孫宏斌有個習慣,，每天都會把要做的事情和問題解決方案記錄在手機備忘錄里，完成一項就打個勾,，這半年來他的手機里一共有1447條備忘錄,。早在博士期間他就開始記筆記，20年來打過勾的記事本都還保存完好，寫滿了與電網(wǎng)電壓控制相關(guān)的內(nèi)容,。
從“束之高閣”到被廣泛應(yīng)用,，孫宏斌教授帶領(lǐng)他的團隊歷經(jīng)了20余年持續(xù)研究和產(chǎn)學研用聯(lián)合攻關(guān)，構(gòu)建了“自律協(xié)同”的復雜電網(wǎng)AVC技術(shù)體系,，研制出世界上首套復雜電網(wǎng)AVC系統(tǒng),，實現(xiàn)了現(xiàn)代電網(wǎng)電壓控制“從人工到自動的跨越”，有力保障了我國電網(wǎng)安全和經(jīng)濟運行,，并實現(xiàn)了對美國的首例輸出。而這項“復雜電網(wǎng)自律-協(xié)同自動電壓控制關(guān)鍵技術(shù),、系統(tǒng)研制與工程應(yīng)用”項目,，在1月8日召開的2018年度國家科技獎勵大會上獲得科學技術(shù)進步獎一等獎。
頂天立地做科研
電的質(zhì)量如何,，關(guān)鍵之一在于電壓質(zhì)量,。對電力系統(tǒng)而言，負荷經(jīng)常發(fā)生變化,，故障不可避免,，要維持系統(tǒng)的電壓安全，需要實時進行調(diào)節(jié),。以前各國都采取的是依靠人工分散控制的方法,，在各級電網(wǎng)的控制中心和發(fā)電廠、變電站等地方,，都有24小時值班的調(diào)度操作人員,，他們時刻盯著電網(wǎng)電壓的情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題,，就會逐級撥打電話,，要求相應(yīng)的單位進行調(diào)整。這種方法不僅耗費巨大人力,，還不利于從全局的角度協(xié)調(diào)整個電網(wǎng)的安全,。
“尤其是在經(jīng)濟發(fā)達、用電量大的地區(qū),，電從遠方輸送過來,，就向瀑布注入深潭一樣，容易形成電壓的凹陷區(qū),。這種凹陷區(qū)如果遇到突發(fā)故障,，非常容易發(fā)生連鎖反應(yīng)，就像推倒多米諾骨牌一樣,，引發(fā)大面積停電事故,。”孫宏斌說，國際上的美加大停電、巴西大停電等事故,，都反映出電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓安全是世界性難題,。
因此，給電網(wǎng)裝上一個“超強大腦”,，讓它實時采集電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行分析,，利用有效的算法形成決策，并對電網(wǎng)中的各類無功電壓控制設(shè)備進行協(xié)調(diào)控制,，使電網(wǎng)時刻處于最佳狀態(tài),，成為電網(wǎng)運行越來越迫切的需求。而這個“超強大腦”,，就是自動電壓控制系統(tǒng),。
在20世紀80年代，法國在世界上首先投入了自動電壓控制系統(tǒng),，然而該技術(shù)卻無法直接在國內(nèi)使用,。其中最關(guān)鍵的就是中國電網(wǎng)的發(fā)展非常迅猛，進入新世紀來,，有10年的時間里每年中國電網(wǎng)新增的裝機容量大約相當于一個英國,。而法國的自動電壓控制技術(shù)是一種固化的控制系統(tǒng)，無法適應(yīng)中國電網(wǎng)的這種快速變化,。
1995年,，還是博士研究生的孫宏斌在導師相年德教授與張伯明教授的指導下，開始涉足這一研究領(lǐng)域,，參與了國家85科技攻關(guān)項目“電力系統(tǒng)全局準穩(wěn)態(tài)電壓優(yōu)化閉環(huán)控制研究及示范工程”的研究,，開始了20年來在這一領(lǐng)域里孜孜不倦的求索。針對法國的自動電壓控制系統(tǒng)難以解決的問題,，孫宏斌的團隊致力于讓控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)的特性,，使系統(tǒng)的控制模式和方法能夠跟隨電網(wǎng)的變化而發(fā)生變化，成為靈活的,、具有自動應(yīng)變的控制模式的系統(tǒng),，同時還考慮了電網(wǎng)潛在的故障，使系統(tǒng)的控制策略能夠自動應(yīng)對,。
在復雜電力系統(tǒng)中實現(xiàn)系統(tǒng)級的自動電壓控制是一個重大的難題,。一方面控制對象復雜，尤其近年來大規(guī)模間歇式可再生能源集中饋入到了原本就非常復雜的特大電網(wǎng)中,，進一步引發(fā)了新問題,；第二是控制模式復雜，我國的互聯(lián)大電網(wǎng)是由空間上分布的多級控制中心共同調(diào)度的,，電網(wǎng)互聯(lián)而控制分布,。如何在最短時間內(nèi)讓計算機做出最優(yōu)決策,，通過三四百個控制中心的協(xié)同，讓特大電網(wǎng)上每個節(jié)點的電壓時刻控制在安全范圍之內(nèi),，是個難題,；第三是數(shù)學問題復雜，這是一個含大規(guī)模復雜約束的混合整數(shù)動態(tài)規(guī)劃問題,，本身求解起來就有難度,。
“為了應(yīng)付這種復雜性，我們采取了‘自律協(xié)同’的技術(shù)路線,。”孫宏斌將這種技術(shù)路線描述為一個“蹺蹺板”：一邊是自律,，一邊是協(xié)同，通過自律使控制簡化,、可靠,、敏捷，通過協(xié)同,，保證目標一致、全局最優(yōu),，而他們所做的就是如何在自律與協(xié)同之間找到那個微妙的平衡點,。孫宏斌說：“我們正是踩在了自律和協(xié)同之間最難的地方。”
那么如何簡化復雜問題呢,？孫宏斌巧妙地利用物理學知識,，提出了主從分裂理論。“根據(jù)大規(guī)模電網(wǎng)的主從式物理特性,，先把主從系統(tǒng)撕裂開分別進行自律,，然后通過相互通訊把它協(xié)同起來。而協(xié)同的好不好,，即最優(yōu)性取決于系統(tǒng)相互作用的物理機理,。”
一邊是物理，一邊是數(shù)學,，二者的完美融合成為解決復雜電網(wǎng)問題的破題之筆,，為AVC技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了堅實的理論基礎(chǔ)。而用物理思維來思考數(shù)學問題的習慣,，也在孫宏斌的國家精品課——電力系統(tǒng)分析課上得到了充分體現(xiàn)：一頁PPT中,，左邊是物理網(wǎng)絡(luò)，右邊數(shù)學方程,。方程就是網(wǎng)絡(luò)的完整數(shù)學代表,，根據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)可以寫出完整的數(shù)學方程，根據(jù)數(shù)學方程也可以還原為物理網(wǎng)絡(luò),。孫宏斌覺得這樣對稱的形式,，至少能保證學生對物理機理和數(shù)學方法有一個融會貫通的過程。
但是，由于當時國內(nèi)并不具備電壓控制應(yīng)用的相關(guān)條件,，孫宏斌提出的主從分裂理論沒有找到對應(yīng)的應(yīng)用舞臺,，被“束之高閣”。直到江蘇電網(wǎng)找到孫宏斌,，成為“吃螃蟹的第一人”,。“孫老師當時做的工作確實起到了基礎(chǔ)性的奠基作用。”作為團隊中在項目現(xiàn)場待的時間最長的人,、項目第二完成人的電機系副教授郭慶來深有感觸,，“這也是工程學科的一個特點。要做頂天立地的研究,，可能必須經(jīng)歷這樣的一個階段,，先有前瞻性的思考和基礎(chǔ)研究，后有扎實落地的應(yīng)用與推廣,。”
“必須要有人坐‘冷板凳’”,，對孫宏斌而言，“這個研究是國家發(fā)展的需要,。”
讓電網(wǎng)控制系統(tǒng)走出實驗室
2002年,，對自動電壓控制系統(tǒng)需求迫切的江蘇電網(wǎng)找到了孫宏斌，希望開展合作,。在此之前,，江蘇電網(wǎng)還曾找過其他研究機構(gòu)，都因為該系統(tǒng)研發(fā)的難度和責任巨大而未達成合作,。然而,，憑借著已有的積累和不怕失敗的勇氣，孫宏斌沒有猶豫就接受了這個挑戰(zhàn),，并將理論研究與工程實踐深度結(jié)合,。
但實踐和理論的差距仍然給了孫宏斌團隊不小的挑戰(zhàn)。比如因為設(shè)備采集精度問題,，控制中心測出的電壓與實際電壓存在誤差,，如果在測量基礎(chǔ)上直接進行調(diào)整，就會因為電壓超出合理范圍導致安全問題,，所以團隊要結(jié)合現(xiàn)場需求在試驗中增加許多防護措施,。“電的速度非常快,，它的基礎(chǔ)性又容不得出一點差錯,，所以我們第一次在江蘇進行閉環(huán)控制時晚上都不敢睡，輪班盯著屏幕,，盯著控制指令下達以及最后的效果反饋”,，孫宏斌回想起在江蘇電網(wǎng)工作的情景,，“因為這是第一次現(xiàn)場嘗試，不知道這樣的全局閉環(huán)控制后果是什么,？有沒有意料之外的安全隱患,？所以保證閉環(huán)控制的可靠性是實時性和最優(yōu)性之外風險最大的一個地方。”
在這次閉環(huán)試驗中,，當時還是一名博士生的郭慶來在機房整整守了72個小時沒敢離開,。“那時候調(diào)試還是比較緊張。”郭慶來說,，“以前做的是理論分析和仿真試驗,，這次是真正的工程實際應(yīng)用，壓力非常大,，只能一直在現(xiàn)場盯著控制曲線和效果,。但是當真正看到控制指令發(fā)送到實際電網(wǎng)系統(tǒng)中，設(shè)備按照預(yù)想策略動作并達到理想的控制效果時,，作為一個工科研究人員,，那一刻的成就感這輩子都忘不掉。”正是這份成就感使郭慶來在江蘇電網(wǎng)的控制室內(nèi)待了將近3年的時間,，幾乎每天都在一個大機房里,，一個人編程序、看系統(tǒng),，經(jīng)常從早到晚連說話的人都沒有。郭慶來笑了笑,，“因為找不著人說話,，見到能說話的‘活人’就忍不住跟人聊天，所以我住的小賓館的值班員這些人都跟我很熟,。”
功夫不負有心人,。當其他同學在使用仿真數(shù)據(jù)時，郭慶來已經(jīng)拿到了一手的現(xiàn)場電壓控制數(shù)據(jù),，完成了自己的博士論文,，延續(xù)著自動電壓控制團隊的傳統(tǒng)——來源于工程，還原于工程,。“這是工科的特點,，我覺得清華的工科老師們首先要了解現(xiàn)場，否則很難做原創(chuàng)性的工作,。從paper到paper是把不準工業(yè)發(fā)展的脈搏的,，因為你根本不知道真正的現(xiàn)場新需求。”正是為了保障控制的可靠性,，孫宏斌帶領(lǐng)團隊結(jié)合不同電網(wǎng)的特點和需求,，發(fā)明了一系列控制技術(shù),，授權(quán)專項108項。
在江蘇電網(wǎng)的成功運行,，給了孫宏斌的團隊莫大的激勵,。他們沒有停歇，馬不停蹄地開始根據(jù)實際工程應(yīng)用中積累的經(jīng)驗和發(fā)現(xiàn)的問題,，對系統(tǒng)不斷進行改進和升級,。越來越多的各級電網(wǎng)開始應(yīng)用他們研發(fā)的系統(tǒng)。通過與多個合作伙伴的產(chǎn)學研聯(lián)合,，截止目前,，他們的系統(tǒng)已經(jīng)全部覆蓋我國7大區(qū)域電網(wǎng)，大規(guī)模應(yīng)用于我國40個省級電網(wǎng)和306個地區(qū)電網(wǎng),，閉環(huán)控制了全國81%的水/火電,、88%的220kV以上變電站和55%的集中并網(wǎng)風機/光伏。
讓電網(wǎng)控制系統(tǒng)走向世界
如果說在國內(nèi)的成功應(yīng)用是孫宏斌一直以來的目標,，那把該系統(tǒng)成功輸出到美國,，則有些出乎他的預(yù)料。這一切都始于北美最大的區(qū)域電網(wǎng)PJM發(fā)給孫宏斌的一封尋求合作的電子郵件,。
PJM是當時全球最大的區(qū)域電網(wǎng)公司,，負責美國首都華盛頓特區(qū)和東部13個州的電網(wǎng)安全運行和電力市場服務(wù)，總用電占全美的1/6,。引入自動電壓控制系統(tǒng)是PJM實施智能電網(wǎng)的關(guān)鍵項目,，他們?yōu)榇伺c美國教授開展了研究合作，但效果并不理想,。在此背景下,，他們將目光瞄向了清華大學。
PJM電網(wǎng)是擁有1.3萬個節(jié)點,、1.9萬條支路的復雜大電網(wǎng),，而且按照電力市場要求，自動電壓控制系統(tǒng)還要保證在5500個復雜預(yù)想故障發(fā)生后,，所有節(jié)點電壓運行仍安全合格,。“5500個故障乘以13000個節(jié)點的規(guī)模，需要系統(tǒng)快速計算出來并用于決策和控制,，如果完整建模這個非線性優(yōu)化問題,，根本無法直接求解，更談不上用于實時控制,。”郭慶來在接受采訪時說,。
“那段時間里，我們課題組每個人基本都是工作到凌晨,，每當有點進展都會非常興奮,，經(jīng)常通宵進行測試,。”孫宏斌說。幸運的是,，面對這個巨大的數(shù)學優(yōu)化問題,，大家最終想到了用博弈的方法，把電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟看成是博弈的雙方,，再利用安全掃描的方法,，達到新的平衡點。實現(xiàn)這一想法,，需要有強大的優(yōu)化計算和安全評估的計算能力,，而這兩點正是孫宏斌團隊的優(yōu)勢，長期以來他們都在從事這兩個領(lǐng)域的研究工作,。因此,，當這個全新的思路確立之后，團隊很快就將之實現(xiàn)了,，并在此后申請了一系列美國和中國的專利,，成功地解決了這一難題。
然而,，美國的大門并沒有那么容易打開,。接下來，孫宏斌的團隊還面臨著PJM嚴酷的長達半年的在線不間斷測試和美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會歷時三年零四個月的嚴苛的信息安全檢查,。“我們要時刻關(guān)注評估結(jié)果,，因為測試是不停止的，一旦發(fā)現(xiàn)問題就要立刻連軸轉(zhuǎn)的解決,，以避免影響后續(xù)的測試,。”孫宏斌說。“這是我們走出去的重要機會,。壓力非常大，春節(jié)也一直盯在美國,。”
這一系列的堅持和努力使孫宏斌團隊研發(fā)的系統(tǒng)成為美國電網(wǎng)第一個自動電壓控制系統(tǒng),，美國能源部顧問、電網(wǎng)運行和控制權(quán)威,、美國工程院院士博斯表示,，該成果“使得中國在電壓控制領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先于世界”。
電網(wǎng)中的新挑戰(zhàn)就是新使命
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回顧該成果研究20年的歷程,，孫宏斌用“四部曲”來形容。他把導師相年德教授,、張伯明教授和自己最初開展的研究工作稱為開創(chuàng)和奠基的階段,，而從孫宏斌的博士論文開始,，課題組里多位博士生的畢業(yè)論文，始終圍繞著這一研究開展深入研究,。郭慶來副教授的博士論文,，實現(xiàn)了該成果從理論到實踐的應(yīng)用，在控制中心實現(xiàn)閉環(huán)運行,；王彬的博士論文,，實現(xiàn)了由單一控制中心進一步到多級多控制中心的協(xié)同運行；而張明曄的博士論文,，解決了該系統(tǒng)在美國PJM電網(wǎng)運行的問題,，實現(xiàn)了從中國電網(wǎng)到美國電網(wǎng)的應(yīng)用；此外,，還有多位博士與碩士共同努力,，解決了風、光發(fā)電等大規(guī)模間歇式可再生能源接入電網(wǎng)的電壓控制問題,。
每一次項目落地都會給孫宏斌和他的團隊帶來新的問題,，催生出新的技術(shù)發(fā)明和思考。“到了現(xiàn)場之后,，你會發(fā)現(xiàn)原來的假設(shè)或認為沒有問題的東西,，反而可能是最有挑戰(zhàn)的，這可能就是下一步創(chuàng)新的源頭,。”郭慶來就受到了電壓控制時出現(xiàn)通信錯誤的啟發(fā),，開始帶領(lǐng)自己的團隊在新的研究方向——信息物理系統(tǒng)上開始了探索。
“它不單是學術(shù)的前沿,，更重要的完完全全面向國家重大需求,。”在學生心中有些“嚴格”的孫老師總是會讓大家去現(xiàn)場參與電壓控制試驗，“有時去的風電,、光電基地是村莊的山頂上或山腳下,，買東西也買不著，在那里一呆就是幾個月,。但是沒辦法,，我們是要去現(xiàn)場解決問題的。”
20年的深耕不輟為電網(wǎng)運行換來了巨大的經(jīng)濟和社會效益,，顯著地降低電網(wǎng)輸送過程中的損耗,。據(jù)統(tǒng)計，該系統(tǒng)在江蘇電網(wǎng)投運后,，一年的時間里可節(jié)約近1億度電的損耗,，相當于年節(jié)省開支約5000萬人民幣。“中國電網(wǎng)目前每年的損耗大約是3600億度電,，相當于每人每天浪費了1度電,，相當于多消耗了1.5億噸煤,。”孫宏斌說，“而通過我們的自動電壓控制系統(tǒng),，不需要增加任何設(shè)備投入,，僅通過控制的手段，就能顯著降低損耗,，起到四兩撥千斤的效果,。”
另一方面，孫宏斌團隊提出并實現(xiàn)了大規(guī)模風電匯集接入的電壓控制技術(shù),，截止到目前,，AVC系統(tǒng)已經(jīng)在全部13個大型風/光匯集區(qū)得到應(yīng)用，有效保障了新能源基地和電網(wǎng)的安全運行,，顯著提高了電網(wǎng)消納間歇式新能源的能力,。
“安全、優(yōu)質(zhì),、經(jīng)濟,、環(huán)保是電網(wǎng)運行的四大目標，我們這20年來的持續(xù)研究,，始終圍繞著如何通過自動控制技術(shù)讓運行人員能夠更好地駕馭日益復雜的電網(wǎng),。”孫宏斌說，“我們的系統(tǒng)已經(jīng)成為運行人員不可或缺的有力工具,。這更要求我們一時一刻都不能停下來,，電網(wǎng)中出現(xiàn)的新挑戰(zhàn)就是我們的新使命。”
“如果沒有這么多年的基礎(chǔ)研究積累,，我們不可能實現(xiàn)今天的成果,；如果只是理論研究，沒有中國這么復雜的電力系統(tǒng)作為舞臺讓我們?nèi)ミM行工程實踐,，我們同樣不可能實現(xiàn)今天的成果,。”孫宏斌說，“作為工程學科,，面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場,，頂天立地做科研，這是我的導師張伯明教授當年經(jīng)常教導我的,，我現(xiàn)在也時刻提醒團隊中的年輕人,，我希望這能作為我們整個團隊的一種精神,，一種價值觀,，一代代接力下去。”
文字來源：“清華大學”微信公眾號
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