關(guān)鍵技術(shù)3：“信息驅(qū)動(dòng)的大電網(wǎng)安全穩(wěn)定動(dòng)態(tài)特征提取及態(tài)勢(shì)評(píng)估技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)秒級(jí)響應(yīng)的在線分析，構(gòu)建電網(wǎng)安全穩(wěn)定態(tài)勢(shì)評(píng)估模型，基于量測(cè)快速給出電網(wǎng)安全穩(wěn)定態(tài)勢(shì)分析結(jié)論，需要解決特征提取和穩(wěn)定評(píng)估兩個(gè)關(guān)鍵問題。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)擁有本領(lǐng)域?qū)＠?00余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文1000余篇。近5年承擔(dān)或參與了相關(guān)領(lǐng)域國(guó)家973/863/科技支撐/自然基金等項(xiàng)目107項(xiàng)，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明、科技進(jìn)步獎(jiǎng)共13項(xiàng);具備12年以上的在線分析技術(shù)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字超實(shí)時(shí)機(jī)電—電磁混合仿真系統(tǒng)(ADPSS)、智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)(D5000)、在線安全分析系統(tǒng)(DSA)等研究需要的全套基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品，其中2007年率先研發(fā)應(yīng)用了大電網(wǎng)在線動(dòng)態(tài)安全評(píng)估技術(shù)，覆蓋全國(guó)所有省級(jí)以上調(diào)控中心(除港澳臺(tái)外)。擁有堅(jiān)實(shí)的理論研究基礎(chǔ)、強(qiáng)大的研發(fā)創(chuàng)新能力和豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);團(tuán)隊(duì)擁有電力領(lǐng)域內(nèi)世界上最大的超算平臺(tái)和全電磁暫態(tài)數(shù)模混合實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，擁有廣泛應(yīng)用于石化、鋼鐵、電力等多行業(yè)的實(shí)時(shí)智能分析與決策平臺(tái)，擁有相關(guān)領(lǐng)域國(guó)家實(shí)驗(yàn)室11個(gè)，教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室6個(gè)。

項(xiàng)目成果可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析，對(duì)于重大安全穩(wěn)定問題提前給出控制策略，防止大停電事故，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和安全性，保障社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展;提升相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際話語(yǔ)權(quán)，搶占大電網(wǎng)人工智能技術(shù)領(lǐng)域制高點(diǎn)。

發(fā)展超導(dǎo)直流能源管道新技術(shù) 構(gòu)建西電東送西氣東輸新模式

——超導(dǎo)直流能源管道的基礎(chǔ)研究

超導(dǎo)直流電纜具有載流大、損耗小等特點(diǎn)，但需要低溫環(huán)境以維持其工作;以液體形式輸送清潔燃料(如氫氣、液化天然氣、乙烯等)能量密度高、單位容積輸送量大，同樣需要低溫環(huán)境。充分利用兩者在低溫方面的共同要求，用低溫液體燃料冷卻超導(dǎo)電纜，共用制冷系統(tǒng)和絕熱管道，形成能源管道，實(shí)現(xiàn)電力與液體燃料一體化輸送，可提高整體效率，降低綜合成本，符合能源大規(guī)模集輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)，也為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供了先進(jìn)技術(shù)方案。

新技術(shù)應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)

早在上世紀(jì)末和本世紀(jì)初，日本和美國(guó)就分別提出了液氫冷卻超導(dǎo)電纜的設(shè)想和氫電一體化輸送超導(dǎo)能源管道的概念，美、日、俄等國(guó)相繼開展了初步探索。由于液氫沸點(diǎn)20K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高溫超導(dǎo)體臨界轉(zhuǎn)變溫度，一體化輸送具有天然優(yōu)勢(shì)。然而，由于液氫燃料產(chǎn)能有限，加之極低溫制冷經(jīng)濟(jì)性和液氫安全性等問題的考慮，短時(shí)間內(nèi)電力/液氫能源管道難以規(guī)模化應(yīng)用。

采用液氮冷卻的高溫超導(dǎo)電纜發(fā)展至今已有近二十年，本體技術(shù)基本成熟，工程應(yīng)用已進(jìn)入試驗(yàn)示范運(yùn)行階段。由于目前超導(dǎo)材料價(jià)格高，制冷等輔機(jī)費(fèi)用占比大，一定程度上制約了高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)實(shí)用化的進(jìn)程。商品化的鉍系高溫超導(dǎo)線材臨界轉(zhuǎn)變溫度110K，與天然氣液化溫度相當(dāng);加之西電東送與西氣東輸、近海風(fēng)電與液化天然氣(LNG)站等能源工程加速建設(shè);這一切均為電力/LNG一體化輸送創(chuàng)造了條件/契機(jī)。

目前，國(guó)內(nèi)外電力/LNG能源管道的研究尚處于概念設(shè)計(jì)階段，僅提出了一些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)想，并未進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的研究。電力/LNG一體化輸送不可回避地面臨以下問題：

溫度匹配問題。低溫環(huán)境既保證超導(dǎo)電纜具備無(wú)阻載流能力，又適用于LNG管道輸送，避免凝固且熱值不減;

高效電熱耦合和穩(wěn)定輸送問題。提高能效，充分利用冷量，維持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，滿足不同電力/LNG需求量下的可靠輸送;

安全問題。主動(dòng)防御設(shè)計(jì)，減小電弧發(fā)生和LNG泄漏概率，避免燃爆及其次生影響。

三大科學(xué)難題和一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

據(jù)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“超導(dǎo)直流能源管道的基礎(chǔ)研究”依托單位中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司丘明和李振明博士介紹，本項(xiàng)目以解決目前電力/LNG一體化輸送系統(tǒng)存在的上述三大問題為主線，攻克三大科學(xué)難題和一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

科學(xué)難題1：LNG混合工質(zhì)的低溫液固轉(zhuǎn)變機(jī)理及傳熱流動(dòng)特性

目前商業(yè)化超導(dǎo)材料的臨界溫度與LNG的溫度均為110K，在此溫度下，超導(dǎo)材料沒有載流能力。要想超導(dǎo)體載流，需要降低LNG的溫度。但是，當(dāng)LNG溫度降低至90K左右時(shí)，會(huì)引起黏度急劇增大，甚至凝固，難以輸送。因此，如何在黏度不增、熱值不減的條件下，降低LNG的凝固溫度，使得低溫下LNG具有良好的傳輸特性，保證超導(dǎo)電纜(在85K—90K溫區(qū))運(yùn)行，是首先要解決的問題。這就是本項(xiàng)目要研究的第一個(gè)科學(xué)問題，即LNG混合工質(zhì)的低溫液固轉(zhuǎn)變機(jī)理及流動(dòng)傳熱特性。旨在探索變組分甲烷體系的凝固規(guī)律，揭示LNG混合工質(zhì)的固液相平衡特性，突破LNG主要成分甲烷90K三相點(diǎn)的局限，闡明LNG混合工質(zhì)流動(dòng)傳熱特性。

科學(xué)難題2：電力/LNG一體化輸送動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性及其協(xié)同控制理論

電力/LNG共輸，既要考慮LNG為超導(dǎo)電纜提供充分的冷量，又要考慮超導(dǎo)電纜的熱量損失對(duì)LNG輸送的影響。因此掌握相互影響規(guī)律，保證管道高效可靠運(yùn)行是必須解決的問題。要解決相互影響問題，需要分析能源管道電—熱—流耦合機(jī)理，明確動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，構(gòu)建控制理論，這就是本項(xiàng)目的第二個(gè)科學(xué)問題。主要分析能源管道電—熱—流多場(chǎng)耦合機(jī)理，闡明電和燃料輸送的相互影響規(guī)律，提出調(diào)控過(guò)程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)，構(gòu)建協(xié)同控制理論和調(diào)度策略。

科學(xué)難題3：超導(dǎo)直流能源管道故障演化機(jī)理與安全防御策略

對(duì)能源管道而言，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)側(cè)短路、電纜絕緣擊穿、以及LNG泄漏等極端情況，可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)，如何在嚴(yán)重故障下，確保能源管道安全可靠運(yùn)行是必須解決的問題。解決安全問題，需要揭示能源管道故障演化機(jī)理與發(fā)展過(guò)程，制定防御策略，這就是本項(xiàng)目的第三個(gè)科學(xué)問題。旨在表征系統(tǒng)運(yùn)行潛在風(fēng)險(xiǎn)，揭示低溫環(huán)境下復(fù)合絕緣失效、網(wǎng)側(cè)短路、LNG泄漏等故障演變機(jī)理，明確故障發(fā)展鏈條，提出安全防御策略。

關(guān)鍵技術(shù)：安全、高效的超導(dǎo)直流能源管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

為了研發(fā)超導(dǎo)直流能源管道樣機(jī)，在解決上述科學(xué)問題的同時(shí)，還需要攻克“安全、高效的超導(dǎo)直流能源管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)”這一關(guān)鍵技術(shù)。主要研究本體與終端等部件的設(shè)計(jì)方法，確定能源管道的傳熱、絕緣、機(jī)械、安全等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)解決：混合工質(zhì)與超導(dǎo)電纜之間的高效換熱結(jié)構(gòu)，以及低局放、高抗爆的絕緣和機(jī)械結(jié)構(gòu)。

項(xiàng)目預(yù)期將發(fā)展低溫固液相平衡理論，揭示電力/LNG一體化輸送耦合和故障演化機(jī)制;掌握安全高效系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件制作、系統(tǒng)集成試驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)，形成獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán);研制基于天然氣的混合工質(zhì)溫區(qū)(不低于85K—90K)的輸電/輸送燃料一體化超導(dǎo)能源管道原理樣機(jī)，能源管道長(zhǎng)度30米，運(yùn)行電壓不小于±100kV，運(yùn)行電流不低于1000A、輸送液體燃料速度大于100L/min，并且完成滿功率運(yùn)行等系統(tǒng)試驗(yàn)。

應(yīng)對(duì)極端環(huán)境挑戰(zhàn) 提升大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施安全保障水平

——極端條件下的大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施安全保障技術(shù)

電網(wǎng)是現(xiàn)代社會(huì)最重要的生命線工程之一。近年來(lái)，隨著氣候、環(huán)境變化和電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)，各種極端條件引發(fā)的電網(wǎng)故障頻發(fā)。國(guó)務(wù)院辦公廳〔2015〕134號(hào)函《國(guó)家大面積停電事件應(yīng)急預(yù)案》提出加強(qiáng)大面積停電事件應(yīng)對(duì)和先進(jìn)監(jiān)測(cè)技術(shù)、裝備的研發(fā)，制定電力應(yīng)急技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)電網(wǎng)安全應(yīng)急信息化平臺(tái)建設(shè);十九大報(bào)告要求健全公共安全體系、提升防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力。因此，對(duì)大區(qū)域電網(wǎng)的安全保障提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求。

大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施安全保障面臨重大挑戰(zhàn)

我國(guó)正在建設(shè)以特高壓為主干網(wǎng)架的大區(qū)域電網(wǎng)，輸電容量大、距離遠(yuǎn)，跨越多個(gè)地理氣候區(qū)，自然環(huán)境惡劣，極端天氣頻發(fā)，屬于大范圍、多層級(jí)復(fù)雜巨系統(tǒng)。其中，山區(qū)輸電線路、跨越江河湖海的大跨越工程、變電站(換流站)等是電網(wǎng)重要組成部分。隨著氣候環(huán)境變化，強(qiáng)降雨、地質(zhì)災(zāi)害、風(fēng)振、強(qiáng)地震、強(qiáng)雷暴、臺(tái)風(fēng)、覆冰等極端條件引起的電網(wǎng)故障頻發(fā)，局部設(shè)施故障可能導(dǎo)致大停電事故，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活，威脅公共安全。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“極端條件下的大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施安全保障技術(shù)”負(fù)責(zé)人、中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司副總工程師、輸變電工程研究所所長(zhǎng)程永鋒介紹說(shuō)：“系統(tǒng)解決極端條件下電網(wǎng)復(fù)雜巨系統(tǒng)設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)防控難題，對(duì)于提升大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施應(yīng)對(duì)極端條件的安全保障水平，維護(hù)社會(huì)公共安全，具有迫切的需求和重大的現(xiàn)實(shí)意義。”

天空地協(xié)同、多學(xué)科融合，產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)

項(xiàng)目圍繞提升大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施安全保障水平的重大需求，由中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)、國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司等14家單位，組成橫跨電力、氣象、地質(zhì)、力學(xué)、土木工程和計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科的“產(chǎn)—學(xué)—研—用”聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，依托相關(guān)9個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、3個(gè)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、2個(gè)國(guó)家技術(shù)研究(實(shí)驗(yàn))中心，具有技術(shù)、研發(fā)、資源方面的突出優(yōu)勢(shì)，確保項(xiàng)目的順利實(shí)施。

項(xiàng)目針對(duì)強(qiáng)降雨、地質(zhì)災(zāi)害、風(fēng)振、強(qiáng)地震、強(qiáng)雷暴、臺(tái)風(fēng)、覆冰等極端條件，攻克考慮強(qiáng)非線性本質(zhì)的成災(zāi)模式、外部環(huán)境與電網(wǎng)設(shè)施耦合作用機(jī)理、多源多維風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法等技術(shù)難題，遵循“風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別—風(fēng)險(xiǎn)分析—風(fēng)險(xiǎn)處置”的思路，從六個(gè)方面開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

在電網(wǎng)定制化氣象預(yù)報(bào)方面，研究雷達(dá)、衛(wèi)星、常規(guī)氣象觀測(cè)及時(shí)空非均一電網(wǎng)氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合同化技術(shù)，發(fā)展面向強(qiáng)降雨、強(qiáng)雷暴、臺(tái)風(fēng)、覆冰等極端天氣多時(shí)空尺度精細(xì)化預(yù)報(bào)技術(shù)，包括：考慮天氣系統(tǒng)時(shí)空變化特征的0—6小時(shí)短臨預(yù)報(bào)、基于災(zāi)害回報(bào)試驗(yàn)的1—3天短期預(yù)報(bào)、基于全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)和集合四維變分同化的4—7天中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，為大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施安全提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

在輸電線路桿塔基礎(chǔ)滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全防護(hù)方面，通過(guò)揭示桿塔基礎(chǔ)與滑坡相互作用機(jī)理和成災(zāi)模式，構(gòu)建桿塔基礎(chǔ)滑坡多源立體智能監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，攻克桿塔基礎(chǔ)滑坡的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，有效提升大區(qū)域電網(wǎng)桿塔基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)對(duì)滑坡災(zāi)害的能力。

在輸電線路大跨越導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與災(zāi)害防治方面，以輸電線路大跨越工程為研究對(duì)象，揭示大跨越導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)非線性本質(zhì)和破損機(jī)理，提出大跨越導(dǎo)線的微風(fēng)振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防治技術(shù)，構(gòu)建大跨越導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防治體系，為輸電線路大跨越工程安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論與技術(shù)支撐。

在變電站(換流站)電力設(shè)施抗震安全防護(hù)方面，提出地震作用下主變類設(shè)備三維非線性隔震和支柱類設(shè)備自恢復(fù)減震機(jī)制，揭示耦聯(lián)設(shè)備耦合作用規(guī)律;研制主變類設(shè)備三維隔震裝置和支柱類設(shè)備自恢復(fù)減震裝置，提出耦聯(lián)設(shè)備抗震能力加強(qiáng)的構(gòu)造措施，建成地震響應(yīng)在線監(jiān)測(cè)與震損快速評(píng)估系統(tǒng);形成滿足110kV及以上電力設(shè)施7—9度抗震設(shè)防要求的安全防護(hù)技術(shù)，使8度及以上烈度區(qū)電力設(shè)施抗震能力提高50%以上，全面提升變電站(換流站)設(shè)備抗震能力。

在雷擊作用下變電站(換流站)暫態(tài)地電位升高安全防護(hù)方面，通過(guò)建立接地網(wǎng)分布式多點(diǎn)入地場(chǎng)路耦合模型及其與二次系統(tǒng)的多路徑耦合模型，提出接地網(wǎng)暫態(tài)地電位升及其對(duì)二次系統(tǒng)騷擾特性的模擬試驗(yàn)方法，提出接地網(wǎng)暫態(tài)地電位升及其危害的抑制措施和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，開發(fā)接地網(wǎng)暫態(tài)特性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析軟件，為變電站(換流站)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

在大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施應(yīng)對(duì)極端條件的安全保障平臺(tái)研發(fā)方面，構(gòu)建臺(tái)風(fēng)作用下輸電線路危險(xiǎn)性分析、易損性分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，建立輸電線路覆冰災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警方法，提出突發(fā)狀況下輸電線路桿塔快速搶修關(guān)鍵技術(shù);搭建面向大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施安全保障的云計(jì)算環(huán)境下，大數(shù)據(jù)并行計(jì)算基礎(chǔ)技術(shù)框架和服務(wù)框架，研發(fā)極端條件的大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施安全保障平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、典型極端條件安全防護(hù)、線路快速搶修等一套完整的任務(wù)流，對(duì)整個(gè)安全保障流程進(jìn)行管控，提出從監(jiān)測(cè)預(yù)警到快速搶修的一體化解決方案。

項(xiàng)目將揭示桿塔基礎(chǔ)滑坡、大跨越導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)、變電站(換流站)地震等成災(zāi)機(jī)理，提出電網(wǎng)氣象精細(xì)化預(yù)報(bào)、暫態(tài)地電位升及其危害抑制、桿塔快速搶修等關(guān)鍵技術(shù);研制微風(fēng)振動(dòng)智能監(jiān)測(cè)、非線性零頻防振、三維隔震等裝置，開發(fā)接地網(wǎng)雷擊暫態(tài)分析軟件，構(gòu)建應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨、地質(zhì)災(zāi)害、風(fēng)振、強(qiáng)地震、強(qiáng)雷暴、臺(tái)風(fēng)、覆冰等廣域多風(fēng)險(xiǎn)安全保障平臺(tái);項(xiàng)目成果將應(yīng)用于13個(gè)省的26個(gè)示范區(qū)，包括世界第一高輸電塔(塔高380米)所在的西堠門大跨越等重點(diǎn)工程，形成包括論文、發(fā)明專利、國(guó)家/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和專著等一系列自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。項(xiàng)目的實(shí)施將全面提升極端條件下大區(qū)域電網(wǎng)設(shè)施的安全保障水平，引領(lǐng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域理論創(chuàng)新和技術(shù)革新，降低由于電網(wǎng)故障而衍生的次生災(zāi)害損失，確保社會(huì)供電安全，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，為維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定提供有力保障。