清华大学孙宏斌教授团队攻克复杂电网自动控制关键技术
2016年1月15日，由清华大学电机系孙宏斌教授团队完成的“复杂电网自律-协同无功电压自动控制系统关键技术及应用”成果鉴定会在清华大学举行。经讨论，鉴定委员会的专家们一致认为，该项目取得了重大的原创性科研成果，整体上达到了国际领先水平，引领了电力系统电压控制领域的发展与技术进步，一致同意通过鉴定。专家们表示，该项目成果已经在我国大部分网省级电网和大型可再生能源基地推广应用，在我国电网的安全运行、节能减排和大规模可再生能源接纳等方面取得了巨大的社会经济效益。项目成果已经在北美最大区域电网PJM成功应用，填补了北美在该领域应用的空白，是我国先进大电网控制系统首次输出北美，具有里程碑意义。
“复杂电网自律-协同无功电压自动控制系统关键技术及应用”
成果鉴定会在清华大学举行
“复杂电网自律-协同无功电压自动控制系统关键技术及应用”项目经历20多年研发，攻克了无功电压自动控制从单控制中心到多级控制中心、从常规电网到可再生能源接入电网、从中国电网到北美电网应用中的系列关键技术难题，构建了复杂电网自律协同电压控制的技术体系和标准，研制了具有完全自主知识产权的无功电压自动控制系统。项目经历了14项国家级课题，申请发明专利近90项，发表论文200余篇，境外专题特邀报告20余次。
让电压控制从人工走向自动
现代人的生活已经离不开电，对于用户来说，电的质量如何关键之一在于电压的质量。对于电力系统而言，负荷是经常发生变化的，故障的发生也难以避免，要维持系统电压的安全和优质，就需要实时地进行调节。电压的安全直接影响着电网的安全，电压的品质决定着电能的品质。“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。”清华大学电机系教授、该成果的项目负责人孙宏斌形象化地说，“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。”最近二十年国际上的历次大停电事故，都反映了对于电网这种极其复杂的网络系统，其电压安全性是一个世界性的难题。
要保证电网的安全运行，需要实时的控制电网的电压。以前我国采取的是依靠人工、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。这种方式不仅耗费巨大的人力，依赖于调度人员的经验，而且常常在实际操作中出现运行人员只局限于本地信息，并不能从有利于整个电网全局的角度做出有效的协调。
因此，通过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，以使得整个电网时时刻刻处于最佳的电压状态，保障电网运行的安全和经济，成为电网运行越来越迫切的需求。而实现这一目标的方法，就是自动电压控制系统，它与自动发电控制系统共同构成了现代电网系统级自动控制的两大核心。
但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，如何协调是难题；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。
“为了应对这种复杂性，我们采用了’自律+协同’的技术路线”，孙宏斌介绍说，“控制对象复杂，我们就根据特性将其分成不同的群，自己做自律控制，从而使问题简化，但又不能放任每个部分各自为政，就再通过方法将大家协同起来，劲往一处使，达到全局最优的目标。类似的，为了应对控制模式的复杂，我们就结合调度分工的要求首先实现自律控制，然后再通过控制中心间的双向信息互动，让位于不同城市的控制中心协同工作，使电网在更大范围内实现优化的电压分布。而复杂的安全经济多目标优化问题也被首先分解为相对简化的安全和经济两个子问题自律求解，然后再通过合作博弈把二者协同起来”。孙宏斌最后把这种技术路线形象的形容为一个跷跷板，“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，而我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。”
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，有十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，还是一名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。
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。而在此之前，江苏电网还曾找过其他公司，但因为该系统研发运行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。在江苏电网进行的第一次闭环试验中，当时还是一名博士生的课题组成员、电机系副教授郭庆来在机房整整守了72个小时没敢离开。“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。”郭庆来说，“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。”
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。截止2015年年底，他们的系统已经在我国华北、华东、华中、西北、南方、西南6大区域电网（占中国全部区域电网数量的6/7）和北京、天津、重庆、江苏等22个省级电网（占中国全部省级电网数量的2/3）得到推广应用，共接入常规电厂716座，总装机容量7.55亿千瓦（占全国水火电装机总容量的56%）。
让电网控制系统从中国走向美国
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，他们为此与美国一流大学的著名教授开展了长期的合作，然而效果并不理想。正是在这种情况下，孙宏斌收到了PJM邀请他前去技术交流的邮件。
2008年的大年初一，孙宏斌第一次来到PJM的总部，与他们的专家进行面对面的交流。为了这次交流，在此前的两个星期，孙宏斌“闭关”潜心做好准备，因为他意识到，这是自己团队的成果走出国门的重要机会。然而交流刚一开始，孙宏斌就明显感觉到了对方的忽视，“基本没有人认真在听，他们大概认为中国人根本不可能解决。”孙宏斌说。但随着讲解的深入，一个个有说服力的来自中国工程应用现场的案例展示出来，孙宏斌渐渐感觉现场气氛明显变化，对方开始针对他的介绍展开了热烈的讨论。当交流结束的时候，PJM的主管经理仍激动不已，立刻就带着他去参观了控制室，这原本是需要提前一个月预约并经过安全审核才能进入的地方。
当进入实际合作的阶段，孙宏斌和他的团队立刻发现了难住美国著名教授的问题所在：PJM电网是拥有13000个节点、19000条支路的复杂大电网，按照美国电力市场机制的要求，引入自动电压控制系统后，不仅初始基态运行方式要更优，还要保证在5500个复杂预想故障发生后的运行仍然安全合格。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。
“那段时间里，我们课题组每个人的脑袋里萦绕的都是这个问题，大家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。对此，PJM电网高级战略师Jianzhong Tong博士曾评价说：“美国一流大学的著名教授没有做到，清华教授做到了。”
虽然解决了这一难题，美国的大门也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，为此，团队成员前后两次赴美参与现场测试。“每轮控制的计算结果第一时间自动送给第三方软件扫描，评估各种预算故障下的控制效果，压力非常大，春节也一直盯在美国。”郭庆来说，“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。”最终在线测试结果令PJM运行人员非常满意，他们后来多次在各种国际会议上很自豪的进行专题介绍，对清华团队的工作表示了高度赞赏。
然而各种非技术因素的困扰还在持续，孙宏斌的团队紧接着又面临着信息安全的挑战。PJM电网规模巨大，更涉及到美国首都电网的安全。美国联邦能源监管委员会（FERC）提出了对系统源代码进行安全扫描的不公平要求。由于软件庞大，对方成立了专门工作组进行了软件安全扫描。在第一次扫描后，就向孙宏斌的团队提出了3000多个信息安全方面的问题，采用的软件安全标准十分严苛。尽管拿到扫描结果感觉“崩溃和震惊”，但团队成员还是全力以赴，花了3个月的时间进行答复并做出适应性修改。这样的安全检查共进行了三轮，总共历时三年零四个月，最终得以通过。在整个漫长而艰辛的安全检查过程中，科研团队表现出不畏艰难、坚忍不拔的意志品质。
这一系列努力不仅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，也成为我国先进电网控制系统对美国的首例输出。随后，相关技术成果又进一步推广到马来西亚国家电网和加拿大BC Hydro电网。
20年奏成“四部曲”
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。
“该成果的取得，需要攻克四方面的技术难题：一是电网结构变化时控制系统结构的自适应调整问题，二是多级控制中心的分布式协同控制问题，三是大规模间歇式可再生能源接入弱网的电压大幅度快速波动和联锁脱网问题，四是考虑大规模预想事故集的巨型电网安全和经济协同控制问题。”孙宏斌说。
“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的驾驭日益复杂的电网。”郭庆来说，“我们的系统已经被国内大部分电网应用，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。”
在实际应用中，孙宏斌团队研发的自动电压控制系统能够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。在美国PJM电网持续半年的运行数据也表明，该系统实现了节能降损收益约850万美元，在显著降低网损取得巨大经济效益的同时，五个关键输电通道的传输极限分别提高了7.6%~16.1%，为PJM电力市场带来了巨大的电价降低效益，此外还提高了供电可靠性带来的社会效益。“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，近年来我国风机装机容量位居世界首位，光伏装机占第二位，面临着大规模的可再生能源接入电网的问题。然而，风、光发电等可再生能源的输入是间歇性的，会引起电网电压的快速、大幅度波动，甚至诱发大规模连锁脱网事故，给电网的安全运行带来威胁，这也成为我国大规模可再生能源接入电网的主要障碍之一。
针对这一新出现的重大挑战，孙宏斌的团队提出并实现了大规模风电汇集接入的电压控制技术。截至2015年底，已在我国6个大型风光基地应用（占我国全部10大风光基地的6/10）和102座大型风光场站应用，已经接入协同控制的风/光能源总装机48.7GW，占全国并网风/光能源总装机的37%，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。
美国能源部顾问、电网运行和控制权威、美国工程院院士Prof. BOSE认为该成果“使中国在电压控制领域遥遥领先于世界”。IEEE连锁故障工作组主席、美国电科院电网运行与规划部经理Dr. Zhang评价该成果表示“它使中国的电压控制在技术发展和应用两方面都具备了领先地位”。在2010年清华大学电机系的国际学科评估中，该成果被国际专家认为已达到世界领先（world leading）水平。
“如果没有20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。”孙宏斌总结到，“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。”
