中國儲能網訊：薛禹勝，中國工程院院士，國網電力科學研究院名譽院長，穩(wěn)定性理論及電力系統(tǒng)自動化專家。他發(fā)明的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定EEAC理論與算法在國際上享有盛譽，被公認為電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析和控制的最佳快速解析方法，已成功應用于電力系統(tǒng)在線穩(wěn)定分析和控制，并出口到歐美發(fā)達國家，系列成果獲國家科技進步一等獎1項、二等獎3項、國家技術發(fā)明二等獎1項、國家圖書獎提名獎1項、中國專利金獎及優(yōu)秀獎各1項。
有壓力更有信心
特高壓技術提出后，我就參與了咨詢。雖然我做的工作很少，但仍然切身感受到特高壓技術發(fā)展的艱辛。
2004年年底，國家電網公司提出建設特高壓電網。我們就認真思考它對我國電網運行可靠性可能產生的影響，并及時向國家電網公司調研小組匯報了關于特高壓電網安全性對二次穩(wěn)控系統(tǒng)的要求及對策的思考。
2005年，有關部門對特高壓工程的建設方案進行了大量討論，社會上也對建設特高壓電網提出一些不同看法。國家電網公司高度重視，當年年初就成立了顧問小組，年內我就參加了3次咨詢會議。國家電網公司還委托中國工程院進行專題咨詢。中國工程院廣泛地組織了相關學部的院士組成咨詢小組，同年內我也參與了3次咨詢。咨詢小組聽取了不同觀點的專家意見，經過認真討論后對特高壓工程給出了正面看法，同時要求建設的全過程要嚴謹客觀地論證，進行風險分析，經濟上要做到合理可行。在那一年，還召開了特高壓輸電技術國際研討會，國家發(fā)改委也組織了特高壓技術研討會。
隨著能源安全與環(huán)境安全問題的日益突出，我對特高壓技術開發(fā)必要性的認識越來越深刻，強烈意識到中國一次能源，包括可再生能源的稟賦和地理分布特點對輸電距離提出的嚴峻挑戰(zhàn)。
雖然在理念上，我從一開始就堅信，輸電電壓等級在可行范圍內的提高有益于人類探索客觀世界、掌握自然規(guī)律、促進技術發(fā)展、提高技術與經濟指標，但在實際工作中，我和團隊深感肩上的責任與重擔。
電力界記憶猶新，在500千伏電壓等級出現后的相當長一段時間內，由于新電壓等級的電網尚未強壯到能將220千伏電網開環(huán)運行，故電磁環(huán)網的威脅十分嚴峻。顯然，在只有極少特高壓輸電線路投運期間，類似的風險必然會再現。雖然在相當一段時間內，相關行業(yè)的關注都集中在如何研發(fā)特高壓一次設備及構建特高壓輸電系統(tǒng)，客觀上對其投運后的停電防御問題則無暇充分考慮。但我和團隊清醒地意識到，如何抵御各種內外擾動引發(fā)的大停電將是我們義不容辭的社會責任，必須主動地將此潛在的壓力轉化為當下的行動。
2003年8月14日，北美發(fā)生人類有史以來規(guī)模最大的大停電，涉及8個州以及加拿大安大略省，經濟損失高達300億美元，影響5000萬人口。時任美國總統(tǒng)布什認為，電網的安全穩(wěn)定對國家安全至關重要。此后，國際電力界一直在廣泛反思：為什么被認為國際上最強大的北美東部電網卻未能在大停電的長過程演化中予以制止。該事件發(fā)生不到1個月，我發(fā)表了題為《綜合防御由偶然故障演化為電力災難—— 北美“8·14”大停電的警示》的文章，指出就事論事并不能有效避免再次發(fā)生大停電，而必須找到其深層次機理。指出人們在本來完全可以有作為的時間段內，卻只能聽任一連串的相繼故障發(fā)生，并拖延了如此長的時間才恢復供電，究其原因是：沒有建立綜合考慮體制、運營、監(jiān)管、規(guī)劃、信息、運行、控制、科技和人才等影響因素的停電防御框架。這是國際學術界第一次提出停電防御框架的概念。
就在我苦苦構思該框架的具體構成時，中國建設特高壓電網的議題被提出。這促使我們將停電防御框架的實現與特高壓電網的需求結合，大大推進了對停電防御體系研究的進度及深度，進一步拓展了中國獨創(chuàng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性量化算法，而其研究成果又支撐了特高壓工程的建設、運行與控制。
雖然在線穩(wěn)定分析與控制環(huán)節(jié)在特高壓工程的初期并不是問題的焦點，但首條特高壓輸電線路一投運，該環(huán)節(jié)的影響將立刻被突出。留給我們的時間不多，我和團隊感到的壓力可想而知。無論在去機場途中還是在飛機上，只要沒人與我交談，我馬上就會陷入沉思，而旅途的顛簸與周圍的喧鬧幾乎不能影響我。我思索的核心問題是如何保證特高壓輸電線路投運后的電力系統(tǒng)安全與穩(wěn)定?？茖W上的探索欲、社會責任感及工程使命感高度融合，使我們明知征途艱辛但仍然充滿信心。
是挑戰(zhàn)更是機遇
特高壓技術的研發(fā)及工程建設是中國對世界電工及電力技術的重大貢獻，我認為非常了不起。廣大的電氣工程學術界、裝備制造及工程運行人員的努力值得大書特書。
2004年中國提出發(fā)展特高壓技術的當時，其電工技術、電工裝備制造及電力系統(tǒng)習慣于跟隨國際經驗，裝備制造、電網規(guī)劃和運行都缺乏足夠的創(chuàng)新意識及能力。根據我的觀察，當時對特高壓的適用性與經濟性的討論還并非爭論的核心，而最大的懷疑也許是既然發(fā)達國家都先后放棄了交流特高壓技術的開發(fā)，因此它是落后的技術，以及中國開發(fā)特高壓技術的必要性及能力。說實話，當時我對諸如特高壓的環(huán)境影響、一次裝備的可靠性等也有顧慮。國家電網公司決策層堅持走自己的路是有很大勇氣的，現在回頭看，特高壓對中國裝備制造業(yè)與電力界創(chuàng)新發(fā)展的促進作用不可磨滅。
單就我的專業(yè)范圍而言，建設特高壓電網也面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。即使不考慮特高壓輸電，大停電防御問題國際上也在摸索。而特高壓電網會帶來哪些新的靜態(tài)及動態(tài)行為，應該如何應對等一系列問題則進一步增加了挑戰(zhàn)性。
我從1978年開始，一直在國網電力科學研究院從事電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制的研究，1987年發(fā)明了擴展等面積準則EEAC，解決了電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性定量分析這一世界性難題，開創(chuàng)了時變非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性量化分析的研究領域。到目前為止，其他的方法都是定性方法，就像盲人的探路棍，無法覺察臨近的風險。而EEAC的量化功能使運行人員能直接估計系統(tǒng)在擾動下離開崩潰狀態(tài)還有多遠，猶如導盲犬對盲人的指引，掌握離開障礙物的距離并及時調整行走路線。而這正是可以幫助運行控制人員規(guī)避大停電的最關鍵信息。
特高壓輸電把原來地理位置很遠，相互影響較小的多個區(qū)域電網的電氣距離大大拉近了，使電網對擾動的敏感性進一步提高。如果停電防御系統(tǒng)沒有很好地協(xié)調，就很可能由于相繼故障而大范圍地影響供電可靠性。我們認識到在線穩(wěn)定分析與控制環(huán)節(jié)必須要有源頭性的突破，才能可靠保證特高壓電網的安全運行。
團隊對特高壓交直流混聯電網工程完成了穩(wěn)定分析、穩(wěn)定控制系統(tǒng)協(xié)調配置及安全控制策略設計。用EEAC理論揭示了特高壓直流接入對交流電網暫態(tài)穩(wěn)定性影響的機理，提出了綜合特高壓直流調制功能的電壓協(xié)調控制方法及利用解列聯切機組抑制相繼失步的主動防御方法，解決了穿越功率突降導致系統(tǒng)過電壓問題，提高電網抵御極端嚴重故障的能力。發(fā)現了遠方故障導致的暫態(tài)多失穩(wěn)模式現象及失穩(wěn)模式易變現象，并成功揭示了其機理。提出了特大型同步電網嚴重故障下的主動防御方案。
在系統(tǒng)保護裝置方面也解決了特高壓輸電線路非周期分量衰減時間常數大而引起低壓解列誤動，及正確區(qū)分對稱性短路與失步振蕩的困難。解決了當受端無故障跳閘時，送端由于空充電流大而拒動的問題。提出用直流信號模擬量輸出控制技術，實現對直流輸送功率的快速無級調制，實現了直流特高壓送端出現孤島運行時精確的緊急控制。開發(fā)了適應特高壓直流極閉鎖及換流器故障時直流損失功率計算的新判據和方法。為了防止德寶直流大負荷南送雙極閉鎖造成交流特高壓試驗示范工程超穩(wěn)定極限的問題，在三峽近區(qū)的安控系統(tǒng)中實現了交直流特高壓緊急協(xié)調控制。這些措施都已應用于特高壓工程。
在特高壓工程的推動下，我們在2005年成功構建了電網大停電防御框架，研發(fā)了電力系統(tǒng)大停電綜合防御系統(tǒng) WARMAP。在2006年初發(fā)表的題為“時空協(xié)調的大停電防御框架”的系列文章中，介紹了在“從孤立防線到綜合防御”“廣域信息、在線量化分析和自適應優(yōu)化控制”及“各道防線內部的優(yōu)化和不同防線之間的協(xié)調”等方向上的研究成果。該系統(tǒng)可以及時判斷出大電網在運行中的風險并選擇預防控制；在故障過程中正確選擇緊急控制與校正控制決策；在多道防線之間進行協(xié)調。
WARMAP克服了一系列技術難題，包括離線向在線控制的跨越，廣域空間中的自適應協(xié)調控制技術，預防、緊急、校正控制三道防線之間的協(xié)調。從而實現了電網安全防御從被動預案型向主動對策型轉換，安全穩(wěn)定決策從離線向在線轉換，調度控制從依賴經驗為主向智能化控制轉換。目前，WARMAP已成為保障大電網安全的重大裝備，防御范圍已經覆蓋了80% 的中國電網，支撐了中國電網沒有由于電網穩(wěn)定性而引發(fā)大停電。其中，華東電網實現了國際首個停電預警系統(tǒng)，江蘇電網實現了國際首個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
防御系統(tǒng)經受住了汶川地震災害考驗。和美國“8·14”大停電相比，雖然汶川大地震引發(fā)了28條線路故障，11座變電站停運，但由于災難過程中停電防御系統(tǒng)對危險操作給出正確預警，并及時提供輔助決策信息，因此局部停電沒有演變?yōu)榇笸ｋ姡⒕S持了脆弱電網的穩(wěn)定運行，及時恢復了供電，有力支持了救援和災后重建。
為了支撐中國電網越來越復雜的超大型動態(tài)系統(tǒng)的運行決策，除了決策算法、控制理念及具體的系統(tǒng)保護裝置的再創(chuàng)新外，必須對防御框架做出源頭性的頂層設計?；陂L期的研究和工程實踐，我們終于實現了這個目標，及時支撐了特高壓電網的發(fā)展。避免了由于缺乏停電防御輔助決策的支撐，系統(tǒng)保護裝置的不適應，而延誤了特高壓工程，并長期保障了特高壓工程的安全運行。這10年中，把分析理論變成真正能夠在工程上經得起考驗的系統(tǒng)，從理論、算法、軟件、裝置、系統(tǒng)，然后再到真正的應用，確保其可信性與可靠性。伴隨著特高壓工程的建設，我們的電網防御體系，不管是理念還是應用經驗，在世界上均處于引領的地位。在人們看到特高壓工程的成績時，也許并不會關注這些支撐性的工作，雖然不在第一線，但我們的心中充滿了喜悅與自豪。
追夢創(chuàng)新保持清醒
特高壓技術對能源安全及環(huán)境安全做出貢獻的同時，也推動了眾多專業(yè)的創(chuàng)新。對電力可靠性的分析、控制，及防御技術也有重要的推動，并啟發(fā)了我們從更大范圍及更高層次去思考。人類的可持續(xù)發(fā)展不單有賴于能源，還依賴于經濟和環(huán)境安全，它們之間密切交互，相互影響。電力行業(yè)應該注重以電力為主的全方位的能源安全，它與一次能源與終端能源的革命密切相關，必須用大能源觀的理念來對待。
可再生能源不但難以直接以它們原來的形式輸送，而且必須轉換成電能后才能適用于大多數終端負荷，也才能在區(qū)域內共享能源。當可再生能源發(fā)電占到發(fā)電用能50%，甚至更多時，電能的瞬時備用及旋轉備用的調度問題不容小覷。沒有強大可靠的遠方輸電網以及智能靈活的主動配電網，既無法在終端能源中實現電能對化石能源的大規(guī)模代替，也不可能協(xié)調各種一次能源、二次能源及終端能源的優(yōu)化。
電網是在廣域內共享電能的傳輸平臺和電力市場互動的物理平臺，特高壓技術有助于跨地域實現一次能源、二次能源及終端能源之間的協(xié)調優(yōu)化。這樣的時空拓展需要跨領域的研究思維。當可再生能源在電能生產中絕對占優(yōu)，分布式能源系統(tǒng)及分布式儲能系統(tǒng)遍地皆是，電動汽車充電負荷在電力負荷中占優(yōu)時，電網如何支撐電能這種核心的二次能源，承擔一次能源與終端能源之間的橋梁作用，實現大能源范圍的協(xié)調優(yōu)化；如何在確保電力可靠性的同時支撐大能源安全及環(huán)境安全？
大能源輸送要協(xié)調輸電、輸煤、輸氣，及綜合運輸體系，充分發(fā)揮電能通過電網實現大范圍共享可再生能源的通衢。隨著頁巖氣開發(fā)規(guī)模的增加，輸氣網與電網在規(guī)劃與運營方面的交互必然增強，而分布式燃氣發(fā)電及熱電聯產產生的熱能則促進了熱力網與配電網的關聯。
除了保證大能源系統(tǒng)的安全與充裕外，還需要研究資金流、物流、人才流、信息流的可靠性，以及政策與監(jiān)管的影響，以支撐電力流及能源流的安全及其協(xié)調優(yōu)化。
從大能源的視角考慮各種能源的安全與優(yōu)化，我們的知識領域也需要拓展。
目前，中國的停電防御系統(tǒng)已經取得很好的成績，對自然災害的防御也取得初步成果，例如對雷電的防御、預警目前已經在工程中應用。但是，由于其監(jiān)控范圍仍側重于電力系統(tǒng)內部，無法防御各種極端自然災害及嚴重的一次能源事件等外部因素引起的大停電。因此，必須將研究范圍擴大到外部災害的演化過程其機理，并將監(jiān)測點及預測盡量推前到接近外部災害的源頭，從而為停電防御留出更長的預警時間。
特高壓輸電線路投運后，電網覆蓋地域越來越廣，自然災害疊加發(fā)生的小概率事件應該如何處置，需要研究防御體系如何從電力系統(tǒng)內部外推到自然災害影響的預測。交流和直流之間的互相影響提出了對于大范圍控制系統(tǒng)當中的協(xié)調控制問題，不能像以前那樣根據局部情況來進行判斷。
通過特高壓電網積極推動一次能源中的可再生能源替代和終端能源中的電能替代。電力系統(tǒng)分析和控制必須提前考慮到用電模式變化的影響，碳交易、發(fā)電、需求側、輔助服務等各種市場以及各類參與者博弈行為的影響，防患于未然。雖然十年來我們從未間斷這方面的研究，也獲得一些成果，但“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。
這些新課題也加速了人才的培養(yǎng)。2004年，國網電科院(300215,股吧)在穩(wěn)定分析與控制技術方面的人員約有40人。沒有以上需求的推動，這個創(chuàng)新團隊不會發(fā)展到今天200多人的規(guī)模。我想，中國特高壓技術的成績說明了中國人有信心。不是因為外國人沒有搞成，所以我們就一定搞不成。這是我參與到特高壓工程中的最大收獲。
