基于量子传感与边缘智能的高压断路器状态监测方法

杨赛柯; 庞先海; 刘国平; 顾朝敏; 张凯元

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基于量子传感与边缘智能的高压断路器状态监测方法

研究与分析 | 更新时间：2026-10-16

- 基于量子传感与边缘智能的高压断路器状态监测方法
- State Monitoring Method for High-Voltage Circuit Breakers Based on Quantum Sensing and Edge Intelligence
- 高压电器 2026年
- 作者机构：
  
  1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北石家庄 050021
  2.国网河北省电力有限公司，河北石家庄 050021
- 作者简介：
  
  杨赛柯（1995年12月），男，博士研究生，工程师，研究方向：电力设备绝缘状态检测与故障诊断，邮箱：yangsk1204@163.com
  庞先海（1983年2月），男，硕士研究生，教授级高级工程师，研究方向：电力状态检测与试验技术，邮箱：dyy_pangxh@163.com
  刘国平（1975年06月），男，博士研究生，正高级工程师，研究方向：电力状态检测与试验技术，邮箱：liuguoping197506@163.com
  顾朝敏（1985年04月），男，硕士研究生，高级工程师，研究方向：电力状态检测与试验技术
  张凯元（1991年12月），男，博士研究生，工程师，研究方向：电力设备绝缘状态检测与故障诊断
- 基金信息：
  
  国网河北省电力有限公司科技项目资助(kjcb2025-002)
- DOI：
  中图分类号： TP393
- 收稿：2026-07-03，
  
  修回：2026-09-07，
  
  录用：2026-09-07，
- 稿件说明：
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杨赛柯, 庞先海, 刘国平, 等. 基于量子传感与边缘智能的高压断路器状态监测方法[J/OL]. 高压电器, 2026.

YANG Saike, PANG Xianhai, LIU Guoping, et al. State Monitoring Method for High-Voltage Circuit Breakers Based on Quantum Sensing and Edge Intelligence[J/OL]. High VoltageApparatus, 2026.
杨赛柯, 庞先海, 刘国平, 等. 基于量子传感与边缘智能的高压断路器状态监测方法[J/OL]. 高压电器, 2026. DOI：

YANG Saike, PANG Xianhai, LIU Guoping, et al. State Monitoring Method for High-Voltage Circuit Breakers Based on Quantum Sensing and Edge Intelligence[J/OL]. High VoltageApparatus, 2026. DOI：

摘要

复杂电磁环境下，高压断路器的微弱瞬态故障特征信号易被强工频干扰及空间电磁耦合淹没。为此，提出一种基于量子传感与边缘智能的高压断路器状态监测方法。该方法利用金刚石NV色心量子传感技术采集磁场数据，求解自旋能级哈密顿量实现高精度磁测量；引入滑动窗口自适应阈值滤波与指数加权平滑模型，剔除原始数据流中的异常值并进行趋势平滑处理；将处理后数据输入融合物理约束的卷积神经网络，提取特征并学习磁场数据与设备状态之间的复杂非线性映射关系，实现运行状态的准确识别。实验结果表明，强电磁干扰环境下，该方法的信噪比稳定在30 dB以上，状态识别率达96.2%，误报率仅2.3%，能有效识别高压断路器多参数异常，为复杂电磁环境下的电力设备状态监测提供了一种可行方案。

Abstract

In complex electromagnetic environments

the weak transient fault characteristic signals of high-voltage circuit breakers are easily overwhelmed by strong power-frequency interference and spatial electromagnetic coupling. To address this issue

this paper proposes a state monitoring method for high-voltage circuit breakers based on quantum sensing and edge intelligence. This method utilizes diamond NV center quantum sensing technology to acquire magnetic field data and solves the spin energy level Hamiltonian to achieve high-precision magnetic measurements; it incorporates a sliding window adaptive threshold filtering mechanism and an exponential weighted smoothing model to eliminate outliers from the raw data stream and perform trend smoothing; finally

the processed data is fed into a convolutional neural network incorporating physical constraints to extract features and learn the complex nonlinear mapping relationship between magnetic field data and equipment status

thereby enabling accurate identification of the operating condition. Experimental results demonstrate that in environments with strong electromagnetic interference

the signal-to-noise ratio of this method remains stable at above 30 dB

the state identification rate reaches 96.2%

and the false alarm rate is only 2.3%; this approach can effectively identify multi-parameter anomalies in high-voltage circuit breakers

providing a feasible solution for the state monitoring of electrical equipment in complex electromagnetic environments.

关键词

Keywords

references

曹睿康 , 李岩松 , 耿聪 , 等 . 基于径向基Koopman-Kalman的光学电流传感器误差预测 [J ] . 电子测量与仪器学报 , 2025 , 39 ( 5 ): 84 - 94 .

CAO R K , LI Y S , GENG C , et al . Optical current sensor error prediction based on radial basis Koopman-Kalman [J ] . Journal of Electronic Measurement and Instrumentation , 2025 , 39 ( 5 ): 84 - 94 .

李子文 , 赵茂众 , 杜伟 , 等 . 微型高精度光栅位移传感器设计及误差补偿 [J ] . 光学精密工程 , 2025 , 33 ( 22 ): 3525 - 3535 .

LI Z W , ZHAO M Z , DU W , et al . Miniature high-precision grating displacement sensor design and error compensation [J ] . Optics and Precision Engineering , 2025 , 33 ( 22 ): 3525 - 3535 .

潘星辰 , 原可义 , 东蕊 , 等 . 纳米复合材料压阻式薄膜超声传感器近场干扰抑制方法 [J ] . 仪器仪表学报 , 2024 , 45 ( 12 ): 36 - 44 .

PAN X C , YUAN K Y , DONG R , et al . Method for suppressing near-field interference in thin-film nanocomposite piezoresistive ultrasonic sensor [J ] . Chinese Journal of Scientific Instrument , 2024 , 45 ( 12 ): 36 - 44 .

陈吴昊 , 黄晓丽 , 崔田 . 利用NV色心量子传感技术实现富氢化物超导抗磁成像 [J ] . 物理 , 2024 , 53 ( 5 ): 332 - 334 .

CHEN W H , HUANG X L , CUI T . Utilizing NV color center quantum sensing technology to achieve rich hydride superconducting diamagnetic imaging [J ] . Physics , 2024 , 53 ( 5 ): 332 - 334 .

李庆 , 季云兰 , 刘然 , 等 . 基于强相互作用核自旋系统的量子传感 [J ] . 物理学报 , 2025 , 74 ( 11 ): 289 - 298 .

LI Q , JI Y L , LIU R , et al . Quantum sensing based on strongly interacting nuclear spin systems [J ] . Acta Physica Sinica , 2025 , 74 ( 11 ): 289 - 298 .

徐佳歆 , 徐乐辰 , 刘靖阳 , 等 . 人工智能赋能量子通信与量子传感系统 [J ] . 物理学报 , 2025 , 74 ( 12 ): 20 - 34 .

XU J X , XU L C , LIU J Y , et al . Research progress of artificial intelligence empowered quantum communication and quantum sensing systems [J ] . Acta Physica Sinica , 2025 , 74 ( 12 ): 20 - 34 .

姜源 , 陈磊 , 王丹 , 等 . 基于关联规则的变电站电力设备监测系统 [J ] . 电测与仪表 , 2025 , 62 ( 10 ): 13 - 21 .

JIANG Y , CHEN L , WANG D , et al . Substation power equipment monitoring system based on association rules [J ] . Electrical Measurement & Instrumentation , 2025 , 62 ( 10 ): 13 - 21 .

孔志恒 , 谭冲 , 唐培耀 , 等 . 基于Light-Resnet卷积神经网络的电力设备监测数值识别算法 [J ] . 中国电力 , 2024 , 57 ( 8 ): 206 - 213 .

KONG Z H , TAN C , TANG P Y , et al . Numerical recognition algorithm for power equipment monitoring based on Light-Resnet convolutional neural network [J ] . Electric Power , 2024 , 57 ( 8 ): 206 - 213 .

魏建峰 . 基于RFID技术的煤矿机电设备运行监测系统研究 [J ] . 中国煤炭 , 2023 , 49 ( 2 ): 322 - 325 .

WEI J F . Research on the operation monitoring system for coal mine electromechanical equipment based on RFID technology [J ] . China Coal , 2023 , 49 ( 2 ): 322 - 325 .

邱云飞 , 邢浩然 , 于智龙 , 等 . 面向矿山机电设备监测文本的命名实体识别 [J ] . 计算机工程与应用 , 2024 , 60 ( 11 ): 129 - 138 .

QIU Y F , XING H R , YU Z L , et al . Named entity recognition for mine electromechanical equipment monitoring Text [J ] . Computer Engineering and Applications , 2024 , 60 ( 11 ): 129 - 138 .

肖冬萍 , 石筑鑫 , 阎晟 , 等 . 里德堡原子电场传感器的自校准性解析及测量不确定度评定 [J ] . 电工技术学报 , 2024 , 39 ( 17 ): 5321 - 5330 .

XIAO D P , SHI Z X , YAN S , et al . Self-Calibration analysis and measuring uncertainty assessment of electric field sensors based on rydberg atom [J ] . Transactions of China Electrotechnical Society , 2024 , 39 ( 17 ): 5321 - 5330 .

彭岚峰 , 章小宝 . 面向智能应用的电力通信数据传输方案设计 [J ] . 现代电子技术 , 2025 , 48 ( 11 ): 23 - 28 .

PENG L F , ZHANG X B . Design of power communication data transmission scheme for intelligent application [J ] . Modern Electronics Technique , 2025 , 48 ( 11 ): 23 - 28 .

刘勇 , 林豪彬 , 张少春 , 等 . 基于金刚石氮-空位色心的光纤量子传感 [J ] . 激光与光电子学进展 , 2023 , 60 ( 11 ): 11 - 23 .

LIU Y , LIN H B , ZHANG S C , et al . Optical fiber quantum sensing based on diamond Nitrogen-Vacancy center [J ] . Laser & Optoelectronics Progress , 2023 , 60 ( 11 ): 11 - 23 .

崔帅威 , 彭文鑫 , 李松浓 , 等 . 基于里德堡原子的工频电场测量 [J ] . 高电压技术 , 2023 , 49 ( 2 ): 644 - 650 .

CUI S W , PENG W X , LI S N , et al . Power frequency electric field measurement based on rydberg atoms [J ] . High Voltage Engineering , 2023 , 49 ( 2 ): 644 - 650 .

ZHENG H R , LI N , ZHANG Z F , et al . Co-engineered diamond NV centers via MPCVD for non-invasive quantum sensing in integrated circuits [J ] . Science China(Physics ,Mechanics & amp; Astronomy), 2026 , 69 ( 2 ): 227 - 236 .

张扬 , 刘燕杰 , 郝文渊 , 等 . 集群金刚石NV色心量子自旋定向激发磁传感增强方法 [J ] . 微纳电子技术 , 2023 , 60 ( 2 ): 280 - 285 .

ZHANG Y , LIU Y J , HAO W Y , et al . Magnetic sensing enhancement method in ensemble diamond NV centers with quantum spin directional excitation [J ] . Micronanoelectronic Technology , 2023 , 60 ( 2 ): 280 - 285 .

秦岳 , 王志斌 , 郭浩 , 等 . 金刚石氮空位色心自旋传感技术 [J ] . 仪器仪表学报 , 2023 , 44 ( 9 ): 55 - 69 .

QIN Y , WANG Z B , GUO H , et al . Sensing technology of nitrogen vacancy color center of diamond [J ] . Chinese Journal of Scientific Instrument , 2023 , 44 ( 9 ): 55 - 69 .

张贤宇 , 任青颖 , 陈畅 , 等 . 量子传感关键技术研究综述 [J ] . 半导体光电 , 2025 , 46 ( 4 ): 575 - 586 .

ZHANG X Y , REN Q Y , CHEN C , et al . Review of key technologies in quantum sensing research [J ] . Semiconductor Optoelectronics , 2025 , 46 ( 4 ): 575 - 586 .

王健 , 杨明刚 , 田世岗 , 等 . 基于里德堡原子的真型GIS局部放电量子传感检测 [J ] . 高电压技术 , 2026 , 52 ( 5 ): 2068 - 2076 .

WANG J , YANG M G , TIAN S G , et al . Quantum Sensing Detection of Local Discharge Using a True-type GIS Based on Rydberg Atoms [J ] . High Voltage Engineering , 2026 , 52 ( 5 ): 2068 - 2076 .

罗文博 , 付秋明 , 王戈明 , 等 . 金刚石NV色心量子传感器的制备及其在电力系统中的应用（特邀） [J ] . 中国激光 , 2025 , 52 ( 18 ): 211 - 228 .

LUO W B , Fu Q M , Wang Geming . et al . Fabrication of Diamond NV Centers Quantum Sensors and Their Applications in Power Systems(Invited) [J ] . Chinese Journal of Lasers , 2025 , 52 ( 18 ): 211 - 228 .

韦湛兰 , 李鹏 . 基于宽频带电流传感器的开关柜局部放电检测方法研究 [J ] . 传感技术学报 , 2024 , 37 ( 3 ): 545 - 550 .

WEI Z L , LI P . Research on switchgear local discharge detection methods based on the broadband current sensor [J ] . Chinese Journal of Sensors and Actuators , 2024 , 37 ( 3 ): 545 - 550 .

WEI G , JINYU T , ZHIBIN W , et al . Diamond-neural-network magnetic sensors for ultrafast circuit fault detection and identification [J ] . Photonics Research , 2025 , 13 ( 11 ): 3228 - 3239 .

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