孫宏斌有個(gè)習(xí)慣，每天都會(huì)把要做的事情和問題解決方案記錄在手機(jī)備忘錄里，完成一項(xiàng)就打個(gè)勾，這半年來他的手機(jī)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(tuán)隊(duì)歷經(jīng)了20余年持續(xù)研究和產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，構(gòu)建了“自律協(xié)同”的復(fù)雜電網(wǎng)AVC技術(shù)體系，研制出世界上首套復(fù)雜電網(wǎng)AVC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代電網(wǎng)電壓控制“從人工到自動(dòng)的跨越”，有力保障了我國(guó)電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)美國(guó)的首例輸出。而這項(xiàng)“復(fù)雜電網(wǎng)自律-協(xié)同自動(dòng)電壓控制關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)研制與工程應(yīng)用”項(xiàng)目，在1月8日召開的2018年度國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上獲得科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
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(duì)電力系統(tǒng)而言，負(fù)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(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。以前各國(guó)都采取的是依靠人工分散控制的方法，在各級(jí)電網(wǎng)的控制中心和發(fā)電廠、變電站等地方，都有24小時(shí)值班的調(diào)度操作人員，他們時(shí)刻盯著電網(wǎng)電壓的情況，一旦發(fā)現(xiàn)問題，就會(huì)逐級(jí)撥打電話，要求相應(yīng)的單位進(jìn)行調(diào)整。這種方法不僅耗費(fèi)巨大人力，還不利于從全局的角度協(xié)調(diào)整個(gè)電網(wǎng)的安全。
“尤其是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、用電量大的地區(qū)，電從遠(yuǎn)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(guó)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(gè)“超強(qiáng)大腦”，讓它實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用有效的算法形成決策，并對(duì)電網(wǎng)中的各類無功電壓控制設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使電網(wǎng)時(shí)刻處于最佳狀態(tài)，成為電網(wǎng)運(yùn)行越來越迫切的需求。而這個(gè)“超強(qiáng)大腦”，就是自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)。
在20世紀(jì)80年代，法國(guó)在世界上首先投入了自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)，然而該技術(shù)卻無法直接在國(guó)內(nèi)使用。其中最關(guān)鍵的就是中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展非常迅猛，進(jìn)入新世紀(jì)來，有10年的時(shí)間里每年中國(guó)電網(wǎng)新增的裝機(jī)容量大約相當(dāng)于一個(gè)英國(guó)。而法國(guó)的自動(dòng)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(guó)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(dǎo)師相年德教授與張伯明教授的指導(dǎo)下，開始涉足這一研究領(lǐng)域，參與了國(guó)家85科技攻關(guān)項(xiàng)目“電力系統(tǒng)全局準(zhǔn)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(duì)法國(guó)的自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)難以解決的問題，孫宏斌的團(tuán)隊(duì)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(dòng)應(yīng)變的控制模式的系統(tǒng)，同時(shí)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(dòng)應(yīng)對(duì)。
在復(fù)雜電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的自動(dòng)電壓控制是一個(gè)重大的難題。一方面控制對(duì)象復(fù)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(fù)雜的特大電網(wǎng)中，進(jìn)一步引發(fā)了新問題；第二是控制模式復(fù)雜，我國(guó)的互聯(lián)大電網(wǎng)是由空間上分布的多級(jí)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(shí)間內(nèi)讓計(jì)算機(jī)做出最優(yōu)決策，通過三四百個(gè)控制中心的協(xié)同，讓特大電網(wǎng)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓時(shí)刻控制在安全范圍之內(nèi)，是個(gè)難題；第三是數(shù)學(xué)問題復(fù)雜，這是一個(gè)含大規(guī)模復(fù)雜約束的混合整數(shù)動(dòng)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(fù)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(gè)“蹺蹺板”：一邊是自律，一邊是協(xié)同，通過自律使控制簡(jiǎn)化、可靠、敏捷，通過協(xié)同，保證目標(biāo)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(gè)微妙的平衡點(diǎn)。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(jiǎn)化復(fù)雜問題呢？孫宏斌巧妙地利用物理學(xué)知識(shí)，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(jìn)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(jī)理。”
一邊是物理，一邊是數(shù)學(xué)，二者的完美融合成為解決復(fù)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(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。而用物理思維來思考數(shù)學(xué)問題的習(xí)慣，也在孫宏斌的國(guó)家精品課——電力系統(tǒng)分析課上得到了充分體現(xiàn)：一頁P(yáng)PT中，左邊是物理網(wǎng)絡(luò)，右邊數(shù)學(xué)方程。方程就是網(wǎng)絡(luò)的完整數(shù)學(xué)代表，根據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)可以寫出完整的數(shù)學(xué)方程，根據(jù)數(shù)學(xué)方程也可以還原為物理網(wǎng)絡(luò)。孫宏斌覺得這樣對(duì)稱的形式，至少能保證學(xué)生對(duì)物理機(jī)理和數(shù)學(xué)方法有一個(gè)融會(huì)貫通的過程。
但是，由于當(dāng)時(shí)國(guó)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(duì)應(yīng)的應(yīng)用舞臺(tái)，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(dāng)時(shí)做的工作確實(shí)起到了基礎(chǔ)性的奠基作用。”作為團(tuán)隊(duì)中在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)待的時(shí)間最長(zhǎng)的人、項(xiàng)目第二完成人的電機(jī)系副教授郭慶來深有感觸，“這也是工程學(xué)科的一個(gè)特點(diǎn)。要做頂天立地的研究，可能必須經(jīng)歷這樣的一個(gè)階段，先有前瞻性的思考和基礎(chǔ)研究，后有扎實(shí)落地的應(yīng)用與推廣。”
“必須要有人坐‘冷板凳’”，對(duì)孫宏斌而言，“這個(gè)研究是國(guó)家發(fā)展的需要。”
讓電網(wǎng)控制系統(tǒng)走出實(shí)驗(yàn)室
2002年，對(duì)自動(dòng)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(jī)構(gòu)，都因?yàn)樵撓到y(tǒng)研發(fā)的難度和責(zé)任巨大而未達(dá)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(gè)挑戰(zhàn)，并將理論研究與工程實(shí)踐深度結(jié)合。
但實(shí)踐和理論的差距仍然給了孫宏斌團(tuán)隊(duì)不小的挑戰(zhàn)。比如因?yàn)樵O(shè)備采集精度問題，控制中心測(cè)出的電壓與實(shí)際電壓存在誤差，如果在測(cè)量基礎(chǔ)上直接進(jìn)行調(diào)整，就會(huì)因?yàn)殡妷撼龊侠矸秶鷮?dǎo)致安全問題，所以團(tuán)隊(duì)要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求在試驗(yàn)中增加許多防護(hù)措施。“電的速度非常快，它的基礎(chǔ)性又容不得出一點(diǎn)差錯(cuò)，所以我們第一次在江蘇進(jìn)行閉環(huán)控制時(shí)晚上都不敢睡，輪班盯著屏幕，盯著控制指令下達(dá)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?yàn)檫@是第一次現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)性和最優(yōu)性之外風(fēng)險(xiǎn)最大的一個(gè)地方。”
在這次閉環(huán)試驗(yàn)中，當(dāng)時(shí)還是一名博士生的郭慶來在機(jī)房整整守了72個(gè)小時(shí)沒敢離開。“那時(shí)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(yàn)，這次是真正的工程實(shí)際應(yīng)用，壓力非常大，只能一直在現(xiàn)場(chǎng)盯著控制曲線和效果。但是當(dāng)真正看到控制指令發(fā)送到實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)中，設(shè)備按照預(yù)想策略動(dòng)作并達(dá)到理想的控制效果時(shí)，作為一個(gè)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(shí)間，幾乎每天都在一個(gè)大機(jī)房里，一個(gè)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?yàn)檎也恢苏f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(fù)有心人。當(dāng)其他同學(xué)在使用仿真數(shù)據(jù)時(shí)，郭慶來已經(jīng)拿到了一手的現(xiàn)場(chǎng)電壓控制數(shù)據(jù)，完成了自己的博士論文，延續(xù)著自動(dòng)電壓控制團(tuán)隊(duì)的傳統(tǒng)——來源于工程，還原于工程。“這是工科的特點(diǎn)，我覺得清華的工科老師們首先要了解現(xiàn)場(chǎng)，否則很難做原創(chuàng)性的工作。從paper到paper是把不準(zhǔn)工業(yè)發(fā)展的脈搏的，因?yàn)槟愀静恢勒嬲默F(xiàn)場(chǎng)新需求。”正是為了保障控制的可靠性，孫宏斌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)結(jié)合不同電網(wǎng)的特點(diǎn)和需求，發(fā)明了一系列控制技術(shù)，授權(quán)專項(xiàng)108項(xiàng)。
在江蘇電網(wǎng)的成功運(yùn)行，給了孫宏斌的團(tuán)隊(duì)莫大的激勵(lì)。他們沒有停歇，馬不停蹄地開始根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用中積累的經(jīng)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)系統(tǒng)不斷進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)。越來越多的各級(jí)電網(wǎng)開始應(yīng)用他們研發(fā)的系統(tǒng)。通過與多個(gè)合作伙伴的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合，截止目前，他們的系統(tǒng)已經(jīng)全部覆蓋我國(guó)7大區(qū)域電網(wǎng)，大規(guī)模應(yīng)用于我國(guó)40個(gè)省級(jí)電網(wǎng)和306個(gè)地區(qū)電網(wǎng)，閉環(huán)控制了全國(guó)81%的水/火電、88%的220kV以上變電站和55%的集中并網(wǎng)風(fēng)機(jī)/光伏。
讓電網(wǎng)控制系統(tǒng)走向世界
如果說在國(guó)內(nèi)的成功應(yīng)用是孫宏斌一直以來的目標(biāo)，那把該系統(tǒng)成功輸出到美國(guó)，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(dāng)時(shí)全球最大的區(qū)域電網(wǎng)公司，負(fù)責(zé)美國(guó)首都華盛頓特區(qū)和東部13個(gè)州的電網(wǎng)安全運(yùn)行和電力市場(chǎng)服務(wù)，總用電占全美的1/6。引入自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)是PJM實(shí)施智能電網(wǎng)的關(guān)鍵項(xiàng)目，他們?yōu)榇伺c美國(guó)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(xué)。
PJM電網(wǎng)是擁有1.3萬個(gè)節(jié)點(diǎn)、1.9萬條支路的復(fù)雜大電網(wǎng)，而且按照電力市場(chǎng)要求，自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)還要保證在5500個(gè)復(fù)雜預(yù)想故障發(fā)生后，所有節(jié)點(diǎn)電壓運(yùn)行仍安全合格。“5500個(gè)故障乘以13000個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，需要系統(tǒng)快速計(jì)算出來并用于決策和控制，如果完整建模這個(gè)非線性優(yōu)化問題，根本無法直接求解，更談不上用于實(shí)時(shí)控制。”郭慶來在接受采訪時(shí)說。
“那段時(shí)間里，我們課題組每個(gè)人基本都是工作到凌晨，每當(dāng)有點(diǎn)進(jìn)展都會(huì)非常興奮，經(jīng)常通宵進(jìn)行測(cè)試。”孫宏斌說。幸運(yùn)的是，面對(duì)這個(gè)巨大的數(shù)學(xué)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(jì)看成是博弈的雙方，再利用安全掃描的方法，達(dá)到新的平衡點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這一想法，需要有強(qiáng)大的優(yōu)化計(jì)算和安全評(píng)估的計(jì)算能力，而這兩點(diǎn)正是孫宏斌團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期以來他們都在從事這兩個(gè)領(lǐng)域的研究工作。因此，當(dāng)這個(gè)全新的思路確立之后，團(tuán)隊(duì)很快就將之實(shí)現(xiàn)了，并在此后申請(qǐng)了一系列美國(guó)和中國(guó)的專利，成功地解決了這一難題。
然而，美國(guó)的大門并沒有那么容易打開。接下來，孫宏斌的團(tuán)隊(duì)還面臨著PJM嚴(yán)酷的長(zhǎng)達(dá)半年的在線不間斷測(cè)試和美國(guó)聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)歷時(shí)三年零四個(gè)月的嚴(yán)苛的信息安全檢查。“我們要時(shí)刻關(guān)注評(píng)估結(jié)果，因?yàn)闇y(cè)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(cè)試。”孫宏斌說。“這是我們走出去的重要機(jī)會(huì)。壓力非常大，春節(jié)也一直盯在美國(guó)。”
這一系列的堅(jiān)持和努力使孫宏斌團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系統(tǒng)成為美國(guó)電網(wǎng)第一個(gè)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)，美國(guó)能源部顧問、電網(wǎng)運(yùn)行和控制權(quán)威、美國(guó)工程院院士博斯表示，該成果“使得中國(guó)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
？
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(dǎo)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(shí)現(xiàn)了該成果從理論到實(shí)踐的應(yīng)用，在控制中心實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行；王彬的博士論文，實(shí)現(xiàn)了由單一控制中心進(jìn)一步到多級(jí)多控制中心的協(xié)同運(yùn)行；而張明曄的博士論文，解決了該系統(tǒng)在美國(guó)PJM電網(wǎng)運(yùn)行的問題，實(shí)現(xiàn)了從中國(guó)電網(wǎng)到美國(guó)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(fēng)、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(xiàng)目落地都會(huì)給孫宏斌和他的團(tuán)隊(duì)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(chǎng)之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)原來的假設(shè)或認(rèn)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(shí)出現(xiàn)通信錯(cuò)誤的啟發(fā)，開始帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)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(xué)術(shù)的前沿，更重要的完完全全面向國(guó)家重大需求。”在學(xué)生心中有些“嚴(yán)格”的孫老師總是會(huì)讓大家去現(xiàn)場(chǎng)參與電壓控制試驗(yàn)，“有時(shí)去的風(fēng)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(gè)月。但是沒辦法，我們是要去現(xiàn)場(chǎng)解決問題的。”
20年的深耕不輟為電網(wǎng)運(yùn)行換來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，顯著地降低電網(wǎng)輸送過程中的損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)在江蘇電網(wǎng)投運(yùn)后，一年的時(shí)間里可節(jié)約近1億度電的損耗，相當(dāng)于年節(jié)省開支約5000萬人民幣。“中國(guó)電網(wǎng)目前每年的損耗大約是3600億度電，相當(dāng)于每人每天浪費(fèi)了1度電，相當(dāng)于多消耗了1.5億噸煤。”孫宏斌說，“而通過我們的自動(dòng)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(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模風(fēng)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(gè)大型風(fēng)/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(yùn)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(jì)、環(huán)保是電網(wǎng)運(yùn)行的四大目標(biāo)，我們這20年來的持續(xù)研究，始終圍繞著如何通過自動(dòng)控制技術(shù)讓運(yùn)行人員能夠更好地駕馭日益復(fù)雜的電網(wǎng)。”孫宏斌說，“我們的系統(tǒng)已經(jīng)成為運(yùn)行人員不可或缺的有力工具。這更要求我們一時(shí)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(shí)現(xiàn)今天的成果；如果只是理論研究，沒有中國(guó)這么復(fù)雜的電力系統(tǒng)作為舞臺(tái)讓我們?nèi)ミM(jìn)行工程實(shí)踐，我們同樣不可能實(shí)現(xiàn)今天的成果。”孫宏斌說，“作為工程學(xué)科，面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，頂天立地做科研，這是我的導(dǎo)師張伯明教授當(dāng)年經(jīng)常教導(dǎo)我的，我現(xiàn)在也時(shí)刻提醒團(tuán)隊(duì)中的年輕人，我希望這能作為我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)的一種精神，一種價(jià)值觀，一代代接力下去。”
文字來源：“清華大學(xué)”微信公眾號(hào)
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