。计算相关矩阵、特征值和特征向量。数据分析：PCA算法PCA主成分分析算法，提取故障信号特征量步骤选取主成分投影到低维空间，获取新的变量，即为信号特征量。引入人工智能的数据分析流程为更好的确定优化模型，并同时降低计算量，我们选用LS-SVM（最小二乘支持向量机）进行故障类型的识别010203根据大量训练样本数据进行模型训练将测试样本数据利用分类器进行初步故障识别支持向量机（SVM）是基于统计学习理论的一种机器学习方法，通过寻求结构化风险最小来提高学习机泛化能力，达到在统计样本量较少的情况下，亦能获得良好统计规律的目的。SVM进行故障类型识别的步骤：根据初步故障分类结果进行故障细分识别数据分析：SVM算法引入人工智能的数据分析流程贝叶斯网络推理算法故障因果分析引入人工智能的数据分析流程数据分析：动态贝叶斯网络推理算法遗传算法基本原理遗传算法基本原理遗传算法配网故障定位步骤遗传算法配网故障定位步骤1、把电网设备网络转化为0，1二进制状态模型进行描述；0（正常）1（故障）2、给出评价函数（适应度值）；3、随机产生初始解群，进行迭代遗传操作；4、进行收敛判断，二进制模型译码为故障定位信息。数据分析：遗传算法引入人工智能的数据分析流程传感器通常安装于重要节点。但传感器通常覆盖密度不足，可引入遗传算法、神经网络算法等进行故障定位适应任何拓扑结构的网络、分布式电源需要足够的训练样本传感器覆盖密度不足时应用场景1、变压器诊断：1.1

光纤振动传感器监测铁芯绕组0～±100g量程，

0.01%F.S分辨率，0～5KHz频响，-80℃～250℃宽温工作1技术原理 2 传感探头实物发生故障后的变压器振动信号时域谱电力变压器铁心或绕组发生位移、松动或变形时，相对于正常状态下的振动信号，这时测得振动信号会有高频成分出现，原来一些频率处的幅值也会发生变化，并且铁心或绕组位移、松动或变形越严重，出现的高频成分越多。另外，此时在一些频率处的幅值变化也就越大。变压器铁心或绕组发生故障时，振动信号的能量分布也会发生变化。绕组的光纤光栅安装示意图光纤光栅测温原理光通道数每通道最大测点数同步采样频率动态范围波长分辨率波长重复性波长精度温度分辨率精度应变分辨率测温精度工作温度范围325025Hz（所有通道同步采样，频率可调）≥40db0.1pm0.2～0.5pm±1pm0.01℃0.1µε±0.2℃-10～+250℃绕组温度监测能诊断绕组工作状态。此外，根据负载导则中的规定：当变压器内部温度超过150°时将危及变压器的正常运行1.2

光纤温度传感器监测变压器铁芯绕组该过程称为声发射。0～±100g量程，

0.01%F.S分辨率，0～5KHz频响，-80℃～250℃宽温工作高压设备故障中绝缘故障占主要成分。液体电介质及液—固复合电介质目前仍然是一种电力设备中的重要绝缘结构形式，主要应用于大型电力变压器和电容器产品，而由于结构复杂，存在极不均匀电场分布等原因局部放电是变压器诸多有机绝缘材料故障和事故的根源，既是绝缘劣化起因又是绝缘劣化的先兆和表现形式放电开始时，两电极间形成电流流柱，热流柱周围的材料被蒸发，释放出机械能在油箱内传播形成压力场。0.400.550.500.80I/mW0.75

I20.45

I1AB0.700.650.60

IQ Ql1lQ

l216.0 16.2 16.4 16.6 16.8 17.0l

/μm强度型解调原理示意图MEMS光纤F-P声压探头（距声源100mm处可探测到10pc放电量）用光纤传感器测量的局放产生的超声信号，信号的传感和传输过程都不受电磁干扰。与压电式超声传感器相比，光纤传感器可埋入液体介质中直接测量局放声信号，无声波多路径传输问题，声光耦合不受电磁干扰。100Hz、300Hz、500Hz；低于2kHz；低于4kHz；低于1.3kHz；50-200kHz；3kHz；变压器局部放电收到的波形变压器噪声频率铁心磁致振动：冷却泵振动：散热风扇振动：冷却泵和风扇的磁力开关动作：与变压器连接的传输线上电晕引起的电脉冲： 9MHz、18MHz；有载分接开关动作：OLTC的滤波单元动作：开关动作，碰撞声如雨、沙、冰雹等产生的噪声对测试的影响不大。IEEE建议的局放测试频率：国内外学者一般采用的局放测试频率：20kHz～500kHz，40kHz～300kHz。1.3

光纤声压传感器监测变压器液体电介质局放光纤盒和测量主机光纤传感器加工和工作原理与新的变压器油相比，老化的变压器油更容易被电击穿。从电动力学的角度考虑，这是因为老化的变压器油有较高的折射率，而这可被光纤折射率传感器光谱响应的波长偏移检测出来，结果表明符合击穿电压测试。因此，该测试有望成为变压器油老化检测的标准测试。该传感器的测量结果与温度无关。通过测量变压器油的折射率（含介损）来检测变压器油的老化程度。变压器油的老化程度，与标准击穿电压测试相符。1.4

光纤折射率传感器检测变压器油的老化全光传感技术为变压器内部的油路监测提供在线监测解决方案，通过油路来监测变压器故障。基本原理：伯努利定理。监测系统架构示意1.5

光纤液压传感器监测变压器的油流测速10mm基于光纤电压互感器的测试方案光纤电压互感器实物图交流试验变压器精密高压探头F-P静电电压传感器雷电冲击下的过电压是一种微秒级的暂态过程，具有波形多变、幅值高、陡度大、频率高的特点。现有的站用式电压测量装置主要用于计量，其前端传感器的频率响应主要针对工频电压或频率不高的谐波电压，后端采集系统的采样频率一般仅为几kHz，难以满足微秒级、亚微秒级的过电压暂态测量。本方案基于光纤电压传感器，通过测量电场来获取过电压的波形。所采用的光学电压传感器可测动态范围大、响应速度快、频率范围宽、对电场畸变小、测量精度高、与一次设备无电气连接、全绝缘，可满足雷电冲击下对变压器绕组暂态过电压的测试要求。技术参数电压量程：4‐23kV;测量误差：4kV‐8kV范围内的基本误差1%；

8kV‐13kV范围内的误差0.5%

；13kV‐24.1kV范围内的误差0.31%。电