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张伯明:磨砺最强“大脑”

来源:中国科学报  发布日期:2016.01.29  

本报见习记者 李晨阳

  近日,2015年度顾毓琇电机工程奖授予了清华大学电机工程与应用电子技术系教授张伯明。作为我国电机工程领域的最高奖,该奖项每年只授予一个人。张伯明此次获此殊荣,凭借的是在中国电力系统控制中心能量管理系统(简称ems)技术和工程应用中的开创性贡献。

  自1988年起,张伯明就投入了ems研究,他不仅成功开发出我国第一套大区电网ems应用软件,后来还独创性地提出“三维协调的电网新一代ems”,这一世界领先技术带来了重大的经济效益和社会效益。

  20余年过去了,如今的张伯明还在和ems“较劲”。他在所领衔的正在进行的“973”计划项目“源—网—荷协同的智能电网能量管理和运行控制基础研究”中,提出将传统集中式ems变革为“分布自治、集中协调”的下一代ems。

“智慧大脑”迎接变革

  张伯明一向把ems比作电网控制中心的“大脑”,它的使命在于实现对电网的智能化调控,确保电网安全、稳定、经济运行。在智能电网和能源互联网概念强势来袭的今天,电网必须以更加“智慧”的大脑迎接变革。

  “过去的ems是一个集中式的大脑,其调控在全网范围内一插到底。但随着电网发展得越来越大,这种办法已经行不通了。”张伯明告诉《中国科学报》记者,“未来我们需要的是分散在电网各个环节的许许多多的小大脑。”

  “这就像打仗一样。”他形象地打着比方:军队的总司令不需要知道每个连队的每个班组有多少人,每个人情况如何,但是连长必须知道。连长既要接受上级的命令,又要管理好、调动好下面所有人,这样才能形成一个自律的队伍,完成上级下达的作战命令。

  自律的电网也是如此。一个风电场可能有数百台风力发电机。电网不需要具体了解每一台风力发电机的工作情况,只要对风电场的ems发布调控命令,通过其调控就实现整个电网的协同运行。

  所谓“分布自治,集中协调”的8字方针,就是在从发电(源)、输电(网)到用电(荷)的每一个环节都有各自的ems,组成ems家族。每个ems家族成员实现各自的监视和自律控制,同时接受上级控制中心ems的协调命令,由此实现整个电网运行的全局协同。

  在张伯明看来,要实现“源—网—荷”协同的智能电网能量和运行控制,最重要的原则是:“通过自治,达到自律。通过协调,达到协同。这就是我们的目标。”

小大脑为可再生能源引路

  发展智能电网的同时,应对能源清洁化变革是一项重大挑战。在大量可再生能源和电动汽车广泛接入电网的同时,也引入了大量的不确定性和间歇性。

  怎样才能消纳大规模间歇式可再生能源发电?这是张伯明常常思考的问题。

  就在采访当天,张伯明刚刚参加了吉林省热电联产项目的沟通交流会。会上探讨的,是他一直以来非常关注的案例。

  每年冬天,吉林省都面临严峻的供暖任务,很多热电联产发电厂都会参与供暖。但在热电联产的过程中,必然会捆绑产电。在吉林,发电装机的容量是用电负荷的两到三倍,产能过剩问题非常突出。因此,位于吉林省西北部的很多风电场不得不经常性地大量“弃风”。

  为协助解决这些问题,张伯明带领科研团队与吉林省电力公司开展了为期多年的合作。2013~2014年,他们研制的风电优先调控系统和友好型风电场ems先后在吉林省的电力调度控制中心和5座风电场投入运行。

  有了这些小大脑——风电场ems的“群策群力”,再加上上一级大脑的协调,这些风电场的弃风问题有了很大改善,从过去的16%下降到4.5%。

致力于完善性能

  自1992年开发出国内第一套ems应用软件并在东北电网投入运行以来,20多年间,张伯明和他的团队一直致力于完善ems的性能,扩大它的推广应用范围。

  他领导研发的“图模库一体化技术”在国内普遍应用,并被国外ems厂家采用,成为目前ems基础平台中的主要技术。这项技术使得创建电网的大脑更具效率。

  上世纪90年代初,我国大区电网采用的是国外引进的ems。当时ems的模型是静态的,其图形、模型和数据库是通过人工分别建立的,并且需要人工建立图、模、库之间的关联。建立ems模型的工作量巨大,一般需要3年。

  那个年代,我国电网调度人员的学历普遍不高,理解和学习这种抽象复杂的系统十分困难,手工绘制和手工连接也容易出错。

  能不能有这样一种技术,让调度人员易学易懂,实现“所见即所得”的建模呢?有了这样的想法,张伯明开始行动了。

  1994年,张伯明团队的“图模库一体化技术”诞生了:只须在计算机屏幕上把电网元件画好后,为其起名定义,之后图上这些元件就能根据名字和数据库里的数据项自动匹配连接,建模工作自动完成。这项技术于1995年率先应用在天津电网,比国外系统领先了5到6年。

  对比当时世界上的其他技术,“图模库一体化技术”至少有三大优点:建模工作简单,只须3个月到半年即可完成;容易理解,非专业人士也能很快掌握;失误率低,使系统的实用性大大提高。这项技术对后来ems在国内工业界快速推广应用起到了至关重要的作用。

培养更多年轻人

  无论是作为一名科研工作者、技术革新者,还是普通的人民教师,张伯明都对自己毕生致力的电网调度自动化事业充满深情。

  采访过程中,他会生动地向记者讲解自己正在进行的工作,也会表达出“学生们爱听我的课”的自豪。未来,他还计划着手撰写科普文章,用通俗易懂的方式把艰深的理论讲给更多人。

  在“传道、授业、解惑”这个层面上,张伯明表现出的,是满满的热情和诚意。

  谈及自己下一步的目标时,这位多次引领技术突破、屡屡作出杰出贡献的教授坦言:“我要培养更多的年轻人,让这项事业持续下去。”

  在张伯明培养的研究生中,有的现已成长为长江学者、国家级教学名师。对此他深感欣慰。在他看来,现在的学生思维敏锐、思路活跃、充满奇思妙想。再加上过硬的数学功底,常常能在面临实际问题时拿出有效的应对方法。

  “随着电网的不断发展,电网运行的复杂性日益增加。世界各国都在探索应对这些变化的技术。而我国电网发展尤快,呈现出的问题也更突出。”张伯明说,“我最希望看到的是,极富创新思维的年轻一代能作出更多对国家有用的成果。”