近年来，作为能源领域革命的核心研究方向之一，能源互联系统得到了广泛关注。能源互联系统是指由电能网络、油气网络、智能调控单元、能源负荷单元构成的区域能源网络系统。
多种能源通过电力网络和管道网络相互连接并产生交互行为。
其中，电力系统的暂态响应时间普遍在毫秒级以下，是典型的快动态系统；而热、冷、气系统的动态响应时间则在分钟/小时级以上，是典型的慢动态系统。整个能源互联系统具备多时间尺度特征且差异巨大，并伴随强交互影响行为和长时演化等特征，实现其全局最优协同控制与安全运行十分困难。▲ 东北大学作为第一完成人和第一单位牵头完成的“分布式动态系统的自学习优化协同控制理论与方法”项目获得2020年度国家自然科学二等奖。
东北大学主要完成人是张化光、罗艳红、孙秋野、刘振伟、王占山。
东北大学张化光教授在国内最早开展了能源互联系统的最优控制与安全运行问题研究，针对复杂环境下电、气、热、冷等多种分布式异质异构能源的多尺度动态特性难以智能检测和多分布式异构体难以优化协同控制的能源互联系统研究领域两大核心难题，建立了适用于实际复杂控制场景的自学习最优协同控制基础理论和综合检测方法，并实现了规模应用。主要科学贡献如下图所示。▲ 能源互联系统的智能检测与最优协同控制创新工作东北大学团队经过几十年的不断探索和实际验证发现，影响互联系统优化与安全运行的核心难点在于解决以电力线为纽带的快动态系统的稳定性问题和以管道为纽带的慢动态系统的智能检测问题。
与此同时，整个系统受到来自网内和网间多利益主体指标的引导并伴随有多异质能源的动态交互影响，导致其全局最优协同控制问题十分复杂。聚焦上述难题，张化光坚持理论与实际结合，具体工作体现在以下三方面。
其一 /提出了能源互联系统的动态特性描述方法，建立了分布式能源最优协同控制技术，解决了复杂工况下多能配网频率/电压全局优化致稳控制的重大行业问题。能源互联系统具有多能动态响应差距巨大、源荷波动大和工况切换灵活多变的特点。以电力线为纽带的快动态系统在控制过程中极易在极短时间内发生频率/电压失稳现象，进而引发异质能源网间解列，导致重大安全事故。从快动态系统安全运行角度出发，已有分布式控制技术主要面临三大难题：各能源设备和能源网机理差异大，短长时动态交互行为模糊不清，存在全网动态“特性描述难”问题，导致短时致稳控制缺乏全局视角；传统频率/电压控制主要通过能源供给侧进行调节，在全工况情况下存在“控制精度低、频率波动范围大”等重大行业问题，导致实时“精准控制难”；能源网络诸发电单元随机波动大、扰动强，易发生系统失稳，导致全局关键性能指标“恢复控制难”。
针对上述难题，主要创新工作如下。1. 首次提出同时考虑电、气、热、冷的能源互联系统多时间尺度优化决策表达，建立了动态特性描述方法，为短时稳定控制提供了模型参考，同时为长时系统运行的分布式优化决策提供技术保障。美国科学院/工程院院士H.Vincent Poor、欧洲科学院院士Xu Li Da、IEEE 会士王鹏等评价该项成果建立了“通用的能源管理模型”，是“当前主流研究方法”，并直接采用了该模型。2. 首次提出了“灵敏负荷”的概念和理论，并发现由缓变灵敏负荷与能源网络构成的源-网-荷-储系统本质上是一个时空分布的偏微分动态过程，据此提出了基于自学习ADP 的分布式系统最优协同控制方法，实现了对暂态频率的精准控制，极大地提高了能源网络环境极端变化时系统的韧性和冗余度。
目前，以上技术已在辽宁、吉林、黑龙江、山西、内蒙古、陕西、河南、湖北、新疆、青海等10 个省区的20 多个区域能源网投入运行，应用范围达300 万km，面向能源用户超过2.7 亿户。3. 提出了自学习ADP 博弈控制理论，创造性地将电压控制问题转化为多元动态博弈的优化问题，形成了电压全局智能自恢复新方法。由国家电网公司出具的运行报告显示，本方法显著减少了能量环流，确保协同误差能够指数收敛且频率偏差在±0.1Hz 内，控制电压偏离仅为–1.2%～2.3%，而全网降损则限制在1.02%，实现异常突发工况下的全网高效致稳恢复控制。以上研究成果获得了2010 年国家科技进步奖二等奖，已在14 个省份应用推广，年均经济效益逾10 亿元。
基于前期技术成果，东北大学团队于2015 年申请了国内首个能源互联网控制系统与方法的发明专利，荣获第67 届德国纽伦堡国际发明博览会金奖，并承接了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”项目1 项以及国家自然科学基金重点项目1 项。
其二 /提出了实时混沌检测理论和异构场新概念，创立了管道微弱泄漏报警及内检测新方法，报警灵敏度和精度比其他方法有了大幅度提高，彻底结束了我国海洋管道的“洋检测时代”，解决了威胁我国能源安全的“卡脖子”难题。能源互联系统中的管道网络是实现慢动态系统能量传输的唯一渠道。慢动态系统运行过程反应较慢，在正常情况下实现其稳定控制并不困难。
对长距离油气管道而言，进行泄漏实时监测与管道状况定期内检，确保其安全运行具备极重要的经济、社会、环保意义。从慢动态系统安全运行角度出发，管道在线故障检测和寿命评估技术之前一直被国外公司封锁，建立拥有自主知识产权的管道故障监测和健康状态评估的理论体系与技术方法是解决上述“卡脖子”问题的核心关键，主要面临两大难题：能源输送管道在发生微弱泄漏时，强噪声、长距离输送及传感器采集精度局限等导致“微弱泄漏辨识难”，传统的负压波等分析方法无法实现精准检测；能源输送管道健康状态定期内检测是避免泄漏事件发生的重要保障，由于发达国家的技术封锁，导致国内长期面临“精准内检难”的困扰。针对上述难题，张化光团队主要创新工作如下。
1. 为解决微弱泄漏信号被覆盖的难题，团队首次发现了管道内流体动态的混沌特性，并据此提出利用混沌的初值敏感性实现微弱信号检测的研究路线。将管道内流体实时监测数据映射至混沌域，当微弱泄漏发生时，对应的混沌特征值将发生显著变化，也即借助混沌特性对微弱信号实现放大，从而达到检测目的。然而，常规混沌建模方法计算量过大，难以满足实时检测要求。
2011 年，团队提出了基于模糊双曲正切模型结构的混沌优化同步理论，实现了对微弱泄漏的快速报警。该成果得到了多位海外院士及IEEE 会士的正面评价，认为“解决了非结构不确定难题，是全局模型”，“解决了传统模糊模型必须辨识模型的结构和前提参数，造成辨识速度慢，且容易陷入局部极值点的难题”。技术应用企业实地测试证实，东北大学研究团队所创立的基于混沌同步理论和压-输动态自适应推理的全工况管道泄漏定位技术，可测最小泄漏量为瞬时流量的0.1%，定位误差小于管道长度×0.2%+100m，达到国际领先水平。2. 2013 年，团队提出了永磁-涡流-应力异构场新概念，揭示了异构场的时空特性，成功研制了三种适用于管道内检的单一介质智能传感器新产品，建立了异构神经网络反演方法，使得缺陷重构的长、宽、深误差分别由国际领先水平的7mm、12mm、1mm 降到3mm、5mm 和0.32mm，实现了全管网的精准内检测。
基于此方法研制的管道可靠性与寿命评估系统具有完全自主知识产权。中海油公司出具的验证报告显示，该技术数据分析速度较国外产品提高了51%。相关成果得到了央视、新华社、人民网等权威媒体的广泛报道。
▲ 海管检测技术中心以上管道在线故障检测和寿命评估技术已在全国20 多个省份的石化系统获得推广应用，相关成果获得了2007 年国家技术发明二等奖。东北大学团队承担国家重大科研仪器研制项目和国家自然科学基金重点项目各1 项，并圆满完成了中海油重点科研课题项目的研发工作，结束了我国海洋管道的“洋检测时代”。
其三 /发现了多动态同胚压缩原理，建立了ADP 最优控制的核心方法，解决了针对非线性对象的汉密尔顿-雅可比-贝尔曼方程无法直接求解的“维数灾难”问题，奠定了能源互联系统最优协同控制的理论基础。上述两个创新成果是理论成果推广应用于工业控制现场的典范。
利用ADP方法既可实现分布式能源系统经济指标最优化目标下的调压/调频闭环协同控制，又可实现对于复杂管壁缺陷精确反演下的“轴向-径向-周向-时间”多维度开环监控。在早期的基础理论研究层面，已有的最优控制理论在处理此类问题时主要面临三大难题：使用动态规划方法处理带有多能高维变量的能源系统协同控制问题，易出现“维数灾”现象，导致最优控制理论框架“机理设计难”；多能网络动态特性差异大，求解过程极易陷入局部最优困境，导致全域“最优计算难”；多能系统决策控制目标繁杂，经常伴随着多利益指标冲突情况，导致平衡各子系统内/间矛盾的“博弈进化难”。针对上述难题，东北大学团队主要创新工作如下。
1. 建立了自适应动态规划的普适性理论方法，解决了自1977 年ADP 2020 年初始框架提出以来一直没有解决的关键科学难题，此方法至今仍是ADP 领域唯一通用的最优性框架。由于引入了基于神经网络的函数逼近技术，该方法无需在每次迭代计算时保存大量中间结果，克服了“维数灾”难题，从根本上解决了此前工程实践中仅能通过经验试。
