国家科学技术进步一等奖

为电网装上“超强大脑”:孙宏斌和他的自动电压控制团队

记者 张静



部分团队成员在奖励大会上合影

孙宏斌有个习惯,每天都会把要做的事情和问题解决方案记录在手机备忘录里,完成一项就打个勾,这半年来他的手机里一共有1447条备忘录。早在博士期间他就开始记笔记,20年来打过勾的记事本都还保存完好,写满了与电网电压控制相关的内容。

从“束之高阁”到被广泛应用,孙宏斌教授带领他的团队历经了20余年持续研究和产学研用联合攻关,构建了“自律协同”的复杂电网AVC技术体系,研制出世界上首套复杂电网AVC系统,实现了现代电网电压控制“从人工到自动的跨越”,有力保障了我国电网安全和经济运行,并实现了对美国的首例输出。而这项“复杂电网自律-协同自动电压控制关键技术、系统研制与工程应用”项目,在1月8日召开的2018年度国家科技奖励大会上获得科学技术进步奖一等奖。 

顶天立地做科研

电的质量如何,关键之一在于电压质量。对电力系统而言,负荷经常发生变化,故障不可避免,要维持系统的电压安全,需要实时进行调节。以前各国都采取的是依靠人工分散控制的方法,在各级电网的控制中心和发电厂、变电站等地方,都有24小时值班的调度操作人员,他们时刻盯着电网电压的情况,一旦发现问题,就会逐级拨打电话,要求相应的单位进行调整。这种方法不仅耗费巨大人力,还不利于从全局的角度协调整个电网的安全。

“尤其是在经济发达、用电量大的地区,电从远方输送过来,就向瀑布注入深潭一样,容易形成电压的凹陷区。这种凹陷区如果遇到突发故障,非常容易发生连锁反应,就像推倒多米诺骨牌一样,引发大面积停电事故。”孙宏斌说,国际上的美加大停电、巴西大停电等事故,都反映出电网系统的电压安全是世界性难题。

因此,给电网装上一个“超强大脑”,让它实时采集电网数据进行分析,利用有效的算法形成决策,并对电网中的各类无功电压控制设备进行协调控制,使电网时刻处于最佳状态,成为电网运行越来越迫切的需求。而这个“超强大脑”,就是自动电压控制系统。

在20世纪80年代,法国在世界上首先投入了自动电压控制系统,然而该技术却无法直接在国内使用。其中最关键的就是中国电网的发展非常迅猛,进入新世纪来,有10年的时间里每年中国电网新增的装机容量大约相当于一个英国。而法国的自动电压控制技术是一种固化的控制系统,无法适应中国电网的这种快速变化。

1995年,还是博士研究生的孙宏斌在导师相年德教授与张伯明教授的指导下,开始涉足这一研究领域,参与了国家85科技攻关项目“电力系统全局准稳态电压优化闭环控制研究及示范工程”的研究,开始了20年来在这一领域里孜孜不倦的求索。针对法国的自动电压控制系统难以解决的问题,孙宏斌的团队致力于让控制系统具有一定的自适应的特性,使系统的控制模式和方法能够跟随电网的变化而发生变化,成为灵活的、具有自动应变的控制模式的系统,同时还考虑了电网潜在的故障,使系统的控制策略能够自动应对。

孙宏斌教授

在复杂电力系统中实现系统级的自动电压控制是一个重大的难题。一方面控制对象复杂,尤其近年来大规模间歇式可再生能源集中馈入到了原本就非常复杂的特大电网中,进一步引发了新问题;第二是控制模式复杂,我国的互联大电网是由空间上分布的多级控制中心共同调度的,电网互联而控制分布。如何在最短时间内让计算机做出最优决策,通过三四百个控制中心的协同,让特大电网上每个节点的电压时刻控制在安全范围之内,是个难题;第三是数学问题复杂,这是一个含大规模复杂约束的混合整数动态规划问题,本身求解起来就有难度。

“为了应付这种复杂性,我们采取了‘自律协同’的技术路线。”孙宏斌将这种技术路线描述为一个“跷跷板”:一边是自律,一边是协同,通过自律使控制简化、可靠、敏捷,通过协同,保证目标一致、全局最优,而他们所做的就是如何在自律与协同之间找到那个微妙的平衡点。孙宏斌说:“我们正是踩在了自律和协同之间最难的地方。”

那么如何简化复杂问题呢?孙宏斌巧妙地利用物理学知识,提出了主从分裂理论。“根据大规模电网的主从式物理特性,先把主从系统撕裂开分别进行自律,然后通过相互通讯把它协同起来。而协同的好不好,即最优性取决于系统相互作用的物理机理。”

一边是物理,一边是数学,二者的完美融合成为解决复杂电网问题的破题之笔,为AVC技术的广泛应用打下了坚实的理论基础。而用物理思维来思考数学问题的习惯,也在孙宏斌的国家精品课——电力系统分析课上得到了充分体现:一页PPT中,左边是物理网络,右边数学方程。方程就是网络的完整数学代表,根据物理网络可以写出完整的数学方程,根据数学方程也可以还原为物理网络。孙宏斌觉得这样对称的形式,至少能保证学生对物理机理和数学方法有一个融会贯通的过程。

但是,由于当时国内并不具备电压控制应用的相关条件,孙宏斌提出的主从分裂理论没有找到对应的应用舞台,被“束之高阁”。直到江苏电网找到孙宏斌,成为“吃螃蟹的第一人”。“孙老师当时做的工作确实起到了基础性的奠基作用。”作为团队中在项目现场待的时间最长的人、项目第二完成人的电机系副教授郭庆来深有感触,“这也是工程学科的一个特点。要做顶天立地的研究,可能必须经历这样的一个阶段,先有前瞻性的思考和基础研究,后有扎实落地的应用与推广。”

“必须要有人坐‘冷板凳’”,对孙宏斌而言,“这个研究是国家发展的需要。”

让电网控制系统走出实验室

2002年,对自动电压控制系统需求迫切的江苏电网找到了孙宏斌,希望开展合作。在此之前,江苏电网还曾找过其他研究机构,都因为该系统研发的难度和责任巨大而未达成合作。然而,凭借着已有的积累和不怕失败的勇气,孙宏斌没有犹豫就接受了这个挑战,并将理论研究与工程实践深度结合。

但实践和理论的差距仍然给了孙宏斌团队不小的挑战。比如因为设备采集精度问题,控制中心测出的电压与实际电压存在误差,如果在测量基础上直接进行调整,就会因为电压超出合理范围导致安全问题,所以团队要结合现场需求在试验中增加许多防护措施。“电的速度非常快,它的基础性又容不得出一点差错,所以我们第一次在江苏进行闭环控制时晚上都不敢睡,轮班盯着屏幕,盯着控制指令下达以及最后的效果反馈”,孙宏斌回想起在江苏电网工作的情景,“因为这是第一次现场尝试,不知道这样的全局闭环控制后果是什么?有没有意料之外的安全隐患?所以保证闭环控制的可靠性是实时性和最优性之外风险最大的一个地方。”

在这次闭环试验中,当时还是一名博士生的郭庆来在机房整整守了72个小时没敢离开。“那时候调试还是比较紧张。”郭庆来说,“以前做的是理论分析和仿真试验,这次是真正的工程实际应用,压力非常大,只能一直在现场盯着控制曲线和效果。但是当真正看到控制指令发送到实际电网系统中,设备按照预想策略动作并达到理想的控制效果时,作为一个工科研究人员,那一刻的成就感这辈子都忘不掉。”正是这份成就感使郭庆来在江苏电网的控制室内待了将近3年的时间,几乎每天都在一个大机房里,一个人编程序、看系统,经常从早到晚连说话的人都没有。郭庆来笑了笑,“因为找不着人说话,见到能说话的‘活人’就忍不住跟人聊天,所以我住的小宾馆的值班员这些人都跟我很熟。” 

正在江苏电力调控中心实际运行的AVC现场画面

功夫不负有心人。当其他同学在使用仿真数据时,郭庆来已经拿到了一手的现场电压控制数据,完成了自己的博士论文,延续着自动电压控制团队的传统——来源于工程,还原于工程。“这是工科的特点,我觉得清华的工科老师们首先要了解现场,否则很难做原创性的工作。从paper到paper是把不准工业发展的脉搏的,因为你根本不知道真正的现场新需求。”正是为了保障控制的可靠性,孙宏斌带领团队结合不同电网的特点和需求,发明了一系列控制技术,授权专项108项。

在江苏电网的成功运行,给了孙宏斌的团队莫大的激励。他们没有停歇,马不停蹄地开始根据实际工程应用中积累的经验和发现的问题,对系统不断进行改进和升级。越来越多的各级电网开始应用他们研发的系统。通过与多个合作伙伴的产学研联合,截止目前,他们的系统已经全部覆盖我国7大区域电网,大规模应用于我国40个省级电网和306个地区电网,闭环控制了全国81%的水/火电、88%的220kV以上变电站和55%的集中并网风机/光伏。

 让电网控制系统走向世界

如果说在国内的成功应用是孙宏斌一直以来的目标,那把该系统成功输出到美国,则有些出乎他的预料。这一切都始于北美最大的区域电网PJM发给孙宏斌的一封寻求合作的电子邮件。

PJM是当时全球最大的区域电网公司,负责美国首都华盛顿特区和东部13个州的电网安全运行和电力市场服务,总用电占全美的1/6。引入自动电压控制系统是PJM实施智能电网的关键项目,他们为此与美国教授开展了研究合作,但效果并不理想。在此背景下,他们将目光瞄向了清华大学。

PJM电网是拥有1.3万个节点、1.9万条支路的复杂大电网,而且按照电力市场要求,自动电压控制系统还要保证在5500个复杂预想故障发生后,所有节点电压运行仍安全合格。“5500个故障乘以13000个节点的规模,需要系统快速计算出来并用于决策和控制,如果完整建模这个非线性优化问题,根本无法直接求解,更谈不上用于实时控制。”郭庆来在接受采访时说。

“那段时间里,我们课题组每个人基本都是工作到凌晨,每当有点进展都会非常兴奋,经常通宵进行测试。”孙宏斌说。幸运的是,面对这个巨大的数学优化问题,大家最终想到了用博弈的方法,把电网的安全和经济看成是博弈的双方,再利用安全扫描的方法,达到新的平衡点。实现这一想法,需要有强大的优化计算和安全评估的计算能力,而这两点正是孙宏斌团队的优势,长期以来他们都在从事这两个领域的研究工作。因此,当这个全新的思路确立之后,团队很快就将之实现了,并在此后申请了一系列美国和中国的专利,成功地解决了这一难题。 

孙宏斌在办公

然而,美国的大门并没有那么容易打开。接下来,孙宏斌的团队还面临着PJM严酷的长达半年的在线不间断测试和美国联邦能源监管委员会历时三年零四个月的严苛的信息安全检查。“我们要时刻关注评估结果,因为测试是不停止的,一旦发现问题就要立刻连轴转的解决,以避免影响后续的测试。”孙宏斌说。“这是我们走出去的重要机会。压力非常大,春节也一直盯在美国。”

这一系列的坚持和努力使孙宏斌团队研发的系统成为美国电网第一个自动电压控制系统,美国能源部顾问、电网运行和控制权威、美国工程院院士博斯表示,该成果“使得中国在电压控制领域遥遥领先于世界”。

电网中的新挑战就是新使命

回顾该成果研究20年的历程,孙宏斌用“四部曲”来形容。他把导师相年德教授、张伯明教授和自己最初开展的研究工作称为开创和奠基的阶段,而从孙宏斌的博士论文开始,课题组里多位博士生的毕业论文,始终围绕着这一研究开展深入研究。郭庆来副教授的博士论文,实现了该成果从理论到实践的应用,在控制中心实现闭环运行;王彬的博士论文,实现了由单一控制中心进一步到多级多控制中心的协同运行;而张明晔的博士论文,解决了该系统在美国PJM电网运行的问题,实现了从中国电网到美国电网的应用;此外,还有多位博士与硕士共同努力,解决了风、光发电等大规模间歇式可再生能源接入电网的电压控制问题。

每一次项目落地都会给孙宏斌和他的团队带来新的问题,催生出新的技术发明和思考。“到了现场之后,你会发现原来的假设或认为没有问题的东西,反而可能是最有挑战的,这可能就是下一步创新的源头。”郭庆来就受到了电压控制时出现通信错误的启发,开始带领自己的团队在新的研究方向——信息物理系统上开始了探索。

郭庆来在项目现场

“它不单是学术的前沿,更重要的完完全全面向国家重大需求。”在学生心中有些“严格”的孙老师总是会让大家去现场参与电压控制试验,“有时去的风电、光电基地是村庄的山顶上或山脚下,买东西也买不着,在那里一呆就是几个月。但是没办法,我们是要去现场解决问题的。”

20年的深耕不辍为电网运行换来了巨大的经济和社会效益,显著地降低电网输送过程中的损耗。据统计,该系统在江苏电网投运后,一年的时间里可节约近1亿度电的损耗,相当于年节省开支约5000万人民币。“中国电网目前每年的损耗大约是3600亿度电,相当于每人每天浪费了1度电,相当于多消耗了1.5亿吨煤。”孙宏斌说,“而通过我们的自动电压控制系统,不需要增加任何设备投入,仅通过控制的手段,就能显著降低损耗,起到四两拨千斤的效果。”

另一方面,孙宏斌团队提出并实现了大规模风电汇集接入的电压控制技术,截止到目前,AVC系统已经在全部13个大型风/光汇集区得到应用,有效保障了新能源基地和电网的安全运行,显著提高了电网消纳间歇式新能源的能力。

“安全、优质、经济、环保是电网运行的四大目标,我们这20年来的持续研究,始终围绕着如何通过自动控制技术让运行人员能够更好地驾驭日益复杂的电网。”孙宏斌说,“我们的系统已经成为运行人员不可或缺的有力工具。这更要求我们一时一刻都不能停下来,电网中出现的新挑战就是我们的新使命。”

项目成果在华北大型风电场的现场应用画面

“如果没有这么多年的基础研究积累,我们不可能实现今天的成果;如果只是理论研究,没有中国这么复杂的电力系统作为舞台让我们去进行工程实践,我们同样不可能实现今天的成果。”孙宏斌说,“作为工程学科,面向国民经济主战场,顶天立地做科研,这是我的导师张伯明教授当年经常教导我的,我现在也时刻提醒团队中的年轻人,我希望这能作为我们整个团队的一种精神,一种价值观,一代代接力下去。”

(清华新闻网1月11日电)

编辑:李华山 审核:周襄楠

2019年01月11日 10:53:06  清华新闻网

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