国家电网：突破特高压输电技术的协同创新实践

中国80%以上的能源资源分布在西部、北部，70%以上的电力消费集中在东部、中部，供需相距1000-4000公里。基于这一国情，国家电网公司联合科研院所、高校、设备制造等160多家单位协同攻关，开展309项重大关键技术研究，连续攻克了特高电压、特大电流下的绝缘特性、电磁环境、设备研制、试验技术等世界级难题，成功研制世界上通流能力最大的6英寸晶闸管、换流阀、变压器等一批国际领先的电工装备，在世界上率先掌握了特高压大容量输电系统集成、大电网运行控制等技术，研制成功了全套特高压设备。先后建成特高压直流试验基地、特高压交流试验基地、特高压工程力学试验基地、高海拔试验基地、国家电网仿真中心、特高压直流输电工程成套设计研发（试验）中心等“四基地两中心”，在大量科学严密的试验中，攻克了一个又一个世界性难题，率先建立了由168项国家标准和行业标准组成的特高压输电技术标准体系，占据了技术和标准制高点，大大提升了我国在国际电工标准领域的话语权。

本文以国家电网公司特高压技术创新为例，探讨依托工程、业主主导的产学研用深度协同的创新实践模式，为在新形势下发挥新型举国体制优势和企业技术创新主体作用，深入推进自主创新、保障产业链供应链安全稳定提供启示和参考。

特高压创新战略的提出

特高压输电技术即交流1000kV、直流±800kV及以上电压等级的输电技术，具有远距离、大容量、低损耗的特点。特高压交、直流输电网除了能实现电能大规模和远距离输送的需求外，还大幅度提高了电网自身的安全性、可靠性、灵活性和经济性，具有显著的社会、经济效益。

进入21世纪，我国电力需求长期持续增长，2000年以来全社会用电量翻了两番。我国能源资源与用电负荷中心逆向分布，本世纪初，沿长江每30公里就有一座发电厂，长三角地区每年每平方公里二氧化硫排放量达到45吨，是全国平均水平的20倍，环境承载力受到严重挑战。而大规模、长距离输煤一直是中国能源资源配置的主要方式，铁路新增运力的70%以上都是用于煤炭运输，“煤电运”矛盾突出。为满足持续增长的电力需求，实现更大范围的资源优化配置，亟须加快建设电压等级更高、网架结构更强的特高压电网。

建设以特高压输电线路为核心的骨干网架，发展特高压输电，不仅可以改变我国骨干电网的基本配置，而且是适应我国能源逆向分布、缓解运力紧张、防治雾霾和大气污染、推动区域平衡发展的重要战略选择。对我国能源的利用方式、能源安全、资源优化配置及区域发展产生深远影响，具有重大的政治意义和经济意义，同时也预示着我国输变电领域的重大技术跃升。

2004年，国家电网公司党组从保障国家能源安全、推动能源发展方式转变出发，酝酿提出发展特高压电网战略。当时，发展特高压输电技术的必要性有诸多争论，是输煤还是输电，特高压经济性、安全性和电磁环境影响等等，质疑的意见很大。为此，国家电网公司在党中央、国务院和有关部委的领导组织下，开展了全方位、多角度、深入的研究论证。2004年国网公司开始滚动规划特高压电网，开展系列反复论证。

2005年国家发改委提出“启动我国百万伏级交流、正负80万伏级直流特高压输电技术前期研究工作”。2005年国务院领导主持会议，明确同意发展特高压电网，并将特高压纳入国家重大装备规划；同年在北戴河召开了特高压输电技术研讨会。特邀专家32名，包括政府机构、电网企业、设备制造企业、科研机构、高等院校在内的43个单位共130多名代表参加了会议；同时，国家电网公司委托中国工程院就发展特高压的一些重大问题进行咨询，中国工程院成立了由32位院士及11名相关专家参加的“特高压”咨询课题组；2005年、2006年，国家发展改革委两次组织召开特高压座谈会。

在这过程中，国家科技部、国土资源部、电监会、中机联、中电联等部门也在研究和论证的诸多环节给予了支持和指导。2006年国家发改委正式核准建设晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程，向家坝-上海±800千伏特高压直流输电示范工程也于2007年获得国家核准。国家电网公司以这两个特高压交流、直流试验示范工程为主要依托（以下合并简称“特高压示范工程”），作为业主单位主导创建创新联合体，整合国内设计、制造、高校等创新力量，主导开展特高压交流、直流全套技术攻关和设备国产化研制等全过程协同创新，实现核心技术自主可控，积累工程经验，为后续实现特高压规模化推广应用奠定了坚实基础。

特高压输电技术创新特点

我国特高压项目启动之初，世界上没有商业运行的特高压线路，也没有成熟的技术和设备，以及相应的标准和规范。美国、日本、前苏联、意大利和巴西等国曾于20世纪60年代末70年代初相继开始了特高压交、直流输电技术的研究，并建设了相应的试验室及短距离试验线路，但均未实现商业化运行。这意味着，我国发展特高压战略需要从技术、设备到工程应用全面自主攻关。

当时，我国电力技术和电工装备制造仍处于跟随西方发达国家的被动局面，国内500kV输电工程设备及关键原材料、组部件仍主要依赖进口，技术、标准和设备均建立在引进、消化、吸收基础上，整个行业创新基础薄弱，关键环节受制于人。

特高压输电代表了当时国际高压输电技术研究、设备制造和工程应用的最高水平。与常规的500kV输电工程相比，特高压输电示范工程建设主要面临以下六大难题。

一是技术攻关难度大。特高压交流输电具有充电功率大、潜供电流大、绝缘配合要求高等特点，需要突破过电压控制、外绝缘配置、潜供电流抑制、电磁环境控制等世界级技术难题。作为世界级的创新工程，特高压输电需要实现输电电压和电流的双提升，输电容量和送电距离的双突破。核心技术和关键设备均为首次研制，必须系统开发特高压输电全套技术并通过工程实际运行验证，面临着全面严峻的挑战和风险。

二是工程优化平衡要求高。特高压输电代表了国际高压输电技术研究、设备制造和工程应用的最高水平，研究开发工作在时间维上涉及基础研究、规划设计、设备研制、施工安装、调试试验、运行维护全过程；在逻辑维上涉及问题提出、方案设计、模型化和最优化、方案决策、计划安排、组织实施全流程；在知识维上涉及电、磁、热、力等自然科学和项目管理、技术经济等管理科学，是一个复杂的系统工程。如何通过合理的设计，实现各单元和设备配置方案的技术经济优化平衡，在工程效益上实现安全性、可靠性、先进性和经济性的有机统一，是特高压示范工程面临的突出难题。

三是设备自主研制挑战大。基于我国相对薄弱的基础工业水平，在世界上率先自主研究开发一个全新的、最高电压等级所需的全套技术和设备，实现从模仿者、追赶者向引领者的角色转换，对国内研发能力、试验能力、生产水平、制造工艺等都是极大的考验，极具挑战和风险。

四是工程管理统筹协调难度大。特高压示范工程覆盖链条长、参与主体多，组织管理和协调难度高。以特高压交流示范工程为例，工程涉及500多家建设单位、200多家设备厂商，累计10多万人参加工程建设。此外，特高压示范工程横跨多个省市，输电线路长，分别跨越黄河、汉江，四次跨越长江，走廊穿越区域地形地貌复杂，工程建设环节涉及大跨越施工、大件运输、大型主设备安装等，施工难度和配合要求远远超过常规500kV输电工程，工程的质量、进度控制和统筹协调难度大。

五是安全可靠性要求高。特高压示范工程建成后将投入商业化运行，需要在全电压、大功率下长时间可靠运行。特别是应用初期，需要长时期的考验和完善，以防止故障对大电网的冲击。另一方面，特高压传输距离远、送电容量大，故障扰动对电网冲击影响大，连锁故障风险大，对特高压系统设计、工程设计、设备研制、施工安装等全过程均提出了较高的安全可靠性要求。

六是生态防治与资源节约要求高。特高压输电线路、变电站（开关站）运行的电磁环境干扰和噪声污染是社会公众关注的焦点，如控制不当，可能引发负面社会舆论。另外，由于工程输电线路长，变电站技术复杂性高，如采用常规设计方法，走廊、变电站平面设计可能会增加较多占地，影响生态环境。

作为世界级的重大技术创新，特高压输电技术创新与工程任务主要构成如图1所示。

图1 特高压输电技术创新与工程任务主要构成

特高压输电产学研用协同创新的基本模式

发展特高压电网是一项极具创新性的系统工程。特高压输电技术整个创新活动具有首创性、复杂性、系统性特点，为在较短时间内攻克特高压交流输电技术这一世界难题，实现特高压交流输电技术的创新突破，国家电网公司承担起主导特高压输电全套创新的重任。

国家电网公司拥有国内最系统最先进的电力技术研发资源、工程建设资源和调度运行管理资源，积累了一系列组织实施超高压交直流输电重大工程的建设运行经验，拥有在全国范围内集中科研、设计、制造、建设和运行维护优质资源的能力和影响力，在整个特高压输电创新实践中为我国开展重大技术创新管理提供了典型样本与经验。

（1）国家电网公司作主导构建创新联合体，统一组织科研布局和联合攻关，建立世界一流试验研究体系。

面对艰巨的创新任务与难题，2004年以来，国家电网公司组织几十家科研机构和高校、200多家设备制造企业、500多家建设单位，共几十万人参与了特高压基础研究、技术研发、设备研制、系统设计、试验验证、工程建设和调试运行等工作，攻克了310项关键技术，解决了过电压与绝缘配合、电磁环境控制、特高压交直流混合大电网安全控制等世界级难题。

构建创新联合体。国家电网公司作为业主，主导构建了特高压协同创新联合体，在充分发挥国网公司创新力量的骨干和引领作用的基础上，凝聚国内外的优质科研资源和力量，打破各科研单位之间的壁垒和行业壁垒，全方位开展协同创新。共有2000多人直接参与和承担了特高压电网的研究工作，其中，院士30多人，教授及教授级高工300多人，高级工程师及博士800多人，工程师、在校研究生及其他人员超过1000人。

确立明确的创新目标。国家电网公司在充分调查研究工程技术需求的基础上，确定了创新联合体的总体目标——全面掌握特高压输电系统关键技术，实现科研、规划、系统设计、工程设计、设备制造、施工调试和运行维护的自主创新，建设“安全可靠、自主创新、经济合理、环境友好、国际一流”的优质精品工程。同时，对特高压输电的关键技术指标，如额定电压、额定电流、线路额定输送功率，最大潜供电流等提出设计及建设标准，为后续特高压相关装备的研制、工程设计及实施提供了统一的规范，为特高压全套技术标准的构建奠定基础。

确定特高压输电工程创新路线。面对特高压交流输电技术既“不能买”也“买不来”的难题，国家电网公司下决心进行自主创新，他们以集中优势办大事的制度特点攻克难关，组织力量对特高压交、直流关键技术研究进行了全面的分析与系统规划，制定了“基础研究—工程设计—设备研制—试验验证—系统集成—工程示范”的创新技术路线，全面覆盖了工程前期—建设—后期全过程，包含规划、系统、设计、设备、施工、调试、试验、调度和运行9大创新任务。在此创新技术路线下，紧密围绕产业化应用的全过程技术需求，统筹布局科研项目，分别组织编制了由180项课题组成的特高压交流输电关键技术研究框架、由129项课题组成的特高压直流输电关键技术研究框架，在国家、行业及国网公司层面设立不同数量及规模的攻关项目。在深入分析和厘清当时国内各项技术和产品的创新基础条件、创新资源和创新难度，以及国家在此方面的长远规划，明确了特高压输电的创新方式和路径，制定了攻关方式和核心重大装备的国产化目标。。

制定全面的攻关机制。为了在较短时间内成功开发全套具有自主知识产权的特高压输电技术，国家电网公司牵头制定了科学高效的协同创新攻关机制，并采取互动印证、专家支撑、全过程审查等措施，强化了对关键技术攻关的推动作用。一是抓好互动印证。重点抓科研攻关与工程应用的互动印证，抓不同科研课题之间的互动印证，抓相同科研课题不同承担单位之间的互动印证，动态协调、及时优化调整研究边界条件和思路方法，有效解决了各研究结果之间互相依赖、互相制约、互相迭代的难题，为在较短时间内高水平突破特高压输电关键技术难题创造了条件。二是构建协调机制，拉近科研与产业化应用需求之间的距离，实现科研、设计、设备、施工等各环节之间的高效协同。编制科研、设计及工程主要环节的协调配合专项计划，进行动态协调管控，科研与工程两者紧密关联、互为条件、互为校验。三是建立专家咨询机制。建立了数千人的专家咨询队伍，围绕特高压输电关键技术研究开展了上千次的研讨会，力求对关键技术难题做出科学、客观的技术决策。同时，依托专家委员会把关重大技术原则和方案，强化技术、信息交流和知识共享，推动关键共性技术协同攻关。四是制定严格的分步分级审查制度。在课题研究各个阶段，组织开展专项审查，紧密结合工程实践反复论证，重大技术问题由公司级领导主持公司级审查。通过中间成果审查、专题审查与公司级审查等多重把关，有效保证了关键技术科研的质量和水平。

创造充分的科研条件。特高压输电工程涉及到新技术、新设备的首次应用及后续的推广应用，因此技术的可行性、装备的可靠性、运行的稳定性等均需做到万无一失，零容错率。由于无经验可借鉴，长期占据该领域技术国际垄断地位的国外著名试验场站也不能满足这一要求，因此对于科研成果同时进行试验验证的作用显得越发重要。为确保科研成果的可靠性和稳定性，国家电网公司充分认识到试验能力建设的重要性，重点抓试验关键技术，主导攻克了高电压、强电流、复杂环境模拟、实时数字仿真等关键技术难题，自主建成了由特高压交流试验基地、特高压直流试验基地、西藏高海拔试验基地、特高压杆塔试验基地、国家电网仿真中心和特高压直流输电工程成套设计研发（实验）中心组成的“四基地两中心”试验研究体系，形成了目前国际上功能最完整、试验能力最强、技术水平最高的特高压试验研究平台，综合性指标和研究能力居世界领先水平。依靠特高压试验研究体系，获取了宝贵的试验数据，有效检验了科研成果，严格考核了设备，获得了大批原创性科研成果，为工程建设和后续研究奠定了坚实的实证基础。

表1 特高压输电“四基地两中心”基本情况

（2）国家电网公司主导工程建设全过程，推动设备国产化和工程实践应用。

为了实现特高压输电关键设备的攻关与自主化研制，并成功实现工程应用。国网公司充分利用了我国集中力量办大事的体制优越性，在设备研制、工程设计、安装调试等关键工程建设环节创新了组织与管理模式。

组建关键设备攻关体系。主导组建由西电集团、特变电工、保定天威、平高电气等170多个国内厂家，专家委员会，科研、设计、试验、建设、运行单位以及高校等组成的常态化设备研制工作体系，并在每个设备类型、每类设备的主要技术方向上成立相对固定的专家团队，为设备研制提供技术支持。针对变压器、开关等重大关键装备，通过制定多种实现方案、选取各行业不同厂家“背靠背”研制、通过成百上千次试验反复验证迭代等方式，推动重大装备的国产化研制。

创新工程设计组织模式。打破各设计院独立进行设计的传统模式，建立由国家电网公司主导，原中国电力顾问集团公司及华北、华东、中南、东北、西北、西南六大电力设计院与相关科研、设备、施工、运行单位和专家组成的设计联合体，最大程度地集中优质设计资源和智慧，成立设计工作组，统筹管控工程设计。

发挥集团化与属地化运作优势。充分发挥集团化运作优势，在国家电网公司总部集约统筹下，采用专业化支撑和属地化运作管理的管理模式。由国家电网公司系统的专业建设单位负责组织现场建设，加强工程安全质量进度管控，国网交流公司和信通公司发挥专业化管理优势，分别负责主体工程、配套系统通信工程的现场管理；由属地省电力公司发挥属地优势，负责与地方各级政府与职能部门的协调工作，开展征地、赔偿、线路保护、通道清理、舆论导向等地方关系的协调处理，开展常规试验，实施属地线路的生产准备、运行维护和常规检修，为工程建设提供强力支撑。

主导推进科研成果转化。超前谋划，有序组织，依托科研成果主导输出全新的技术标准、专利、装备参数和产业规范等，全面支持特高压技术成果的产业化应用。在示范工程建设伊始，基于创新成果规模化应用的需要，提出了“科研攻关、工程建设和标准化工作同步推进”的原则。依托工程建设，结合关键技术研究和工程应用，建立涵盖系统集成、工程设计、设备制造、施工安装、调试试验和运行维护的全套特高压交、直流技术标准和规范，为形成可推广、可应用的整套输电技术和工艺方法、推动特高压工程大规模建设奠定了基础。

经过艰苦努力，1000kV晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程和向家坝-上海±800kV特高压直流示范工程先后于2009年1月、2010年7月投入商业运行，于2010年9月、2013年11月通过国家验收，并始终保持安全稳定运行。特高压交流输电关键技术、成套设备及工程应用获2012年国家科技进步特等奖，特高压±800千伏直流输电工程获2017年国家科技进步特等奖。

确立我国在特高压输电技术领域的国际领先地位

特高压交流、直流示范工程的成功实施，确立了我国在高压输电领域的国际领先地位，取得了重大突破和成就：占据全球电力科技制高点。攻克了特高压交流过电压、潜供电流抑制、雷电防护，特高压直流外绝缘、电磁环境控制、大截面多分裂导线等世界难题，取得了一系列基础理论和关键技术原创成果，在特高压输电领域实现了技术引领。推动能源资源大范围优化配置。截至“十三五”末，特高压输电能力达到1.4亿千瓦，成为跨区输电“主力”，其中特高压直流输电能力1.0亿千瓦。跨区输送电量中，新能源比重稳步提升，结构更加清洁化。预计到2025年，国家电网公司经营区跨省跨区输电能力达到3亿千瓦，输送清洁能源占比达到50%。促进支撑能源清洁低碳转型。截至2020年底，国家电网公司经营区清洁能源装机容量7.1亿千瓦，占比42%。其中风电和太阳能发电装机4.5亿千瓦，占比26%，利用率达到97.1%；21个省区内新能源成为第一、第二大电源；风电和太阳能发电量5872亿千瓦时，减少电煤消耗2.5亿吨、减排二氧化碳4.5亿吨。带动电工装备制造业全面升级。国家电网公司联合国内装备企业，研制了包括特高压变压器、电抗器、断路器等主设备在内的21大类近百项首台首套特高压关键设备，带动了我国电工装备制造业转型升级，电工装备已成为中国制造的“金色名片”。大幅提升国际影响力和话语权。推动国际电工委员会（IEC）成立高压直流输电技术委员会（TC115）和特高压交流输电技术委员会（TC122），由中国担任秘书国和主席国。我国已从IEC成员国上升为常任理事国。带动了我国电工装备制造产业全面升级，实现了我国特高压全面“走出去”。2014年和2015年，国家电网公司先后中标巴西美丽山水电特高压直流送出一期和二期工程，目前两项工程均已建成并保持安全稳定运行。培养了一大批站在世界电力发展前沿的专家人才。全面锻炼了特高压输电科研、工程规划、设计、装备制造以及建设、运行等领域的高水平科研人才、技术人才、管理人才和工程人才，为我国电力工业和输变电设备制造业的持续创新发展提供了强大的人才资源保障。

特高压输电技术推广应用的战略价值

基于特高压示范工程的优异表现，特高压工程创新成果得到大规模推广应用。特高压工程被列入国家大气污染防治行动计划。截至2020年底，国家电网公司已建成“14交12直”共26个特高压工程，在运在建29项特高压输电工程线路长度达到4.1万千米，变电（换流）容量超过4.4亿千伏安（千瓦），累计送电超过1.6万亿千瓦时，成为连接西部、北部能源基地和东中部负荷中心的能源输送大动脉，破解了能源电力发展的深层次矛盾，实现了能源从就地平衡到大范围配置的根本性转变。在碳达峰、碳中和的大背景下，特高压电网已成为中国“西电东送、北电南供、水火互济、风光互补”的能源运输“主动脉”，在保障国家能源安全、促进清洁低碳转型中发挥不可替代的重要作用。

表2 国家电网公司已建成在运特高压线路情况

突破特高压输电技术的启示

国家电网公司建设特高压交、直流输电示范工程的成功实践，充分证明“依托工程、业主主导，产学研用协同创新模式”的先进性和适用性；充分证明这一创新模式是拉动产业链与创新链、发挥市场主体作用、发挥我国制度优势的重要创新模式和途径。为我国乃至全球范围内重大技术攻关提供了一种行之有效的创新范式，为在新形势下发挥企业主体作用和新型举国体制优势，深入推进自主创新、保障产业链供应链安全稳定提供了启示和参考：

一是坚决贯彻中央决策和部署，是发展特高压取得成功的根本保证。党中央、国务院关于推动科学发展、转变发展方式、优化能源结构、强化自主创新、振兴民族工业等重大决策和部署，中央领导关于特高压工作的一系列重要指示精神，为特高压创新发展指明了方向，增强了国家电网公司的信心和决心，保证了特高压工作始终沿着科学发展的方向扎实推进。

二是充分发挥新型举国体制优势，是推进特高压创新工作的关键所在。国家电网公司作为特高压输电工程的业主，在党和政府的支持下，主导构建内外结合、多方参与、开放互动的科技创新联合体，充分发挥市场机制作用，通过统一指挥、分工协作、紧密配合，凝聚创新共识，激发创新动力，实现国内外优势资源和力量的充分整合和高效利用，全力攻克特高压全套技术难题，实现设备国产化研制，成功建成投运示范工程。

三是坚定自主创新信心，是实现特高压创新突破的内在动力。特高压技术攻关和工程的成功实现，极大地提振了中国电力工业和科技创新战线的信心。它充分说明，中国人可以走、并且更要敢于走西方强国没有走成的道路，充分证明了我们国家完全有能力依靠自力更生突破重大技术，完全有能力走别人没走过的道路开展自主创新。只要下定决心，坚定信心，持续努力，不断攻克难关，就能够实现从模仿者、追赶者向引领者的角色转换。

（编辑  尚鸣）