關鍵技術3：“信息驅動的大電網安全穩定動態特征提取及態勢評估技術”，實現秒級響應的在線分析，構建電網安全穩定態勢評估模型，基于量測快速給出電網安全穩定態勢分析結論，需要解決特征提取和穩定評估兩個關鍵問題。

項目團隊擁有本領域專利600余項，發表學術論文1000余篇。近5年承擔或參與了相關領域國家973/863/科技支撐/自然基金等項目107項，獲國家技術發明、科技進步獎共13項;具備12年以上的在線分析技術研發經驗，擁有完全自主知識產權的全數字超實時機電—電磁混合仿真系統(ADPSS)、智能電網調度控制系統(D5000)、在線安全分析系統(DSA)等研究需要的全套基礎軟件產品，其中2007年率先研發應用了大電網在線動態安全評估技術，覆蓋全國所有省級以上調控中心(除港澳臺外)。擁有堅實的理論研究基礎、強大的研發創新能力和豐富的工程實踐經驗;團隊擁有電力領域內世界上最大的超算平臺和全電磁暫態數模混合實時仿真平臺，擁有廣泛應用于石化、鋼鐵、電力等多行業的實時智能分析與決策平臺，擁有相關領域國家實驗室11個，教育部重點實驗室6個。

項目成果可實現電網安全穩定的精準實時分析，對于重大安全穩定問題提前給出控制策略，防止大停電事故，提高電網運行效率和安全性，保障社會穩定和經濟發展;提升相關領域的國際話語權，搶占大電網人工智能技術領域制高點。

發展超導直流能源管道新技術 構建西電東送西氣東輸新模式

——超導直流能源管道的基礎研究

超導直流電纜具有載流大、損耗小等特點，但需要低溫環境以維持其工作;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電纜，共用制冷系統和絕熱管道，形成能源管道，實現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，符合能源大規模集輸的發展趨勢，也為能源互聯網建設提供了先進技術方案。

新技術應對新挑戰

早在上世紀末和本世紀初，日本和美國就分別提出了液氫冷卻超導電纜的設想和氫電一體化輸送超導能源管道的概念，美、日、俄等國相繼開展了初步探索。由于液氫沸點20K，遠遠低于高溫超導體臨界轉變溫度，一體化輸送具有天然優勢。然而，由于液氫燃料產能有限，加之極低溫制冷經濟性和液氫安全性等問題的考慮，短時間內電力/液氫能源管道難以規模化應用。

采用液氮冷卻的高溫超導電纜發展至今已有近二十年，本體技術基本成熟，工程應用已進入試驗示范運行階段。由于目前超導材料價格高，制冷等輔機費用占比大，一定程度上制約了高溫超導輸電技術實用化的進程。商品化的鉍系高溫超導線材臨界轉變溫度110K，與天然氣液化溫度相當;加之西電東送與西氣東輸、近海風電與液化天然氣(LNG)站等能源工程加速建設;這一切均為電力/LNG一體化輸送創造了條件/契機。

目前，國內外電力/LNG能源管道的研究尚處于概念設計階段，僅提出了一些簡單的結構設想，并未進行實質性的研究。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。低溫環境既保證超導電纜具備無阻載流能力，又適用于LNG管道輸送，避免凝固且熱值不減;

高效電熱耦合和穩定輸送問題。提高能效，充分利用冷量，維持動態穩定性，滿足不同電力/LNG需求量下的可靠輸送;

安全問題。主動防御設計，減小電弧發生和LNG泄漏概率，避免燃爆及其次生影響。

三大科學難題和一項關鍵技術

據國家重點研發計劃項目“超導直流能源管道的基礎研究”依托單位中國電力科學研究院有限公司丘明和李振明博士介紹，本項目以解決目前電力/LNG一體化輸送系統存在的上述三大問題為主線，攻克三大科學難題和一項關鍵技術：

科學難題1：LNG混合工質的低溫液固轉變機理及傳熱流動特性

目前商業化超導材料的臨界溫度與LNG的溫度均為110K，在此溫度下，超導材料沒有載流能力。要想超導體載流，需要降低LNG的溫度。但是，當LNG溫度降低至90K左右時，會引起黏度急劇增大，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，保證超導電纜(在85K—90K溫區)運行，是首先要解決的問題。這就是本項目要研究的第一個科學問題，即LNG混合工質的低溫液固轉變機理及流動傳熱特性。旨在探索變組分甲烷體系的凝固規律，揭示LNG混合工質的固液相平衡特性，突破LNG主要成分甲烷90K三相點的局限，闡明LNG混合工質流動傳熱特性。

科學難題2：電力/LNG一體化輸送動態穩定性及其協同控制理論

電力/LNG共輸，既要考慮LNG為超導電纜提供充分的冷量，又要考慮超導電纜的熱量損失對LNG輸送的影響。因此掌握相互影響規律，保證管道高效可靠運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—流耦合機理，明確動態穩定性，構建控制理論，這就是本項目的第二個科學問題。主要分析能源管道電—熱—流多場耦合機理，闡明電和燃料輸送的相互影響規律，提出調控過程的動態穩定性判據，構建協同控制理論和調度策略。

科學難題3：超導直流能源管道故障演化機理與安全防御策略

對能源管道而言，當出現網側短路、電纜絕緣擊穿、以及LNG泄漏等極端情況，可能存在安全風險，如何在嚴重故障下，確保能源管道安全可靠運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理與發展過程，制定防御策略，這就是本項目的第三個科學問題。旨在表征系統運行潛在風險，揭示低溫環境下復合絕緣失效、網側短路、LNG泄漏等故障演變機理，明確故障發展鏈條，提出安全防御策略。

關鍵技術：安全、高效的超導直流能源管道系統設計技術

為了研發超導直流能源管道樣機，在解決上述科學問題的同時，還需要攻克“安全、高效的超導直流能源管道系統設計技術”這一關鍵技術。主要研究本體與終端等部件的設計方法，確定能源管道的傳熱、絕緣、機械、安全等系統結構設計方案。重點解決：混合工質與超導電纜之間的高效換熱結構，以及低局放、高抗爆的絕緣和機械結構。

項目預期將發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制;掌握安全高效系統設計、關鍵部件制作、系統集成試驗等關鍵技術，形成獨立自主知識產權;研制基于天然氣的混合工質溫區(不低于85K—90K)的輸電/輸送燃料一體化超導能源管道原理樣機，能源管道長度30米，運行電壓不小于±100kV，運行電流不低于1000A、輸送液體燃料速度大于100L/min，并且完成滿功率運行等系統試驗。

應對極端環境挑戰 提升大區域電網設施安全保障水平

——極端條件下的大區域電網設施安全保障技術

電網是現代社會最重要的生命線工程之一。近年來，隨著氣候、環境變化和電網大規模建設，各種極端條件引發的電網故障頻發。國務院辦公廳〔2015〕134號函《國家大面積停電事件應急預案》提出加強大面積停電事件應對和先進監測技術、裝備的研發，制定電力應急技術標準，加強電網安全應急信息化平臺建設;十九大報告要求健全公共安全體系、提升防災減災救災能力。因此，對大區域電網的安全保障提出了新的挑戰和更高的要求。

大區域電網設施安全保障面臨重大挑戰

我國正在建設以特高壓為主干網架的大區域電網，輸電容量大、距離遠，跨越多個地理氣候區，自然環境惡劣，極端天氣頻發，屬于大范圍、多層級復雜巨系統。其中，山區輸電線路、跨越江河湖海的大跨越工程、變電站(換流站)等是電網重要組成部分。隨著氣候環境變化，強降雨、地質災害、風振、強地震、強雷暴、臺風、覆冰等極端條件引起的電網故障頻發，局部設施故障可能導致大停電事故，嚴重影響社會經濟生活，威脅公共安全。

國家重點研發計劃項目“極端條件下的大區域電網設施安全保障技術”負責人、中國電力科學研究院有限公司副總工程師、輸變電工程研究所所長程永鋒介紹說：“系統解決極端條件下電網復雜巨系統設施安全風險防控難題，對于提升大區域電網設施應對極端條件的安全保障水平，維護社會公共安全，具有迫切的需求和重大的現實意義。”

天空地協同、多學科融合，產學研用聯合攻關

項目圍繞提升大區域電網設施安全保障水平的重大需求，由中國電力科學研究院有限公司聯合中國科學院大氣物理研究所、中國地質大學(武漢)、國網浙江省電力有限公司等14家單位，組成橫跨電力、氣象、地質、力學、土木工程和計算機等多個學科的“產—學—研—用”聯合攻關團隊，依托相關9個國家重點實驗室、3個國家工程實驗室、2個國家技術研究(實驗)中心，具有技術、研發、資源方面的突出優勢，確保項目的順利實施。

項目針對強降雨、地質災害、風振、強地震、強雷暴、臺風、覆冰等極端條件，攻克考慮強非線性本質的成災模式、外部環境與電網設施耦合作用機理、多源多維風險評估方法等技術難題，遵循“風險識別—風險分析—風險處置”的思路，從六個方面開展關鍵技術攻關。

在電網定制化氣象預報方面，研究雷達、衛星、常規氣象觀測及時空非均一電網氣象監測數據的綜合同化技術，發展面向強降雨、強雷暴、臺風、覆冰等極端天氣多時空尺度精細化預報技術，包括：考慮天氣系統時空變化特征的0—6小時短臨預報、基于災害回報試驗的1—3天短期預報、基于全球預報系統和集合四維變分同化的4—7天中長期預報，為大區域電網設施安全提供關鍵技術支撐。

在輸電線路桿塔基礎滑坡風險評估和安全防護方面，通過揭示桿塔基礎與滑坡相互作用機理和成災模式，構建桿塔基礎滑坡多源立體智能監測預警體系，攻克桿塔基礎滑坡的風險評估和安全防護關鍵技術，有效提升大區域電網桿塔基礎設施應對滑坡災害的能力。

在輸電線路大跨越導線微風振動風險評估與災害防治方面，以輸電線路大跨越工程為研究對象，揭示大跨越導線微風振動非線性本質和破損機理，提出大跨越導線的微風振動智能監測、風險評估與防治技術，構建大跨越導線微風振動風險評估與防治體系，為輸電線路大跨越工程安全穩定運行提供理論與技術支撐。

在變電站(換流站)電力設施抗震安全防護方面，提出地震作用下主變類設備三維非線性隔震和支柱類設備自恢復減震機制，揭示耦聯設備耦合作用規律;研制主變類設備三維隔震裝置和支柱類設備自恢復減震裝置，提出耦聯設備抗震能力加強的構造措施，建成地震響應在線監測與震損快速評估系統;形成滿足110kV及以上電力設施7—9度抗震設防要求的安全防護技術，使8度及以上烈度區電力設施抗震能力提高50%以上，全面提升變電站(換流站)設備抗震能力。

在雷擊作用下變電站(換流站)暫態地電位升高安全防護方面，通過建立接地網分布式多點入地場路耦合模型及其與二次系統的多路徑耦合模型，提出接地網暫態地電位升及其對二次系統騷擾特性的模擬試驗方法，提出接地網暫態地電位升及其危害的抑制措施和風險評估方法，開發接地網暫態特性及風險評估分析軟件，為變電站(換流站)的安全穩定運行提供技術支撐。

在大區域電網設施應對極端條件的安全保障平臺研發方面，構建臺風作用下輸電線路危險性分析、易損性分析及風險評估模型，建立輸電線路覆冰災害風險評估及預警方法，提出突發狀況下輸電線路桿塔快速搶修關鍵技術;搭建面向大區域電網設施安全保障的云計算環境下，大數據并行計算基礎技術框架和服務框架，研發極端條件的大區域電網設施安全保障平臺，實現數值天氣預報、典型極端條件安全防護、線路快速搶修等一套完整的任務流，對整個安全保障流程進行管控，提出從監測預警到快速搶修的一體化解決方案。

項目將揭示桿塔基礎滑坡、大跨越導線微風振動、變電站(換流站)地震等成災機理，提出電網氣象精細化預報、暫態地電位升及其危害抑制、桿塔快速搶修等關鍵技術;研制微風振動智能監測、非線性零頻防振、三維隔震等裝置，開發接地網雷擊暫態分析軟件，構建應對強降雨、地質災害、風振、強地震、強雷暴、臺風、覆冰等廣域多風險安全保障平臺;項目成果將應用于13個省的26個示范區，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工程，形成包括論文、發明專利、國家/行業標準和專著等一系列自主知識產權。項目的實施將全面提升極端條件下大區域電網設施的安全保障水平，引領國內外相關領域理論創新和技術革新，降低由于電網故障而衍生的次生災害損失，確保社會供電安全，經濟效益和社會效益顯著，為維護社會穩定提供有力保障。