探访国内首座量子应用示范变电站
利用金刚石量子材料，精准感知电网电流变化；基于量子隧穿原理，精确测量电力杆塔倾角和设备姿态；凭借量子点气体敏感材料，极早预警电缆火灾隐患和开关柜内部局部放电故障……位于安徽省合肥市的合肥候店220千伏量子应用示范变电站，处处都有“量子”的科技味。
合肥候店量子应用示范变电站于2024年11月正式投运，是国内首座量子应用示范变电站。该站投用了18类85台套自主研发的电力量子技术成果，覆盖量子测量、量子通信和量子计算三大方向，是新型电网与前沿量子技术深度融合的标志性成果，开创了量子技术在电网工程中体系化应用的先例，为破解传统电网发展难题、构建新型电力系统提供了“量子方案”。
“一年多的运行证明，量子技术不是‘花架子’，而是保供电、促发展的‘硬支撑’。”国网安徽省电力有限公司电力科学研究院数字化所青年总师田腾说。
探秘：量子科技助力软硬件提质升级
走进合肥候店量子应用示范变电站，没有看到户外林立的电气设备，也没有看到值班人员。
“这就是新一代无人值守智能变电站。”田腾说，“我们使用了大量的量子精密测量设备代替人工巡检，可以更迅速地发现和诊断设备的隐患和故障，减少电力系统巡检和运营成本。”
在变电站的高压开关室，一排排供电设备稳定运行。田腾在一座停运的开关柜前站定，指着柜子侧边一个“小盒子”说：“这是量子点多参量传感器，可以监测柜子内部环境的状态和局部放电的特征信号，判断开关柜内部的健康状态。”他又指着安装在底部电缆上的另一个“小盒子”说：“这是配网电流传感器，可以实时掌握线路负荷状态，快速、精准定位线路故障点。”
量子科技赋能，不仅体现在几个“小盒子”里。楼顶的量子激光雷达，可以监测15公里范围内的大气颗粒物、云层等信息，提前预警气象灾害风险；输电杆塔上的量子姿态传感器，可以精准感知地球磁力万分之一的微弱磁场，准确判断杆塔姿态；电力量子加密设备，提供光纤量子保密通信和“5G+量子”加密通信，大幅提升通信安全性。此外，还有可用于大功率直流充电桩电能计量的一体式量子直流电能表、可对铁磁材料表面裂纹进行高精度定位的量子无损探伤仪、电缆火灾隐患早期即可预警的量子点火灾传感器……整座变电站，量子科技的应用随处可见。
不仅有硬件，还有软件。变电站应用了基于量子计算的电网潮流计算方法，并在国产量子计算机“本源悟空”上完成了真实电网拓扑网架的计算验证。“这一突破为大规模电网仿真计算提供了全新的技术路线，有望进一步提升电力系统实时分析计算能力。”田腾说。
建设：克服难关打通落地“最后一公里”
为何要打造这样一座“量子变电站”？
“传统电网在应对高比例可再生能源、高比例电力电子设备接入时，逐渐暴露出三大痛点：设备状态监测精度不足、响应滞后；数据传输与控制指令的安全防护存在短板；传统计算机算力瓶颈难以支撑海量控制对象快速决策需求。”田腾说，量子科技是国家战略布局的重要方向，安徽在量子领域具备优势，依托量子技术发展新型电网势在必行。
如电力工程这般的“庞然大物”，与神秘的量子结缘，并非易事。
在GIS（气体绝缘组合电器设备）室内，缠绕在电缆外围的一个个“圆环”引人注意。
“这是我们自主研发的量子电流互感器，具备对电网主网电流进行监测、计量和保护的功能，避免了传统互感器的磁饱和、小电流精度不足等问题，具备测量精度高、温漂小、抗干扰能力强、绝缘简单等优点。”国网安徽电科院电力量子感知实验室负责人赵龙介绍。
设备研发之初，摆在面前的是国内无先例、无标准、无成熟方案的三重难关。“当时我们遇到的最大难题是高品质的金刚石传感材料被国外断供，项目几近停摆。”赵龙说，“后来，我们尝试向相关材料研发团队定制，但当时高纯度金刚石研究在国内几乎还是空白。一切都是从头开始，经过反复试验和测试，终于取得了突破。”
然而，现场抗干扰、工程化适配等难题接踵而至。量子信号极微弱，现场强电磁环境极易造成信号失真；实验室可行的原理样机，一到变电站现场就频繁“水土不服”；高精度要求与工业级稳定性难以兼顾……
“连续几个月，我们白天泡在变电站现场采集数据、调试参数，夜晚扎进实验室优化算法、改进封装结构与屏蔽方案，在高低温、强振动等极端环境下开展了上百次测试。”赵龙说，“当现场屏幕上量子电流互感器的电流数据正确显示时，团队所有人都欢呼起来——我们打通了量子测量技术从实验室到工程落地的‘最后一公里’。”
根据测算，应用量子技术后，合肥候店量子应用示范变电站每年可减少电量误差超50万千瓦时，电网运行可靠性与经济性大幅提升。眼下，多款量子产品在马鞍山、宣城、淮北、黄山等地已实现落地应用，并逐步走向全国。
未来：“量子+电网”创新持续推进
在国网安徽电科院电力量子感知实验室，研究人员正在忙碌，工作台上有多个正在研发中的量子新设备。
“我们持续进行量子新技术、新产品的探索和实验。目前，量子互感器、一体化量子电能表、量子点多参量传感器等多款产品已实现迭代，监测精度从千分之一跃升至十万分之一。”赵龙说，“我们正致力于量子气体传感技术研究，通过量子精密测量，达到十亿分之一的监测极限，助力极早期发现电气设备缺陷，有望为电气设备状态评估与故障诊断带来重大助力。”
今年4月23日，国网安徽省电力有限公司牵头成立国内首个电力量子标准化技术委员会。“委员会的成立，标志着电力量子标准化工作从顶层设计迈入标准研制的实质性阶段，对量子技术在电力领域的发展具有积极意义。”赵龙说。
“合肥候店量子应用示范变电站是新型电网与量子技术结合的典型案例，我们将以此为起点，把量子科技进一步推广到电力系统的各个环节。目前已经计划在更高等级的变电站进行新的示范工程建设。”田腾说。
“未来，我们将聚焦电力量子产业化前沿，目标是建成安徽电力量子保密通信网、量子精密测量产品功能测试和性能验证平台、面向电力系统仿真计算的专用量子计算机系统，打造量子技术与新型电力系统建设结合的样板。”国网安徽省电力有限公司科技部科研处处长罗超介绍。
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