日前，國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在北京隆重舉行，國家電網(wǎng)有限公司共6個項目獲2020年度國家科學(xué)技術(shù)獎。這些項目分別由國網(wǎng)電科院、國網(wǎng)浙江電力、中國電科院以及聯(lián)研院牽頭或參與完成。本文集納上述項目的技術(shù)亮點和應(yīng)用成效，以饗讀者。
國網(wǎng)電科院牽頭
復(fù)雜電網(wǎng)差動保護 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
復(fù)雜電網(wǎng)差動保護裝備應(yīng)用于扎魯特 ±800千伏換流站新一代調(diào)相機組工程。 國網(wǎng)電科院供圖
隨著“西電東送”戰(zhàn)略實施、清潔能源大規(guī)模開發(fā)和外送，我國逐步建成世界上電壓等級最高、輸送距離最遠(yuǎn)、交直流混聯(lián)的特大型復(fù)雜電網(wǎng)。在這種形勢下，我國復(fù)雜電網(wǎng)“故障全局化”的特征逐步凸顯。
作為電網(wǎng)安全第一道防線中的主保護，差動保護設(shè)備擔(dān)負(fù)著第一時間快速切除故障的重任，是電網(wǎng)和各類電氣設(shè)備的“貼身保鏢”。
隨著電網(wǎng)電壓等級不斷提升、規(guī)模和復(fù)雜度持續(xù)加大，線路分布電容電流成倍增長、大容量變壓器勵磁涌流與故障電流波形更趨相似、故障暫態(tài)電流幅值大衰減慢等特征逐步呈現(xiàn)，多次造成差動保護誤動或慢動，導(dǎo)致電網(wǎng)事故擴大和設(shè)備損壞，差動保護精準(zhǔn)快速辨識故障難度愈加凸顯，面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
針對上述問題和挑戰(zhàn)，項目組由國網(wǎng)電科院牽頭，在國家科技攻關(guān)計劃、自然科學(xué)基金等多個項目的支持下，歷時13年科研攻關(guān)，成功突破輸電線路、大容量變壓器、發(fā)電機、母線等成套保護裝置關(guān)鍵核心技術(shù)，大幅提升故障識別能力，縮短動作時間，提升動作可靠性，推動我國電網(wǎng)完成以差動保護為主保護的升級換代。
項目構(gòu)建了復(fù)雜電網(wǎng)差動保護技術(shù)體系，自適應(yīng)于不同保護對象、不同應(yīng)用場景、不同故障演化過程，解決了差動保護快速性、靈敏性、可靠性難以兼顧的難題。
基于上述成果，項目組研制的系列繼電保護裝置通過德國技術(shù)檢驗協(xié)會（TUV）等5家權(quán)威機構(gòu)檢測認(rèn)證，獲國家授權(quán)發(fā)明專利59項，出版專著4部，發(fā)表被SCI/EI收錄的論文97篇，牽頭制訂《1000kV電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)導(dǎo)則》等國家標(biāo)準(zhǔn)。多位院士專家組成的鑒定委員會一致認(rèn)為，項目成果整體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。
項目成果已廣泛應(yīng)用于我國220千伏～1000千伏各電壓等級電網(wǎng)，涵蓋新一代調(diào)相機組工程、海上風(fēng)電工程以及川藏聯(lián)網(wǎng)工程等重要工程，對不滿足我國復(fù)雜電網(wǎng)要求的進口保護進行了批量替換，帶動我國高壓電網(wǎng)新投運設(shè)備100%配置國產(chǎn)差動保護。產(chǎn)品還出口至數(shù)十個國家和地區(qū)。
國網(wǎng)浙江電力牽頭
含高比例新能源的電力系統(tǒng) 需求側(cè)負(fù)荷調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用
電力需求側(cè)調(diào)控是實現(xiàn)新能源高效就近消納、保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的重要途徑，但長期以來還存在一些瓶頸：側(cè)重保生產(chǎn)的負(fù)荷固有運行模式與提能效、保消納的電網(wǎng)調(diào)控目標(biāo)失配，傳統(tǒng)直接切除式負(fù)荷控制無法跟隨新能源波動；分散式負(fù)荷單體容量小、數(shù)量龐大，大規(guī)模協(xié)調(diào)控制極其困難，調(diào)峰能力弱；廣域負(fù)荷與高比例新能源雙重強不確定性疊加，加劇了系統(tǒng)運行風(fēng)險。
“含高比例新能源的電力系統(tǒng)需求側(cè)負(fù)荷調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”項目由國網(wǎng)浙江電力聯(lián)合浙江大學(xué)、源牌科技、清華大學(xué)、中國電科院等產(chǎn)學(xué)研用團隊歷時7年完成技術(shù)攻關(guān)。針對新能源高效消納和高比例新能源電力系統(tǒng)安全運行這一國家重大能源戰(zhàn)略需求，該成果解決了集中式負(fù)荷消納新能源、分散式負(fù)荷聚合調(diào)峰、源荷互動防控風(fēng)險三大技術(shù)難題，首創(chuàng)了大容量集中式負(fù)荷跟隨新能源的平滑調(diào)控技術(shù)，突破了海量分散式負(fù)荷穩(wěn)定調(diào)峰的聚合控制技術(shù)，構(gòu)建了源荷多重不確定性條件下的電網(wǎng)運行風(fēng)險控制體系。
成果在國際上首次實現(xiàn)了吉瓦級集中工業(yè)冶煉負(fù)荷秒級平滑控制參與調(diào)頻，吉瓦級分散商業(yè)空調(diào)負(fù)荷集群持續(xù)小時級穩(wěn)定調(diào)峰。成果應(yīng)用在分布式光伏發(fā)展迅猛的浙江電網(wǎng)，保障了新能源電量100%就地消納下的電網(wǎng)安全運行。成果現(xiàn)已規(guī)模化應(yīng)用至浙江、河北、上海、重慶等11個?。ㄖ陛犑校采w中國尊、浦東機場等657棟大型建筑及上海世博園等48個園區(qū)，并推廣至吉隆坡、迪拜等地的海外工程中，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。
中國電科院牽頭
網(wǎng)源友好型風(fēng)電機組關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)?；瘧?yīng)用
“網(wǎng)源友好型風(fēng)電機組關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)?；瘧?yīng)用”項目由中國電科院新能源研究中心牽頭，聯(lián)合金風(fēng)科技、運達(dá)風(fēng)電、合肥工業(yè)大學(xué)和華北電力大學(xué)組成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)團隊，針對大規(guī)模風(fēng)電電網(wǎng)友好型主動支撐能力不足造成的高比例風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)安全穩(wěn)定問題展開攻關(guān)。項目組在國家自然科學(xué)基金、科技支撐計劃等項目的支持下，從風(fēng)電電源側(cè)入手，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同攻關(guān)，歷時8年，突破了風(fēng)電機組故障穿越與暫態(tài)支撐、主動調(diào)頻調(diào)壓、諧波諧振主動抑制、復(fù)雜工況載荷優(yōu)化等網(wǎng)源友好關(guān)鍵技術(shù)，首次研發(fā)了網(wǎng)源友好型風(fēng)電機組，實現(xiàn)風(fēng)電由“被動適應(yīng)”到“主動支撐”的跨越式升級。這是我國風(fēng)電裝備實現(xiàn)自主化、大型化后的又一重大突破。項目獲國際發(fā)明專利授權(quán)6項、中國發(fā)明專利授權(quán)62項、軟件著作權(quán)37項，發(fā)表被SCI/EI收錄的論文102篇，出版專著2部，牽頭制修訂風(fēng)電并網(wǎng)國家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)14項。
項目成果廣泛應(yīng)用于我國主流風(fēng)電整機廠商，在29個省（自治區(qū)、直轄市）安裝超過2.6萬臺，占近三年風(fēng)電新增裝機的83%。網(wǎng)源友好型風(fēng)電機組出口到美國、德國、澳大利亞等30余個國家。核心技術(shù)與成果推廣應(yīng)用于我國“三北”地區(qū)400余座風(fēng)電場的網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)改造中，總?cè)萘砍^3500萬千瓦，助力這些風(fēng)電場年利用小時數(shù)共增加300小時以上，年多發(fā)電量總計超100億千瓦時，保障高比例風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。
項目成果有望為新型電力系統(tǒng)提供電網(wǎng)構(gòu)建型風(fēng)電技術(shù)與裝備支撐，對助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)意義重大。
聯(lián)研院參與
特高壓高能效輸變電裝備用 超低損耗取向硅鋼開發(fā)與應(yīng)用
超低損耗取向硅鋼是制造特高壓高能效變壓器及電抗器“心臟”的核心材料，對支撐“西電東送”和節(jié)能減排具有重大意義。立項初期，我國向家壩—上海等6個±800千伏直流工程、晉東南—南陽—荊門等2個1000千伏交流工程中的變壓器用取向硅鋼材料全部依賴進口，價值數(shù)十億元，技術(shù)受制于人，且對我國限量供應(yīng)。
在重大需求牽引下，聯(lián)研院與寶山鋼鐵股份有限公司、東北大學(xué)、保定天威保變電氣股份有限公司等單位共同組建了產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)團隊，開展超低損耗取向硅鋼開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)。其中，聯(lián)研院電工材料研究所自主開發(fā)了特高壓復(fù)雜工況取向硅鋼及鐵心服役應(yīng)用評價體系，建立了取向硅鋼產(chǎn)品對標(biāo)及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，主持制訂了特高壓直流換流變壓器鐵心材料專用標(biāo)準(zhǔn)，推動了超低損耗取向硅鋼在特高壓變壓器中的規(guī)?；瘧?yīng)用，目前該產(chǎn)品國產(chǎn)化率達(dá)100%。
項目共獲國家授權(quán)發(fā)明專利37項、實用新型專利授權(quán)15項，軟件著作權(quán)1項，發(fā)表論文29篇，核心技術(shù)秘密235件，整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。超低損耗取向硅鋼產(chǎn)品應(yīng)用于±800千伏巴西美麗山等13項特高壓直流工程，近三年國內(nèi)市場占有率達(dá)98.7%，實現(xiàn)了我國取向硅鋼技術(shù)全球引領(lǐng)，徹底解決了我國在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域“卡脖子”問題。
中國電科院牽頭
±800kV換流變壓器自主化研制與應(yīng)用
±800千伏換流變壓器是特高壓直流輸電系統(tǒng)的“樞紐”，長期處于交直流電場等復(fù)雜應(yīng)力作用下，運行工況苛刻，是難度最大、價值最高的核心設(shè)備。其技術(shù)長期被國外壟斷，迫切需要開展自主化研制。
±800千伏換流變壓器需解決高電壓、有限空間、多種復(fù)雜應(yīng)力、材料非線性下的電磁熱力綜合協(xié)調(diào)設(shè)計，設(shè)計制造難度大。2014年以前，全世界僅ABB、西門子掌握±800千伏換流變壓器設(shè)計制造技術(shù)。研制過程中需要突破絕緣設(shè)計、出線裝置、溫升控制、制造工藝四大關(guān)鍵技術(shù)，解決絕緣受限、材料特性、精確計算、精準(zhǔn)工藝等技術(shù)難題。
該項目由中國電科院牽頭，聯(lián)合國內(nèi)頂尖制造企業(yè)、高校共同完成。項目組采用產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，歷時十年完成了關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用，立足于國產(chǎn)原材料電、磁、熱、力等基礎(chǔ)特性研究，解決了主絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計、閥側(cè)出線裝置研制、溫升控制、工藝體系研發(fā)等難題。
采用本項目技術(shù)的±800千伏換流變壓器在靈州—紹興、滇西北—廣東等特高壓直流輸電工程中應(yīng)用43臺。首臺套2015年投運，全部投運變壓器安全穩(wěn)定運行至今。
項目使我國成為繼瑞典、德國之后，世界上第三個掌握±800千伏換流變壓器全套知識產(chǎn)權(quán)的國家。我國變壓器行業(yè)硅鋼片、絕緣材料、電磁線、出線裝置等相關(guān)組部件整體水平得以提升，并形成了完整產(chǎn)業(yè)鏈。項目中標(biāo)±800千伏巴西美麗山二期特高壓直流工程，首次實現(xiàn)了自主化特高壓換流變壓器裝備走出國門，對于推動我國“一帶一路”建設(shè)和電工裝備“走出去”具有重要意義。
中國電科院牽頭
有載調(diào)容配電變壓器關(guān)鍵技術(shù)、 系列裝備及規(guī)?；瘧?yīng)用
中國電科院牽頭研發(fā)的有載調(diào)容變壓器是新型變壓器，可以根據(jù)臺區(qū)負(fù)荷變化自動調(diào)節(jié)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，主要適用于用電負(fù)荷峰谷差大、年平均負(fù)載率低和分布式電源并網(wǎng)臺區(qū)，顯著提升了我國配電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行水平。
2006年，有載調(diào)容變壓器研制前，相關(guān)技術(shù)國內(nèi)外均無可借鑒成果，技術(shù)團隊面臨有載調(diào)容暫態(tài)建模與切換過電流抑制難、有載調(diào)容開關(guān)切換可靠滅弧難、調(diào)容過程自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制難三大難題。在國家科技支撐計劃等項目的持續(xù)支持下，團隊經(jīng)過10年技術(shù)攻關(guān)，突破了有載調(diào)容配電變壓器的三大關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了系列化產(chǎn)品。
團隊探索有載調(diào)容建模分析理論方法，建立配電變壓器調(diào)容暫態(tài)模型，提出有載調(diào)容切換關(guān)鍵參數(shù)配置方法，實現(xiàn)有載調(diào)容變壓器帶載切換過電流降低87.5%，變壓器空載損耗降低50%以上。團隊突破串聯(lián)多斷口分級分壓的開關(guān)安全熄弧關(guān)鍵技術(shù)和雙極對稱穩(wěn)定控制的開關(guān)快速分合閘關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)明研制了立柱式和盤式兩種有載調(diào)容調(diào)壓一體化切換開關(guān)，實現(xiàn)調(diào)容切換時間小于20毫秒、體積減小30%以上，解決了有載調(diào)容開關(guān)切換過程可靠滅弧、動作穩(wěn)定可控等難題。團隊攻克了自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制關(guān)鍵技術(shù)，提出調(diào)容定值優(yōu)化配置方法，研制了綜合控制裝置，為有載調(diào)容變壓器安裝了“智能大腦”，實現(xiàn)自適應(yīng)負(fù)荷跟蹤控制，提升了配電臺區(qū)智能化水平，降低了臺區(qū)綜合損耗。
目前，項目成果已廣泛應(yīng)用于北京、河南、江蘇電網(wǎng)等20多個省級電網(wǎng)中，累計應(yīng)用安裝有載調(diào)容變壓器7萬余臺，降低電能損耗20多億千瓦時，服務(wù)農(nóng)村電網(wǎng)低電壓治理、“精準(zhǔn)扶貧”光伏發(fā)電升壓并網(wǎng)等國家重大項目，保障了電網(wǎng)安全高效供電。同時，成果還推廣應(yīng)用于石油、石化、工商企業(yè)等，并遠(yuǎn)銷非洲及印度、印尼等國家和地區(qū)。基于項目成果，團隊聯(lián)合相關(guān)企業(yè)研制了10千伏有載調(diào)容配電變壓器系列產(chǎn)品，獲授權(quán)發(fā)明專利35項（含國際專利2項）、軟件著作權(quán)5項，制訂標(biāo)準(zhǔn)15項，出版著作2部，發(fā)表論文32篇。
