美国电网里的中国“调节员”

来源：中国科学报 2-2 陈彬

　　现代人的生活已经离不开电了。但您是否想过，电也有质量差别吗？

　　“评判电的质量如何，关键标准之一就是电压是否平稳。但由于电力系统不同位置的负荷经常变化，故障发生在所难免，这也导致我们输送的电压经常发生变化，需要进行实时调节。”清华大学电机系教授孙宏斌说，尤其在大范围的复杂电网中，一处电压的骤变甚至会引发多米诺骨牌效应，引发大面积停电事故。

　　要保证电网的安全运行，需要实时控制电网电压。以前国际上基本都采取人工24小时值班调度制度。这种方式不仅耗费巨大的人力，而且效率非常低。因此，在电网里安置一个自动“调节员”，通过实时采集电网数据进行分析，对电网中的各类无功电压控制设备进行协调控制，以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。

　　2002年，孙宏斌团队研发的自动电压控制系统首次在江苏电网开展闭环试验取得成功。此外，他们针对近年来我国大规模出现的风、光发电中，能量间歇性输入所导致的电网电压快速、大幅度波动问题，进一步研发了大规模风电汇集接入的自律协同电压控制技术。截至2015年底，该技术已在国内6个大型风光基地应用和102座大型风光场站应用，已经接入协同控制的风/光能源总装机量占总量的37%。

　　北美最大的区域电网PJM负责全美用电量1/6规模的电网，此前，他们曾与美国教授开展了电压自动控制系统的研究合作，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。”采访中，该团队成员、清华大学电机系副教授郭庆来说。

　　经过一番努力，项目组最终想到用博弈方法解决问题的思路，并很快将之实现。此后，团队经受了PJM长达半年、严酷的不间断在线测试。终于凭着过硬的技术，通过美方设置的重重考验。由此，美国电网中安放进了中国创造的“调节员”。

　　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”。

　　该系统在江苏电网投运后，一年内节约近1亿度电的损耗。而在美国PJM电网持续半年的运行数据也表明，该系统已经实现了节能降损收益约850万美元。

　　“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地驾驭日益复杂的电网。”孙宏斌说，“我们的系统已经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。”