日前，國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在北京隆重舉行，國(guó)家電網(wǎng)有限公司共6個(gè)項(xiàng)目獲2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。這些項(xiàng)目分別由國(guó)網(wǎng)電科院、國(guó)網(wǎng)浙江電力、中國(guó)電科院以及聯(lián)研院牽頭或參與完成。本文集納上述項(xiàng)目的技術(shù)亮點(diǎn)和應(yīng)用成效，以饗讀者。
國(guó)網(wǎng)電科院牽頭
復(fù)雜電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù) 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
復(fù)雜電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)裝備應(yīng)用于扎魯特 ±800千伏換流站新一代調(diào)相機(jī)組工程。 國(guó)網(wǎng)電科院供圖
隨著“西電東送”戰(zhàn)略實(shí)施、清潔能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)和外送，我國(guó)逐步建成世界上電壓等級(jí)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(shì)下，我國(guó)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(hù)，差動(dòng)保護(hù)設(shè)備擔(dān)負(fù)著第一時(shí)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(jí)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(zhǎng)、大容量變壓器勵(lì)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(dòng)保護(hù)誤動(dòng)或慢動(dòng)，導(dǎo)致電網(wǎng)事故擴(kuò)大和設(shè)備損壞，差動(dòng)保護(hù)精準(zhǔn)快速辨識(shí)故障難度愈加凸顯，面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
針對(duì)上述問(wèn)題和挑戰(zhàn)，項(xiàng)目組由國(guó)網(wǎng)電科院牽頭，在國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃、自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目的支持下，歷時(shí)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(jī)、母線等成套保護(hù)裝置關(guān)鍵核心技術(shù)，大幅提升故障識(shí)別能力，縮短動(dòng)作時(shí)間，提升動(dòng)作可靠性，推動(dòng)我國(guó)電網(wǎng)完成以差動(dòng)保護(hù)為主保護(hù)的升級(jí)換代。
項(xiàng)目構(gòu)建了復(fù)雜電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)技術(shù)體系，自適應(yīng)于不同保護(hù)對(duì)象、不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同故障演化過(guò)程，解決了差動(dòng)保護(hù)快速性、靈敏性、可靠性難以兼顧的難題。
基于上述成果，項(xiàng)目組研制的系列繼電保護(hù)裝置通過(guò)德國(guó)技術(shù)檢驗(yàn)協(xié)會(huì)（TUV）等5家權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)認(rèn)證，獲國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利59項(xiàng)，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(hù)技術(shù)導(dǎo)則》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。多位院士專家組成的鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為，項(xiàng)目成果整體技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
項(xiàng)目成果已廣泛應(yīng)用于我國(guó)220千伏～1000千伏各電壓等級(jí)電網(wǎng)，涵蓋新一代調(diào)相機(jī)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(duì)不滿足我國(guó)復(fù)雜電網(wǎng)要求的進(jìn)口保護(hù)進(jìn)行了批量替換，帶動(dòng)我國(guó)高壓電網(wǎng)新投運(yùn)設(shè)備100%配置國(guó)產(chǎn)差動(dòng)保護(hù)。產(chǎn)品還出口至數(shù)十個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
國(guó)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(shí)現(xiàn)新能源高效就近消納、保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要途徑，但長(zhǎng)期以來(lái)還存在一些瓶頸：側(cè)重保生產(chǎn)的負(fù)荷固有運(yùn)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(wú)法跟隨新能源波動(dòng)；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(qiáng)不確定性疊加，加劇了系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
“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(xiàng)目由國(guó)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(guó)電科院等產(chǎn)學(xué)研用團(tuán)隊(duì)歷時(shí)7年完成技術(shù)攻關(guān)。針對(duì)新能源高效消納和高比例新能源電力系統(tǒng)安全運(yùn)行這一國(guó)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(dòng)防控風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制體系。
成果在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了吉瓦級(jí)集中工業(yè)冶煉負(fù)荷秒級(jí)平滑控制參與調(diào)頻，吉瓦級(jí)分散商業(yè)空調(diào)負(fù)荷集群持續(xù)小時(shí)級(jí)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(yùn)行。成果現(xiàn)已規(guī)?；瘧?yīng)用至浙江、河北、上海、重慶等11個(gè)?。ㄖ陛犑校?，覆蓋中國(guó)尊、浦東機(jī)場(chǎng)等657棟大型建筑及上海世博園等48個(gè)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(jì)和社會(huì)效益。
中國(guó)電科院牽頭
網(wǎng)源友好型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)?；瘧?yīng)用
“網(wǎng)源友好型風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)及規(guī)?；瘧?yīng)用”項(xiàng)目由中國(guó)電科院新能源研究中心牽頭，聯(lián)合金風(fēng)科技、運(yùn)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(tuán)隊(duì)，針對(duì)大規(guī)模風(fēng)電電網(wǎng)友好型主動(dòng)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(wèn)題展開(kāi)攻關(guān)。項(xiàng)目組在國(guó)家自然科學(xué)基金、科技支撐計(jì)劃等項(xiàng)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(shí)8年，突破了風(fēng)電機(jī)組故障穿越與暫態(tài)支撐、主動(dòng)調(diào)頻調(diào)壓、諧波諧振主動(dòng)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(jī)組，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電由“被動(dòng)適應(yīng)”到“主動(dòng)支撐”的跨越式升級(jí)。這是我國(guó)風(fēng)電裝備實(shí)現(xiàn)自主化、大型化后的又一重大突破。項(xiàng)目獲國(guó)際發(fā)明專利授權(quán)6項(xiàng)、中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)62項(xiàng)、軟件著作權(quán)37項(xiàng)，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(guó)家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)14項(xiàng)。
項(xiàng)目成果廣泛應(yīng)用于我國(guó)主流風(fēng)電整機(jī)廠商，在29個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）安裝超過(guò)2.6萬(wàn)臺(tái)，占近三年風(fēng)電新增裝機(jī)的83%。網(wǎng)源友好型風(fēng)電機(jī)組出口到美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞等30余個(gè)國(guó)家。核心技術(shù)與成果推廣應(yīng)用于我國(guó)“三北”地區(qū)400余座風(fēng)電場(chǎng)的網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)改造中，總?cè)萘砍^(guò)3500萬(wàn)千瓦，助力這些風(fēng)電場(chǎng)年利用小時(shí)數(shù)共增加300小時(shí)以上，年多發(fā)電量總計(jì)超100億千瓦時(shí)，保障高比例風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
項(xiàng)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(duì)助力實(shí)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(kāi)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(duì)支撐“西電東送”和節(jié)能減排具有重大意義。立項(xiàng)初期，我國(guó)向家壩—上海等6個(gè)±800千伏直流工程、晉東南—南陽(yáng)—荊門等2個(gè)1000千伏交流工程中的變壓器用取向硅鋼材料全部依賴進(jìn)口，價(jià)值數(shù)十億元，技術(shù)受制于人，且對(duì)我國(guó)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(tuán)隊(duì)，開(kāi)展超低損耗取向硅鋼開(kāi)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(kāi)發(fā)了特高壓復(fù)雜工況取向硅鋼及鐵心服役應(yīng)用評(píng)價(jià)體系，建立了取向硅鋼產(chǎn)品對(duì)標(biāo)及數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)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(guó)產(chǎn)化率達(dá)100%。
項(xiàng)目共獲國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利37項(xiàng)、實(shí)用新型專利授權(quán)15項(xiàng)，軟件著作權(quán)1項(xiàng)，發(fā)表論文29篇，核心技術(shù)秘密235件，整體達(dá)到國(guó)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(xiàng)特高壓直流工程，近三年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)98.7%，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)取向硅鋼技術(shù)全球引領(lǐng)，徹底解決了我國(guó)在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域“卡脖子”問(wèn)題。
中國(guó)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(zhǎng)期處于交直流電場(chǎng)等復(fù)雜應(yīng)力作用下，運(yùn)行工況苛刻，是難度最大、價(jià)值最高的核心設(shè)備。其技術(shù)長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，迫切需要開(kāi)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(jì)，設(shè)計(jì)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(jì)制造技術(shù)。研制過(guò)程中需要突破絕緣設(shè)計(jì)、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(jì)算、精準(zhǔn)工藝等技術(shù)難題。
該項(xiàng)目由中國(guó)電科院牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)頂尖制造企業(yè)、高校共同完成。項(xiàng)目組采用產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，歷時(shí)十年完成了關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用，立足于國(guó)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(jì)、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(xiàng)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(tái)。首臺(tái)套2015年投運(yùn)，全部投運(yùn)變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行至今。
項(xiàng)目使我國(guó)成為繼瑞典、德國(guó)之后，世界上第三個(gè)掌握±800千伏換流變壓器全套知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)家。我國(guó)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(xiàng)目中標(biāo)±800千伏巴西美麗山二期特高壓直流工程，首次實(shí)現(xiàn)了自主化特高壓換流變壓器裝備走出國(guó)門，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)“一帶一路”建設(shè)和電工裝備“走出去”具有重要意義。
中國(guó)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)模化應(yīng)用
中國(guó)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(tái)區(qū)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)變壓器容量大小、避免變壓器過(guò)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(tái)區(qū)，顯著提升了我國(guó)配電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。
2006年，有載調(diào)容變壓器研制前，相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外均無(wú)可借鑒成果，技術(shù)團(tuán)隊(duì)面臨有載調(diào)容暫態(tài)建模與切換過(guò)電流抑制難、有載調(diào)容開(kāi)關(guān)切換可靠滅弧難、調(diào)容過(guò)程自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制難三大難題。在國(guó)家科技支撐計(jì)劃等項(xiàng)目的持續(xù)支持下，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)有載調(diào)容變壓器帶載切換過(guò)電流降低87.5%，變壓器空載損耗降低50%以上。團(tuán)隊(duì)突破串聯(lián)多斷口分級(jí)分壓的開(kāi)關(guān)安全熄弧關(guān)鍵技術(shù)和雙極對(duì)稱穩(wěn)定控制的開(kāi)關(guān)快速分合閘關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)明研制了立柱式和盤(pán)式兩種有載調(diào)容調(diào)壓一體化切換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)調(diào)容切換時(shí)間小于20毫秒、體積減小30%以上，解決了有載調(diào)容開(kāi)關(guān)切換過(guò)程可靠滅弧、動(dòng)作穩(wěn)定可控等難題。團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)自適應(yīng)負(fù)荷跟蹤控制，提升了配電臺(tái)區(qū)智能化水平，降低了臺(tái)區(qū)綜合損耗。
目前，項(xiàng)目成果已廣泛應(yīng)用于北京、河南、江蘇電網(wǎng)等20多個(gè)省級(jí)電網(wǎng)中，累計(jì)應(yīng)用安裝有載調(diào)容變壓器7萬(wàn)余臺(tái)，降低電能損耗20多億千瓦時(shí)，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(guó)家重大項(xiàng)目，保障了電網(wǎng)安全高效供電。同時(shí)，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(guó)家和地區(qū)。基于項(xiàng)目成果，團(tuán)隊(duì)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(xiàng)（含國(guó)際專利2項(xiàng)）、軟件著作權(quán)5項(xiàng)，制訂標(biāo)準(zhǔn)15項(xiàng)，出版著作2部，發(fā)表論文32篇。
