人物 | 讓電網(wǎng)電壓控制智能化—清華大學(xué)孫宏斌

      榮譽(yù)是奮斗出來的

      中共中央、國務(wù)院8日上午在北京隆重舉行國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會。習(xí)近平、李克強(qiáng)、王滬寧、韓正等黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人出席會議活動。習(xí)近平等為獲獎代表頒獎。李克強(qiáng)代表黨中央、國務(wù)院在大會上講話。韓正主持大會。本年度共評出285個獲獎項(xiàng)目或團(tuán)隊(duì)。其中，國家自然科學(xué)獎38項(xiàng)，國家技術(shù)發(fā)明獎67項(xiàng)，國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎173項(xiàng)。

      清華大學(xué)電機(jī)系孫宏斌教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司完成的“復(fù)雜電網(wǎng)自律-協(xié)同無功電壓自動控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎，這是電力專業(yè)2018年度唯一的國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎。寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。此項(xiàng)目經(jīng)歷20多年研發(fā)，攻克了無功電壓自動控制從單控制中心到多級控制中心、從常規(guī)電網(wǎng)到可再生能源接入電網(wǎng)、從中國電網(wǎng)到北美電網(wǎng)應(yīng)用中的系列關(guān)鍵技術(shù)難題，構(gòu)建了復(fù)雜電網(wǎng)自律協(xié)同電壓控制的技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)，研制了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的無功電壓自動控制系統(tǒng)。項(xiàng)目經(jīng)歷了14項(xiàng)國家級課題，申請發(fā)明專利近90項(xiàng)，發(fā)表論文200余篇，境外專題特邀報告20余次。

      讓電壓控制從人工走向自動

現(xiàn)代人的生活已經(jīng)離不開電，對于用戶來說，電的質(zhì)量如何關(guān)鍵之一在于電壓的質(zhì)量。對于電力系統(tǒng)而言，負(fù)荷是經(jīng)常發(fā)生變化的，故障的發(fā)生也難以避免，要維持系統(tǒng)電壓的安全和優(yōu)質(zhì)，就需要實(shí)時地進(jìn)行調(diào)節(jié)。電壓的安全直接影響著電網(wǎng)的安全，電壓的品質(zhì)決定著電能的品質(zhì)?！坝绕涫窃诮?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)?！鼻迦A大學(xué)電機(jī)系教授、該成果的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人孫宏斌形象化地說，“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。”最近二十年國際上的歷次大停電事故，都反映了對于電網(wǎng)這種極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其電壓安全性是一個世界性的難題。

要保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，需要實(shí)時的控制電網(wǎng)的電壓。以前我國采取的是依靠人工、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(jìn)行調(diào)整。這種方式不僅耗費(fèi)巨大的人力，依賴于調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)，而且常常在實(shí)際操作中出現(xiàn)運(yùn)行人員只局限于本地信息，并不能從有利于整個電網(wǎng)全局的角度做出有效的協(xié)調(diào)。

因此，通過實(shí)時采集電網(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，以使得整個電網(wǎng)時時刻刻處于最佳的電壓狀態(tài)，保障電網(wǎng)運(yùn)行的安全和經(jīng)濟(jì)，成為電網(wǎng)運(yùn)行越來越迫切的需求。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法，就是自動電壓控制系統(tǒng)，它與自動發(fā)電控制系統(tǒng)共同構(gòu)成了現(xiàn)代電網(wǎng)系統(tǒng)級自動控制的兩大核心。

      但在復(fù)雜電力系統(tǒng)中實(shí)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(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，如何協(xié)調(diào)是難題；第三是數(shù)學(xué)問題復(fù)雜，這是一個含大規(guī)模復(fù)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)對這種復(fù)雜性，我們采用了’自律+協(xié)同’的技術(shù)路線”，孫宏斌介紹說，“控制對象復(fù)雜，我們就根據(jù)特性將其分成不同的群，自己做自律控制，從而使問題簡化，但又不能放任每個部分各自為政，就再通過方法將大家協(xié)同起來，勁往一處使，達(dá)到全局最優(yōu)的目標(biāo)。類似的，為了應(yīng)對控制模式的復(fù)雜，我們就結(jié)合調(diào)度分工的要求首先實(shí)現(xiàn)自律控制，然后再通過控制中心間的雙向信息互動，讓位于不同城市的控制中心協(xié)同工作，使電網(wǎng)在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的電壓分布。而復(fù)雜的安全經(jīng)濟(jì)多目標(biāo)優(yōu)化問題也被首先分解為相對簡化的安全和經(jīng)濟(jì)兩個子問題自律求解，然后再通過合作博弈把二者協(xié)同起來”。孫宏斌最后把這種技術(shù)路線形象的形容為一個蹺蹺板，“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(biāo)一致、全局最優(yōu)，而我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(diǎn)。”

在20世紀(jì)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(jìn)入新世紀(jì)來，有十年的時間里每年中國電網(wǎng)新增的裝機(jī)容量大約相當(dāng)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，還是一名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。針對法國的自動電壓控制系統(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。

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。而在此之前，江蘇電網(wǎng)還曾找過其他公司，但因?yàn)樵撓到y(tǒng)研發(fā)運(yùn)行的難度和責(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挑戰(zhàn)，并將理論研究與工程實(shí)踐深度結(jié)合。在江蘇電網(wǎng)進(jìn)行的第一次閉環(huán)試驗(yàn)中，當(dāng)時還是一名博士生的課題組成員、電機(jī)系副教授郭慶來在機(jī)房整整守了72個小時沒敢離開?！耙郧白龅氖抢碚摲治龊头抡嬖囼?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)場盯著控制曲線和效果。”郭慶來說，“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)想策略動作并達(dá)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?！?/span>

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。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，對系統(tǒng)不斷進(jìn)行改進(jìn)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)。截止2015年年底，他們的系統(tǒng)已經(jīng)在我國華北、華東、華中、西北、南方、西南6大區(qū)域電網(wǎng)（占中國全部區(qū)域電網(wǎng)數(shù)量的6/7）和北京、天津、重慶、江蘇等22個省級電網(wǎng)（占中國全部省級電網(wǎng)數(shù)量的2/3）得到推廣應(yīng)用，共接入常規(guī)電廠716座，總裝機(jī)容量7.55億千瓦（占全國水火電裝機(jī)總?cè)萘康?6%）。

讓電網(wǎng)控制系統(tǒng)從中國走向美國

如果說在國內(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，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)時全球最大的區(qū)域電網(wǎng)公司，負(fù)責(zé)美國首都華盛頓特區(qū)和東部13個州的電網(wǎng)安全運(yùn)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(shí)施智能電網(wǎng)的關(guān)鍵項(xiàng)目，他們?yōu)榇伺c美國一流大學(xué)的著名教授開展了長期的合作，然而效果并不理想。正是在這種情況下，孫宏斌收到了PJM邀請他前去技術(shù)交流的郵件。

2008年的大年初一，孫宏斌第一次來到PJM的總部，與他們的專家進(jìn)行面對面的交流。為了這次交流，在此前的兩個星期，孫宏斌“閉關(guān)”潛心做好準(zhǔn)備，因?yàn)樗庾R到，這是自己團(tuán)隊(duì)的成果走出國門的重要機(jī)會。然而交流剛一開始，孫宏斌就明顯感覺到了對方的忽視，“基本沒有人認(rèn)真在聽，他們大概認(rèn)為中國人根本不可能解決?！睂O宏斌說。但隨著講解的深入，一個個有說服力的來自中國工程應(yīng)用現(xiàn)場的案例展示出來，孫宏斌漸漸感覺現(xiàn)場氣氛明顯變化，對方開始針對他的介紹展開了熱烈的討論。當(dāng)交流結(jié)束的時候，PJM的主管經(jīng)理仍激動不已，立刻就帶著他去參觀了控制室，這原本是需要提前一個月預(yù)約并經(jīng)過安全審核才能進(jìn)入的地方。

當(dāng)進(jìn)入實(shí)際合作的階段，孫宏斌和他的團(tuán)隊(duì)立刻發(fā)現(xiàn)了難住美國著名教授的問題所在：PJM電網(wǎng)是擁有13000個節(jié)點(diǎn)、19000條支路的復(fù)雜大電網(wǎng)，按照美國電力市場機(jī)制的要求，引入自動電壓控制系統(tǒng)后，不僅初始基態(tài)運(yùn)行方式要更優(yōu)，還要保證在5500個復(fù)雜預(yù)想故障發(fā)生后的運(yùn)行仍然安全合格。5500個故障乘以13000個節(jié)點(diǎn)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(shí)時控制。

“那段時間里，我們課題組每個人的腦袋里縈繞的都是這個問題，大家基本都是工作到凌晨，每當(dāng)有點(diǎn)進(jìn)展都會非常興奮，經(jīng)常通宵進(jìn)行測試?！睂O宏斌說。幸運(yùn)的是，面對這個巨大的數(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)化計算和安全評估的計算能力，而這兩點(diǎn)正是孫宏斌團(tuán)隊(duì)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(dāng)這個全新的思路確立之后，團(tuán)隊(duì)很快就將之實(shí)現(xiàn)了，并在此后申請了一系列美國和中國的專利，成功地解決了這一難題。對此，PJM電網(wǎng)高級戰(zhàn)略師Jianzhong Tong博士曾評價說：“美國一流大學(xué)的著名教授沒有做到，清華教授做到了?！?/span>

雖然解決了這一難題，美國的大門也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)酷的長達(dá)半年的在線不間斷測試，為此，團(tuán)隊(duì)成員前后兩次赴美參與現(xiàn)場測試?！懊枯喛刂频挠嬎憬Y(jié)果第一時間自動送給第三方軟件掃描，評估各種預(yù)算故障下的控制效果，壓力非常大，春節(jié)也一直盯在美國?！?，郭慶來說，”我們要時刻關(guān)注評估結(jié)果，因?yàn)闇y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?！弊罱K在線測試結(jié)果令PJM運(yùn)行人員非常滿意，他們后來多次在各種國際會議上很自豪的進(jìn)行專題介紹，對清華團(tuán)隊(duì)的工作表示了高度贊賞。

然而各種非技術(shù)因素的困擾還在持續(xù)，孫宏斌的團(tuán)隊(duì)緊接著又面臨著信息安全的挑戰(zhàn)。PJM電網(wǎng)規(guī)模巨大，更涉及到美國首都電網(wǎng)的安全。美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會（FERC）提出了對系統(tǒng)源代碼進(jìn)行安全掃描的不公平要求。由于軟件龐大，對方成立了專門工作組進(jìn)行了軟件安全掃描。在第一次掃描后，就向?qū)O宏斌的團(tuán)隊(duì)提出了3000多個信息安全方面的問題，采用的軟件安全標(biāo)準(zhǔn)十分嚴(yán)苛。盡管拿到掃描結(jié)果感覺“崩潰和震驚”，但團(tuán)隊(duì)成員還是全力以赴，花了3個月的時間進(jìn)行答復(fù)并做出適應(yīng)性修改。這樣的安全檢查共進(jìn)行了三輪，總共歷時三年零四個月，最終得以通過。在整個漫長而艱辛的安全檢查過程中，科研團(tuán)隊(duì)表現(xiàn)出不畏艱難、堅(jiān)忍不拔的意志品質(zhì)。

這一系列努力不僅使孫宏斌團(tuán)隊(duì)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)，也成為我國先進(jìn)電網(wǎng)控制系統(tǒng)對美國的首例輸出。隨后，相關(guān)技術(shù)成果又進(jìn)一步推廣到馬來西亞國家電網(wǎng)和加拿大BC Hydro電網(wǎng)。

20年奏成“四部曲”

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PJM電網(wǎng)運(yùn)行的問題，實(shí)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(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。

“該成果的取得，需要攻克四方面的技術(shù)難題：一是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化時控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)調(diào)整問題，二是多級控制中心的分布式協(xié)同控制問題，三是大規(guī)模間歇式可再生能源接入弱網(wǎng)的電壓大幅度快速波動和聯(lián)鎖脫網(wǎng)問題，四是考慮大規(guī)模預(yù)想事故集的巨型電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)協(xié)同控制問題?！睂O宏斌說。

“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控制技術(shù)讓運(yùn)行人員能夠更好的駕馭日益復(fù)雜的電網(wǎng)?！惫鶓c來說，“我們的系統(tǒng)已經(jīng)被國內(nèi)大部分電網(wǎng)應(yīng)用，成為運(yùn)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。”

在實(shí)際應(yīng)用中，孫宏斌團(tuán)隊(duì)研發(fā)的自動電壓控制系統(tǒng)能夠顯著地降低電網(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(yùn)后，一年的時間里可節(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。在美國PJM電網(wǎng)持續(xù)半年的運(yùn)行數(shù)據(jù)也表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降損收益約850萬美元，在顯著降低網(wǎng)損取得巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時，五個關(guān)鍵輸電通道的傳輸極限分別提高了7.6%~16.1%，為PJM電力市場帶來了巨大的電價降低效益，此外還提高了供電可靠性帶來的社會效益。“中國電網(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，近年來我國風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量位居世界首位，光伏裝機(jī)占第二位，面臨著大規(guī)模的可再生能源接入電網(wǎng)的問題。然而，風(fēng)、光發(fā)電等可再生能源的輸入是間歇性的，會引起電網(wǎng)電壓的快速、大幅度波動，甚至誘發(fā)大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)事故，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來威脅，這也成為我國大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)的主要障礙之一。

針對這一新出現(xiàn)的重大挑戰(zhàn)，孫宏斌的團(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2015年底，已在我國6個大型風(fēng)光基地應(yīng)用（占我國全部10大風(fēng)光基地的6/10）和102座大型風(fēng)光場站應(yīng)用，已經(jīng)接入?yún)f(xié)同控制的風(fēng)/光能源總裝機(jī)48.7GW，占全國并網(wǎng)風(fēng)/光能源總裝機(jī)的37%，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。

美國能源部顧問、電網(wǎng)運(yùn)行和控制權(quán)威、美國工程院院士Prof. BOSE認(rèn)為該成果“使得中國在電壓控制領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先于世界”（has put China far ahead than the rest of the world in better control of the grid voltage）。IEEE連鎖故障工作組主席、美國電科院電網(wǎng)運(yùn)行與規(guī)劃部經(jīng)理Dr. Zhang評價該成果表示“它使中國的電壓控制在技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用兩方面都具備了領(lǐng)先地位”（This enables China’s leadership of voltage control in both technology development and application aspects）。在2010年清華大學(xué)電機(jī)系的國際學(xué)科評估中，該成果被國際專家認(rèn)為已達(dá)到世界領(lǐng)先（world leading）水平。

“如果沒有20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，沒有中國這么復(fù)雜的電力系統(tǒng)作為舞臺讓我們?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?！睂O宏斌總結(jié)到，“作為工程學(xué)科，面向國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，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)在也時刻提醒團(tuán)隊(duì)中的年輕人，我希望這能作為我們整個團(tuán)隊(duì)的一種精神，一種價值觀，一代代接力下去。