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张伯明教授带领团队研发的“三维协调的新一代电网能量管理系统关键技术及应用”获国家技术发明二等奖

驾驭飞驰的电能

●学生记者 刘晓菲

  如果把国家比作人体,那么电网就是产生能量的“机体细胞”和输送能量的“血管”。我们需要一个“大脑”,指挥身体各处能量传输到需要的地方。电网能量管理系统(EMS)正是电网控制中心的“大脑”。

 张伯明(中)与团队成员进行讨论(刘煜原 摄影)

  近几年,我国电力工业迅猛发展,电力电量均已居世界第二。如何保证电网安全运行,事关国计民生。电机系张伯明教授带领团队在传统EMS基础上,做出了重大的改革和创新,开创了新一代三维协调的电网能量管理系统,它可以高度智能化地帮助调度人员调控电网,避免发生事故,确保电网安全、稳定、经济地运行。

  三维协调,构筑电能管理新方法

  EMS的发展在世界上已有近40年的历史,在中国也有将近20年的历史。随着电网的不断发展,电网运行在空间、时间、控制目标等三个方面表现出的复杂性日益增加,而传统EMS对电网的调度控制在这些方面缺乏良好的协调。

  空间维度的含义是对各个区域电网进行空间维度的协调。传统的EMS技术通常按照管辖区建立自己的模型,不考虑和相邻电网的协调,这样的电网通常是分离的个体,而不是统一协调的整体。新一代的EMS技术通过软件等技术手段,实现了在全局电网层面的调度控制模型的协调统一。

  时间维度的含义是实现慢过程的调整和快过程的控制之间的协调。以发电调度控制为例,电力系统运行要求供需时刻保持平衡,发电机输出电力要随时根据消耗的电力进行调整。传统EMS需要在之前一天估测第二天每个时间段使用的电力,制定出一个以小时为时间段的发电计划,发给各电厂,各电厂再依照这个计划进行发电。这样事先做出的计划在实际运行中很容易出现供求不平衡,通常依赖少量能快速改变输出电力的机组和调度员的电话指挥来解决。而新一代的EMS包含了一个可以实时监控电力供求的软件,每隔5分钟就对小时级的发电计划和秒级的实时发电控制进行时间维度的协调,自动下达控制命令,调整发电机的输出功率,时刻维持供求平衡,既提高发电效益,又保证电能质量。

  目标维度的含义是综合考虑安全经济等多个控制目标,经过全面分析后给出调度控制的辅助决策。在电力系统运行出现脆弱情况时,及时给出安全稳定预警信息,进行预防控制;在电力系统运行出现紧急情况时,能够迅速反应,快速给出调度控制决策。

  经过空间、时间、目标三维协调后实施的电力系统调度控制,其结果更准确、更全面、更及时,从而有效地保证了电网运行更安全、更稳定、更经济。

  团结协作,握紧拳头打硬仗

  “三维协调的新一代电网能量管理系统关键技术及应用”项目的成功,与张伯明领导的优秀团队分不开。这个团队的成员各有特点,结合在一起又能发挥各自优势。除张伯明外,该项目其他获奖人都是张伯明指导过的研究生。张伯明介绍说,这个团队有10多年的合作历史,成员在工作中不分你我,各自发挥所长,为一个共同的目标而奋斗。为使专利技术被电力公司理解和采用,有人满怀激情地宣传讲解;为了破解成果应用中的技术难题,有人反复调试,查解问题;为使控制系统能闭环运行,有人长时间蹲守现场,经常通宵达旦,为系统闭环控制保驾护航。再苦再累没有怨言,大家握紧一个拳头,为了同一个目标,团结奋斗。

  正是有了大家的各展所长、分工合作,团队才能持续攻克一个个难关,取得了创新性的成果。

  艰苦创业,没有条件创造条件也要上

  “三维协调的新一代电网能量管理系统关键技术及应用”这个项目从1993年开始,历经16年,中间也遇到无数的困难。

  令张伯明记忆犹新的是创业之初的艰辛。他回忆说,研究需要计算机,而那时候计算机特别贵,而且性能还不好。为了让更多的同学参与工作,当时就想办法买了一台486计算机,安装上SCO UNIX ODT,配一个多终端卡,再用一些小软件。这样,一台现在看来性能很差的486计算机就可以供六七个人同时使用。张伯明指着自己的办公室说:“这间屋子在1993年的时候就是我们唯一的实验室,左右两边各放5台计算机终端,10个人其实共用的就是两台计算机。”

  炎热的夏季,七八个同学挤在一间屋子里,吹着一个电扇,但大家还是乐此不疲地工作。张伯明说,1999年,深圳供电局需要我们两个月之内完成他们的EMS项目,否则直接影响生产。为此,团队成员集体加班,好多天都要工作到凌晨两三点钟。当时条件很差,数据不全,我们想尽各种办法解决。“有时加班太晚,西主楼门都锁了,有的同学就干脆睡在这间屋子里。”

  勇于创新,攻破技术难关

  在整个项目的进行中,有一些需要攻克的关键技术,张伯明带领团队挑战传统,勇于创新,最终突破了技术瓶颈,取得了优秀成果。

  无功电压控制是众多关键技术中比较困难的一个。由于电压的控制只能分区进行,如何给电网分区就成为这项技术的核心所在。世界上无功电压控制技术最好的国家是法国,他们采取的是一种“硬分区”模式,即通过计算将电网分成固定的区域,区域一经划定,就不再改变。而这种技术显然不适合中国,因为我国电网发展很快,电网的布局不断改变,现在划分的固定区域很有可能过一段时间就不再适用了。张伯明带领团队大胆创新,提出了“软分区”的概念,实现了自适应软件自动分区,这样就保证了自动电压控制的有效进行。这项“电力系统基于软分区的电压控制方法”专利在2008年获得了首届北京市发明专利二等奖。

  如何在空间维进行协调统一也是一项很具挑战性的技术。以广东省为例,广东省电网有21个地区电网调度中心,每个调度中心都独立建立了自己管辖电网的模型,很难达到整体协调。但让每个调度中心都建立一个全局电网的模型,既不现实,工作量也太大。如何解决这一矛盾?张伯明和他的团队发明了“电力系统外网等值自动生成方法”专利技术。在上级调度中心汇总各个子网的模型,合并成为全局网的模型,然后再把全局电网模型针对各个区域抽象成外部等价的模型,地区电网调度中心使用这个等值模型后,在自己电网上进行的各种分析计算就和使用全局电网模型一样了。

  辛勤推广,清华技术走向世界

  与每项新技术一样,“三维协调的新一代电网能量管理系统关键技术及应用”在推广初期也遇到了很多不理解和不信任。由于他们的成果具有较高的创新性,而传统的EMS已经使用了将近20年,多数应用部门还是倾向于按部就班,沿用以前的系统。

  但张伯明及团队成员以坚持不懈的努力和认真负责的态度打动了很多应用部门,让项目成果得以在实践中施展。

  目前,这个项目的成果已经被包括江西、河北、河南、山西和吉林电力调度中心等12个省级用户,包括华北、华中电力调度通信中心等4个网级用户采用,在应用中已经取得了重大的经济效益和社会效益。据部分统计,直接经济效益已经达到42463.83万元。应用这项技术,一个省级电网每年可以减少电能损失近一亿度。

  这项技术不仅在国内得到了推广,也受到国外电网的青睐。2008年,世界上最大的电网公司——美国PJM电网公司和我校签订合同,引入该项无功电压控制技术。目前,项目第一阶段工作已经完成,得到了美国方面的认可,项目第二阶段工作正在进行中。这是我国电网调度自动化方面的专利技术首次走出国门。

  不计得失,志在长期为社会做贡献

  “三维协调的新一代电网能量管理系统关键技术及应用”这一研究成果的意义不仅在于提出了一种新的管理电能的方法,更重要的是,它为下一代的电力控制中心提供了前沿构想。在这项成果出现之前,一般的研究都是基于局域电网的、基于静态断面的、基于单目标优化的,这项成果把研究方向带领到了全局的高度上。

  很多国外专家都对这项技术给予了很高的评价。国际上被誉为电力系统调度自动化之父的Tomas E. DyLiacco 博士评价这一项目时写道:“新一代EMS无疑是当今最新的科技进展,它在中国的实现属国际领先。”美国电力科学研究院的高级技术执行官Stephen T. Lee 博士认为:“三维协调的新一代EMS是下一代EMS的前沿构型,时间、空间和目标这三维代表了组织EMS应用的一个简明而全面的框架。”

  谈及这些成绩,张伯明说:“我们的成功在于小组成员长期不计个人得失的努力。我们并不看短期对个人的影响,而是看长期10年、20年对国家、对社会的贡献。如果我们一开始就着眼于个人发展的话,那么做了5年还没有出成果,也许我们就做不下去了,就要换方向了。但是我们并不在意个人的得失,这项研究做了十几年,我们坚持下来了,也取得了很好的成果。获奖并不是我们的目的。我们最高兴看到的是我们的技术被社会采纳,为社会创造价值。得到社会的认可是最值得骄傲的事情。”

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2009-06-08]
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