中國儲能網(wǎng)訊：薛禹勝，中國工程院院士，國網(wǎng)電力科學(xué)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(rèn)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(yīng)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(dá)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(shù)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(shù)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(shù)發(fā)展的艱辛。
2004年年底，國家電網(wǎng)公司提出建設(shè)特高壓電網(wǎng)。我們就認(rèn)真思考它對我國電網(wǎng)運行可靠性可能產(chǎn)生的影響，并及時向國家電網(wǎng)公司調(diào)研小組匯報了關(guān)于特高壓電網(wǎng)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(guān)部門對特高壓工程的建設(shè)方案進行了大量討論，社會上也對建設(shè)特高壓電網(wǎng)提出一些不同看法。國家電網(wǎng)公司高度重視，當(dāng)年年初就成立了顧問小組，年內(nèi)我就參加了3次咨詢會議。國家電網(wǎng)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(guān)學(xué)部的院士組成咨詢小組，同年內(nèi)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(jīng)過認(rèn)真討論后對特高壓工程給出了正面看法，同時要求建設(shè)的全過程要嚴(yán)謹(jǐn)客觀地論證，進行風(fēng)險分析，經(jīng)濟上要做到合理可行。在那一年，還召開了特高壓輸電技術(shù)國際研討會，國家發(fā)改委也組織了特高壓技術(shù)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(shù)開發(fā)必要性的認(rèn)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(yán)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(nèi)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(shù)發(fā)展、提高技術(shù)與經(jīng)濟指標(biāo)，但在實際工作中，我和團隊深感肩上的責(zé)任與重?fù)?dān)。
電力界記憶猶新，在500千伏電壓等級出現(xiàn)后的相當(dāng)長一段時間內(nèi)，由于新電壓等級的電網(wǎng)尚未強壯到能將220千伏電網(wǎng)開環(huán)運行，故電磁環(huán)網(wǎng)的威脅十分嚴(yán)峻。顯然，在只有極少特高壓輸電線路投運期間，類似的風(fēng)險必然會再現(xiàn)。雖然在相當(dāng)一段時間內(nèi)，相關(guān)行業(yè)的關(guān)注都集中在如何研發(fā)特高壓一次設(shè)備及構(gòu)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(nèi)外擾動引發(fā)的大停電將是我們義不容辭的社會責(zé)任，必須主動地將此潛在的壓力轉(zhuǎn)化為當(dāng)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(jīng)濟損失高達(dá)300億美元，影響5000萬人口。時任美國總統(tǒng)布什認(rèn)為，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定對國家安全至關(guān)重要。此后，國際電力界一直在廣泛反思：為什么被認(rèn)為國際上最強大的北美東部電網(wǎng)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(zāi)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(nèi)，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(fù)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(xué)術(shù)界第一次提出停電防御框架的概念。
就在我苦苦構(gòu)思該框架的具體構(gòu)成時，中國建設(shè)特高壓電網(wǎng)的議題被提出。這促使我們將停電防御框架的實現(xiàn)與特高壓電網(wǎng)的需求結(jié)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(shè)、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(xué)上的探索欲、社會責(zé)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(shù)的研發(fā)及工程建設(shè)是中國對世界電工及電力技術(shù)的重大貢獻，我認(rèn)為非常了不起。廣大的電氣工程學(xué)術(shù)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(shù)的當(dāng)時，其電工技術(shù)、電工裝備制造及電力系統(tǒng)習(xí)慣于跟隨國際經(jīng)驗，裝備制造、電網(wǎng)規(guī)劃和運行都缺乏足夠的創(chuàng)新意識及能力。根據(jù)我的觀察，當(dāng)時對特高壓的適用性與經(jīng)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(dá)國家都先后放棄了交流特高壓技術(shù)的開發(fā)，因此它是落后的技術(shù)，以及中國開發(fā)特高壓技術(shù)的必要性及能力。說實話，當(dāng)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(wǎng)公司決策層堅持走自己的路是有很大勇氣的，現(xiàn)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(shè)特高壓電網(wǎng)也面臨著嚴(yán)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(wǎng)會帶來哪些新的靜態(tài)及動態(tài)行為，應(yīng)該如何應(yīng)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(wǎng)電力科學(xué)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(zhǔn)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(lǐng)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(fēng)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(yuǎn)，猶如導(dǎo)盲犬對盲人的指引，掌握離開障礙物的距離并及時調(diào)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(guān)鍵信息。
特高壓輸電把原來地理位置很遠(yuǎn)，相互影響較小的多個區(qū)域電網(wǎng)的電氣距離大大拉近了，使電網(wǎng)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(diào)，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(rèn)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(wǎng)的安全運行。
團隊對特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)工程完成了穩(wěn)定分析、穩(wěn)定控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配置及安全控制策略設(shè)計。用EEAC理論揭示了特高壓直流接入對交流電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性影響的機理，提出了綜合特高壓直流調(diào)制功能的電壓協(xié)調(diào)控制方法及利用解列聯(lián)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(dǎo)致系統(tǒng)過電壓問題，提高電網(wǎng)抵御極端嚴(yán)重故障的能力。發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)方故障導(dǎo)致的暫態(tài)多失穩(wěn)模式現(xiàn)象及失穩(wěn)模式易變現(xiàn)象，并成功揭示了其機理。提出了特大型同步電網(wǎng)嚴(yán)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(shù)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(dāng)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(shù)，實現(xiàn)對直流輸送功率的快速無級調(diào)制，實現(xiàn)了直流特高壓送端出現(xiàn)孤島運行時精確的緊急控制。開發(fā)了適應(yīng)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(jù)和方法。為了防止德寶直流大負(fù)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(xiàn)了交直流特高壓緊急協(xié)調(diào)控制。這些措施都已應(yīng)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(gòu)建了電網(wǎng)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(diào)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(yīng)優(yōu)化控制”及“各道防線內(nèi)部的優(yōu)化和不同防線之間的協(xié)調(diào)”等方向上的研究成果。該系統(tǒng)可以及時判斷出大電網(wǎng)在運行中的風(fēng)險并選擇預(yù)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(diào)。
WARMAP克服了一系列技術(shù)難題，包括離線向在線控制的跨越，廣域空間中的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)，預(yù)防、緊急、校正控制三道防線之間的協(xié)調(diào)。從而實現(xiàn)了電網(wǎng)安全防御從被動預(yù)案型向主動對策型轉(zhuǎn)換，安全穩(wěn)定決策從離線向在線轉(zhuǎn)換，調(diào)度控制從依賴經(jīng)驗為主向智能化控制轉(zhuǎn)換。目前，WARMAP已成為保障大電網(wǎng)安全的重大裝備，防御范圍已經(jīng)覆蓋了80% 的中國電網(wǎng)，支撐了中國電網(wǎng)沒有由于電網(wǎng)穩(wěn)定性而引發(fā)大停電。其中，華東電網(wǎng)實現(xiàn)了國際首個停電預(yù)警系統(tǒng)，江蘇電網(wǎng)實現(xiàn)了國際首個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
防御系統(tǒng)經(jīng)受住了汶川地震災(zāi)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(zāi)難過程中停電防御系統(tǒng)對危險操作給出正確預(yù)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(wǎng)的穩(wěn)定運行，及時恢復(fù)了供電，有力支持了救援和災(zāi)后重建。
為了支撐中國電網(wǎng)越來越復(fù)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(shè)計?；陂L期的研究和工程實踐，我們終于實現(xiàn)了這個目標(biāo)，及時支撐了特高壓電網(wǎng)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(yīng)，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(jīng)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(yīng)用，確保其可信性與可靠性。伴隨著特高壓工程的建設(shè)，我們的電網(wǎng)防御體系，不管是理念還是應(yīng)用經(jīng)驗，在世界上均處于引領(lǐng)的地位。在人們看到特高壓工程的成績時，也許并不會關(guān)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(shù)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(shù)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(jīng)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(yīng)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(guān)，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(zhuǎn)換成電能后才能適用于大多數(shù)終端負(fù)荷，也才能在區(qū)域內(nèi)共享能源。當(dāng)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(zhuǎn)備用的調(diào)度問題不容小覷。沒有強大可靠的遠(yuǎn)方輸電網(wǎng)以及智能靈活的主動配電網(wǎng)，既無法在終端能源中實現(xiàn)電能對化石能源的大規(guī)模代替，也不可能協(xié)調(diào)各種一次能源、二次能源及終端能源的優(yōu)化。
電網(wǎng)是在廣域內(nèi)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(shù)有助于跨地域?qū)崿F(xiàn)一次能源、二次能源及終端能源之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化。這樣的時空拓展需要跨領(lǐng)域的研究思維。當(dāng)可再生能源在電能生產(chǎn)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(fù)荷在電力負(fù)荷中占優(yōu)時，電網(wǎng)如何支撐電能這種核心的二次能源，承擔(dān)一次能源與終端能源之間的橋梁作用，實現(xiàn)大能源范圍的協(xié)調(diào)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(diào)輸電、輸煤、輸氣，及綜合運輸體系，充分發(fā)揮電能通過電網(wǎng)實現(xiàn)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(wǎng)與電網(wǎng)在規(guī)劃與運營方面的交互必然增強，而分布式燃?xì)獍l(fā)電及熱電聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)生的熱能則促進了熱力網(wǎng)與配電網(wǎng)的關(guān)聯(lián)。
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(diào)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(lǐng)域也需要拓展。
目前，中國的停電防御系統(tǒng)已經(jīng)取得很好的成績，對自然災(zāi)害的防御也取得初步成果，例如對雷電的防御、預(yù)警目前已經(jīng)在工程中應(yīng)用。但是，由于其監(jiān)控范圍仍側(cè)重于電力系統(tǒng)內(nèi)部，無法防御各種極端自然災(zāi)害及嚴(yán)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(zāi)害的演化過程其機理，并將監(jiān)測點及預(yù)測盡量推前到接近外部災(zāi)害的源頭，從而為停電防御留出更長的預(yù)警時間。
特高壓輸電線路投運后，電網(wǎng)覆蓋地域越來越廣，自然災(zāi)害疊加發(fā)生的小概率事件應(yīng)該如何處置，需要研究防御體系如何從電力系統(tǒng)內(nèi)部外推到自然災(zāi)害影響的預(yù)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(dāng)中的協(xié)調(diào)控制問題，不能像以前那樣根據(jù)局部情況來進行判斷。
通過特高壓電網(wǎng)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(cè)、輔助服務(wù)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(yuǎn)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(wǎng)電科院(300215,股吧)在穩(wěn)定分析與控制技術(shù)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(shù)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。
