培育原創技術成果 支撐能源電力創新發展

文/中國電力科學研究院有限公司

習近平總書記在中央全面深化改革委員會第二十四次會議上強調，要推動國有企業完善創新體系、增強創新能力、激發創新活力，促進產業鏈創新鏈深度融合，提升國有企業原創技術需求牽引、源頭供給、資源配置、轉化應用能力，打造原創技術策源地。

國家電網公司深入貫徹落實習近平總書記關于科技創新的重要講話和重要指示批示精神，始終立足“兩個大局”，心懷“國之大者”，深入實施創新驅動發展戰略，堅持“四個面向”，提升“四個能力”，全面推進“一體四翼”發展布局，加大前沿引領技術、基礎研究與應用技術領域投入，支撐重大原始創新，著力打造能源電力行業原創技術策源地，加快建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業，實現高水平科技自立自強。

作為國家電網有限公司直屬科研單位，中國電力科學研究院有限公司（以下簡稱：中國電科院）堅守職責使命，立足能源電力國家戰略科技力量的戰略定位，圍繞電力行業多學科布局，努力提升自身綜合能力，加快培育自主創新與原始創新策源能力，先后攻克大電網安全分析與運行控制、特高壓交直流輸電、大規模新能源接入與大規模儲能等電網關鍵技術，形成一系列自主創新成果，支撐能源電力行業原創技術策源地建設。

▲ 科研人員在國家電網仿真中心對交直流電網運行方式進行校核計算

自主仿真讓電網發展更安全更可靠

2022年，中國電科院新型電力系統輸電網功能形態及其技術演進研究項目團隊運用新一代電力系統仿真技術，綜合考慮技術、經濟、安全等因素，研究純新能源送出場景下的組網形態，創新改進傳統的輸電方式。

電力系統仿真是利用計算機或者物理設備，建立與實際電力系統具有一致特性的模型，并進行數字或者物理試驗，研究分析模型模擬電力系統物理行為的方法和過程。結合不同階段我國電網的基本特征，中國電科院自主研發仿真計算軟件工具，為電網安全運行、高質量發展提供可靠技術支撐。

20世 紀70年 代 到90年代，我國電網向超高壓跨省互聯升級，電力電子開關的輸電設備開始在電網中廣泛應用，電力系統運行面臨大量新問題，需要更為先進和精準的仿真計算軟件工具。中國電科院先后自主研發了電力系統分析綜合程序、電磁暫態與電力電子仿真軟件，有力支撐了我國跨省互聯重大輸電工程建設。1972年，周孝信、吳中習兩位同志牽頭開展電力系統仿真程序研究，不到一年時間，設計開發了電力系統潮流、短路、穩定三大計算仿真程序，在國內首次突破了基于稀疏矩陣的電力系統仿真技術，這項技術于1978年獲得全國科學大會獎。

我國進入大區電網互聯階段后，電力電子開關的輸電設備開始在電網中廣泛應用。但電力電子開關動作頻率高，動作速度快，必須采用更詳細的模型和更精確的計算方法。中國電科院林集明等老一輩專家在之前電磁暫態仿真技術的積累之上，開發了電磁暫態與電力電子仿真軟件，并應用于三峽電力外送、西電東送等幾百項重大工程的研究和設計，取得重大的經濟效益和社會效益。

中國電科院基于電力系統特性分析和電網控制裝置功能驗證，開展電力系統實時仿真裝置研究并取得突破，研發電力系統全數字實時仿真裝置ADPSS，首次實現了數萬節點級電網的數字實時仿真，打破了國外廠商在實時仿真領域的技術壟斷。2009年，ADPSS獲得國家科技進步一等獎，標志著我國大電網分析技術處于世界領先水平。

隨著新能源和直流規模不斷增加，我國電網已發展成為世界上規模最大、資源配置能力最強、技術最先進、結構最復雜、控制難度最大的電網。在系統規模、復雜程度、控制技術等進入世界電網“無人區”的同時，大電網仿真精度和效率亟需進一步提升。

2015年，國家電網公司啟動“新一代特高壓交直流電網仿真平臺”研發項目，中國電科院充分發揮專業優勢，知難而上、勇挑重擔，立足自主科研攻關和技術創新，經過兩年時間，建成了世界上仿真規模最大、計算效率最高、模擬精度最準確的電網仿真平臺。中國電科院國家電網仿真中心數據研究室副主任王虹富參與了該項目的研發工作，他說：“平臺實現了全網統一管理電網設備模型參數、統一編制和發布仿真數據，建模規?，F已達到近2萬座廠站、6萬條線路、8萬個節點，確保了全網范圍內仿真數據的一致性和準確性。”

截至目前，電網仿真平臺計算速度能夠達到每秒900萬億次，可以同時處理仿真計算作業2萬個，理論峰值計算能力達到每秒918.7萬億次，是目前世界上計算能力最強的電網仿真計算機群。

探索特高壓讓輸電體系更完整更成熟

在輸電技術領域，中國電科院曾沿著“引進-消化-吸收-再創新”的路徑摸索前進，實現了從高壓到超高壓的不斷突破。從我國第一個330千伏輸變電工程到第一個500千伏輸變電工程，再到第一個±500千伏直流輸電工程，中國電科院解決了大量電網建設和規劃設計中的技術難題，研究成果填補了國內多項空白。

我國輸電技術發展到特高壓等級，超過了當時已有的電力工業基礎、技術與人才儲備等條件，沒有成熟經驗可以借鑒，因此，在特高壓領域開展自主創新勢在必行。2004年，國家電網公司啟動特高壓輸電工程關鍵技術研究和可行性研究，中國電科院先后攻克了特高壓核心設備研發、法定高計量基準建立、線路桿塔施工等技術難題，全面建成國家電網公司“四基地兩中心”，形成了完整的特高壓交直流輸電技術體系?！疤馗邏航涣鬏旊婈P鍵技術、成套設備及工程應用”獲2012年度國家科學技術進步特等獎，“特高壓±800千伏直流輸電工程”獲2017年度國家科學技術進步特等獎。

換流變壓器是特高壓直流輸電工程中至關重要的設備，它是輸電系統中換流、逆變兩端接口的核心設備，事關整個電網工程正常運行?！?00千伏換流變壓器是我國交直流大電網的重要裝備，長期處于交直流電場等復雜應力作用下，運行工況苛刻，難度大、價值高。然而，2014年以前，全世界僅有個別國外企業掌握±800千伏換流變壓器設計制造技術。如果要自研，則要突破絕緣設計、出線裝置、溫升控制、制造工藝四大關鍵技術，解決絕緣受限、精確計算、精準工藝等技術難題，面臨著極大的考驗。

國之重器，不可仰賴于人。中國電科院變壓器技術研究室主任程渙超介紹：“如果不打破涉及超大型裝備研發、系統穩定及潮流控制等一系列關鍵技術的封鎖，今后所有相關的工程都要付出高昂的成本?！崩碇堑姆治龈嬖V科技工作者：除了自主研發，沒有其他道路可以選擇。項目組堅持自主設計一套出線裝置試驗樣機，在國內外首次開展了工程樣機1：1的裕度試驗后，團隊發現了后續實驗中可能存在的絕緣層間固定、爬電抑制措施等隱患并成功解決，支撐了國產出線裝置的研發。

經過十余年不懈努力，中國電科院牽頭完成了關鍵技術研究及工程應用，組織建立了全套具有自主知識產權的±800千伏換流變壓器生產工藝體系及質量控制規范。該項目提升了我國變壓器行業硅鋼片、絕緣材料、電磁線、出線裝置等相關組件的整體水平，建立了完整的產業鏈，促進了我國乃至世界電力科技水平的升級進步，榮獲2020年國家科技進步二等獎。

支撐新能源發展讓并網運行更精準更高效

20世紀末，中國電科院開始從事新能源發電研究，于2006年成立新能源研究所，又于2016年將之升級為新能源研究中心，支撐我國可再生能源發展。但新能源具有隨機性、波動性等特性，運行不確定性大，并網面臨挑戰。多年來，該院從基礎理論研究、核心系統研發到典型應用示范全方位布局，產出一系列具有自主知識產權的國際先進水平的重大成果，探索出一條適合我國資源稟賦和電力系統特點的風電光伏預測技術和調度技術發展之路，實現電力系統運行靈活性和可再生能源消納能力的有效提升。

中國電科院總工程師王偉勝是新能源相關技術研究的領軍人物。他回憶道：“當時新能源是電力科研的冷門，風電研究更鮮有人問津，人才、設備、資金都很匱乏。但那時我堅信，與新能源相關的科研工作肯定會成為國家能源戰略的重要組成部分和行業發展的迫切需求?！?/p>

后來，風電研究開始受到矚目。隨著風電高速發展，我國對風電機組的檢測需求不斷增大。2010年4月，中國電科院開始建設風電試驗基地，為開展風電機組全部性能試驗檢測做準備。當年12月，張北試驗基地正式投運。中國電科院開展了上百種機型的風電機組和光伏發電單元并網試驗，獲得大量新能源機組并網運行與試驗數據，解決了長期困擾我國電力行業的低壓穿越導致風電機組脫網的難題，提升了新能源機組并網運行控制技術水平。

中國電科院聚焦支撐國家清潔能源轉型和新能源行業快速健康發展，強化新能源電源并網技術研究，攻克了新能源優化調度運行的技術難題，創立新能源功率預測技術體系，其核心環節是新能源功率預測系統。該系統延長了短期功率預測時長，目前預測精度達到90%以上，為促進新能源消納與保障電力供應提供精準支撐。

我國風電、光伏裝機容量大，集中度高，隨著風、光出力占比的不斷增加，預測精度帶來的功率偏差總量同樣大幅增加，給新能源調度計劃的制定帶來較大困難，亟須進一步提升預測精度。針對于此，項目團隊圍繞預測和調度兩個技術維度，及中長期、短期和超短期三個時間尺度開展技術攻關。在預測技術方面，創新預報方法，深入挖掘“氣象-功率”時空關聯特性，提升預測精度，延長預測長度，填補中長期電量預測、概率預測等技術空白。在調度技術方面，研究基于預測不確定性的調度決策、風險辨識、備用配置和緊急控制等關鍵技術，實現風險可控條件下風、光最大化消納。

2021年，中國電科院研究團隊突破風電、光伏中長期電量預測、短期和超短期功率預測技術，提出了基于預測不確定性的調度決策和風險防控方法，研發了新能源功率預測系統、新能源生產模擬系統等技術系統，并在國網、南網、蒙西電網等9個調度機構建立示范工程。同時，該院承擔的“新能源發電調度運行關鍵技術及應用”“青藏地區可再生能源獨立供電系統關鍵技術及工程應用”項目先后榮獲國家科技進步獎二等獎。項目成果應用廣泛，社會效益和經濟效益顯著。

當前，構建新型電力系統是能源電力行業服務“碳達峰、碳中和”的重要責任和使命。中國電科院堅持基礎研究整體性思維，建立健全新型電力系統關鍵核心技術攻關體系，著力加強基礎性技術研究，加快推進緊迫性技術攻關，加大電力前沿科學和新型電力系統構建的共性問題布局研究，以基礎理論的創新、核心技術的突破、科技成果的轉化應用，全力推進新型電力系統原創技術策源地實施方案落地，加快打造能源電力國家戰略科技力量。