用實干詮釋配電人的情懷
——記2020年度國家科學技術進步獎二等獎獲得者盛萬興

蔡巧玉

2020年度國家科學技術進步獎二等獎獲得者盛萬興

在整個電網的損耗里，配電網占了80%，而在配電網里，配電變壓器占整個配電網損耗的80%，兩個80%加起來，電網每年的損耗，相當于一到兩個三峽電站每年的發電量。所以，解決電網的節能降耗問題，關鍵是要解決好“兩個80%”的問題。尤其配電變壓器，它是電網向用戶供電的關鍵設備。我國用電負荷峰谷差大、平均負載率低，常規配電變壓器的容量固定、不能調節，導致配電變壓器重過載燒毀、輕空載損耗高的問題突出。據統計，我國配電變壓器年均過載燒損上萬臺、電能損耗達千億千瓦時。保障配電變壓器安全高效運行任務緊迫、意義重大。

有載調容變壓器是一種能根據負荷變化自動調節變壓器容量大小、避免變壓器過載燒毀并大幅度降低電能損耗的新型變壓器。有載調容變壓器研制之初，相關技術國內外均無可借鑒成果，面臨有載調容暫態建模與切換過電流抑制難、有載調容開關切換可靠滅弧難、調容過程自適應協調控制難三大難題。在國家科技支撐計劃等項目持續支持下，中國電力科學研究院有限公司（以下簡稱“中國電科院”）配電技術中心主任盛萬興帶領團隊歷時近10年聯合攻關，突破了有載調容配電變壓器的三大關鍵技術，研發了系列化產品，提出了國際標準，實現了中國原創、世界首創的電工裝備核心技術的重大突破與跨越，填補了國內外空白。

破解農村供電難題

農村電網曾是中國電網中最落后的一部分，由于很多地方沒通電，所以解決農村的供電問題在一段時間內成為迫在眉睫的事。在開始有載調容變壓器項目攻關前，有近10年時間盛萬興一直在做農村電網的相關研究工作。

“為什么農村好多地區沒通電？因為之前想用電要靠大家集資，這樣只有相對富裕的地區才能用上電。為解決農民的用電問題，減輕他們的負擔，促進經濟發展，國家采取了一項重大舉措，由政府投資推進農村電網‘兩改一同價’工作。”盛萬興說，“通過實施農網建設與改造工程，雖然農村電網的供電能力和供電質量得到初步改善，但仍有很多問題挑戰著電力人的智慧。”

傳統的電網規劃方法是從發電環節到用戶自上而下按電壓等級布局電網、布點變電站，只考慮供用電量的總體平衡，不考慮用戶分布、用電需求與特點。我國幅員遼闊，面對分布廣泛、差異顯著又體量巨大的配電網，這種單向規劃思路不僅造成了電網投資的巨大浪費，而且收到的供電效果也很差。如何破解這一難題？1997年年底剛入職中國電科院，盛萬興就接下了這個任務。

通過開展大量工作，盛萬興首次提出了基于負荷-電網協調的優化規劃方法，進而提出建立基于供電模式的配電網規劃設計思想。盛萬興介紹，供電模式是界定電網結構、供電單元和電網裝備等供電系統主要組成要素的電網規劃設計方案，它統籌了供電設施配置與用電需求的協調匹配，具有規劃針對性強、適應地域差異化、顯著節約投資的優點。

在我國大規模配電網建設改造的迫切需求下，盛萬興帶領團隊系統地建立了覆蓋我國東、中、西部供用電需求的96種配電網典型供電模式庫，開發了配電網優化規劃設計系統并制定了配套技術標準與規范，填補了國內外供電模式研究空白，大大提高了體量巨大的配電網建設改造的經濟性與有效性，解決了偏遠無電地區電網延伸供電難題。研究成果廣泛用于城鄉配電網建設改造工程，節約投資巨大。

解決了用電問題后，怎樣用好電這個問題又擺在盛萬興面前。

我國配電網具有顯著的地域分散性，線路長、設備多，用電隨機性強、負荷峰谷差大。因而，配電網的電能配送損耗高、末端供電質量不穩定、設備抗過載能力要求高，這些都迫切需要通過技術創新加以解決。

“一個典型的例子是，改革開放后人口向城市流動，春節等節假日農村外出務工人員會集中返鄉，一大批人回去了要用電器，這樣農村典型時段的用電負荷會暴增，導致原來常規布的變壓器過載甚至燒毀嚴重，春節保供電成為供電部門的嚴峻挑戰。起初采用人保電的方式，挨家挨戶摸底，問清回來了多少人，大概用多大功率的電器，錯時使用電器，這種方法不僅影響大家的生活質量，又不能從根本上解決問題。”盛萬興說。

為了保供電，當時曾出現過幾種方法，臨時更換變壓器是其中的一種，即平時用小變壓器，春節換大的。“實際上這也是一種投資浪費，因為須時常備著大的變壓器。”盛萬興說，“為了不更換變壓器，當時農村還出現了一種子母式變壓器配置方案，用于解決農忙農閑的用電負荷峰谷差問題。農忙時，收割、灌溉、磨面、打米用電多就用大容量變壓器，農閑時就用小容量變壓器，但這需要人手動切換，既增加了安全隱患，又因為投資高，不能普遍推廣。后來有的廠家把一大一小兩個獨立的變壓器合并到一起生產了調容變壓器，通過對變壓器內部的高低壓繞組線圈聯結方式切換，但切換還是靠人工，如果忘了去切，負荷會突然增長，變壓器燒毀的問題很嚴重。”

為了解決春節等節假日的保供電問題，盛萬興帶領團隊迎難而上，系統地提出了降低電能損耗、提升配電網供電質量、保障安全供用電的整體技術解決方案；突破了配電網經濟運行分析、變壓器突發過載、生物體觸電特波識別等關鍵技術，研發了關鍵裝備與系統，制訂了配套的行業/企業技術標準與規范，為實現配電網降損增效、合格供電提供了有效技術手段。

盛萬興團隊所做的工作，不僅降低了配變空載損耗，為相關供電企業帶來了可觀的經濟和社會效益，還解決了農村人身觸電傷亡頻發問題，使農民的用電安全得到了有效保障。雖做了大量工作，但盛萬興心里始終覺得，解決好農民的用電問題，他和團隊還有很多事情需要做。

2004年國家電網公司在江西召開現場會，這次會議為盛萬興帶來了一項新的任務，會上有關領導要求中國電科院牽頭研究不用人為干預、可以自動調節的變壓器，有載調容變壓器的研發由此開啟，盛萬興也迎來了近10年的攻堅克難之旅。

永攀配電科技高峰

有人說配電里涉及的東西沒什么技術難度，其實不然。對盛萬興來說，從有載調容變壓器項目攻關伊始，問題就接踵而至。

實現自動調容最關鍵的部件是調容切換開關，要實現自動化，高低壓側的電流必須控制住。高壓側切換很容易，低壓側則不然，因為直接承載負荷的緣故，所以電流特別大，有時能達到正常負荷電流的7倍以上，帶著電流去切換首先會遇到滅弧的問題，同時切換過電壓也會造成電器的損傷，所以怎樣抑制切換過電流、切換過電壓，成為盛萬興在有載調容變壓器攻關里遇到的最難的一個問題。

盛萬興回憶，一開始他們找到了上海的一家開關廠，這是我國做切換開關水平很高的企業，但合作了兩三年，做了大量試驗，沒能解決滅弧的問題。之后又找到沈陽的一家企業，經過反復試驗，終于做成功了第一臺機械式的樣機，但比普通變壓器大50%的體積，要想普遍推廣原來變壓器的整體布局都要變，代價太高。另外，由于加工工藝的問題，做成的東西重復性差，生產出來的變壓器不是每臺都能完成良好的自動切換功能。

為改進加工工藝，以及實現體積的小型化，盛萬興帶領團隊與遼寧金立電力電器有限公司開展了合作。在合作中，他們對切換觸頭部件進行了改進，提出了分觸頭的方式，把一個主觸頭分解成三部分，不僅減少了每個觸頭的電流，還降低了過電壓的風險。另外，立柱式調壓的傳統結構也在這次合作中得到了解決，最終讓整機生產得以實現。

考慮到成本高、造價貴，市場接受度有限的問題，他們又合作對原來的機械開關進行了取代。盛萬興介紹：“電力系統最前沿的技術是永磁機構，我們就研制永磁機構的開關，原來立柱式結構中采用多頭切換開關，之后我們換成了一種扁平化的開關，在一個平面上布了3個永磁機構進行三相聯動。永磁機構有何好處？原來需要在油里滅弧，現在不需要了，在真空滅弧室里就可以滅掉，我們配了3個滅弧室，這樣不僅滅弧的難題解決了，體積還降了下來，快速性和準確性也提高了。借用永磁開關的技術，我們對變壓器進行了全新的設計，做到了跟普通變壓器的體積、接線方式完全一樣，對替換改造、普遍推廣很有利。”

盛萬興常說，科研就像登山，既然選擇了去攀登，就不要輕易退縮，畢竟成功登頂不是一蹴而就的。在有載調容變壓器近10年攻關的歷程中，雖然經歷了無數次的挫折和失敗，但盛萬興還是帶領著自己的團隊，聯合國網北京市電力公司、北京博瑞萊智能科技集團有限公司、山東電工電氣集團有限公司、遼寧金立電力電器有限公司的合作團隊，跨過了一個個難關，堅持了下來。有敢于攀登的氣魄，又有接受失敗的勇氣，一路走來，他們收獲的成果也格外豐碩。

多年來，在盛萬興的帶領下，他們發明了有載調容建模分析理論方法；建立了配電變壓器調容暫態模型，提出了有載調容切換關鍵參數配置方法，攻克了有載調容切換暫態過電流抑制關鍵技術；帶載切換過電流降低87.5%，變壓器空載損耗降低50%以上；解決了變壓器有載調容暫態建模與帶載切換暫態過電流大、抑制困難等難題。

盛萬興及其團隊突破了有載調容切換開關關鍵技術；發明了分層夾片式觸頭結構的立柱式調容調壓一體化切換開關機構，攻克了串聯多斷口分級分壓的開關安全熄弧關鍵技術；發明了雙線圈串聯推拉式永磁操動的盤式調容調壓一體化切換開關機構，攻克了雙極對稱穩定控制的開關快速分合閘關鍵技術。他們研制了立柱式和盤式兩種有載調容調壓一體化切換開關，調容切換時間小于20ms、體積減少30%以上；解決了有載調容開關切換過程可靠滅弧、動作穩定可控等難題。

團隊還突破了自適應協調控制關鍵技術，提出了基于小波變換的高精度負荷預測方法、基于臨界負載率的調容定值優化配置方法，攻克了快速負荷響應的調容/調壓/調無功等多變量解耦控制關鍵技術，研制了綜合控制裝置，變壓器綜合損耗降低30%以上，解決了有載調容變壓器自適應負荷變化協調控制難題。

基于項目成果，團隊聯合相關企業研制了10kV有載調容配電變壓器系列產品，獲授權發明專利35項（國際專利2項）、軟件著作權5項，制定標準15項（國際標準1項/提案2項），出版著作2部，發表論文32篇，經鑒定達到國際領先水平，除獲國際發明金獎、北京市科技獎一等獎、中國機械工業獎一等獎外還獲得2020年度國家科學技術進步獎二等獎，并被聯合國世界知識產權組織收錄。

盛萬興（前排右五）與他的科研團隊

目前，項目成果已廣泛應用于北京、河南、江蘇、內蒙等20多個省市電網中，累計應用有載調容變壓器7萬余臺，累計減少配電變壓器過載燒毀數萬臺、降低電能損耗20多億千瓦時，服務國家大氣污染防治“煤改電”439萬戶、治理“低電壓”1000萬人口、“精準扶貧”光伏發電升壓并網，保障了電網安全高效供電。成果推廣應用于石油、石化、工商企業等，并遠銷非洲、印度、印尼等地區和國家。成果已列入《國家重點節能低碳技術推廣目錄》，市場前景廣闊。近3年新增銷售額32.15億元，綜合效益數百億元，經濟社會效益巨大。

為讓有載調容變壓器有更廣闊的市場前景和應用前景，盛萬興并未停下探索的步伐。

依托項目核心成果，他帶領團隊分別提出了IEC“有載調容配電變壓器技術規范”、IEEE“有載調容配電變壓器推薦性實踐”等國際標準提案，助力產品走出國門，在海外大規模推廣。盛萬興說：“在制定國際標準前，其實在2016年，我們就把調容變壓器拿到日內瓦國際展參展，得了金獎，當時很多外國評審專家，都對這個事情感興趣。現在，調容變壓器也進了國家‘一帶一路’推薦目錄里，‘一帶一路’沿線有很多地方跟中國的農村情況很相似，他們的需求很高。過去，雖然我們在國外也推廣了一些，但通道不是很順暢，通過國際標準的制訂，今后會越來越順暢，往國外推的機會會非常多。”

除去國外，國內目前適用這種產品的地方也非常多，負荷峰谷差大的地方都能用，除了農村，工商業領域也適用，除了傳統電網，新型的分布式可再生能源發電也非常適用。“全國現在有1500萬臺配電變壓器，我們只推廣應用了7萬多臺有載調容配電變壓器，在國內它的增長空間非常大。”盛萬興說。

最近，盛萬興團隊又推出了一款新產品，在之前三相變壓器的基礎上，研制出單相調容變壓器，除對節能減排更有利外，單相調容變壓器更易于向用戶端延伸。盛萬興透露，對用戶端的節能降耗問題，現在已基本有一個完整的方案，未來產品走進千家萬戶的可能性會越來越大。

打通成果轉化鏈條

本碩博都在西安交通大學就讀的盛萬興，最早學的是機械，后來開始研究機電一體化，之后又做計算機控制相關研究，博士畢業后到北京中國科學院自動化研究所做人工智能的博士后研究，1997年年底來到中國電科院開始做農村電網相關工作。

盛萬興記得當時中國電科院農電所的所長徐臘元曾對他說：“農村電網問題很多，你去了會耗費很多精力。”但盛萬興覺得事務無分別，都要同等對待，最要不得的是把自己擺在高高在上的位置。

盛萬興的研究經歷很復雜，學科跨得很多，從機械到控制到人工智能再到電力系統，他積極申請項目，成為中國電科院歷史上承擔國家自然科學基金青年基金的第一人；他又在中國電科院第一個成功申請到國家原“973”計劃項目，成為當時全國最年輕的原“973”課題負責人。

在中國電科院創造了很多個第一的盛萬興，一路走來作為項目負責人，曾先后承擔了國家重點研發計劃、原“973”計劃、原“863”計劃、科技支撐計劃、國家自然科學基金、國家電網公司科技項目等40余個項目，發表學術論文150余篇，出版專著10部，制定國家、行業標準20余項，獲國家級、省部級科技獎勵20余項，培養博士后、博士、碩士研究生30余人。他主持編制了“十二五”國家智能電網發展規劃的智能配用電與微電網專題報告、“十二五”“十三五”國家電網公司智能配用電與微電網領域發展規劃報告；曾獲IEEE CPS工業技術杰出貢獻獎、中國電機工程學會杰出貢獻獎；為我國智能電網、分布式發電/微電網技術的發展作出了杰出貢獻。

回顧在中國電科院20余年的科研經歷，盛萬興總結道：“我主要干了3件事。第一件是城市電網的安全控制。城市電網很復雜，負荷又大，風險又大，智能電網的自愈是國際上提的，但是包括核心裝備、核心系統、軟件算法，全體系卻是我們做的。第二件是農村電網的供電模式。這是我們的大成果，有載調容變壓器就是包含在這個成果里的其中一個。第三件是未來電網的一些技術。現在我們已經做了很多鋪墊性的工作。”

因為所做工作影響力大又極具應用價值，所以很多單位請盛萬興去作報告，但他很少接受此類邀請。他說：“做配電最大的特點是講求實用性，我最想讓團隊踏踏實實做學問、做技術、做有用的東西，把自己的本事練好了，比什么都強。”

堅持創新，把文章寫在祖國的大地上，把文章寫在推動成果的產業化上是盛萬興對團隊的要求。在他的嚴格要求下，通過多年歷練，他的團隊已成長為國內配電領域的第一梯隊。

團隊產出的高水平論文在中國電科院排名數一數二；2010年至今有1000多件發明專利；專著三十余本，取得了業界的廣泛認可；成果的轉化能力強，在中國電科院團隊的產品轉化最多；國際化水平高，IEC、IEEE、CIGRE三大國際組織在團隊都設立了常設機構，發布國際標準6項，在研國際標準6項。同時，團隊組織的配電高峰論壇到2020年已做了4屆，影響力很大，參會專家會把有用、獨特、最新的技術拿來在會上分享；發起成立的全國配電聯盟凝聚力很強，有一百多家企業已成為聯盟的會員，這些企業都是有規模、有技術引領能力的國內外配電領域的知名企業。

二十多年來，盛萬興堅持服務民生，踏實把城鄉電網的事做好。盛萬興剛到中國電科院時供職的農電所也發展成為科研實力強、科研成果豐碩的科研部門。合并成配電研究所后，經過10年成長，人數已從2010年的50人增長到2020年的200余人。

從50人發展到200人，科研經費從當初的500萬元增長到5億元，有那么多科研成果產出，設立了那么多國際組織，盛萬興覺得有必要對所里10年的發展歷程做個梳理總結，因為明白得失，才能更好啟程。

談到未來的工作，遠期和近期，盛萬興都做了規劃。在遠期規劃中，他更關注過去沒遇到過的、對電網安全平穩運行會產生威脅的新生問題，尤其是充電網絡問題。近期規劃中，他把搭建產業平臺作為工作重點，問起緣由時，盛萬興說：“全國配電聯盟成立后，技術平臺就搭得差不多了。但我們的產業平臺還不夠，國家電網公司剛好在推昆山、揚州的雙創園建設，未來會將很多成果放到那里轉化。建成后，園區會讓很多中小微企業入駐，我們會篩選市場資源和運營模式比較好的企業進行成果輸入，并借助國網大平臺幫助它們上市，如果有幾家企業能上市，那么雙創園產業化平臺就做得非常好了。我非常希望把雙創園盡快做起來，盡快把成果轉化的鏈條打通。但理想說得再多沒做成也不行，所以在接下來的人生中，我會把它當成最重要的事來做，一定要把它做成。”