國家科學技術進步一等獎 | 為電網裝上「超強大腦」:孫宏斌和他的自動電壓控制團隊

2021-02-13 清華大學

在複雜電力系統中實現系統級的自動電壓控制是一個重大的難題。一方面控制對象複雜,尤其近年來大規模間歇式可再生能源集中饋入到了原本就非常複雜的特大電網中,進一步引發了新問題;第二是控制模式複雜,我國的互聯大電網是由空間上分布的多級控制中心共同調度的,電網互聯而控制分布。如何在最短時間內讓計算機做出最優決策,通過三四百個控制中心的協同,讓特大電網上每個節點的電壓時刻控制在安全範圍之內,是個難題;第三是數學問題複雜,這是一個含大規模複雜約束的混合整數動態規劃問題,本身求解起來就有難度。

「為了應付這種複雜性,我們採取了『自律協同』的技術路線。」孫宏斌將這種技術路線描述為一個「蹺蹺板」:一邊是自律,一邊是協同,通過自律使控制簡化、可靠、敏捷,通過協同,保證目標一致、全局最優,而他們所做的就是如何在自律與協同之間找到那個微妙的平衡點。孫宏斌說:「我們正是踩在了自律和協同之間最難的地方。」

那麼如何簡化複雜問題呢?孫宏斌巧妙地利用物理學知識,提出了主從分裂理論。「根據大規模電網的主從式物理特性,先把主從系統撕裂開分別進行自律,然後通過相互通訊把它協同起來。而協同的好不好,即最優性取決於系統相互作用的物理機理。」

一邊是物理,一邊是數學,二者的完美融合成為解決複雜電網問題的破題之筆,為AVC技術的廣泛應用打下了堅實的理論基礎。而用物理思維來思考數學問題的習慣,也在孫宏斌的國家精品課——電力系統分析課上得到了充分體現:一頁PPT中,左邊是物理網絡,右邊數學方程。方程就是網絡的完整數學代表,根據物理網絡可以寫出完整的數學方程,根據數學方程也可以還原為物理網絡。孫宏斌覺得這樣對稱的形式,至少能保證學生對物理機理和數學方法有一個融會貫通的過程。

但是,由於當時國內並不具備電壓控制應用的相關條件,孫宏斌提出的主從分裂理論沒有找到對應的應用舞臺,被「束之高閣」。直到江蘇電網找到孫宏斌,成為「吃螃蟹的第一人」。「孫老師當時做的工作確實起到了基礎性的奠基作用。」作為團隊中在項目現場待的時間最長的人、項目第二完成人的電機系副教授郭慶來深有感觸,「這也是工程學科的一個特點。要做頂天立地的研究,可能必須經歷這樣的一個階段,先有前瞻性的思考和基礎研究,後有紮實落地的應用與推廣。」

「必須要有人坐『冷板凳』」,對孫宏斌而言,「這個研究是國家發展的需要。」

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