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,，寫滿了與電網電壓控制相關的內容,。
從“束之高閣”到被廣泛應用，孫宏斌教授帶領他的團隊歷經了20余年持續(xù)研究和產學研用聯合攻關,，構建了“自律協(xié)同”的復雜電網AVC技術體系,，研制出世界上首套復雜電網AVC系統(tǒng)，實現了現代電網電壓控制“從人工到自動的跨越”,，有力保障了我國電網安全和經濟運行,，并實現了對美國的首例輸出。而這項“復雜電網自律-協(xié)同自動電壓控制關鍵技術,、系統(tǒng)研制與工程應用”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進步獎一等獎。
頂天立地做科研
電的質量如何,，關鍵之一在于電壓質量。對電力系統(tǒng)而言,，負荷經常發(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小時值班的調度操作人員,，他們時刻盯著電網電壓的情況，一旦發(fā)現問題,，就會逐級撥打電話,，要求相應的單位進行調整。這種方法不僅耗費巨大人力,，還不利于從全局的角度協(xié)調整個電網的安全,。
“尤其是在經濟發(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，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,，都反映出電網系統(tǒng)的電壓安全是世界性難題。
因此,，給電網裝上一個“超強大腦”,，讓它實時采集電網數據進行分析，利用有效的算法形成決策,，并對電網中的各類無功電壓控制設備進行協(xié)調控制,，使電網時刻處于最佳狀態(tài)，成為電網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),，然而該技術卻無法直接在國內使用。其中最關鍵的就是中國電網的發(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是一種固化的控制系統(tǒng),，無法適應中國電網的這種快速變化,。
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域,，參與了國家85科技攻關項目“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)具有一定的自適應的特性,，使系統(tǒng)的控制模式和方法能夠跟隨電網的變化而發(fā)生變化，成為靈活的,、具有自動應變的控制模式的系統(tǒng),，同時還考慮了電網潛在的故障，使系統(tǒng)的控制策略能夠自動應對,。
在復雜電力系統(tǒng)中實現系統(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，我國的互聯大電網是由空間上分布的多級控制中心共同調度的,，電網互聯而控制分布,。如何在最短時間內讓計算機做出最優(yōu)決策，通過三四百個控制中心的協(xié)同,，讓特大電網上每個節(jié)點的電壓時刻控制在安全范圍之內,，是個難題；第三是數學問題復雜,，這是一個含大規(guī)模復雜約束的混合整數動態(tài)規(guī)劃問題,，本身求解起來就有難度。
“為了應付這種復雜性,，我們采取了‘自律協(xié)同’的技術路線,。”孫宏斌將這種技術路線描述為一個“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。“根據大規(guī)模電網的主從式物理特性,，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，一邊是數學,，二者的完美融合成為解決復雜電網問題的破題之筆,，為AVC技術的廣泛應用打下了堅實的理論基礎。而用物理思維來思考數學問題的習慣,，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：一頁PPT中,，左邊是物理網絡，右邊數學方程,。方程就是網絡的完整數學代表,，根據物理網絡可以寫出完整的數學方程，根據數學方程也可以還原為物理網絡,。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學方法有一個融會貫通的過程。
但是,，由于當時國內并不具備電壓控制應用的相關條件,，孫宏斌提出的主從分裂理論沒有找到對應的應用舞臺，被“束之高閣”,。直到江蘇電網找到孫宏斌,，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性的奠基作用,。”作為團隊中在項目現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,，可能必須經歷這樣的一個階段，先有前瞻性的思考和基礎研究,，后有扎實落地的應用與推廣,。”
“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找到了孫宏斌,，希望開展合作,。在此之前,，江蘇電網還曾找過其他研究機構，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,，如果在測量基礎上直接進行調整，就會因為電壓超出合理范圍導致安全問題,，所以團隊要結合現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工作的情景，“因為這是第一次現場嘗試,，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用,，壓力非常大,，只能一直在現場盯著控制曲線和效果。但是當真正看到控制指令發(fā)送到實際電網系統(tǒng)中,，設備按照預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的控制室內待了將近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據時，郭慶來已經拿到了一手的現場電壓控制數據,，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場新需求。”正是為了保障控制的可靠性,，孫宏斌帶領團隊結合不同電網的特點和需求,，發(fā)明了一系列控制技術，授權專項108項,。
在江蘇電網的成功運行,，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實際工程應用中積累的經驗和發(fā)現的問題,，對系統(tǒng)不斷進行改進和升級。越來越多的各級電網開始應用他們研發(fā)的系統(tǒng),。通過與多個合作伙伴的產學研聯合,，截止目前，他們的系統(tǒng)已經全部覆蓋我國7大區(qū)域電網,，大規(guī)模應用于我國40個省級電網和306個地區(qū)電網,，閉環(huán)控制了全國81%的水/火電、88%的220kV以上變電站和55%的集中并網風機/光伏,。
讓電網控制系統(tǒng)走向世界
如果說在國內的成功應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，則有些出乎他的預料,。這一切都始于北美最大的區(qū)域電網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)域電網公司，負責美國首都華盛頓特區(qū)和東部13個州的電網安全運行和電力市場服務，總用電占全美的1/6,。引入自動電壓控制系統(tǒng)是PJM實施智能電網的關鍵項目,，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電網是擁有1.3萬個節(jié)點,、1.9萬條支路的復雜大電網,，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,，經常通宵進行測試。”孫宏斌說,。幸運的是,，面對這個巨大的數學優(yōu)化問題，大家最終想到了用博弈的方法,，把電網的安全和經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,。“我們要時刻關注評估結果,，因為測試是不停止的，一旦發(fā)現問題就要立刻連軸轉的解決,，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)成為美國電網第一個自動電壓控制系統(tǒng),，美國能源部顧問,、電網運行和控制權威、美國工程院院士博斯表示,，該成果“使得中國在電壓控制領域遙遙領先于世界”。
電網中的新挑戰(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，實現了該成果從理論到實踐的應用,，在控制中心實現閉環(huán)運行,；王彬的博士論文，實現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電網運行的問題，實現了從中國電網到美國電網的應用,；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，催生出新的技術發(fā)明和思考,。“到了現場之后,，你會發(fā)現原來的假設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通信錯誤的啟發(fā),，開始帶領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,，我們是要去現場解決問題的。”
20年的深耕不輟為電網運行換來了巨大的經濟和社會效益,，顯著地降低電網輸送過程中的損耗,。據統(tǒng)計，該系統(tǒng)在江蘇電網投運后,，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了大規(guī)模風電匯集接入的電壓控制技術,，截止到目前，AVC系統(tǒng)已經在全部13個大型風/光匯集區(qū)得到應用,，有效保障了新能源基地和電網的安全運行,，顯著提高了電網消納間歇式新能源的能力。
“安全,、優(yōu)質,、經濟、環(huán)保是電網運行的四大目標,，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讓運行人員能夠更好地駕馭日益復雜的電網,。”孫宏斌說，“我們的系統(tǒng)已經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,，電網中出現的新挑戰(zhàn)就是我們的新使命。”
“如果沒有這么多年的基礎研究積累,，我們不可能實現今天的成果,；如果只是理論研究，沒有中國這么復雜的電力系統(tǒng)作為舞臺讓我們去進行工程實踐,，我們同樣不可能實現今天的成果,。”孫宏斌說，“作為工程學科,，面向國民經濟主戰(zhàn)場,，頂天立地做科研，這是我的導師張伯明教授當年經常教導我的,，我現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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