本文來自微信公眾號：知識自動化（ID：zhishipai），作者：林雪萍

一個超級大的工程項目，就像是“連環(huán)雷”，可以引出一連串的創(chuàng)新。例如，美國的曼哈頓工程、阿波羅登月計劃等，都展示了一種與眾不同的科技創(chuàng)新方式。而在這種多方參與的創(chuàng)新體系中，最為顯眼的一點就是有像美國航空航天局（NASA）這樣的超級用戶存在。這是一個奇特的市場，需求方看上去只有一家，而它起到的作用就像機場指揮塔臺，讓來來往往的“飛機”都有了明確的秩序。

在中國，像三峽工程、特高壓電網、高鐵等大型項目，也都能看到這種超級用戶主導的創(chuàng)新，它將市場需求與基礎研究、測試、裝備研制進行了有效的集成，形成了一種逆向灰度創(chuàng)新。電力行業(yè)是中國工業(yè)體系中一個最典型的門類，國家電網有限公司（以下簡稱國家電網）這樣一個超級用戶的特高壓電網工程，對推動中國電力裝備制造業(yè)在短時間內發(fā)展成為比肩國際老牌企業(yè)的新生力量，起到了決定性的作用。 

圖1  國家電網在建在運特高壓工程示意圖

一、沒有馬凳，特高壓上馬

中國電力需求的70%以上集中在中東部地區(qū)，而我國80%以上的可用能源資源卻分布在西部、北部地區(qū)，遠離電力需求中心。在這種情況下，可實現(xiàn)遠距離、大規(guī)模輸送能源的特高壓輸電系統(tǒng)成為一種最經濟的選擇。這種交流電壓1000kV及以上、直流電壓±800kV及以上的特高壓輸電，與常規(guī)的500kV輸電相比，輸電容量可達到常規(guī)的3～4倍，輸電距離可達2～5倍，具有大容量、遠距離、低損耗、省占地的突出優(yōu)勢，代表了國際高壓輸電的最高技術水平。

然而這一技術的技術可行性和工程應用可行性，在當時并無法完全確認。國外也沒有特高壓商業(yè)化運行的先例。2004年年底，當國家電網提出發(fā)展特高壓時，最重要的配套電力裝備，如變壓器和開關，中國制造商無論是設計、制造，還是技術標準和規(guī)范，都還完全跟不上特高壓的要求。更真實的情況是，幾乎所有的設備國外也都沒有。這是特高壓工程本身和中國制造所共同面臨的“無人區(qū)”。

然而，國家電網的決策層及相關企業(yè)，已經下定決心要推動特高壓的整套技術發(fā)展。一切從最基礎的開始，抽調公司各專業(yè)領域的技術精英集中研討，系統(tǒng)安排對國內制造企業(yè)創(chuàng)新能力的調研，與曾嘗試開展或有興趣開展特高壓輸電技術研究的國外企業(yè)進行技術交流。

國家電網把特高壓的整體裝備分成兩類進行攻關：一是針對中國基本上具備生產條件且經過努力可以全面實現(xiàn)國產化的裝備開展自主研發(fā)；二是針對國內基礎非常薄弱，當時很難自主研發(fā)或無法成為工程產品的，實行與國外企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的共進策略。但無論哪類設備，研發(fā)目標均設定為技術水平國際領先。這種自主可控、實施靈活的策略，為中國輸變電設備制造業(yè)提供了一個全新的發(fā)展機遇。

二、逆向灰度創(chuàng)新：系統(tǒng)設計是靈魂

完成一個從來沒有存在過的大工程，需要擔心的并不僅僅是技術上的儲備，從科研、設計、制造，到施工建設和建成之后的運行維護，都需要放在一個籃子里進行綜合考量。這是任何一個單一創(chuàng)新主體都無法獨立完成的任務。在這種情況下，國家電網作為一個超級用戶，只能打破常規(guī)管理模式，充分發(fā)揮主導作用，組織國內電力、機械等行業(yè)的企業(yè)、研究機構和高等院校，依托試驗示范工程建設，聯(lián)合攻關。

這種由超級用戶主導的創(chuàng)新過程，打破了常規(guī)輸變電工程由責任主體分階段負責的管理模式。這是一種逆向創(chuàng)新，超級用戶具備對復雜的系統(tǒng)創(chuàng)新工程的整體駕馭能力，可以推動前端研究向后端靠攏，進而實現(xiàn)裝備制造的創(chuàng)新。這就像是一個精密運轉的齒輪組，超級用戶起到主驅作用，制造工廠受此驅動并引入各種驅動力，實現(xiàn)創(chuàng)新突破。

圖2  逆向灰度創(chuàng)新

那么，不同“頻道”的企業(yè)，如何精細地調頻，指向同一個頻段？超級用戶的系統(tǒng)設計思想，可以說是整個系統(tǒng)信號的最早發(fā)出者，也是所有工程的靈魂。在特高壓交流電網工程論證之初，為什么將電壓確定是1000kV而不是900kV？這都是經過系統(tǒng)研究和論證，且經過仿真之后才被確定下來的電壓等級。再例如，設計單位負責設計一個變電站，本來變電站容量這類問題應該由設計單位來回答。然而由于史無前例，設計師也并不知道設備尺寸、功率等參數(shù)。這個時候，就需要科研單位的相關專家先計算出這個變電站需要承受的電壓和電流等相關參數(shù)。

一個一個的系統(tǒng)信號，就是這樣發(fā)出來的，超級用戶需要有一種超然于任何一個參與單位的“全知視角”。

面對工程所提出來的無數(shù)問題，國家電網需要協(xié)同其他研究機構，將各個組織在研發(fā)過程中的邊界條件，相互交叉輸入，而每一次小的成果輸出，又會轉變成其他組織的邊界條件。生產廠家解決工藝并提出問題，科研單位的專家提出模擬界，各自都在有限的資源中實現(xiàn)局部任務。相互迭代的過程中，猜測被分解成問題，問題被分解成模型，模型被組合成答案，答案最終形成方案。

國家電網正是按照系統(tǒng)工程的思想，來統(tǒng)籌更高電壓等級所需要的各方面工作。

三、超級用戶的中樞

國家電網是工程建設的指揮機構和裝備研制的大腦中樞，協(xié)調各路人馬共同前進。對于眾多參與方而言，各自的組織邊界在一段時間內必須被打破。只有存在一個超級用戶，才能跨越并打破眾多參與方的邊界，才可能使眾多參與方真正變成一個大的創(chuàng)新共同體，通力合作。這正是國家電網所需要完成的任務：既要獲得國家和地方政府部門與相關企業(yè)的支持，也要與供應鏈上下游其他企業(yè)和機構聯(lián)合推進，承上啟下。

這樣一個大腦中樞是如何形成的？國家電網抽調了熟悉高壓輸電技術和系統(tǒng)裝備的專家，成立特高壓辦公室，隨后發(fā)展成為特高壓建設部。從最后結果來看，這是一種非常高效且務實的系統(tǒng)工程的頂層設計。

特高壓辦公室匯聚了各個專業(yè)的精英，包含了系統(tǒng)工程、工程設計、核心裝備等專業(yè)的眾多人才。除了從國家電網的系統(tǒng)抽調優(yōu)秀人才，還凝聚了來自各個子系統(tǒng)的力量。不同組織人員的加入，保證了特高壓辦公室的無邊界性。而且，許多業(yè)界的老專家們也踴躍參與，形成了有效的智力圍欄，從學術上避免了無謂的風險漏洞。

以變壓器專家工作組為例，這是一個固定小組，不僅包含年輕的變壓器技術骨干，還有一個專家團隊顧問組，聘請了來自全國各地變壓器廠的總工程師，還有一些院士主動請纓參加。同時，負責變壓器計算系統(tǒng)、工程設計，以及現(xiàn)場安裝變壓器的人才，都是這個工作組的成員。由于超級用戶的號召力，這些精英人才的觀點和想法，可以在這里相互碰撞進而相互啟發(fā)。

國內某變壓器廠的新品開發(fā)，采用了與國家電網相似的“滾動式開發(fā)”的思路。企業(yè)一邊設計，一邊給國家電網提供方案。國家電網有一個論證團隊，抽調頂級專家，隨時進行論證。當時該變壓器廠已經拿到了俄羅斯、日本的相關參數(shù)，但專家組仍然會擔心這些參數(shù)不足以支撐系統(tǒng)安全。因此不斷通過工廠試驗，確立變壓站的安全系數(shù)。安全系數(shù)是1.3還是1.35？變壓器是采用兩個組合還是直接用一個大號的？這類問題都是在工廠數(shù)據(jù)驗證的基礎上，再跟國家電網的專家團隊一起去探討解決的。

超級用戶形成了一個全國范圍資源優(yōu)化配置的平臺。特高壓辦公室人員最多的時候有上百名技術專家，這里既是一個資源調配中心，也是一個系統(tǒng)集成中心。作為高速運轉的“大腦”，它形成了巨大的“智力輻射”效應，通過“智力輻射”將知識層層放大。密集的指令和決策層層放大，并擴散到參與特高壓的300多家單位和十幾萬參與者中。

四、友商成為同一條板凳上的兄弟

一般而言，用戶更接近對需求的定義，而設備制造商起初并不一定了解。用戶對于解決方案的設想，成為制造商至關重要的創(chuàng)新原型。電網的設備制造商經常會碰到很多困難。其中一個是商業(yè)問題，那就是無法給設備定價。起初，設備制造商并沒有這種設備，很多具體參數(shù)也不知道，那么如何簽訂商務合同？

這就需要回歸到預算的分解。在研發(fā)初期，“用得起的技術”作為一個總體思想，始終貫穿其中。隨著電壓等級提高而大幅度增長的成本趨勢可能是線性的，也可能是非線性的，還可能是劇烈的非線性的。有時候并不需要研制特別先進的科研產品，基于技術常識做出一些判斷和選擇是至關重要的。畢竟，貴到企業(yè)用不起的技術，往往很難成為一個有生命力的技術。

超級用戶的預算總額，需要在試探性地分解后，最終落定到各個子系統(tǒng)中去。這是一個基本的成本約束，一般會在常規(guī)工程的基礎上，用一定的系數(shù)進行控制，完成動態(tài)調控。比如參數(shù)性能提高一倍，那么價格就可能需要鎖定在原價的1.5～3倍以內。同時，也需要了解國際上已有的研發(fā)性技術的價格和價值，要求各個設備制造商先做概念設計，并測算價格。由于每個設備類別里都有國內外多個設備制造商，工程管理者根據(jù)這些匯集在一起的信息，形成價格的基本概念。這是超級用戶在系統(tǒng)工程能力的支持下，所形成的一種基本功。這就發(fā)生了一個很有意思的現(xiàn)象，作為競爭對手的設備制造商，大家會坐在一起計算成本，這就形成了一個初步的合同價格。

合同落實之后，進入工程研制階段?？蒲袉挝幌到y(tǒng)的專家從系統(tǒng)和電網的維度（整體）來看一個點（局部），對這個點提出要求，形成一種參數(shù)。之后，研發(fā)團隊的專家和各個設備制造商共同討論其合理性。由于是唯一用戶，而且設備參數(shù)決定了設備的先進性和經濟合理性，所以各設備制造商就必須要坐在一起，就像是面對課堂上老師提出的問題一樣，共同作答。每個設備制造商都需要結合自己的經驗，不斷修訂不合理參數(shù)，從而實現(xiàn)既能制造出來產品，也能保持長期的安全穩(wěn)定運行。

例如，設定設備參數(shù)的時候，如額定電流、直流分量、開斷電流，都是國內幾家大型開關制造廠一起商量的，大家在一起討論參數(shù)的合理性，這是一個共性問題。一旦確定參數(shù)、性能指標之后，各個設備制造商便可以各自進行生產制造。各個設備制造商在技術方面互相保密的同時，也采用項目合作的方式共享部分技術，當面臨共同的問題時，也能夠一致對外。強大的超級用戶，形成一種倒灌機制，使得所有參與者像是坐在同一條長凳上，接受同樣的指令。

2004年國家電網開始在武漢高壓研究所建立特高壓示范實驗基地。采用2千米的小型電網線路，通過小型變電站的掛網運行，測試整個特高壓對通信和環(huán)境的影響。當時，幾家國內大型變壓器廠都參與其中，每家做一臺樣機。國家電網有限公司牽頭的這個科研項目，幾家國內大型變壓器廠都有專家組入駐，在絕緣水平、運行條件一致的情況下，一起探討技術，聯(lián)合研發(fā)。

在常規(guī)變壓器的時代，這種研發(fā)方法是不可以思議的。全世界各變壓器廠都有自主技術，都不會分享技術要點。在第一次會議上，幾家變壓器廠派出人員參加討論的時候，大家也都有猶豫和相互防范。但一方面由于特高壓技術需要從頭開始探索，另一方面國家電網也搭建了一個共性平臺，所以大家通過相互交流、協(xié)調，達成了很多共識。

在許多會議中，由于只有技術人員參加，所以探討都比較深入。這種交流習慣，甚至在制定后續(xù)工程的方案中都繼續(xù)發(fā)揮作用，同行之間也對方案相互審核。當然，這也是在國家電網的要求下做到的。有了超級用戶的支持，昔日的競爭對手，一起開會，一起出國學習。到2006年，幾家變壓器廠同時研發(fā)成功特高壓需要的變壓器，成功入駐武漢的試驗基地。

通過技術理念的密切碰撞，同行知識擴散得非?？?，因此也推動了整個行業(yè)的發(fā)展。而這種模式要想成功，一定要有超級用戶發(fā)揮推進作用。

從另一個角度看，國家電網起初就在特高壓電網的工程中，不斷推動建立了統(tǒng)一的行業(yè)標準和規(guī)范。時至今日，特高壓技術在全國有統(tǒng)一的標準，各個企業(yè)并沒有自行制定五花八門的標準。這使得國內制造企業(yè)之間可以相互配合、無障礙銜接。圍繞不斷升級的規(guī)劃需求，企業(yè)不斷豐富和細化，最后形成一個強大且相互呼應的電力裝備中國制造的體系。

五、設備制造商和電科院聯(lián)手走向炮火中心

設備制造商與國家電網系統(tǒng)下的電力科學研究院（以下簡稱電科院）的合作，讓設備的研發(fā)進一步加快速度。

在國家電網的組織下，在產品研發(fā)的過程中，電科院因超強的系統(tǒng)計算能力，在對設備核心參數(shù)的初始設定方面具有很大的發(fā)言權。這種對于參數(shù)的初始設定，使得變壓器廠可以將自己的工藝向這種代表市場需求的技術閾值快速靠攏。這種大幅度的收斂過程，極大地節(jié)省了設備制造商自行測試的時間。“一開始就接近炮火的中心”，成為設備制造商與電科院合作的重要理念。

對于變壓器的仿真任務，雙方有清晰的分工。以某變壓器廠為例，其側重變壓器本身，如計算線圈內部的電壓分布、溫度場和鐵芯的磁通分布，著重于從結構入手；而變壓器與調壓變壓器在各種系統(tǒng)運行條件和故障條件下的過電壓、局部區(qū)域的詳細三維電場精確模擬計算、變壓器及其連接設備的整體結構力學計算等，則需要電科院聯(lián)合其他科研機構和高等院校來做，電科院的實驗室及多年積累的寶貴的工程參數(shù)，可以提供高水平的仿真計算分析。

電科院可以從超級用戶的角度，基于多年來超高壓等級電網的運行經驗和國外的發(fā)展趨勢，對設備制造商在產品選型等方面提出一些要求和注意事項。這也是國家電網公司的一種核心資源，對設備制造商的研發(fā)有很大幫助。到了后期的設備制造過程，由于電科院也是設備的監(jiān)造方，因此對于產品的質量控制也有很大幫助。

這種系統(tǒng)級的技術支持，讓制造商與用戶市場需求能夠緊密聯(lián)系在一起。

六、逆向支撐，自主創(chuàng)新“十六字方針”

世界上第一條商業(yè)化運行的1000kV特高壓交流項目，晉東南—荊門特高壓交流試驗示范工程在2009年1月正式投入使用。三年的建設周期中，整個工程的國產化率在90%以上，具有完備的自主知識產權。在整個“三站二線”（三個變壓站兩個回線）中，沒有一臺整機是進口的。在其100多種合資或者國產主設備中，高壓開關的獨特創(chuàng)新模式最為引人注目。

從項目立項開始，超級用戶就幫助產業(yè)鏈條上的企業(yè)解決技術引進、技術論證等問題，事無巨細，一路呵護。在發(fā)展直流特高壓時，直流的穿墻套管和換流變用的閥側套管等關鍵部件，屬于全球的緊缺資源。為了這些雖然是主機附件但卻非常金貴的部件，國家電網也會親自出面，跟ABB、德國惠斯普這些外企去溝通，促進裝備制造企業(yè)與國外企業(yè)達成合作。例如，在特高壓項目開始實施的時候，中國在開關方面擁有的技術仍然較弱，而且國外也沒有現(xiàn)成的產品。如何聯(lián)合發(fā)展，成為國家電網有限公司、外企制造商和國內制造商討論的焦點。

國家電網創(chuàng)新性地提出了“聯(lián)合設計、產權共享、合作制造、國內出廠”的十六字方針，引導三家國內開關制造廠分別和國外公司綁在一起供貨。國內外企業(yè)形成聯(lián)合體（不一定是合資廠，可以是工廠間合作），聯(lián)合研制產品，共享產權。產品制造放在國內外均可以，但產品組裝一定要在國內進行，并且要在國內的實驗室完成最后的驗證。十六字方針的核心在于實現(xiàn)了系統(tǒng)設計引領，設備總承包權在國內制造商手中，國外企業(yè)為分包方。二者聯(lián)合設計，讓國產裝備有機會從源頭思考如何實現(xiàn)整機裝備的系統(tǒng)性能。

“市場換技術”傳統(tǒng)三部曲是“引進—消化—吸收”，一般是通過 “國外研制、轉讓技術、國內制造”來實現(xiàn)。國家電網自主創(chuàng)新的“十六字方針”在灰度創(chuàng)新的實踐中向前大大邁進了一步。它讓國內電力裝備制造企業(yè)擁有了系統(tǒng)設計的主動權，同步實現(xiàn)“正向設計+工藝制造”的聯(lián)動推進。

在十六字方針的背后，國家電網發(fā)揮了重大作用。當時，在電力領域，沒有任何一個國內制造商具備這種能力可以跟國外企業(yè)進行這類談判。國外企業(yè)更希望中國采用常規(guī)方法，但是國家電網很堅定地堅持方針。有了超級用戶的支撐，最后形成幾家國內開關制造廠分別與東芝、ABB、日立等國際品牌合作的局面。

這種從系統(tǒng)設計入手的策略，徹底地改變了中國電力裝備的進程。然而，如果沒有國家電網作為商業(yè)用戶與國外企業(yè)的談判，沒有國家電網對系統(tǒng)集成的技術分解，想要實現(xiàn)十六字方針則會很困難。國家電網作為超級用戶的介入，改變了國外企業(yè)和國內設備制造商之間完全不對等的強弱關系。

在第一個特高壓項目工程開發(fā)時,短路電流的核心指標是50000A。而到了第二個工程時，由于特高壓網絡線路的形成，短路電流已經提高到63000A，在100萬伏電壓的作用下實現(xiàn)這樣的短路電流開斷水平是世界級的難題。而此時開關的研發(fā)，已經逐漸轉變成以中方為主的中外聯(lián)合體，中方技術的作用更加凸顯。

在世界首條全清潔能源特高壓輸電線路——“青?！幽稀?00kV特高壓直流輸電工程”中，有的國內設備制造商研發(fā)的新型開關已經做到一次測試就通關。為了精準控制電壓、動態(tài)調節(jié)直流的輸電功率，需要用開關頻繁地開合和切斷濾波器組。在測試期間，交流濾波器組斷路器需要經歷一次“魔鬼試驗”，正常工作電流下，前后有100多次開合，600多次放電。這種試驗的難度很大，此前只有ABB能對供應斷路器。而國內某設備制造商的18臺斷路器，在2019年8月一次就通過試驗。

目前盡管在一些關鍵部件上還需要跟國外企業(yè)合作，但國內的幾大開關制造廠已經能夠獨立開發(fā)，可以勝任升級的挑戰(zhàn)。裝備制造創(chuàng)新，通過超級用戶的逆向支撐，在波浪式滾動的迭代中，逐步升級持續(xù)發(fā)展。

七、小記

科技攻關與裝備制造是同步進行的，這是大型工程的一個顯著特點。在這個過程中，以超級用戶為代表的“逆向灰度創(chuàng)新”，令人印象深刻。國家電網是灰度創(chuàng)新鏈的逆向發(fā)起者，也是創(chuàng)新成果的首次應用者。

在特高壓工程發(fā)展的十多年間，中國的電網技術達到了當今世界的先進水平。大約30多條特高壓的線路，帶動了國內上下游產業(yè)數(shù)千億的投資。國家電網真正的亮點在于，作為一個提供電力的業(yè)主，它以需求引導的超級用戶形態(tài)，推動電力大裝備的硬核制造的突破。這是一束珍貴的光源，照亮了中國制造的創(chuàng)新之路。

本文來自微信公眾號：知識自動化（ID：zhishipai），作者：林雪萍