中国电科院：瞄准电力科技前沿 引领电网创新发展

关键技术3：“信息驱动的大电网安全稳定动态特征提取及态势评估技术”，实现秒级响应的在线分析，构建电网安全稳定态势评估模型，基于量测快速给出电网安全稳定态势分析结论，需要解决特征提取和稳定评估两个关键问题。

项目团队拥有本领域专利600余项，发表学术论文1000余篇。近5年承担或参与了相关领域国家973/863/科技支撑/自然基金等项目107项，获国家技术发明、科技进步奖共13项;具备12年以上的在线分析技术研发经验，拥有完全自主知识产权的全数字超实时机电—电磁混合仿真系统(ADPSS)、智能电网调度控制系统(D5000)、在线安全分析系统(DSA)等研究需要的全套基础软件产品，其中2007年率先研发应用了大电网在线动态安全评估技术，覆盖全国所有省级以上调控中心(除港澳台外)。拥有坚实的理论研究基础、强大的研发创新能力和丰富的工程实践经验;团队拥有电力领域内世界上最大的超算平台和全电磁暂态数模混合实时仿真平台，拥有广泛应用于石化、钢铁、电力等多行业的实时智能分析与决策平台，拥有相关领域国家实验室11个，教育部重点实验室6个。

项目成果可实现电网安全稳定的精准实时分析，对于重大安全稳定问题提前给出控制策略，防止大停电事故，提高电网运行效率和安全性，保障社会稳定和经济发展;提升相关领域的国际话语权，抢占大电网人工智能技术领域制高点。

发展超导直流能源管道新技术 构建西电东送西气东输新模式

——超导直流能源管道的基础研究

超导直流电缆具有载流大、损耗小等特点，但需要低温环境以维持其工作;以液体形式输送清洁燃料(如氢气、液化天然气、乙烯等)能量密度高、单位容积输送量大，同样需要低温环境。充分利用两者在低温方面的共同要求，用低温液体燃料冷却超导电缆，共用制冷系统和绝热管道，形成能源管道，实现电力与液体燃料一体化输送，可提高整体效率，降低综合成本，符合能源大规模集输的发展趋势，也为能源互联网建设提供了先进技术方案。

新技术应对新挑战

早在上世纪末和本世纪初，日本和美国就分别提出了液氢冷却超导电缆的设想和氢电一体化输送超导能源管道的概念，美、日、俄等国相继开展了初步探索。由于液氢沸点20K，远远低于高温超导体临界转变温度，一体化输送具有天然优势。然而，由于液氢燃料产能有限，加之极低温制冷经济性和液氢安全性等问题的考虑，短时间内电力/液氢能源管道难以规模化应用。

采用液氮冷却的高温超导电缆发展至今已有近二十年，本体技术基本成熟，工程应用已进入试验示范运行阶段。由于目前超导材料价格高，制冷等辅机费用占比大，一定程度上制约了高温超导输电技术实用化的进程。商品化的铋系高温超导线材临界转变温度110K，与天然气液化温度相当;加之西电东送与西气东输、近海风电与液化天然气(LNG)站等能源工程加速建设;这一切均为电力/LNG一体化输送创造了条件/契机。

目前，国内外电力/LNG能源管道的研究尚处于概念设计阶段，仅提出了一些简单的结构设想，并未进行实质性的研究。电力/LNG一体化输送不可回避地面临以下问题：

温度匹配问题。低温环境既保证超导电缆具备无阻载流能力，又适用于LNG管道输送，避免凝固且热值不减;

高效电热耦合和稳定输送问题。提高能效，充分利用冷量，维持动态稳定性，满足不同电力/LNG需求量下的可靠输送;

安全问题。主动防御设计，减小电弧发生和LNG泄漏概率，避免燃爆及其次生影响。

三大科学难题和一项关键技术

据国家重点研发计划项目“超导直流能源管道的基础研究”依托单位中国电力科学研究院有限公司丘明和李振明博士介绍，本项目以解决目前电力/LNG一体化输送系统存在的上述三大问题为主线，攻克三大科学难题和一项关键技术：

科学难题1：LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性

目前商业化超导材料的临界温度与LNG的温度均为110K，在此温度下，超导材料没有载流能力。要想超导体载流，需要降低LNG的温度。但是，当LNG温度降低至90K左右时，会引起黏度急剧增大，甚至凝固，难以输送。因此，如何在黏度不增、热值不减的条件下，降低LNG的凝固温度，使得低温下LNG具有良好的传输特性，保证超导电缆(在85K—90K温区)运行，是首先要解决的问题。这就是本项目要研究的第一个科学问题，即LNG混合工质的低温液固转变机理及流动传热特性。旨在探索变组分甲烷体系的凝固规律，揭示LNG混合工质的固液相平衡特性，突破LNG主要成分甲烷90K三相点的局限，阐明LNG混合工质流动传热特性。

科学难题2：电力/LNG一体化输送动态稳定性及其协同控制理论

电力/LNG共输，既要考虑LNG为超导电缆提供充分的冷量，又要考虑超导电缆的热量损失对LNG输送的影响。因此掌握相互影响规律，保证管道高效可靠运行是必须解决的问题。要解决相互影响问题，需要分析能源管道电—热—流耦合机理，明确动态稳定性，构建控制理论，这就是本项目的第二个科学问题。主要分析能源管道电—热—流多场耦合机理，阐明电和燃料输送的相互影响规律，提出调控过程的动态稳定性判据，构建协同控制理论和调度策略。

科学难题3：超导直流能源管道故障演化机理与安全防御策略

对能源管道而言，当出现网侧短路、电缆绝缘击穿、以及LNG泄漏等极端情况，可能存在安全风险，如何在严重故障下，确保能源管道安全可靠运行是必须解决的问题。解决安全问题，需要揭示能源管道故障演化机理与发展过程，制定防御策略，这就是本项目的第三个科学问题。旨在表征系统运行潜在风险，揭示低温环境下复合绝缘失效、网侧短路、LNG泄漏等故障演变机理，明确故障发展链条，提出安全防御策略。

关键技术：安全、高效的超导直流能源管道系统设计技术

为了研发超导直流能源管道样机，在解决上述科学问题的同时，还需要攻克“安全、高效的超导直流能源管道系统设计技术”这一关键技术。主要研究本体与终端等部件的设计方法，确定能源管道的传热、绝缘、机械、安全等系统结构设计方案。重点解决：混合工质与超导电缆之间的高效换热结构，以及低局放、高抗爆的绝缘和机械结构。

项目预期将发展低温固液相平衡理论，揭示电力/LNG一体化输送耦合和故障演化机制;掌握安全高效系统设计、关键部件制作、系统集成试验等关键技术，形成独立自主知识产权;研制基于天然气的混合工质温区(不低于85K—90K)的输电/输送燃料一体化超导能源管道原理样机，能源管道长度30米，运行电压不小于±100kV，运行电流不低于1000A、输送液体燃料速度大于100L/min，并且完成满功率运行等系统试验。

应对极端环境挑战 提升大区域电网设施安全保障水平

——极端条件下的大区域电网设施安全保障技术

电网是现代社会最重要的生命线工程之一。近年来，随着气候、环境变化和电网大规模建设，各种极端条件引发的电网故障频发。国务院办公厅〔2015〕134号函《国家大面积停电事件应急预案》提出加强大面积停电事件应对和先进监测技术、装备的研发，制定电力应急技术标准，加强电网安全应急信息化平台建设;十九大报告要求健全公共安全体系、提升防灾减灾救灾能力。因此，对大区域电网的安全保障提出了新的挑战和更高的要求。

大区域电网设施安全保障面临重大挑战

我国正在建设以特高压为主干网架的大区域电网，输电容量大、距离远，跨越多个地理气候区，自然环境恶劣，极端天气频发，属于大范围、多层级复杂巨系统。其中，山区输电线路、跨越江河湖海的大跨越工程、变电站(换流站)等是电网重要组成部分。随着气候环境变化，强降雨、地质灾害、风振、强地震、强雷暴、台风、覆冰等极端条件引起的电网故障频发，局部设施故障可能导致大停电事故，严重影响社会经济生活，威胁公共安全。

国家重点研发计划项目“极端条件下的大区域电网设施安全保障技术”负责人、中国电力科学研究院有限公司副总工程师、输变电工程研究所所长程永锋介绍说：“系统解决极端条件下电网复杂巨系统设施安全风险防控难题，对于提升大区域电网设施应对极端条件的安全保障水平，维护社会公共安全，具有迫切的需求和重大的现实意义。”

天空地协同、多学科融合，产学研用联合攻关

项目围绕提升大区域电网设施安全保障水平的重大需求，由中国电力科学研究院有限公司联合中国科学院大气物理研究所、中国地质大学(武汉)、国网浙江省电力有限公司等14家单位，组成横跨电力、气象、地质、力学、土木工程和计算机等多个学科的“产—学—研—用”联合攻关团队，依托相关9个国家重点实验室、3个国家工程实验室、2个国家技术研究(实验)中心，具有技术、研发、资源方面的突出优势，确保项目的顺利实施。

项目针对强降雨、地质灾害、风振、强地震、强雷暴、台风、覆冰等极端条件，攻克考虑强非线性本质的成灾模式、外部环境与电网设施耦合作用机理、多源多维风险评估方法等技术难题，遵循“风险识别—风险分析—风险处置”的思路，从六个方面开展关键技术攻关。

在电网定制化气象预报方面，研究雷达、卫星、常规气象观测及时空非均一电网气象监测数据的综合同化技术，发展面向强降雨、强雷暴、台风、覆冰等极端天气多时空尺度精细化预报技术，包括：考虑天气系统时空变化特征的0—6小时短临预报、基于灾害回报试验的1—3天短期预报、基于全球预报系统和集合四维变分同化的4—7天中长期预报，为大区域电网设施安全提供关键技术支撑。

在输电线路杆塔基础滑坡风险评估和安全防护方面，通过揭示杆塔基础与滑坡相互作用机理和成灾模式，构建杆塔基础滑坡多源立体智能监测预警体系，攻克杆塔基础滑坡的风险评估和安全防护关键技术，有效提升大区域电网杆塔基础设施应对滑坡灾害的能力。

在输电线路大跨越导线微风振动风险评估与灾害防治方面，以输电线路大跨越工程为研究对象，揭示大跨越导线微风振动非线性本质和破损机理，提出大跨越导线的微风振动智能监测、风险评估与防治技术，构建大跨越导线微风振动风险评估与防治体系，为输电线路大跨越工程安全稳定运行提供理论与技术支撑。

在变电站(换流站)电力设施抗震安全防护方面，提出地震作用下主变类设备三维非线性隔震和支柱类设备自恢复减震机制，揭示耦联设备耦合作用规律;研制主变类设备三维隔震装置和支柱类设备自恢复减震装置，提出耦联设备抗震能力加强的构造措施，建成地震响应在线监测与震损快速评估系统;形成满足110kV及以上电力设施7—9度抗震设防要求的安全防护技术，使8度及以上烈度区电力设施抗震能力提高50%以上，全面提升变电站(换流站)设备抗震能力。

在雷击作用下变电站(换流站)暂态地电位升高安全防护方面，通过建立接地网分布式多点入地场路耦合模型及其与二次系统的多路径耦合模型，提出接地网暂态地电位升及其对二次系统骚扰特性的模拟试验方法，提出接地网暂态地电位升及其危害的抑制措施和风险评估方法，开发接地网暂态特性及风险评估分析软件，为变电站(换流站)的安全稳定运行提供技术支撑。

在大区域电网设施应对极端条件的安全保障平台研发方面，构建台风作用下输电线路危险性分析、易损性分析及风险评估模型，建立输电线路覆冰灾害风险评估及预警方法，提出突发状况下输电线路杆塔快速抢修关键技术;搭建面向大区域电网设施安全保障的云计算环境下，大数据并行计算基础技术框架和服务框架，研发极端条件的大区域电网设施安全保障平台，实现数值天气预报、典型极端条件安全防护、线路快速抢修等一套完整的任务流，对整个安全保障流程进行管控，提出从监测预警到快速抢修的一体化解决方案。

项目将揭示杆塔基础滑坡、大跨越导线微风振动、变电站(换流站)地震等成灾机理，提出电网气象精细化预报、暂态地电位升及其危害抑制、杆塔快速抢修等关键技术;研制微风振动智能监测、非线性零频防振、三维隔震等装置，开发接地网雷击暂态分析软件，构建应对强降雨、地质灾害、风振、强地震、强雷暴、台风、覆冰等广域多风险安全保障平台;项目成果将应用于13个省的26个示范区，包括世界第一高输电塔(塔高380米)所在的西堠门大跨越等重点工程，形成包括论文、发明专利、国家/行业标准和专著等一系列自主知识产权。项目的实施将全面提升极端条件下大区域电网设施的安全保障水平，引领国内外相关领域理论创新和技术革新，降低由于电网故障而衍生的次生灾害损失，确保社会供电安全，经济效益和社会效益显著，为维护社会稳定提供有力保障。