电网科技的两大科学难题和一项关键技术

中国电力科学研究院有限公司（以下简称中国电科院）是国家电网公司直属科研单位，成立于1951年，重点开展电网共性和基础性关键技术研发、试验检测和技术标准制定，并为国家电网公司提供全面的技术支撑。建院以来，中国电科院承担各类国家科技计划项目近400项，逐步形成了世界上功能最完整、试验能力最强、技术水平最高的特高压、大电网试验研究体系，在特高压交直流输变电、大电网控制、智能电网等领域取得一批创新成果。2012年获得国家科技进步特等奖，2016年获得国家科技进步一等奖1项、二等奖3项。

党的十九大提出，要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破；加强应用基础研究，拓展实施国家重大科技项目，突出关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、颠覆性技术创新。国家电网公司着眼党和国家工作大局，深入推进科技发展战略，建设“一强三优”现代公司。按照国家电网公司要求，中国电科院确定了“全面落实‘两个转变’新要求，聚焦重点发展方向，全面提升科技创新能力和支撑服务能力，加快创建‘两个中心’”的奋斗目标。

在公司科技创新战略引领下，中国电科院提出一系列创新管理举措，科技研发效率进一步提升。一是强化科研顶层设计，使创新资源更加集中。初步形成“顶层设计先行、指南申报落地、战略规划兼容”的研发策划模式，依托顶层设计凝练聚焦技术新方向，培育未来业务增长点，并在重大战略方向的遴选上支撑顶层设计，促进科技资源进一步向核心技术方向聚集，在资源有限的情况下，增强了科研投入的系统性、全局性和协同性。通过科研顶层设计，凝练出了47个重点研究方向、376项关键技术、38项核心技术、8个中长期战略性科研方向，基本确立了中国电科院未来若干年的核心重点技术方向。二是实施研发组织优化，使综合优势更加凸显。初步建立“总体设计、集中攻关、分散实施”的跨专业联合攻关机制，形成院内单位互为补充、相互促进、互通有无的协同攻关体系。探索试行项目负责人制，强化项目负责人在人员、资源方面的支配、考核权，调动和激发了科研人员创新积极性。通过优化研发组织模式，五年来先后攻克了电力系统全过程动态仿真、特高压变电设备状态预警、大规模新能源发电并网、配电网自愈控制、规模化储能系统集成等一大批关键技术难题。

随着国家科技计划改革方案逐步实施，国家有关部门于2016年首次采用国家重点研发计划专项形式组织项目申报。在国资委、国家电网公司的大力支持和有序组织下，中国电科院积极参与各相关专项申报，在2016年和2017年共计参与8个专项、47个项目的申报，其中31个项目（8项牵头、23项配合）获批立项，连续两年成为智能电网领域中承担项目最多的单位。

【实现高端绝缘材料国产化提升电气设备可靠性——特高压电气设备用纳米复合绝缘材料与应用关键技术】

环氧复合材料是特高压电气装备的关键绝缘材料，用量大，且不可替代。在我国特高压工程建设过程中，特高压电气设备的关键件——环氧绝缘件和饱和电抗器都遇到了绝缘材料性能与国外存在差距的问题。

关键绝缘材料国产化

特高压工程建设之初，盆式绝缘子材料大部分以进口为主，国外如ABB、三菱、东芝、日立等均掌握特高压盆式绝缘子材料关键技术，其中东芝特高压盆式绝缘子材料具备高耐热、高韧性等特点，玻璃化温度达到130℃，拉伸强度达到80MPa，在特高压工程建设中应用广泛。国内开关制造企业如平高、西开、新东北电气等在环氧浇注配方、设计结构及工艺技术方面均存在较大差距，材料强度均在75MPa以下，玻璃化温度为120℃左右。

特高压盆式绝缘子在浇注成型过程中需要解决应力控制、缺陷控制、温度场控制等多项控制难题，深入到绝缘子用环氧树脂浇注料层面，则需要从浇注料固化产物的交联网络结构、多层次微观结构、有机—无机界面相容性、纳米粒子分散与改性等方面对浇注料的配方进行优化。国家重点研发计划项目“特高压电气设备用纳米复合绝缘材料与应用关键技术”将从环氧树脂及其固化剂的分子结构设计与模拟、纳米粒子的合成与表面调控及分散、无机填料的表面改性、环氧复合绝缘材料浇注料的配方研制及批量化生产，多个层面开展系统研究，全面掌握环氧复合绝缘材料的配方和批量化生产技术。

对于换流阀用饱和电抗器，中空线圈匝与匝之间需采用树脂进行固定，其导热性将直接影响电抗器内部的温度分布。据报道，电抗器用树脂绝缘材料的热导率(0.7—0.8W/(m˙K))和耐热等级(玻璃化转变温度90℃—100℃)偏低。如果可以将其热导率提高1倍甚至更高，达到1.5W/(m˙K)以上，将极大改善铁芯的散热效果，大幅度降低铁芯温度，提高绝缘材料的使用寿命，同时能有效控制电抗器绝缘设计的难度和制造成本，保证设备安全稳定运行。

项目将对直流换流阀饱和电抗器用高导热绝缘封装材料关键技术展开研究，攻克目前提高绝缘封装材料热导率的瓶颈问题，有效降低现有阀电抗器铁芯的工作温度，使其在设计温度范围内稳定安全可靠运行。研究成果将为生产厂家对电抗器封装材料的配方技术、制备工艺等方面进行有针对性地改进提供方向，提升我国在电抗器领域的技术和生产能力，为完全摆脱国外公司在高压直流输电装备中的制约奠定基础。

提升设备可靠性

近年来，采用进口环氧树脂，国内研制出特高压盆式绝缘子等环氧绝缘件，已广泛用于特高压交流工程，然而不管是进口材料的国产化绝缘件还是进口绝缘件，其绝缘失效一直是特高压电气设备故障的主要原因。另外，由于我国是国际上完整掌握特高压输电技术的国家，并且也是世界上唯一有特高压工程商业化运行经验的国家。用国外进口的环氧复合材料生产的特高压盆式绝缘子也发生过多次闪络问题，尚不能很好地满足运行要求。环氧绝缘件的故障中，气固界面的闪络问题占环氧绝缘件故障的80%以上，并且难以预测。环氧绝缘件闪络已成为制约特高压电气设备可靠性进一步提升的瓶颈。为了解决这类问题，除了前文提到的加强对于基础材料本身性能的研究，还要从设计、制造与运维诊断等方面加以系统解决。

本项目研究制备工艺、纳米添加对气固界面特性的影响，掌握气固界面场强耐受特性与电场设计准则;通过建立环氧复合绝缘系统多场耦合仿真模型，研究多场协同设计方法。结合绝缘件表面状态调控，提高气固界面耐受场强。

以现在的检测手段，很多绝缘件内部或沿面的微小缺陷难以发现，因此项目研究脉冲电流局放检测和特高频局放检测优化方法，以及X射线绝缘缺陷激励技术、新型光纤超声局放检测技术、陡波冲击试验技术，并研制金属封闭式陡波冲击电压发生器，来提高绝缘件微缺陷检测技术的灵敏度。

同时，研究多场耦合条件下绝缘件表面缺陷发生、发展规律，掌握绝缘件绝缘失效原理，提出多源信息融合的绝缘件缺陷检测技术,从而实现对缺陷的早期诊断，建立运行中绝缘件缺陷危害状态评估方法与运维策略。降低绝缘件的故障率，提升设备运行的可靠性。

本项目的实施，将使我国在关键材料、设计制造和运维诊断等方面达到国际先进水平，形成特高压电气设备用国产化环氧纳米复合材料配方体系，可在超、特高压方面全面替代进口。同时将培养一批从事特高压电气设备关键材料与应用和检测相关技术的创新人才，推动国内特高压电气行业的技术进步，为特高压电气设备研发及应用提供坚实的技术、装备及人才保障。

项目研制的环保气体全球变暖系数值仅为SF6的5%，可带动气体绝缘设备环保化升级换代。

研发新型绝缘气体，给电力设备输送新鲜血液，与环境友好相处，给电力工作者提出了巨大的挑战。

世界难题

国际上各大电力装备巨头都在积极研发新型环保气体，美国3M公司、GE公司和ABB公司都取得了突破，正在逐渐形成技术垄断优势。面对国外公司强劲的领跑优势，国内几代电力人呕心沥血，但仍主要停留在实验室研究阶段，“我国替代六氟化硫的环保气体研究仍处于探索阶段，与国外同类技术相比差距较大，相关研究亟待提速和深入。”国家重点研发计划项目“环保型管道输电关键技术”负责人、中国电力科学研究院副院长高克利这样介绍。

当输电线路遇到高落差、过江河等特殊地理环境条件时，采用气体绝缘管道输电近年来逐渐成为了架空线路的重要补充，中国电力科学研究院组织平高集团、西开电气等单位率先研制出六氟化硫绝缘的特高压(1000kV)输电管道，在淮南—南京—上海特高压交流工程中3个变电站成功应用;同时，国家电网公司自主研发的六氟化硫混合气体特高压输电管道样机在武汉特高压交流试验基地带电考核。国内积累多年丰富的特高压开关类设备研发和制造经验，为研制采用新环保气体的输电管道打下了坚实的基础。

目前，GE公司将新环保气体用于420kV输电管道并取得了工程应用，宣称了新环保气体应用于输电管道的可行性。但1000kV环保输电管道电压等级高，环保和绝缘要求严，设计、制造和运行需要考虑的因素多，国内外均无相关技术。“若将新型环保绝缘气体应用于特高压1000kV电压等级，需解决‘三饱和、一突破’的难题，随电压等级升高，间隙绝缘、沿面绝缘和通流能力趋于饱和，机械强度难以突破。”项目负责人高克利说。

技术挑战

项目在1000kV六氟化硫输电管道研发基础上，借鉴420kV新环保气体输电管道的研制经验，攻克环保管道输电关键技术，研制出1000kV环保输电管道用新环保气体、支撑绝缘子及输电管道样机。“项目需解决新气体绝缘性与环保性的矛盾和基于新气体的气固绝缘系统设计难题，重点突破环保绝缘气体中气固绝缘体系的放电规律和气固相容性、1000kV输电管道用三支柱绝缘子设计和制造关键技术，及环保输电管道运维检修技术。”课题负责人周文俊介绍。

国内外仅对少量潜在六氟化硫替代气体及混合气体开展了气固绝缘体系放电特性研究，我国尚未掌握新环保混合气体绝缘技术，需开展放电物性参数、绝缘特性及介质恢复特性研究。气固材料相容性是保障输电管道可靠性的前提，需掌握新环保气体及其分解气体与固体材料的相互作用规律，提出气固相容调控方法。

输电管道运行时需承受电、热和力等多应力作用，新环保气体特性使得环保输电管道及支撑绝缘子的绝缘、通流和结构强度设计等方面存在较大的难度;1000kV输电管道用三支柱绝缘子的制造工艺控制、绝缘子表面形态调控和输电管道内部金属微粒抑制等面临较大的挑战。需攻克1000kV新环保气体输电管道三支柱绝缘子设计和制造技术，为输电管道单元样机研制提供关键部件。

新环保气体的混合制备、性能检测、储存运输，及输电管道的故障检测与定位、运行状态监测和评价等技术，均与现有的六氟化硫及其设备运维技术存在较大的差异，有必要开展新环保气体的运维监测技术研究，为环保型输电管道可靠运行提供充分的保障。

围绕上述三方面的科学和关键技术难题，项目开展环保绝缘气体介质放电的物性参数及绝缘特性研究、环保气体中气固材料相容性和界面绝缘性能研究、1000kV输电管道用支撑绝缘子设计制造技术、1000kV环保管道输电系统研制与运维技术等方面的研究。

项目预期研制出1000kV环保输电管道用环保绝缘气体、盆式绝缘子和三支柱绝缘子及长18m的输电管道标准单元样机。采用的环保气体相同压力下气体绝缘性能达到六氟化硫的80%，液化温度不高于-15℃。项目的研究成果将为解决特高压、远距离、复杂地理环境下的输电瓶颈提供强力支撑，并可推广应用于其他电力设备，持续引领设备环境友好性升级，具有显著的经济社会效益。

为我国特高压交直流混联大电网安上智慧大脑——大电网智能调度与安全预警关键技术研究及应用

调度是控制电网安全稳定运行的大脑，是维系电力生产过程的基础，是保障智能电网运行和发展的重要手段。相比于国外，我国电网调度控制技术研究起步较晚，但发展迅速，很多技术已达到世界领先水平。其中，2008年国家电网公司组织研发的智能电网调度控制系统(D5000)，基于一体化平台集成了实时监控与预警等4大类应用，获得国家科技进步二等奖，目前已推广至国网运营范围内全部省级以上及众多地区电网调度机构。

电网调度控制面临新挑战

当前，我国特高压交直流混联电网规模不断扩大，电网运行特性发生深刻改变，电网调度控制也面临了新的更大的挑战。一方面，特高压长距离、大功率输电，跨越多个气候区，运行环境复杂多变，亟须各级调度同步掌控电网运行态势;另一方面，特高压电网送受端、交直流强耦合，存在局部故障影响全局的安全风险，需要在全网层面实时进行跨区一体化安全预警和风险防控;此外，大范围源—网—荷资源的优化配置，亟须提升市场条件下全网范围精益化调控的决策支撑能力。

新架构、新技术，为大电网安全经济运行保驾护航

据国家重点研发计划项目“大电网智能调度与安全预警关键技术研究及应用”负责人、国家电力调度控制中心许洪强副主任介绍：“现有调度控制系统沿袭了电网弱互联阶段的体系架构，难以支撑大型交直流混联电网调度运行的需求。迫切需要开展大型交直流混联电网一体化智能调度与安全预警关键技术研究，构建基于云计算理念的‘物理分布、逻辑统一’的智能调控平台，实现大电网整体协调控制，提升大电网运行安全预警能力。”

项目围绕特高压大型交直流混联电网调度运行控制重大需求设置了五个课题，即智能调控平台体系架构和实时透明访问技术，调控系统按需建模与广域数据分布式处理技术，计及源荷双侧不确定性的大电网智能调度控制技术，大电网一体化在线安全风险防控和智能决策技术，以及面向大电网的一体化运行智能调控平台开发和应用。

智能调控平台体系架构和实时透明访问技术面向大型交直流混联电网的一体化调度运行的监视、控制和决策的业务需求，以云计算、网络科学、信息物理融合等理论为指导，提出支持“物理分布、逻辑统一”的分布式异地多活智能调控平台体系架构;以数据资源的网络化、服务化为基础，按权限和需求对任意位置的电网信息透明访问，实现数据资源的需则可用,为后续课题提供基础技术支撑。

调控系统按需建模与广域数据分布式处理技术着重解决大电网模型的灵活定义、图模多版本管理、分布式源端维护与按需共享，提出数据流式处理方法，实现广域数据需则可用及高速并行处理、数据分布式存储和高效访问技术，实现基于大数据的主子站广域协同处理和故障诊断，为后续课题提供模型、数据支撑。

计及源荷双侧不确定性的大电网智能调度控制技术通过研究异质电源与柔性负荷响应不确定性统一模型和电力系统大规模分析及优化的计算方法，采用计及置信区间的多周期多目标调度计划生成电网经济运行域，结合数据挖掘和智能学习技术对大电网运行状态进行多维度实时评估，从而得到电网最优运行点，并指导和实施分区电网源荷协同优化控制。

电网一体化在线安全风险防控和智能决策技术提出计及源荷双侧不确定性的大电网安全风险评估方法，采用数据挖掘技术对大电网进行多时间尺度快速安全风险前瞻预警，对高风险预警场景进行大电网安全风险预防控制策略优化，并跟踪系统状态对三道防线和系统保护进行协同校核，实现大电网一体化安全风险防控和智能决策。

项目预期将研发高可扩展性和高性能的智能调控平台并实现示范应用，实现电网负荷峰谷差降低5%、新能源消纳能力提高3%。项目的实施，将改变调控中心各自孤立进行分析决策的现状，为我国特高压交直流混联大电网安上智慧的大脑，实现全网范围内的精益化调控决策，显著提升大电网调度“预想、预判、预控”能力和智能化水平，实现电网优化运行的“自动巡航”和安全风险防控的“智能决策”。在节约系统建设成本、降低电网负荷峰谷差、提高新能源消纳水平、避免重大停电事故等方面可产生显著的经济和社会效益。

【攻克送端系统稳定控制促进可再生能源跨区消纳——可再生能源发电基地直流外送系统的稳定控制技术】

大力发展可再生能源是我国保障能源安全、应对气候变化的重要举措，风力发电和光伏发电是我国可再生能源利用的主要方式。根据“十三五”规划，到2020年我国风、光发电装机容量将达到3.2亿千瓦，其中2亿千瓦位于“三北”地区。为解决“三北”地区可再生能源消纳问题，已建、在建和规划建设特高压直流外送通道有8条，目前和将来一段时间，大基地、直流送出将是我国可再生能源开发利用的主导形式。

高比例电力电子装备接入安全稳定问题突出

与以同步发电机为主导的传统电力系统相比，可再生能源发电基地直流外送系统最大的特征在于高比例的电力电子装备接入，主要包括风光发电、动态无功补偿、直流输电等。以新疆哈密天中直流送端系统为例，风光发电容量超过10GW，动态无功补偿容量超过2GW，直流输电容量8GW，而同步发电机容量仅为5GW，电力电子装备容量远大于同步发电机容量。

在电力电子装备控制特性的主导作用下，可再生能源发电基地直流外送系统的动态特性与传统电力系统差异巨大，系统的稳定分析和控制面临严峻挑战。目前已开始凸显的问题主要有两个方面：正常工况下振荡事故频发，新疆哈密—郑州直流送端电网已发生次/超同步振荡100余次，曾导致3台直流配套火电机组同时跳机;交、直流故障下连锁脱网事故风险加大，初步计算表明，甘肃酒泉—湖南直流送出功率将因此受到限制。

两大科学难题和一项关键技术

据国家重点研发计划项目“可再生能源发电基地直流外送系统的稳定控制技术”负责人康勇教授介绍，本项目以解决目前系统存在的上述两大问题为主线，攻克两大科学难题和一项关键技术：

1.多样化装备动态相互作用及宽频带振荡机理

可再生能源发电基地直流外送系统中，电力电子发电装备数量巨大，控制复杂且存在多时间尺度耦合，基地间及其与直流输电的动态相互作用加剧，导致宽频带振荡机理不明，建模与分析面临极大挑战。

2.多机多时间尺度暂态过程耦合机理及系统暂态行为演化规律

复杂控制作用下，多样化装备间呈现多时间尺度的电压功角耦合，可再生能源发电装备动态特性与同步发电机迥异，交/直流故障时控制存在非线性切换现象，导致系统暂态行为演化规律更为复杂，亟须探索新条件下系统暂态稳定机理。

3.宽频带振荡抑制与暂态稳定控制技术

由于系统稳定机理不清、动态相互作用复杂，目前缺乏有效的宽频带振荡抑制方法、弱同步电网下基地暂态稳定控制困难，制约了可再生能源的跨区消纳，亟待突破宽频带振荡抑制与暂态稳定控制技术。

项目牵头单位中国电力科学研究院是我国电力行业最具实力的多学科、综合性科研机构。团队成员包括我国5个电气工程一级学科国家重点学科所在高校，拥有包含6个国家重点实验室在内的16个国家级研发平台。项目负责人康勇教授长期从事电力电子在电力系统中的应用方面的科研工作，现任强电磁工程与新技术国家重点实验室常务副主任。

项目将提出弱同步电网中可再生能源发电基地直流外送系统的稳定控制理论与方法，形成包括论文、发明专利、国家/行业标准等一系列自主知识产权;研制35kV/1MVA宽频带阻抗测量装备，研发35kV/5MW级含风/光发电、同步发电机和直流输电的动态模拟平台，验证短路比小于2条件下控制方法的有效性;项目成果直接应用于新疆、甘肃千万千瓦可再生能源基地，解决宽频带振荡和直流功率受限问题，并推广应用，提升我国大规模可再生能源并网消纳水平，促进经济社会可持续发展。

【助推能源供给侧结构性改革促进分布式能源灵活高效消纳——基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术】

近年来我国分布式可再生能源增长迅速，大规模分布式可再生能源接入电网，对系统的灵活接入和有效管控提出了新的挑战和更高的要求。

新技术应对新挑战

目前可再生能源接入技术交直流变换环节较多，降低了效率、影响了接入的便捷性。另外配电网互联互济和柔性调控能力不足，也限制了分布式可再生能源的充分消纳和高效利用。利用双向多端口电力电子变压器构建交直流混合系统，可以实现灵活组网，在多个交直流电压等级集成分布式可再生能源，实现灵活安全接入;并减少变换环节，提高能源利用效率，增强系统控制能力，在更大范围实现互联互补，充分消纳可再生能源。

中国科学院电工研究所原所长、国家重点研发计划项目“基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术研究”负责人孔力研究员介绍说：“基于电力电子变压器等构建的交直流混合系统，可为未来大量可再生能源的灵活接入、优化配置和安全运行控制提供有效技术手段，是未来重要发展方向，应用前景广阔。”

产学研用联合攻关

由国网江苏省电力公司、中国科学院电工研究所、中国电力科学研究院和浙江大学等单位组成了这一项目的产、学、研、用攻关团队。团队拥有新能源与储能运行控制、新能源电力系统等5个国家重点实验室，电力电子应用技术、电力电子技术与装备研发等5个国家工程研究中心。项目团队近年来主持了相关领域30余项国家级项目，并已研制成功1MVA电力电子变压器样机并挂网运行，同时是IEC“大容量可再生能源发电接入电网”技术分委会发起单位，多个国家标准及IEC国际标准的牵头单位，研发团队在本领域具有很强的科研水平，支撑条件完善，确保项目的顺利完成。

针对交直流混合分布式可再生能源系统的灵活接入、互补优化和协调控制等关键技术问题，研究团队从“系统分析、优化配置、设备研制、运行控制、集成示范”五个方面开展关键技术攻关。

在系统分析方面，针对电力电子变压器等关键设备交直流耦合带来的运行多样性及动态复杂性，重点攻关基于电力电子变压器等关键设备的交直流混合系统结构和动态特性分析方法等，解决强耦合、非线性交直流混合系统动态分析方法问题。

在优化配置方面，考虑交直流混合系统网架结构、运行方式的复杂性和灵活性对规划带来的复杂多维度难题，攻关交直流混合分布式可再生能源互补优化配置多层规划方法，并提出适合交直流系统的能效评估方法。

在设备研制方面，针对多端口电力电子变压器，重点攻关高效高可靠性电路拓扑及其宽载荷范围效率优化控制技术，使其效率达到96%;针对故障电流控制器，重点攻关集限流、分断与线路电压调节于一体的电力电子限流器拓扑结构和快速响应控制，对直流故障电流进行快速限流和分断，并增强系统电压控制能力。

在运行控制方面，充分利用电力电子变压器量测信息和柔性控制能力，重点攻关交直流混合可再生能源系统时序递进优化调度方法，解决多维度、强非线性的复杂系统优化和控制问题，发挥电力电子变压器灵活组网和柔性控制能力，提升可再生能源接入和消纳能力，保障系统稳定运行。

在集成示范方面，针对交直流分布式可再生能源的多设备、多参数集成问题，重点攻关关键设备集成、系统信息交互集成等技术，并研究系统测试验证技术，开发相应的测试平台并完成示范。

项目预期成果包括3MW双向四端口电力电子变压器、1.2MW/±750Vdc直流故障电流控制器、优化运行控制系统、规划设计软件等。项目成果将在国际能源变革论坛永久会址苏州同里开展示范验证，示范验证结合区内高占比的可再生能源，将其接入电力电子变压器不同电压等级端口，向国际能源变革论坛永久会址等重要直流负荷供电，有效提升能源利用效率和消纳能力，同时保证能源供给可靠性。

项目的实施将推动交直流分布式可再生能源的技术发展，为提升我国分布式可再生能源接入和消纳水平、提高系统安全运行控制能力提供核心技术和实证经验。