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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

2019/1/15 17:43:33

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。

电的质量

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。

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。

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。”

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。

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。

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

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。

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