| 復(fù)雜電網(wǎng)自律-協(xié)同自動(dòng)電壓控制關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)研制與工程應(yīng)用 |
| 2019/1/15 17:43:33 |
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從“束之高閣”到被廣泛應(yīng)用，孫宏斌教授帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)了20余年持續(xù)研究和產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，構(gòu)建了“自律協(xié)同”的復(fù)雜電網(wǎng)AVC技術(shù)體系，研制出世界上首套復(fù)雜電網(wǎng)AVC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代電網(wǎng)電壓控制“從人工到自動(dòng)的跨越”，有力保障了我國(guó)電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)美國(guó)的首例輸出。而這項(xiàng)“復(fù)雜電網(wǎng)自律-協(xié)同自動(dòng)電壓控制關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)研制與工程應(yīng)用”項(xiàng)目，在1月8日召開(kāi)的2018年度國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上獲得科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
電的質(zhì)量
電的質(zhì)量如何，關(guān)鍵之一在于電壓質(zhì)量。對(duì)電力系統(tǒng)而言，負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生變化，故障不可避免，要維持系統(tǒng)的電壓安全，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。以前各國(guó)都采取的是依靠人工分散控制的方法，在各級(jí)電網(wǎng)的控制中心和發(fā)電廠、變電站等地方，都有24小時(shí)值班的調(diào)度操作人員，他們時(shí)刻盯著電網(wǎng)電壓的情況，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)逐級(jí)撥打電話(huà)，要求相應(yīng)的單位進(jìn)行調(diào)整。這種方法不僅耗費(fèi)巨大人力，還不利于從全局的角度協(xié)調(diào)整個(gè)電網(wǎng)的安全。
在復(fù)雜電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的自動(dòng)電壓控制是一個(gè)重大的難題。一方面控制對(duì)象復(fù)雜，尤其近年來(lái)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(wèn)題；第二是控制模式復(fù)雜，我國(guó)的互聯(lián)大電網(wǎng)是由空間上分布的多級(jí)控制中心共同調(diào)度的，電網(wǎng)互聯(lián)而控制分布。如何在最短時(shí)間內(nèi)讓計(jì)算機(jī)做出最優(yōu)決策，通過(guò)三四百個(gè)控制中心的協(xié)同，讓特大電網(wǎng)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓時(shí)刻控制在安全范圍之內(nèi)，是個(gè)難題；第三是數(shù)學(xué)問(wèn)題復(fù)雜，這是一個(gè)含大規(guī)模復(fù)雜約束的混合整數(shù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃問(wèn)題，本身求解起來(lái)就有難度。
一邊是物理，一邊是數(shù)學(xué)，二者的完美融合成為解決復(fù)雜電網(wǎng)問(wèn)題的破題之筆，為AVC技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。而用物理思維來(lái)思考數(shù)學(xué)問(wèn)題的習(xí)慣，也在孫宏斌的國(guó)家精品課——電力系統(tǒng)分析課上得到了充分體現(xiàn)：一頁(yè)P(yáng)PT中，左邊是物理網(wǎng)絡(luò)，右邊數(shù)學(xué)方程。方程就是網(wǎng)絡(luò)的完整數(shù)學(xué)代表，根據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)可以寫(xiě)出完整的數(shù)學(xué)方程，根據(jù)數(shù)學(xué)方程也可以還原為物理網(wǎng)絡(luò)。孫宏斌覺(jué)得這樣對(duì)稱(chēng)的形式，至少能保證學(xué)生對(duì)物理機(jī)理和數(shù)學(xué)方法有一個(gè)融會(huì)貫通的過(guò)程。
但是，由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)并不具備電壓控制應(yīng)用的相關(guān)條件，孫宏斌提出的主從分裂理論沒(méi)有找到對(duì)應(yīng)的應(yīng)用舞臺(tái)，被“束之高閣”。直到江蘇電網(wǎng)找到孫宏斌，成為“吃螃蟹的第一人”！皩O老師當(dāng)時(shí)做的工作確實(shí)起到了基礎(chǔ)性的奠基作用！弊鳛閳F(tuán)隊(duì)中在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)待的時(shí)間最長(zhǎng)的人、項(xiàng)目第二完成人的電機(jī)系副教授郭慶來(lái)深有感觸，“這也是工程學(xué)科的一個(gè)特點(diǎn)。要做頂天立地的研究，可能必須經(jīng)歷這樣的一個(gè)階段，先有前瞻性的思考和基礎(chǔ)研究，后有扎實(shí)落地的應(yīng)用與推廣！
讓電網(wǎng)控制系統(tǒng)走出實(shí)驗(yàn)室
2002年，對(duì)自動(dòng)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(kāi)展合作。在此之前，江蘇電網(wǎng)還曾找過(guò)其他研究機(jī)構(gòu)，都因?yàn)樵撓到y(tǒng)研發(fā)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(méi)有猶豫就接受了這個(gè)挑戰(zhàn)，并將理論研究與工程實(shí)踐深度結(jié)合。
功夫不負(fù)有心人。當(dāng)其他同學(xué)在使用仿真數(shù)據(jù)時(shí)，郭慶來(lái)已經(jīng)拿到了一手的現(xiàn)場(chǎng)電壓控制數(shù)據(jù)，完成了自己的博士論文，延續(xù)著自動(dòng)電壓控制團(tuán)隊(duì)的傳統(tǒng)——來(lái)源于工程，還原于工程。“這是工科的特點(diǎn)，我覺(jué)得清華的工科老師們首先要了解現(xiàn)場(chǎng)，否則很難做原創(chuàng)性的工作。從paper到paper是把不準(zhǔn)工業(yè)發(fā)展的脈搏的，因?yàn)槟愀静恢勒嬲默F(xiàn)場(chǎng)新需求。”正是為了保障控制的可靠性，孫宏斌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)結(jié)合不同電網(wǎng)的特點(diǎn)和需求，發(fā)明了一系列控制技術(shù)，授權(quán)專(zhuān)項(xiàng)108項(xiàng)。
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(lì)。他們沒(méi)有停歇，馬不停蹄地開(kāi)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(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)不斷進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)。越來(lái)越多的各級(jí)電網(wǎng)開(kāi)始應(yīng)用他們研發(fā)的系統(tǒng)。通過(guò)與多個(gè)合作伙伴的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合，截止目前，他們的系統(tǒng)已經(jīng)全部覆蓋我國(guó)7大區(qū)域電網(wǎng)，大規(guī)模應(yīng)用于我國(guó)40個(gè)省級(jí)電網(wǎng)和306個(gè)地區(qū)電網(wǎng)，閉環(huán)控制了全國(guó)81%的水/火電、88%的220kV以上變電站和55%的集中并網(wǎng)風(fēng)機(jī)/光伏。
讓電網(wǎng)控制系統(tǒng)走向世界
如果說(shuō)在國(guó)內(nèi)的成功應(yīng)用是孫宏斌一直以來(lái)的目標(biāo)，那把該系統(tǒng)成功輸出到美國(guó)，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(shí)全球最大的區(qū)域電網(wǎng)公司，負(fù)責(zé)美國(guó)首都華盛頓特區(qū)和東部13個(gè)州的電網(wǎng)安全運(yùn)行和電力市場(chǎng)服務(wù)，總用電占全美的1/6。引入自動(dòng)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(guó)教授開(kāi)展了研究合作，但效果并不理想。在此背景下，他們將目光瞄向了清華大學(xué)。
PJM電網(wǎng)是擁有1.3萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)、1.9萬(wàn)條支路的復(fù)雜大電網(wǎng)，而且按照電力市場(chǎng)要求，自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)還要保證在5500個(gè)復(fù)雜預(yù)想故障發(fā)生后，所有節(jié)點(diǎn)電壓運(yùn)行仍安全合格。“5500個(gè)故障乘以13000個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，需要系統(tǒng)快速計(jì)算出來(lái)并用于決策和控制，如果完整建模這個(gè)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題，根本無(wú)法直接求解，更談不上用于實(shí)時(shí)控制。”郭慶來(lái)在接受采訪時(shí)說(shuō)。
然而，美國(guó)的大門(mén)并沒(méi)有那么容易打開(kāi)。接下來(lái)，孫宏斌的團(tuán)隊(duì)還面臨著PJM嚴(yán)酷的長(zhǎng)達(dá)半年的在線(xiàn)不間斷測(cè)試和美國(guó)聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)歷時(shí)三年零四個(gè)月的嚴(yán)苛的信息安全檢查！拔覀円獣r(shí)刻關(guān)注評(píng)估結(jié)果，因?yàn)闇y(cè)試是不停止的，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就要立刻連軸轉(zhuǎn)的解決，以避免影響后續(xù)的測(cè)試！睂O宏斌說(shuō)。“這是我們走出去的重要機(jī)會(huì)。壓力非常大，春節(jié)也一直盯在美國(guó)！
這一系列的堅(jiān)持和努力使孫宏斌團(tuán)隊(duì)研發(fā)的系統(tǒng)成為美國(guó)電網(wǎng)第一個(gè)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)，美國(guó)能源部顧問(wèn)、電網(wǎng)運(yùn)行和控制權(quán)威、美國(guó)工程院院士博斯表示，該成果“使得中國(guó)在電壓控制領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先于世界”。
電網(wǎng)中的新挑戰(zhàn)就是新使命
20年的深耕不輟為電網(wǎng)運(yùn)行換來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，顯著地降低電網(wǎng)輸送過(guò)程中的損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)在江蘇電網(wǎng)投運(yùn)后，一年的時(shí)間里可節(jié)約近1億度電的損耗，相當(dāng)于年節(jié)省開(kāi)支約5000萬(wàn)人民幣。“中國(guó)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！睂O宏斌說(shuō)，“而通過(guò)我們的自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)，不需要增加任何設(shè)備投入，僅通過(guò)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，孫宏斌團(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)，截止到目前，AVC系統(tǒng)已經(jīng)在全部13個(gè)大型風(fēng)/光匯集區(qū)得到應(yīng)用，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。
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