培育原創(chuàng)技術(shù)成果 支撐能源電力創(chuàng)新發(fā)展

文/中國電力科學(xué)研究院有限公司

習(xí)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(diào)，要推動國有企業(yè)完善創(chuàng)新體系、增強創(chuàng)新能力、激發(fā)創(chuàng)新活力，促進產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新鏈深度融合，提升國有企業(yè)原創(chuàng)技術(shù)需求牽引、源頭供給、資源配置、轉(zhuǎn)化應(yīng)用能力，打造原創(chuàng)技術(shù)策源地。

國家電網(wǎng)公司深入貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于科技創(chuàng)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(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，堅持“四個面向”，提升“四個能力”，全面推進“一體四翼”發(fā)展布局，加大前沿引領(lǐng)技術(shù)、基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域投入，支撐重大原始創(chuàng)新，著力打造能源電力行業(yè)原創(chuàng)技術(shù)策源地，加快建設(shè)具有中國特色國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，實現(xiàn)高水平科技自立自強。

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

▲ 科研人員在國家電網(wǎng)仿真中心對交直流電網(wǎng)運行方式進行校核計算

自主仿真讓電網(wǎng)發(fā)展更安全更可靠

2022年，中國電科院新型電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)功能形態(tài)及其技術(shù)演進研究項目團隊運用新一代電力系統(tǒng)仿真技術(shù)，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟、安全等因素，研究純新能源送出場景下的組網(wǎng)形態(tài)，創(chuàng)新改進傳統(tǒng)的輸電方式。

電力系統(tǒng)仿真是利用計算機或者物理設(shè)備，建立與實際電力系統(tǒng)具有一致特性的模型，并進行數(shù)字或者物理試驗，研究分析模型模擬電力系統(tǒng)物理行為的方法和過程。結(jié)合不同階段我國電網(wǎng)的基本特征，中國電科院自主研發(fā)仿真計算軟件工具，為電網(wǎng)安全運行、高質(zhì)量發(fā)展提供可靠技術(shù)支撐。

20世 紀70年 代 到90年代，我國電網(wǎng)向超高壓跨省互聯(lián)升級，電力電子開關(guān)的輸電設(shè)備開始在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)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(fā)了電力系統(tǒng)分析綜合程序、電磁暫態(tài)與電力電子仿真軟件，有力支撐了我國跨省互聯(lián)重大輸電工程建設(shè)。1972年，周孝信、吳中習(xí)兩位同志牽頭開展電力系統(tǒng)仿真程序研究，不到一年時間，設(shè)計開發(fā)了電力系統(tǒng)潮流、短路、穩(wěn)定三大計算仿真程序，在國內(nèi)首次突破了基于稀疏矩陣的電力系統(tǒng)仿真技術(shù)，這項技術(shù)于1978年獲得全國科學(xué)大會獎。

我國進入大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)階段后，電力電子開關(guān)的輸電設(shè)備開始在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。但電力電子開關(guān)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(tài)仿真技術(shù)的積累之上，開發(fā)了電磁暫態(tài)與電力電子仿真軟件，并應(yīng)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(shè)計，取得重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

中國電科院基于電力系統(tǒng)特性分析和電網(wǎng)控制裝置功能驗證，開展電力系統(tǒng)實時仿真裝置研究并取得突破，研發(fā)電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真裝置ADPSS，首次實現(xiàn)了數(shù)萬節(jié)點級電網(wǎng)的數(shù)字實時仿真，打破了國外廠商在實時仿真領(lǐng)域的技術(shù)壟斷。2009年，ADPSS獲得國家科技進步一等獎，標志著我國大電網(wǎng)分析技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。

隨著新能源和直流規(guī)模不斷增加，我國電網(wǎng)已發(fā)展成為世界上規(guī)模最大、資源配置能力最強、技術(shù)最先進、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、控制難度最大的電網(wǎng)。在系統(tǒng)規(guī)模、復(fù)雜程度、控制技術(shù)等進入世界電網(wǎng)“無人區(qū)”的同時，大電網(wǎng)仿真精度和效率亟需進一步提升。

2015年，國家電網(wǎng)公司啟動“新一代特高壓交直流電網(wǎng)仿真平臺”研發(fā)項目，中國電科院充分發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，知難而上、勇挑重擔，立足自主科研攻關(guān)和技術(shù)創(chuàng)新，經(jīng)過兩年時間，建成了世界上仿真規(guī)模最大、計算效率最高、模擬精度最準確的電網(wǎng)仿真平臺。中國電科院國家電網(wǎng)仿真中心數(shù)據(jù)研究室副主任王虹富參與了該項目的研發(fā)工作，他說：“平臺實現(xiàn)了全網(wǎng)統(tǒng)一管理電網(wǎng)設(shè)備模型參數(shù)、統(tǒng)一編制和發(fā)布仿真數(shù)據(jù)，建模規(guī)模現(xiàn)已達到近2萬座廠站、6萬條線路、8萬個節(jié)點，確保了全網(wǎng)范圍內(nèi)仿真數(shù)據(jù)的一致性和準確性。”

截至目前，電網(wǎng)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(yè)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(wǎng)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(shù)領(lǐng)域，中國電科院曾沿著“引進-消化-吸收-再創(chuàng)新”的路徑摸索前進，實現(xiàn)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(wǎng)建設(shè)和規(guī)劃設(shè)計中的技術(shù)難題，研究成果填補了國內(nèi)多項空白。

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

換流變壓器是特高壓直流輸電工程中至關(guān)重要的設(shè)備，它是輸電系統(tǒng)中換流、逆變兩端接口的核心設(shè)備，事關(guān)整個電網(wǎng)工程正常運行。±800千伏換流變壓器是我國交直流大電網(wǎng)的重要裝備，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，難度大、價值高。然而，2014年以前，全世界僅有個別國外企業(yè)掌握±800千伏換流變壓器設(shè)計制造技術(shù)。如果要自研，則要突破絕緣設(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、精確計算、精準工藝等技術(shù)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(shù)研究室主任程渙超介紹：“如果不打破涉及超大型裝備研發(fā)、系統(tǒng)穩(wěn)定及潮流控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，今后所有相關(guān)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(fā)，沒有其他道路可以選擇。項目組堅持自主設(shè)計一套出線裝置試驗樣機，在國內(nèi)外首次開展了工程樣機1：1的裕度試驗后，團隊發(fā)現(xiàn)了后續(xù)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(chǎn)出線裝置的研發(fā)。

經(jīng)過十余年不懈努力，中國電科院牽頭完成了關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用，組織建立了全套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的±800千伏換流變壓器生產(chǎn)工藝體系及質(zhì)量控制規(guī)范。該項目提升了我國變壓器行業(yè)硅鋼片、絕緣材料、電磁線、出線裝置等相關(guān)組件的整體水平，建立了完整的產(chǎn)業(yè)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(fā)展讓并網(wǎng)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(fā)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(fā)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(wǎng)面臨挑戰(zhàn)。多年來，該院從基礎(chǔ)理論研究、核心系統(tǒng)研發(fā)到典型應(yīng)用示范全方位布局，產(chǎn)出一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(tǒng)特點的風(fēng)電光伏預(yù)測技術(shù)和調(diào)度技術(shù)發(fā)展之路，實現(xiàn)電力系統(tǒng)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(guān)技術(shù)研究的領(lǐng)軍人物。他回憶道：“當時新能源是電力科研的冷門，風(fēng)電研究更鮮有人問津，人才、設(shè)備、資金都很匱乏。但那時我堅信，與新能源相關(guān)的科研工作肯定會成為國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分和行業(yè)發(fā)展的迫切需求?！?/p>

后來，風(fēng)電研究開始受到矚目。隨著風(fēng)電高速發(fā)展，我國對風(fēng)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(shè)風(fēng)電試驗基地，為開展風(fēng)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(fēng)電機組和光伏發(fā)電單元并網(wǎng)試驗，獲得大量新能源機組并網(wǎng)運行與試驗數(shù)據(jù)，解決了長期困擾我國電力行業(yè)的低壓穿越導(dǎo)致風(fēng)電機組脫網(wǎng)的難題，提升了新能源機組并網(wǎng)運行控制技術(shù)水平。

中國電科院聚焦支撐國家清潔能源轉(zhuǎn)型和新能源行業(yè)快速健康發(fā)展，強化新能源電源并網(wǎng)技術(shù)研究，攻克了新能源優(yōu)化調(diào)度運行的技術(shù)難題，創(chuàng)立新能源功率預(yù)測技術(shù)體系，其核心環(huán)節(jié)是新能源功率預(yù)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)延長了短期功率預(yù)測時長，目前預(yù)測精度達到90%以上，為促進新能源消納與保障電力供應(yīng)提供精準支撐。

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

2021年，中國電科院研究團隊突破風(fēng)電、光伏中長期電量預(yù)測、短期和超短期功率預(yù)測技術(shù)，提出了基于預(yù)測不確定性的調(diào)度決策和風(fēng)險防控方法，研發(fā)了新能源功率預(yù)測系統(tǒng)、新能源生產(chǎn)模擬系統(tǒng)等技術(shù)系統(tǒng)，并在國網(wǎng)、南網(wǎng)、蒙西電網(wǎng)等9個調(diào)度機構(gòu)建立示范工程。同時，該院承擔的“新能源發(fā)電調(diào)度運行關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”“青藏地區(qū)可再生能源獨立供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及工程應(yīng)用”項目先后榮獲國家科技進步獎二等獎。項目成果應(yīng)用廣泛，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。

當前，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是能源電力行業(yè)服務(wù)“碳達峰、碳中和”的重要責(zé)任和使命。中國電科院堅持基礎(chǔ)研究整體性思維，建立健全新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)體系，著力加強基礎(chǔ)性技術(shù)研究，加快推進緊迫性技術(shù)攻關(guān)，加大電力前沿科學(xué)和新型電力系統(tǒng)構(gòu)建的共性問題布局研究，以基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新、核心技術(shù)的突破、科技成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，全力推進新型電力系統(tǒng)原創(chuàng)技術(shù)策源地實施方案落地，加快打造能源電力國家戰(zhàn)略科技力量。