科技创新驱动电力行业高质量发展

2022-01-17张素香刘雯静赵子岩曹津平张娜滕玮吴翔宇

电信科学 2021年12期

张素香，刘雯静，赵子岩，曹津平，张娜，滕玮，吴翔宇

科技创新驱动电力行业高质量发展

张素香1，刘雯静1，赵子岩1，曹津平1，张娜2，滕玮3，吴翔宇4

（1. 国家电网有限公司信息通信分公司，北京 100761； 2. 国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030000； 3. 国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250002； 4. 北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100092）

电力行业是关系到国计民生的基础性行业，具有重要战略价值，技术和资本密集型特征明显，且近年来科技成果丰硕，多次获得国家科学技术奖。选取了特高压输电技术、大电网安全与运行技术、新能源技术三大典型领域，阐述了获奖项目展现的强大技术生命力、国际影响力、人才培育力、产业带动力，充分验证了国家科技奖获奖项目对电力行业强大的促进作用，有力推动电力行业协同创新发展，对我国及早实现“碳达峰、碳中和”具有重大意义。

国家科学技术奖励；特高压输电技术；大电网安全运行技术；新能源技术

1 引言

中国已形成国家最高科学技术奖、国家自然科学奖、国家技术发明奖、国家科学技术进步奖和中华人民共和国国际科学技术合作奖五大奖项的国家科技奖励制度[1]，对于促进科技支撑引领经济社会发展、加快建设创新型国家和世界科技强国具有重要意义。国家科学技术奖励始终坚持鼓励自主创新，以科技服务国家经济社会发展，引导科技研发方向始终契合国家重大需求、世界科技前沿和国际经济主战场，激励自主研发与技术创新，对我国电力技术进步和产业结构优化升级起到了巨大指引与推动作用。研究获奖项目的后续贡献尤其重要，已有研究关注国家科技奖励成果本身的转化与应用、经济效益贡献情况[2-4]，但缺乏电力行业科技创新角度的整体考虑，本文梳理了电力行业科技进步历程，收集整理了近20年电力行业获国家科学技术奖励成果，为本文研究提供了充足样本；通过对电力行业关键技术领域科技创新与技术的梳理总结，以特高压输电技术、大电网安全运行技术、新能源技术为例，阐述国家科学技术奖获奖项目对电力行业的发展和促进作用。

2 电力行业总体获奖情况

本文统计了2002—2019年年间电力行业获奖情况，共获国家科技奖179项，其中，国家科学技术进步奖144项，技术发明奖35项；获奖等级为特等奖3项，一等奖20项。其中，火电、水电、核电、光伏、电网以及创新团队获奖比例分布如图1所示。不同年度获奖数量分布情况如图2所示。从获奖饼图可以看出，由于电网领域涉及输电、变电、配电、调度、用电等各个技术领域，获奖数量稳居前茅。

图1 2002—2019年年间电力行业获国家科技进步奖领域分布

从统计数据分析，电力行业目前获奖成果以科学技术进步奖为主，表明电力行业的原创性和特别重大的基础性技术创新仍需不断提升。在进步奖和发明奖中，电网领域获奖比例最高，分别为56.94%和54.29%。从电力行业获奖第一完成单位性质看，企业牵头获奖占比达49.16%，是绝对的主力军，是把握电力行业发展步伐的中坚力量；高校牵头获奖占比43.58%，稳居第二，是高水平、前瞻性科研力量的主体；科研单位获奖占比7.26%，电力行业中央企/国企的获奖数量要远高于民企，是民企获奖总数的7.8倍。这主要是由中国的国情和电力行业的基础属性决定的。

3 国家科技奖励制度驱动科技创新发展

3.1 紧密结合国家经济社会需要，激励自主创新

创新是中华民族最鲜明的民族禀赋，是任何时代都不可或缺的精神特质。国家奖评审始终把鼓励自主创新作为根本遵循，把科技服务国家经济社会发展作为根本导向，例如，科技进步一等奖明确要求：要符合面向国家重大需求、面向世界科技前沿、面向经济主战场总原则，技术上有重大创新，总体技术水平和主要技术经济指标达到国际先进水平，市场竞争力强且产生重大经济效益，成果转化程度高，对行业的技术进步和产业结构的优化升级具有重大作用。众多国家奖获奖项目很好地印证了授奖导向，如“中国载人航天工程”“第四代移动通信系统（TD-LTE）关键技术与应用”“特高压交流输电关键技术”“成套设备及工程应用”“特高压±800 kV直流输电工程”等都是面向国计民生、走在世界科技前沿的项目。电网领域在满足提升输电能力、提高清洁能源消纳比例的重大需求下，一大批科技获奖成果在新能源、电网安全运行、重大装备制造等方面实现了重大技术创新，核心设备实现自主研制，且目前相关成果仍持续推动着行业发展，发挥着巨大的经济和社会效益。

图2 2002—2019年年度电力行业获国家奖情况统计

3.2 坚持弘扬科学家精神，激发人才活力

国家奖作为衡量科技成果水平的标志，不仅是科研论文、专利、成果鉴定等单一评价，更是对科研水平和研究成果的综合衡量和评价[5]。近年来，国家科技奖励工作持续深化改革、强化政策导向、控制评审数量、提高奖励质量、完善公开公平评审制度、强化全流程全环节监督，彰显了国家奖的严肃性、权威性、公正性和荣誉性，已经成为科技工作者科技追求的最高褒奖，是对获奖科学家和广大科技工作者的巨大鼓励和嘉奖，对激发创新活力、培养具有国际水平和全球视野的战略科技人才、科技领军人才、青年科技人才和高水平创新团队具有重大作用。

3.3 坚持正确价值导向，营造良好创新氛围

国家奖具有重要的导向和示范作用，倡导了良好的学术风气，加速了科技成果的转化和应用，对于营造良好的科学研究氛围、激发科研人员的创新动力具有重要意义。在国家奖的带动和引领下，各行业团体、各省、各单位奖励工作科学有序开展，从政策层面实现了对社会力量办奖的集中统一管理，确保奖励的正确价值导向，为科研立项、人才评价提供了支撑。近年来，国家奖持续规范有关规章制度及评审程序和方法，建立了规范、有序的奖励推荐评审流程和技术创新成果评价等方法，严格执行项目推荐、形式审查、申报项目公示等程序，对申报单位、申报人、评审专家均建立科技奖励诚信档案，纳入科研信用体系，为各级单位和各行业协会科技奖励工作提供了示范和引导，在全社会营造了公平公正的科技奖励环境，为科技奖励工作稳定有序开展提供了重要保障。

4 电力科技成果持续发力，促进行业蓬勃发展

近年来，国家在特高压输电、智能电网、大电网安全、新能源等领域产出了若干国家级、世界级创新成果，实现了核心技术从跟随到赶超的转变，并正在推进从技术赶超向技术引领的跨越。这些获奖成果创新性高、持续应用时间长、应用范围广、协同创新推动电力行业整体技术进步的特征显著，是驱动电力行业蓬勃发展的有力印证。

4.1 特高压输电技术领域

特高压指1 000 kV交流、±800 kV及以上直流的输电技术，具有输电距离远、容量大、效率高、占地少等综合优势，是中国原创、世界领先的重大创新技术。广大电网科技工作者不懈努力取得了重大突破，实现了特高压输电技术世界引领。

在面向国家“西电东送”能源需求重大战略下，为满足长距离输送能力提升需求，科研团队完成1 000 kV特高压交流技术研究，既面临高电压、强电流的电磁与绝缘技术的世界级挑战，又面临重污秽、高海拔的严酷自然环境，而国际上没有成熟适用的技术和成套设备，创新难度极大。按照“基础研究−工程设计−设备研制−试验验证−系统集成−工程示范”的技术路线，攻克了世界上最高电压等级的输电关键技术，实现了我国特高压输电的创新突破。2009年投运的“晋东南−南阳−荆门”线路是中国第一条南北向能源输送大通道，在2009—2012年年间，依托项目建成的试验示范工程已成为我国南北方向的一条重要能源输送通道，3年累计输电277亿kW·h，输电销售收入93亿元，新增利润4.8亿元，还取得火电南送替代输煤约600万t，极大缓解了华中地区严重缺电局面，拉动GDP增长达2019亿元、水电北送节约用煤300余万t、减排二氧化碳近900万t等效益。2012年，“特高压交流输电关键技术、成套设备及工程应用”获得国家科技进步特等奖。项目带动我国输变电装备制造企业实现全面升级，特高压设备设计研发、生产装备和试验检测能力达到国际领先水平，并全面进军国际超高压设备市场，实现了高端产品出口零突破。

特高压±800 kV直流输电技术具有输电损耗低、输电走廊有效利用率高的优点，但相关技术复杂，国内外无可借鉴经验，研究难度极大。科研团队攻克了过电压、外绝缘等方面的世界级难题，提出双阀组均衡串联主接线拓扑结构，完成世界首批±800 kV特高压直流输电成套装备研制并实现了产业化，成功解决了大容量特高压直流接入系统的世界性难题，保证了电力系统的安全稳定运行，充分调度并发挥了±800 kV特高压直流输电能力，经济效益和社会效益巨大；2010年建设落成的“800 kV云广”“向上”两个国家级示范工程及其他5个直流工程，“特高压±800 kV直流输电工程”获得2017年度国家科学技术进步特等奖。

随着国家能源战略实施、输电能力需求提升，清洁能源大比例接入，充分利用两个特等奖项目先进成果陆续建成一批技术水平国际领先的重大工程，成为中国“西电东送”“北电南供”的能源大通道；2020年12月30日全面建成投运了世界首个新能源远距离输送大通道：青海—河南±800 kV特高压直流工程，青海可开发太阳能发电规模达10亿kW、风电规模达4亿kW。

电力行业已全面掌握特高压交、直流输电核心技术，在过电压控制、外绝缘配置、电磁环境控制、潜供电流抑制、成套设备研制、试验检测能力6个方面取得重大创新突破，占领了国际高压输电技术制高点。自主研制特高压交、直流成套装备，整体提升了中国电工装备技术水平。截至目前，我国已累计建成“14交18直”特高压工程，在运、在建特高压工程线路长度达4.6万km，累计输电超过2万亿kW·h。同时，输电技术走出国门，巴西美丽山±800 kV特高压直流输电一期、二期等工程顺利建成投运，带动中国高端电工装备出口到德国、波兰、菲律宾等100多个国家和地区。

4.2 大电网安全运行技术领域

大电网安全运行是国家安全的重要组成部分。大范围、长时间电力中断将对社会造成难以估量的损失和影响，是现代社会的灾难。2020年美国得州暴风雪大停电造成500万用户停电，民众的生命财产受到严重威胁。我国电网从上百个地方电网发展到省级电网、区域电网、除台湾外的全国联网，电压等级不断提高，电网规模不断扩大。电力是特殊商品，目前尚无法大规模存储，发、输、配、用瞬时完成，电力系统必须保持实时动态平衡，这使得大电网成为迄今为止最复杂的人工系统。近20年，美国、加拿大、英国、俄罗斯、巴西、印度等国电网多次发生大面积停电事故，而我国没有发生类似事故，得益于我国坚持科技创新引领，构建了完善的大电网安全运行和控制技术体系，技术成果发展图见图3所示。

建国初期，我国电力工业基础薄弱、百废待兴。1978年，我国基本建立较为完整的电力工业体系，330 kV及以下输变电工程实现自主设计和自主建造，形成基于行政区划的省级电网。1972年自主建设的第一条330 kV线路“刘家峡−关中”获得1978年全国科学大会奖。

图3 国家科技奖对中国三代电网创新演进的激励作用

改革开放后，随着经济发展，中国电力需求和发电装机规模快速增长，对电网发展提出了新的要求。通过技术引进和消化，中国电网装备水平快速提升，跨省联网规模不断扩大。截至2000年，基本形成以500 kV（西北330 kV）为骨干网架的六大区域电网[4]。

进入21世纪[6]，中国工业化、城镇化进程加快，资源、环境对经济社会发展的制约日益突出，电力发展面临保障电力供应与优化能源结构双重任务，我国全面推进能源的可持续、协调发展，目前已成为能源利用效率提升最快的国家。

由1985年的获奖项目“电力系统分析综合程序的开发及其推广利用”、2003年的“大型电力系统中电力电子与FACTS装置仿真软件包EMTPE的研究与开发”“大电网大机组安全稳定控制的研究”“全国电力二次系统安全防护体系的研究及实施”，直到2009年国家科技进步一等奖项目“电力系统全数字实时仿真关键技术研究、装置研制和应用”、2013年的一等奖获奖项目“特大电网一体化调度控制系统关键技术及规模化应用”、2016年的一等奖获奖项目“互联电网动态过程安全防御关键技术及应用”及2018年的“交直流电力系统连锁故障主动防御关键技术与应用”等，我国已全面掌握国际领先的大电网仿真技术、大电网调度及安全稳定运行技术，为保障大电网安全运行提供了强有力的技术支撑。同时也在防灾、减灾领域取得了重大理论和技术创新，多次获授国家科学技术奖。可见，国家奖所要求的技术创新、行业进步以及经济效益为不断推进电网领域科技创新、有效解决国家重大需求指明了方向，充分发挥了科学技术的社会功能，对促进行业和社会进步具有重要价值。

2012年，“电力系统广域监测分析与控制系统的研发及应用”获国家科学技术进步奖二等奖，该项目构建了电力系统广域监测分析与控制体系，实现了广域空间中电网安全稳定各道防线内的控制决策自适应优化，协调优化了各类控制决策的控制时机，实现了电网安全稳定的闭环自适应紧急控制和校正控制，完成辅助决策和实时预警。

2013年，“特大电网一体化调度控制系统关键技术及规模化应用”荣获国家科技进步奖二等奖，该项目研发了适用于特大电网调度的分布式实时数据库、图形界面远程浏览和大电网统一建模等关键技术，建立了“横向集成、纵向贯通”的一体化调度业务支撑平台；攻克了事件触发与周期触发相结合的全网在线联合安全预警、多级调度协同的大电网协调控制与智能告警、安全约束下的经济调度和日前安全约束机组组合等重大技术难题，建立一套完整的电网调度控制技术支撑体系。

2013年，“电网大范围冰冻灾害预防与治理关键技术及成套装备”获国家科学技术进步奖一等奖。由于2008年年初中国电网因冰灾遭受了最严重的损害，倒塔70万余基，直接经济损失250亿元。1亿多人口停电、停水，京广铁路停运7天，严重影响了正常的社会秩序。获奖成果攻克了电网覆冰数值预测技术、在线覆冰监测与决策系统、高效大容量直流融冰技术与装备、高可靠防冰闪技术，具有实质性创新和重大突破，成果集理论、技术、装备于一体，为电网安全运行提供了有效的技术手段。后续国内未发生冰冻灾害造成的大面积停电事件。

2015年，“电网雷击防护关键技术与应用”获国家科学技术进步奖二等奖。研制了覆盖全国电网的广域雷电地闪监测系统，实现了20个省的输电线路雷击监测系统应用、27个省级电网的雷击风险评估模型与软件应用及全国各电压等级线路、通道的雷击差异化防护技术深度应用。2017—2019年国网公司输电系统雷击故障率的平均值较2014—2016年的平均值下降40%；近10年两大监测系统已指导处置输电线路雷击故障超万次；京−沪高铁及城市轨道交通雷击故障率降低70%以上。

2016年，“互联电网动态过程安全防御关键技术及应用”获国家科学技术进步奖一等奖[6]。该成果解决了电网故障导致的互联电网输电断面连锁断开、受端电网电压崩溃问题。在输电断面功率动态控制与分析、动态全过程仿真建模、受端电网电压稳定控制技术与评估方面取得重大创新成果，大幅提升了互联电网的动态过程安全防御能力，已在34个省级及以上电网规划调度运行和高校科研教学中应用，提升了中国复杂大电网的安全运行可靠性，提升了供电质量。

中国电网发展至今，一直安全稳定运行，已成为世界上规模最大、电压等级最高、结构最复杂、资源配置能力最强的交直流混联电网。

4.3 新能源技术领域

气候变化已是国际核心议题，对中国而言，改变以煤炭为主的高碳能源结构，转向清洁能源为主的低碳能源结构是大势所趋和必由之路[7]，2010—2020年风电装机容量如图4所示。中国迎来了能源结构转型、电力体制改革、电力供需变化。毫无疑问，未来风、光等新能源将从配角上升为主角，这给传统电力系统带来了从技术、成本、市场、安全等多方面的挑战。

图4 2010—2020年风电装机容量

（数据来源：《中国能源大数据报告（2020）》）

新能源发电的随机性、波动性、不确定性致使大规模地消纳新能源成为世界性难题。相比国外，我国新能源发展规模更大、速度更快，资源禀赋与分布、电源属性与结构以及市场条件存在较大差异，因此新能源消纳的相关问题更为突出。在2016年前后，风能弃风率一度超过30%。但是后来依托众多获奖项目成果的具体应用和国家制定的大量有效政策，2017年之后弃风现象迅速缓解，2017年以后弃风率下降趋势如图5所示，成果加速促进了高比例清洁能源的消纳。

2013年，“大型风电并网运行与试验检测关键技术及应用”获得国家科技进步奖二等奖，在世界上首次提出了风电机组电网适应性试验方法，建成了具有国际领先水平的张北风电试验基地，建成世界上规模最大、检测能力最强、检测项目最全的新能源检测中心，完成国内200多个型号机组的试验检测，有效促进后续国产风机技术水平不断提高。

图5 2017年以后弃风率下降趋势

应用获奖项目成果，张北国家风光储输示范工程实现集光伏、风电发电、储能、智能输电于一体，成为世界上规模最大、运行方式最灵活、综合控制水平最高的新能源综合利用项目，是中国新能源技术和设备的试验基地，已接待60多个国家、28个国际组织及1 000多位专家到此参观，成为中国新能源建设的“国家名片”。

2016年，“新能源发电调度运行关键技术及应用”荣获国家科技进步奖二等奖，项目成果促进了电网互联互通、构建了完善统一的调度系统，在提升系统平衡调节能力的同时，缓解了新能源消纳矛盾，推动了新能源大规模开发和大范围配置；设立了国网公司数值天气预报中心，基于实时观测数据，实现高分辨率数值预报，预测精度达到国际先进水平。项目成果有效促进了后续新能源进一步消纳问题。

2019年，“千万千瓦级风光电集群源网协调控制关键技术及应用”获国家科技进步奖二等奖。酒泉是世界首个千万千瓦级风电基地，是西部大开发的又一标志性工程。获奖项目突破了千万千瓦级风光电集群的预测评估、源源控制、网源控制、装备研制、系统集成等系列关键技术难题，取得了一系列创新性成果，研制了“有功−无功−安全稳定”一体化的控制装置，在河西走廊首次建成了千万千瓦级风光电集群源网协调控制系统示范工程，填补了国际千万千瓦级风光电集群源网协调控制技术的空白；相关科技创新成果持续支撑新能源消纳难题，是新能源与特高压输电技术、大电网调度和安全运行协同创新的典范工程。世界首个新能源远距离输送大通道青海—河南±800 kV特高压直流工程，太阳能发电规模达10亿kW、风电规模达4亿kW。截至2019年年底，青海可再生能源装机为2 776万kW。该工程可满足青海千万千瓦级新能源基地的开发外送需要，每年可向华中地区输送400亿kW·h清洁电能，将河南全社会用电量的1/8转变为绿电。

风电、光伏产业对未来十年年均新增装机规模预测分别为5 000万～6 000万kW和7 000万～9 000万kW。这一预测下，届时新能源装机规模将大大超过12亿kW的国家承诺下限，达到17亿kW以上，增速也将显著超过“十三五”时期。过去5年，风电年均新增约3 000万kW（其中，2020年新增超过7 000万kW），光伏年均新增约5 000万kW。

中国正在加快构建安全高效、清洁低碳的能源体系，坚定不移地推行绿色发展理念，正面应对碳排放带来的全球气候变化问题，持续推进碳减排，引领全球化治理行动。各项技术的协同创新发展才是中国实现“碳达峰、碳中和”的重要支撑力量[8]。

5 结束语

本文围绕电力行业，以获奖项目为例，阐述了科技创新驱动电力行业高质量快速发展情况，选取特高压输电技术、大电网安全运行、新能源技术领域，论证了项目获奖后的持续影响力及其对国家能源发展战略实施、加快促进科技与经济深度融合所持续发挥的巨大作用，国家科技创新战略正成为推动中国高质量发展、尽早实现“碳达峰、碳中和”的强大基础动力。

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State Grid Corporation. “carbon peak, carbon neutral” action plan[N]. The State Grid Newspaper, 2021.

Technological innovation drives the high-quality development of the power industry

ZHANG Suxiang1, LIU Wenjing1, ZHAO Ziyan1, CAO Jinping1, ZHANG Na2, TENG Wei3, WU Xiangyu4

1. State Grid Information & Telecommunication Technology Branch, Beijing 100761, China 2. State Grid Shanxi Electric Power Research Institute, Taiyuan 030000, China 3. State Grid Shandong Electric Power Research Institute, Jinan 250002, China 4. Beijing Kedong Electric Power Control System Co., Ltd., Beijing 100092, China

The power industry is a basic industry related to the national economy and people’s livelihood and has important strategic value. It has obvious characteristics of technology and capital intensiveness. In recent years, there has been fruitful scientific and technological achievements which have won many national science and technology awards in this industry. Three typical areas were selected: the UHV transmission technology, the safety and operation technology of the large power grid and the new energy technologyto elaborate the strong technical vitality, the international influence, the talent cultivation ability and the industrial driving capabilities of the award-winning projects. It was fully verified the National Awards have a strong role in promoting the power industry and the technological innovation can effectively promote the collaborative innovation and development of power grid technology, and it is of great significance to support China to achieve “carbon peak and carbon neutrality” as soon as possible.

national science and technology awards, UHV transmission technology, safety and operation technology of the large power grid, new energy technology

G311

10.11959/j.issn.1000−0801.2021274

2021−05−15；

2021−12−14

张素香，zsuxiang@163.com

国家科技奖励工作办公室项目“国家科技奖励促进电力科技发展影响力研究”

The Project of National Office for Science and Technology Awards “Research on the Influence of National Science and Technology Awards to Promote the Development of Electric Power Science and Technology”