电气科学与工程学科发展战略研究报告(2016-2020)

第1章 总论 1.1 电气科学与工程学科发展战略——“全景式”的学科地貌图 1.1.1 学科内涵与发展动力 1．学科的定义 电气科学与工程是研究电（磁）能的产生、转换、传递、利用等过程中的电磁现象及其与物质相互作用的学科，包含电（磁）能科学和电磁场与物质相互作用的科学两个领域。根据研究对象的不同，电气科学与工程学科可以分为电气科学、电气工程和学科交叉三大研究分支。图1.1表示了学科的内涵与分支。 图1.1 电气科学与工程学科的内涵与分支 电气科学分支包含电磁场、电网络、电磁兼容、电工材料、电磁测量与传感器5个研究方向。电磁场主要研究电磁现象及其过程中的理论和计算问题，包括计算电磁学、电磁场与其他物理场的耦合、电磁装置的优化设计、电磁探测与成像、电磁无损检测等内容。电网络主要研究复杂电网络分析、综合与诊断等内容。电磁兼容主要研究电磁干扰的产生、影响评估与防护技术、电气设备与系统的电磁兼容、电磁辐射与防护。电工材料主要研究各种电工材料多物理场作用下的本构关系与特性调控方法。电磁测量与传感器主要研究材料、元件、设备及系统电磁参数及电磁特性测量的原理、方法及其与信息化结合的技术。 电气工程分支包含电机系统、电力系统、高电压与绝缘、电力电子、极端条件下的电工技术等5个研究方向。电机系统主要研究机电能转换装置与系统的基础理论、设计制造与集成、计算机分析与仿真、性能测试、运行控制、故障诊断、可靠性等理论、方法与技术。电力系统主要研究电力系统的规划设计、特性分析、运行管理、控制保护等理论和方法，以及新型发电与输配电形式、电力市场等内容。高电压与绝缘主要研究高电压的产生、测量和控制，电介质放电与绝缘击穿，过电压及其防护，极端环境下的绝缘特性与理论，电接触与电弧理论，高性能开关电器理论与技术等内容。电力电子主要研究基于电力电子器件的电能变换装置与系统的拓扑结构、建模与仿真、控制、系统集成应用的理论、方法和技术。极端条件下的电工技术主要研究极端条件的产生及其对物质和生命的效应等，研究范围包括各种复杂电磁装置与系统，涵盖深海、深地、深空等特殊环境，强磁场、短时超大电流、超高速等运行条件下的电气设备。 电气科学与工程学科和其他工程科学、物理科学、环境科学、材料科学、生命科学等学科的广泛交叉，形成了许多新的研究分支，如生物电磁、电能存储、超导电工、气体放电与等离子体、能源电工新技术，环境电工新技术等。生物电磁主要研究生物电磁特性及应用、电磁场的生物学效益与生物物理机制、生物电磁信息检测与利用、生命科学仪器和医疗设备中的电工新技术等。电能存储主要研究电能的直接存储、转换到其他能量形式的间接存储中所涉及的新原理、新方法和新技术。超导电工主要研究新型超导材料的性能及其在电工装备中的应用。气体放电与等离子体主要研究利用气体放电产生人造等离子体的新方法、新技术。能源电工新技术主要研究能源开发利用、能量转换以及节电中涉及的新原理、新方法和新技术。环境电工新技术主要研究基于电磁方法的环境治理与废物处理等内容。 当然，电气科学与工程学科自诞生始就处在不断发展之中，学科内涵与分支也会新陈代谢、逐时演变，图1.1仅是本学科的当前“快照”，并不妨碍其随时间推移而动态变化。 2．学科的特点 纵观电气科学与工程学科的发展，其具有以下三个特点： (1) 历史悠久，活力恒新。早在公元前七八世纪，人们就用文字记载了自然界的闪电现象和天然磁石的磁现象。近代，一系列对电磁现象及其规律的探索和发现以及19世纪建立的麦克斯韦电磁场方程组，奠定了人类利用电、磁能量与信息的理论基础，引发了第二次产业革命，促进了电气他的实现。20世纪，电气科学技术的发展将电和磁相互依存、相互作用的规律研究得非常深入，并将研究的关注点逐渐转向电磁与物质相互作用的新现象和新原理，衍生出不少新兴技术。今后相当长的时期内，电磁与物质相互作用的新现象、新原理和新应用研究将有更大的扩展和深化，电气科学与工程学科的活力正与日俱增。 (2) 交叉面广，渗透性强。在近百年的发展中，从电气学科萌生、分化及交叉产生出不少新兴学科，如电子、信息、计算机、自动控制等。电磁与物质相互作用涉及物质的多种特性，从而涉及多个相关学科，使电气学科的发展必然伴随着很强的交叉性和渗透性。交叉面涉及数学、物理学、化学、生命科学、环境科学、材料科学以及工程类科学中的相关学科等。21世纪以来，随着新科技革命的迅猛发展，方兴未艾的信息科学和技术、迅猛发展的生命科学和生物技术、重新升温的能源科学和技术、接踵而至的纳米科学和技术，都与电气科学与工程学科有着密切的交叉渗透关系，是电气学科开放开拓、培植创新生长点的重要对象。 (3) 研究对象的时空跨度大。在空间上，从微观、介观到宏观，从研究电子在电磁场中的运动到分析数百万平方公里范围内超大规模电力系统的运行；在时间上，从探索皮秒、纳秒级的快脉冲功率到研究月、年长度的电力系统经济调度。不同时空尺度下的电磁现象及其与物质相互作用产生的现象呈现出多样性和复杂性，为本学科的发展提供了广阔的创新空间。 3. 学科发展的动力 电气科学与工程发展的动力来自三方面：社会发展需求的巨大牵引力，由学科内涵所蕴藏的创新潜能发出的膨胀力、萌生力、拓展力，以及由交叉学科提供的新理论、新方法、新材料对本学科的“催化”和“嫁接”作用所形成的创新推动力。 进入21世纪以来，发展低碳经济、建设生态文明、实现可持续发展，成为人类社会的普遍共识，世界能源发展格局因此发生重大而深刻的变化，新一轮能源革命的序幕已经拉开。发展清洁能源、保障能源安全、解决环保问题、应对气候变化，是本轮能源革命的核心内容。作为能源的重要供应环节和主要使用形式，电能对于清洁能源的发展至关重要，其对电机系统、电力电子、电力系统、高电压与绝缘、能源电工新技术和电能存储等电气工程及交叉研究提出了更高的需求，强劲地牵引着电气科学与工程学科的发展。 我国一次能源的分布禀赋决定了在未来较长时期内必须采取在西部地区建设大型能源（火电、水电、风电、太阳能发电等）基地并采用远距离大容量的送电方式，所形成的跨越多种复杂环境和地域的超大规模电力系统的建设和运行给电能科学提出了许多必须解决的新问题。我国能源消耗大但利用效率偏低，环境污染问题严重，可持续发展对电能的高效转换与输配、可再生能源发电、节电等新技术、新方法提出了迫切的需求。电动汽车、全电舰船、多电飞机等特种独立电源系统提出的新问题，以及以电磁炮、激光武器、高功率微波武器、电磁脉冲武器为代表的新概念电磁武器的实现，都给电（磁）能科学提出新的需求，对电（磁）能科学领域的需求牵引力，也形成了对支撑电（磁）能科学的电磁场与电网络理论、先进电工材料与电磁测量等电气科学基础的需求牵引力，以及对环境电工、超导电工等电磁场与物质相互作用领域中的相关分支学科的需求牵引力。同时，新理论（如博弈论、随机控制理论、鲁棒控制理论等）、新技术（如互联网、物联网、大数据技术等）、新材料（如压电材料、永磁材料、微纳米材料、超导材料、石墨烯等）、新器件（如碳化硅半导体、光电互感器、各种新型传感器等）等交叉学科新思路和新成果的引进，对电（磁）能科学领域的发展起着巨大的推动作用。 电磁场与物质相互作用科学领域涉及电磁场与各种物质及物质形态的作用，而且作用产生的效应涉及微观的分子组成和介观结构，宏观的力、声、热、电、磁、光、生物等效应，内涵特别丰富，包含的学科分支多，内涵蕴藏的创新潜能大，领域内的互动及创新萌发力、向外拓展力都很强。发现新现象、提出新理论、建立新模型、开发新应用是本领域内涵萌发的特点。和电磁场与物质相互作用科学领域有着密切关系的交叉学科数量多，涉及面广，交叉学科对本领域发展的推动作用非常大。有些新现象，新应用*初是从交叉学科的相关发现、相关应用渗透过来，而在本领域内生长并开花结果的。对本领域发展的需求牵引大多来自高科技产业及高科技研发的需求，如新材料制备和表面处理、电子器件的微细加工对电磁场、电介质、放电等离子体技术的需求，生物医学中的电磁诱变、电磁诊断和电磁治疗技术的需求，环境保护方面对用静电技术、高电压技术、脉冲功率技术、放电等离子体技术处理废气、废水、废渣和放射性废弃物的需求，对电磁环境防护的需求，未来能源的受控核聚变研究对脉冲功率技术和等离子体技术的需求，国防高科技如电磁发射、高功率激光、高功率微波等对脉冲功率技术、放电与等离子体技术、电磁兼容技术等的需求等。 1.1.2 我国的研究现状 1．电气科学 1) 电磁场 我国在电磁场理论领域开展了长期的研究工作，取得了许多有影响力的研究成果。特别是计算电磁学、电磁材料的模拟与测试、电磁装置的优化设计、电磁无损检测等领域的研究成果为我国大型装备制造做出了重要贡献。重要研究成果有：结合计算数学领域的*新成果，发展了稳态问题、时变场问题、非线性问题、运动介质问题的有限元法；发展了电磁场电路运动系统耦合计算方法以及与其他物理场的耦合分析方法；发展了表面响应模型与随机类优化算法相结合的高效电磁场逆问题算法；开展了电工磁性材料的三维磁特性检测和电磁特性模拟技术研究，突破了一维和二维技术的局限；电磁无损检测技术在核电领域的应用取得了重要进展，提出了非线性、履历性磁性材料电磁检测信号的高效高精度数值模拟、复杂缺陷信号反演重构方法。 我国在电磁场领域取得的成果十分显著，但就整体研究水平而言，与国外仍存在很大的差距，多为跟踪性研究，共性科学问题提炼不足，缺乏自主创新，特别是在与前沿学科的交叉创新方面有待进一步加强。我国学者大多侧重于利用商业软件进行电磁装置的单场计算，对于计算过程则知之甚少。多物理场耦合分析也大多局限于单向的载荷传递，没有考虑材料性能随物理场的变化。对电磁装置涉及的电磁学与热力学、结构力学以及其他学科交叉研究不足，多场分析软件开发难度较大、投入较少，在多物理场分析过程中主要依赖国外商用软件，在一定程度上制约了我国电气装备分析、设计等基础理论的发展。 2) 电网络 我国在电网络理论领域开展了长期的研究工作，取得了许多有影响力的研究成果。特别是在复杂电网络分析综合与诊断等领域坚持长期探索研究，为我国超特高压输配电工程建设做出了重要贡献。我国主要针对复杂电网络开展了分析、综合与诊断研究，包括电网络元件的建模及其参数辨识，非线性电网络的演化特性及其远行稳定性，电网络的故障定位与保护、数模电路的故障诊断；电气化铁道牵引网的统一链式电路模型；电压源换流器(voltage sourced converter，vsc)高压直流输电(high-voltage direct current，HVDC)的动态等效电路模型；中性点不接地系统小电流接地故障暂态等值电路模型；电力电子变换器主电路拓扑辨识与故障诊断；超声电机双电感双电容谐振电路模型及其优化；集成门极可关断晶闸管(integrated gate commutated thyristor，IGCT)逆变电路建模；n阶谐振开关电容变换器潜电路图论分析法等。 虽然在电网络领域所取得的成果比较显著，但总体来看，国内从事电网络基础理论研究的力量比较薄弱，共性科学问题提炼不够，原始创新能力不足，特别是在与前沿学科的交叉创新方面存在较多空白。随着新型元器件不断涌现，电网络的复杂度和行为的多样化大大增加，模数混合电路芯片、存储器、处理器及各种可编程器件(如FPGA、DSP、CPLD)在各种电网络中普遍使用，突破了传统的电网络理论框架，给电网络的分析、综合和诊断带来了全新的挑战。由于缺乏有效分析的手段和方法，相关瓶颈没有得到突破。电力电子系统由过去的分立器件逐步过渡到集成网络系统，使得相应电力电子系统的复杂度大大提高，系统的可靠性设计及测试性设计有待探索。智能电网技术的发展对物联网技术提出了新的挑战，例如，信号的实时感知、