2016年1月15日，由清華大學電機系孫宏斌教授團隊完成的"復雜電網(wǎng)自律-協(xié)同無功電壓自動控制系統(tǒng)關鍵技術及應用"成果鑒定會在清華大學舉行。經(jīng)討論，鑒定委員會的專家們一致認為，該項目取得了重大的原創(chuàng)性科研成果，整體上達到了國際領先水平，引領了電力系統(tǒng)電壓控制領域的發(fā)展與技術進步，一致同意通過鑒定。專家們表示，該項目成果已經(jīng)在我國大部分網(wǎng)省級電網(wǎng)和大型可再生能源基地推廣應用，在我國電網(wǎng)的安全運行、節(jié)能減排和大規(guī)模可再生能源接納等方面取得了巨大的社會經(jīng)濟效益。項目成果已經(jīng)在北美最大區(qū)域電網(wǎng)PJM成功應用，填補了北美在該領域應用的空白，是我國先進大電網(wǎng)控制系統(tǒng)首次輸出北美，具有里程碑意義。

"復雜電網(wǎng)自律-協(xié)同無功電壓自動控制系統(tǒng)關鍵技術及應用"成果鑒定會在清華大學舉行。

"復雜電網(wǎng)自律-協(xié)同無功電壓自動控制系統(tǒng)關鍵技術及應用"項目經(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)應用中的系列關鍵技術難題，構(gòu)建了復雜電網(wǎng)自律協(xié)同電壓控制的技術體系和標準，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)。項目經(jīng)歷了14項國家級課題，申請發(fā)明專利近90項，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)量如何關鍵之一在于電壓的質(zhì)量。對于電力系統(tǒng)而言，負荷是經(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)，就需要實時地進行調(diào)節(jié)。電壓的安全直接影響著電網(wǎng)安全，電壓的品質(zhì)決定著電能的品質(zhì)。"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)。"清華大學電機系教授、該成果的項目負責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，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)這種極其復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其電壓安全性是一個世界性的難題。

要保證電網(wǎng)的安全運行，需要實時的控制電網(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，要求相應的單位進行調(diào)整。這種方式不僅耗費巨大的人力，依賴于調(diào)度人員的經(jīng)驗，而且常常在實際操作中出現(xiàn)運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備進行協(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)運行的安全和經(jīng)濟，成為電網(wǎng)運行越來越迫切的需求。而實現(xiàn)這一目標的方法，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，如何協(xié)調(diào)是難題；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。

"為了應對這種復雜性，我們采用了’自律+協(xié)同’的技術路線"，孫宏斌介紹說，"控制對象復雜，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，達到全局最優(yōu)的目標。類似的，為了應對控制模式的復雜，我們就結(jié)合調(diào)度分工的要求首先實現(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)實現(xiàn)優(yōu)化的電壓分布。而復雜的安全經(jīng)濟多目標優(yōu)化問題也被首先分解為相對簡化的安全和經(jīng)濟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。"

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(nèi)使用。其中最關鍵的就是中國電網(wǎng)的發(fā)展非常迅猛，進入新世紀來，有十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是一種固化的控制系統(tǒng)，無法適應中國電網(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(wǎng)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(wǎng)潛在的故障，使系統(tǒng)的控制策略能夠自動應對。

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，但因為該系統(tǒng)研發(fā)運行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。在江蘇電網(wǎng)進行的第一次閉環(huán)試驗中，當時還是一名博士生的課題組成員、電機系副教授郭慶來在機房整整守了72個小時沒敢離開。"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(xiàn)場盯著控制曲線和效果。"郭慶來說，"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。"

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）得到推廣應用，共接入常規(guī)電廠716座，總裝機容量7.55億千瓦（占全國水火電裝機總?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(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，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)的關鍵項目，他們?yōu)榇伺c美國一流大學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"潛心做好準備，因為他意識到，這是自己團隊的成果走出國門的重要機會。然而交流剛一開始，孫宏斌就明顯感覺到了對方的忽視，"基本沒有人認真在聽，他們大概認為中國人根本不可能解決。"孫宏斌說。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約并經(jīng)過安全審核才能進入的地方。

當進入實際合作的階段，孫宏斌和他的團隊立刻發(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、19000條支路的復雜大電網(wǎng)，按照美國電力市場機制的要求，引入自動電壓控制系統(tǒng)后，不僅初始基態(tài)運行方式要更優(yōu)，還要保證在5500個復雜預想故障發(fā)生后的運行仍然安全合格。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。

"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。對此，PJM電網(wǎng)高級戰(zhàn)略師JianzhongTong博士曾評價說："美國一流大學的著名教授沒有做到，清華教授做到了。"

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，孫宏斌的團隊還面臨著PJM嚴酷的長達半年的在線不間斷測試，為此，團隊成員前后兩次赴美參與現(xiàn)場測試。"每輪控制的計算結(jié)果第一時間自動送給第三方軟件掃描，評估各種預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。"最終在線測試結(jié)果令PJM運行人員非常滿意，他們后來多次在各種國際會議上很自豪的進行專題介紹，對清華團隊的工作表示了高度贊賞。

然而各種非技術因素的困擾還在持續(xù)，孫宏斌的團隊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)源進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行了軟件安全掃描。在第一次掃描后，就向?qū)O宏斌的團隊提出了3000多個信息安全方面的問題，采用的軟件安全標準十分嚴苛。盡管拿到掃描結(jié)果感覺"崩潰和震驚"，但團隊成員還是全力以赴，花了3個月的時間進行答復并做出適應性修改。這樣的安全檢查共進行了三輪，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，科研團隊表現(xiàn)出不畏艱難、堅忍不拔的意志品質(zhì)。

這一系列努力不僅使孫宏斌團隊研發(fā)的系統(tǒng)成為美國電網(wǎng)第一個自動電壓控制系統(tǒng)，也成為我國先進電網(wǎng)控制系統(tǒng)對美國的首例輸出。隨后，相關技術成果又進一步推廣到馬來西亞國家電網(wǎng)和加拿大BCHydro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。

"該成果的取得，需要攻克四方面的技術難題：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)模預想事故集的巨型電網(wǎng)安全和經(jīng)濟協(xié)同控制問題。"孫宏斌說。

"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讓運行人員能夠更好的駕馭日益復雜的電網(wǎng)。"郭慶來說，"我們的系統(tǒng)已經(jīng)被國內(nèi)大部分電網(wǎng)應用，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。"

在實際應用中，孫宏斌團隊研發(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。在美國PJM電網(wǎng)持續(xù)半年的運行數(shù)據(jù)也表明，該系統(tǒng)實現(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)濟效益的同時，五個關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，近年來我國風機裝機容量位居世界首位，光伏裝機占第二位，面臨著大規(guī)模的可再生能源接入電網(wǎng)的問題。然而，風、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)的安全運行帶來威脅，這也成為我國大規(guī)模可再生能源接入電網(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。截至2015年底，已在我國6個大型風光基地應用（占我國全部10大風光基地的6/10）和102座大型風光場站應用，已經(jīng)接入?yún)f(xié)同控制的風/光能源總裝機48.7GW，占全國并網(wǎng)風/光能源總裝機的37%，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。

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Prof.BOSE認為該成果"使中國在電壓控制領域遙遙領先于世界"。IEEE連鎖故障工作組主席、美國電科院電網(wǎng)運行與規(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發(fā)展和應用兩方面都具備了領先地位"。在2010年清華大學電機系的國際學科評估中，該成果被國際專家認為已達到世界領先（worldleading）水平。

"如果沒有20多年的基礎研究積累，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。"孫宏斌總結(jié)到，"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。"

原標題:"復雜電網(wǎng)自律-協(xié)同無功電壓自動控制系統(tǒng)關鍵技術及應用