2020年度国家科学技术进步奖二等奖

　　　　　　

——记2020年度国家科学技术进步奖二等奖获得者盛万兴

　　

蔡巧玉

　　

　　

　　在整个电网的损耗里，配电网占了80%，而在配电网里，配电变压器占整个配电网损耗的80%，两个80%加起来，电网每年的损耗，相当于一到两个三峡电站每年的发电量。所以，解决电网的节能降耗问题，关键是要解决好“两个80%”的问题。尤其配电变压器，它是电网向用户供电的关键设备。我国用电负荷峰谷差大、平均负载率低，常规配电变压器的容量固定、不能调节，导致配电变压器重过载烧毁、轻空载损耗高的问题突出。据统计，我国配电变压器年均过载烧损上万台、电能损耗达千亿千瓦时。保障配电变压器安全高效运行任务紧迫、意义重大。

　　有载调容变压器是一种能根据负荷变化自动调节变压器容量大小、避免变压器过载烧毁并大幅度降低电能损耗的新型变压器。有载调容变压器研制之初，相关技术国内外均无可借鉴成果，面临有载调容暂态建模与切换过电流抑制难、有载调容开关切换可靠灭弧难、调容过程自适应协调控制难三大难题。在国家科技支撑计划等项目持续支持下，中国电力科学研究院有限公司（以下简称“中国电科院”）配电技术中心主任盛万兴带领团队历时近10年联合攻关，突破了有载调容配电变压器的三大关键技术，研发了系列化产品，提出了国际标准，实现了中国原创、世界首创的电工装备核心技术的重大突破与跨越，填补了国内外空白。

　　

　　

　　农村电网曾是中国电网中最落后的一部分，由于很多地方没通电，所以解决农村的供电问题在一段时间内成为迫在眉睫的事。在开始有载调容变压器项目攻关前，有近10年时间盛万兴一直在做农村电网的相关研究工作。

　　“为什么农村好多地区没通电？因为之前想用电要靠大家集资，这样只有相对富裕的地区才能用上电。为解决农民的用电问题，减轻他们的负担，促进经济发展，国家采取了一项重大举措，由政府投资推进农村电网‘两改一同价’工作。”盛万兴说，“通过实施农网建设与改造工程，虽然农村电网的供电能力和供电质量得到初步改善，但仍有很多问题挑战着电力人的智慧。”

　　传统的电网规划方法是从发电环节到用户自上而下按电压等级布局电网、布点变电站，只考虑供用电量的总体平衡，不考虑用户分布、用电需求与特点。我国幅员辽阔，面对分布广泛、差异显著又体量巨大的配电网，这种单向规划思路不仅造成了电网投资的巨大浪费，而且收到的供电效果也很差。如何破解这一难题？1997年年底刚入职中国电科院，盛万兴就接下了这个任务。

　　通过开展大量工作，盛万兴首次提出了基于负荷-电网协调的优化规划方法，进而提出建立基于供电模式的配电网规划设计思想。盛万兴介绍，供电模式是界定电网结构、供电单元和电网装备等供电系统主要组成要素的电网规划设计方案，它统筹了供电设施配置与用电需求的协调匹配，具有规划针对性强、适应地域差异化、显著节约投资的优点。

　　在我国大规模配电网建设改造的迫切需求下，盛万兴带领团队系统地建立了覆盖我国东、中、西部供用电需求的96种配电网典型供电模式库，开发了配电网优化规划设计系统并制定了配套技术标准与规范，填补了国内外供电模式研究空白，大大提高了体量巨大的配电网建设改造的经济性与有效性，解决了偏远无电地区电网延伸供电难题。研究成果广泛用于城乡配电网建设改造工程，节约投资巨大。

　　解决了用电问题后，怎样用好电这个问题又摆在盛万兴面前。

　　我国配电网具有显著的地域分散性，线路长、设备多，用电随机性强、负荷峰谷差大。因而，配电网的电能配送损耗高、末端供电质量不稳定、设备抗过载能力要求高，这些都迫切需要通过技术创新加以解决。

　　“一个典型的例子是，改革开放后人口向城市流动，春节等节假日农村外出务工人员会集中返乡，一大批人回去了要用电器，这样农村典型时段的用电负荷会暴增，导致原来常规布的变压器过载甚至烧毁严重，春节保供电成为供电部门的严峻挑战。起初采用人保电的方式，挨家挨户摸底，问清回来了多少人，大概用多大功率的电器，错时使用电器，这种方法不仅影响大家的生活质量，又不能从根本上解决问题。”盛万兴说。

　　为了保供电，当时曾出现过几种方法，临时更换变压器是其中的一种，即平时用小变压器，春节换大的。“实际上这也是一种投资浪费，因为须时常备着大的变压器。”盛万兴说，“为了不更换变压器，当时农村还出现了一种子母式变压器配置方案，用于解决农忙农闲的用电负荷峰谷差问题。农忙时，收割、灌溉、磨面、打米用电多就用大容量变压器，农闲时就用小容量变压器，但这需要人手动切换，既增加了安全隐患，又因为投资高，不能普遍推广。后来有的厂家把一大一小两个独立的变压器合并到一起生产了调容变压器，通过对变压器内部的高低压绕组线圈联结方式切换，但切换还是靠人工，如果忘了去切，负荷会突然增长，变压器烧毁的问题很严重。” 

　　为了解决春节等节假日的保供电问题，盛万兴带领团队迎难而上，系统地提出了降低电能损耗、提升配电网供电质量、保障安全供用电的整体技术解决方案；突破了配电网经济运行分析、变压器突发过载、生物体触电特波识别等关键技术，研发了关键装备与系统，制订了配套的行业/企业技术标准与规范，为实现配电网降损增效、合格供电提供了有效技术手段。

　　盛万兴团队所做的工作，不仅降低了配变空载损耗，为相关供电企业带来了可观的经济和社会效益，还解决了农村人身触电伤亡频发问题，使农民的用电安全得到了有效保障。虽做了大量工作，但盛万兴心里始终觉得，解决好农民的用电问题，他和团队还有很多事情需要做。

　　2004年国家电网公司在江西召开现场会，这次会议为盛万兴带来了一项新的任务，会上有关领导要求中国电科院牵头研究不用人为干预、可以自动调节的变压器，有载调容变压器的研发由此开启，盛万兴也迎来了近10年的攻坚克难之旅。

　　

　　

　　有人说配电里涉及的东西没什么技术难度，其实不然。对盛万兴来说，从有载调容变压器项目攻关伊始，问题就接踵而至。

　　实现自动调容最关键的部件是调容切换开关，要实现自动化，高低压侧的电流必须控制住。高压侧切换很容易，低压侧则不然，因为直接承载负荷的缘故，所以电流特别大，有时能达到正常负荷电流的7倍以上，带着电流去切换首先会遇到灭弧的问题，同时切换过电压也会造成电器的损伤，所以怎样抑制切换过电流、切换过电压，成为盛万兴在有载调容变压器攻关里遇到的最难的一个问题。

　　盛万兴回忆，一开始他们找到了上海的一家开关厂，这是我国做切换开关水平很高的企业，但合作了两三年，做了大量试验，没能解决灭弧的问题。之后又找到沈阳的一家企业，经过反复试验，终于做成功了第一台机械式的样机，但比普通变压器大50%的体积，要想普遍推广原来变压器的整体布局都要变，代价太高。另外，由于加工工艺的问题，做成的东西重复性差，生产出来的变压器不是每台都能完成良好的自动切换功能。

　　为改进加工工艺，以及实现体积的小型化，盛万兴带领团队与辽宁金立电力电器有限公司开展了合作。在合作中，他们对切换触头部件进行了改进，提出了分触头的方式，把一个主触头分解成三部分，不仅减少了每个触头的电流，还降低了过电压的风险。另外，立柱式调压的传统结构也在这次合作中得到了解决，最终让整机生产得以实现。

　　考虑到成本高、造价贵，市场接受度有限的问题，他们又合作对原来的机械开关进行了取代。盛万兴介绍：“电力系统最前沿的技术是永磁机构，我们就研制永磁机构的开关，原来立柱式结构中采用多头切换开关，之后我们换成了一种扁平化的开关，在一个平面上布了3个永磁机构进行三相联动。永磁机构有何好处？原来需要在油里灭弧，现在不需要了，在真空灭弧室里就可以灭掉，我们配了3个灭弧室，这样不仅灭弧的难题解决了，体积还降了下来，快速性和准确性也提高了。借用永磁开关的技术，我们对变压器进行了全新的设计，做到了跟普通变压器的体积、接线方式完全一样，对替换改造、普遍推广很有利。”

　　盛万兴常说，科研就像登山，既然选择了去攀登，就不要轻易退缩，毕竟成功登顶不是一蹴而就的。在有载调容变压器近10年攻关的历程中，虽然经历了无数次的挫折和失败，但盛万兴还是带领着自己的团队，联合国网北京市电力公司、北京博瑞莱智能科技集团有限公司、山东电工电气集团有限公司、辽宁金立电力电器有限公司的合作团队，跨过了一个个难关，坚持了下来。有敢于攀登的气魄，又有接受失败的勇气，一路走来，他们收获的成果也格外丰硕。 

　　多年来，在盛万兴的带领下，他们发明了有载调容建模分析理论方法；建立了配电变压器调容暂态模型，提出了有载调容切换关键参数配置方法，攻克了有载调容切换暂态过电流抑制关键技术；带载切换过电流降低87.5%，变压器空载损耗降低50%以上；解决了变压器有载调容暂态建模与带载切换暂态过电流大、抑制困难等难题。

　　盛万兴及其团队突破了有载调容切换开关关键技术；发明了分层夹片式触头结构的立柱式调容调压一体化切换开关机构，攻克了串联多断口分级分压的开关安全熄弧关键技术；发明了双线圈串联推拉式永磁操动的盘式调容调压一体化切换开关机构，攻克了双极对称稳定控制的开关快速分合闸关键技术。他们研制了立柱式和盘式两种有载调容调压一体化切换开关，调容切换时间小于20ms、体积减少30%以上；解决了有载调容开关切换过程可靠灭弧、动作稳定可控等难题。

　　团队还突破了自适应协调控制关键技术，提出了基于小波变换的高精度负荷预测方法、基于临界负载率的调容定值优化配置方法，攻克了快速负荷响应的调容/调压/调无功等多变量解耦控制关键技术，研制了综合控制装置，变压器综合损耗降低30%以上，解决了有载调容变压器自适应负荷变化协调控制难题。

　　基于项目成果，团队联合相关企业研制了10kV有载调容配电变压器系列产品，获授权发明专利35项（国际专利2项）、软件著作权5项，制定标准15项（国际标准1项/提案2项），出版著作2部，发表论文32篇，经鉴定达到国际领先水平，除获国际发明金奖、北京市科技奖一等奖、中国机械工业奖一等奖外还获得2020年度国家科学技术进步奖二等奖，并被联合国世界知识产权组织收录。 

　　目前，项目成果已广泛应用于北京、河南、江苏、内蒙等20多个省市电网中，累计应用有载调容变压器7万余台，累计减少配电变压器过载烧毁数万台、降低电能损耗20多亿千瓦时，服务国家大气污染防治“煤改电”439万户、治理“低电压”1000万人口、“精准扶贫”光伏发电升压并网，保障了电网安全高效供电。成果推广应用于石油、石化、工商企业等，并远销非洲、印度、印尼等地区和国家。成果已列入《国家重点节能低碳技术推广目录》，市场前景广阔。近3年新增销售额32.15亿元，综合效益数百亿元，经济社会效益巨大。

　　为让有载调容变压器有更广阔的市场前景和应用前景，盛万兴并未停下探索的步伐。

　　依托项目核心成果，他带领团队分别提出了IEC“有载调容配电变压器技术规范”、IEEE“有载调容配电变压器推荐性实践”等国际标准提案，助力产品走出国门，在海外大规模推广。盛万兴说：“在制定国际标准前，其实在2016年，我们就把调容变压器拿到日内瓦国际展参展，得了金奖，当时很多外国评审专家，都对这个事情感兴趣。现在，调容变压器也进了国家‘一带一路’推荐目录里，‘一带一路’沿线有很多地方跟中国的农村情况很相似，他们的需求很高。过去，虽然我们在国外也推广了一些，但通道不是很顺畅，通过国际标准的制订，今后会越来越顺畅，往国外推的机会会非常多。”

　　除去国外，国内目前适用这种产品的地方也非常多，负荷峰谷差大的地方都能用，除了农村，工商业领域也适用，除了传统电网，新型的分布式可再生能源发电也非常适用。“全国现在有1500万台配电变压器，我们只推广应用了7万多台有载调容配电变压器，在国内它的增长空间非常大。”盛万兴说。

　　最近，盛万兴团队又推出了一款新产品，在之前三相变压器的基础上，研制出单相调容变压器，除对节能减排更有利外，单相调容变压器更易于向用户端延伸。盛万兴透露，对用户端的节能降耗问题，现在已基本有一个完整的方案，未来产品走进千家万户的可能性会越来越大。

　　

　　

　　本硕博都在西安交通大学就读的盛万兴，最早学的是机械，后来开始研究机电一体化，之后又做计算机控制相关研究，博士毕业后到北京中国科学院自动化研究所做人工智能的博士后研究，1997年年底来到中国电科院开始做农村电网相关工作。

　　盛万兴记得当时中国电科院农电所的所长徐腊元曾对他说：“农村电网问题很多，你去了会耗费很多精力。”但盛万兴觉得事务无分别，都要同等对待，最要不得的是把自己摆在高高在上的位置。

　　盛万兴的研究经历很复杂，学科跨得很多，从机械到控制到人工智能再到电力系统，他积极申请项目，成为中国电科院历史上承担国家自然科学基金青年基金的第一人；他又在中国电科院第一个成功申请到国家原“973”计划项目，成为当时全国最年轻的原“973”课题负责人。

　　在中国电科院创造了很多个第一的盛万兴，一路走来作为项目负责人，曾先后承担了国家重点研发计划、原“973”计划、原“863”计划、科技支撑计划、国家自然科学基金、国家电网公司科技项目等40余个项目，发表学术论文150余篇，出版专著10部，制定国家、行业标准20余项，获国家级、省部级科技奖励20余项，培养博士后、博士、硕士研究生30余人。他主持编制了“十二五”国家智能电网发展规划的智能配用电与微电网专题报告、“十二五”“十三五”国家电网公司智能配用电与微电网领域发展规划报告；曾获IEEE CPS工业技术杰出贡献奖、中国电机工程学会杰出贡献奖；为我国智能电网、分布式发电/微电网技术的发展作出了杰出贡献。

　　回顾在中国电科院20余年的科研经历，盛万兴总结道：“我主要干了3件事。第一件是城市电网的安全控制。城市电网很复杂，负荷又大，风险又大，智能电网的自愈是国际上提的，但是包括核心装备、核心系统、软件算法，全体系却是我们做的。第二件是农村电网的供电模式。这是我们的大成果，有载调容变压器就是包含在这个成果里的其中一个。第三件是未来电网的一些技术。现在我们已经做了很多铺垫性的工作。”

　　因为所做工作影响力大又极具应用价值，所以很多单位请盛万兴去作报告，但他很少接受此类邀请。他说：“做配电最大的特点是讲求实用性，我最想让团队踏踏实实做学问、做技术、做有用的东西，把自己的本事练好了，比什么都强。”

　　坚持创新，把文章写在祖国的大地上，把文章写在推动成果的产业化上是盛万兴对团队的要求。在他的严格要求下，通过多年历练，他的团队已成长为国内配电领域的第一梯队。

　　团队产出的高水平论文在中国电科院排名数一数二；2010年至今有1000多件发明专利；专著三十余本，取得了业界的广泛认可；成果的转化能力强，在中国电科院团队的产品转化最多；国际化水平高，IEC、IEEE、CIGRE三大国际组织在团队都设立了常设机构，发布国际标准6项，在研国际标准6项。同时，团队组织的配电高峰论坛到2020年已做了4届，影响力很大，参会专家会把有用、独特、最新的技术拿来在会上分享；发起成立的全国配电联盟凝聚力很强，有一百多家企业已成为联盟的会员，这些企业都是有规模、有技术引领能力的国内外配电领域的知名企业。

　　二十多年来，盛万兴坚持服务民生，踏实把城乡电网的事做好。盛万兴刚到中国电科院时供职的农电所也发展成为科研实力强、科研成果丰硕的科研部门。合并成配电研究所后，经过10年成长，人数已从2010年的50人增长到2020年的200余人。

　　从50人发展到200人，科研经费从当初的500万元增长到5亿元，有那么多科研成果产出，设立了那么多国际组织，盛万兴觉得有必要对所里10年的发展历程做个梳理总结，因为明白得失，才能更好启程。

　　谈到未来的工作，远期和近期，盛万兴都做了规划。在远期规划中，他更关注过去没遇到过的、对电网安全平稳运行会产生威胁的新生问题，尤其是充电网络问题。近期规划中，他把搭建产业平台作为工作重点，问起缘由时，盛万兴说：“全国配电联盟成立后，技术平台就搭得差不多了。但我们的产业平台还不够，国家电网公司刚好在推昆山、扬州的双创园建设，未来会将很多成果放到那里转化。建成后，园区会让很多中小微企业入驻，我们会筛选市场资源和运营模式比较好的企业进行成果输入，并借助国网大平台帮助它们上市，如果有几家企业能上市，那么双创园产业化平台就做得非常好了。我非常希望把双创园尽快做起来，尽快把成果转化的链条打通。但理想说得再多没做成也不行，所以在接下来的人生中，我会把它当成最重要的事来做，一定要把它做成。”