2015年09月26日，中国国家主席习近平在纽约联合国总部出席联合国发展峰会，发表题为《谋共同永续发展，做合作共赢伙伴》的重要讲话。在讲话上，习近平宣布：中国倡议探讨构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求。2020年，国家电网公司确立了新的长远发展战略目标，即建设“具有中国特色国际领先的能源互联网企业”。
从人们利用能源的技术发展来看，始终是在以下三个维度上进行展开的。
1. 能量密度：人类能源系统的能量密度越来越高的。
2. 能量控制的精度：人类对能量的控制是越来越精细化的。
3. 能量系统的稳定性：稳定性是能量系统自身的内在要求。
能量密度
人类利用高密度能量的科技发展，可以从陶器的烧制开始讲起。人类认识自然并利用自然的第一次实践是对火的使用。而陶器是人类借由火缔造的第一个人工材料，黏土加水加火，烧制成陶器。人类早年使用火，只能堆成篝火，篝火一般的温度只有400℃左右，然而烧陶需要的火温要在800℃以上，必须要把火聚拢在窑炉中去烧，这样火温才能达到800℃以上。所以，人类早年在窑炉中烧陶，提高了使用火的技巧，为后期的文明做了铺垫。
当窑炉温度提高到1083℃以上，超过了铜的熔点，就出现了青铜器；当窑炉温度提高到1300℃以上，就可以烧制瓷器；当窑炉温度提高到1538℃，超过了铁的熔点，就会出现铁器。而现在人类要进行可控核聚变试验，也就是人造太阳，需要的窑炉温度要达到上亿℃，没有任何材料可以在这种条件下保持稳定，也就是说我们找不到可以用来做窑炉外壁的材料。
那么只能建造一个托克马克，是一个大型的电磁铁，产生一个强磁场来隔绝高温，用强磁场来做窑炉的外壁。但是由于要产生这个强磁场所需要的电流非常之大，导线的线损会非常高。所以美国人当年开展曼哈顿计划建造的第一个托克马克使用的是银导线，而非铜导线，原因就是银导线的导电率要高于铜导线。而现在，随着科技进步，我们国家开展人造太阳的研究制造的托克马克就已经使用高温超导材料做导线了。
人类科技进步体现在能够利用的能量密度越来越高，所有的科技进步都是围绕这个方向来展开的。19世纪初，瓦特改良的蒸汽机的功率只有10~20kW，而目前大型火力发电机组的功率可以达到100万kW，瞬间发出的能量密度越来越高了。要把这些能量实时地输送出去，那么输电系统的电压等级越来越高，输送的电流越来越大。更高的电压等级，就需要更高强度“窑炉容器”，也就是需要提高绝缘材料的耐电压水平。
在未来，特高压的发展方向仍然是，用更小的体积，更窄的输电走廊，输送更高的能量密度。
控制精度
这么高的能量密度，必须要进行精确地控制。控制精度的提高依赖于测量技术和电力电子技术的发展。
测量技术的进步，就是在测量幅度范围和频带范围上进行延展。幅度，包括了最大值和最小值，最大值是指几百千伏的电压可以测量到，不会因为超量程而把传感器烧坏；最小值是指能够测量到的电压最小分辨率，几伏甚至零点几伏的电压变化也可以测量到。
频带范围的提高则主要是指高频信号的可测性，对于频率很高的，快速变化的电压、电流，传感器的输出信号能否准确跟踪和识别。
在电力电子技术出现之前，人们只能通过机械装置或者模拟电路来实现对电压、电流的调节，非常不灵活。然而，有了电力电子技术以后，人们就可以使用数字控制器来调节电力电子开关，实现电压、电流的控制，就可以灵活调节了。
虽然随着PLC等工业控制技术的发展，数字控制器可以实现很高的控制频率，然而大功率的电力电子器件本身却不能承受太高的开关频率，否则会因为开关频繁而出现过高的损耗。基于晶闸管的直流输电技术，每个晶闸管的开关频率与电网频率相同，为50Hz。而新能源发电使用的变流器，是基于IGBT元件的，通过PWM（脉宽调制技术），往往可以实现几kHz的开关频率。MMC（模块化多电平）换流阀由于使用电容级联技术，虽然单个IGBT的开关频率仅为100Hz左右，却可以对电压、电流等状态量实现几十kHz的控制频率。
在未来，能源互联网的控制精度，仍然会在测量范围（包括幅度和频带）和控制频带上进行更大范围的延伸。
系统稳定性
稳定性是能量系统的内在要求。19世纪40年代，达尔文写作《物种起源》时，提出的学说是“物竞天择，适者生存”，而在20世纪的新达尔文主义者则进一步解释了：“适者生存”只是宇宙演化普遍规律“稳定者生存”的一种特殊形式[1]。“稳定者生存”的意思是，宇宙是由稳定的物质构成的，占宇宙质量90%的是氢原子，化学元素周期表上的二号元素——氦原子只占9%。
氢原子是一种非常稳定的结构，在一般的情况下氢原子并不会聚合成氦原子。而在万有引力的作用下，空间中大量的氢原子因为相互吸引，会聚集在星系的中央，形成一个氢球，也就是太阳，这是因为粒子向中心聚集是其在引力作用下的一种稳定形式。大量的氢原子在太阳的内部互相吸引碰撞，形成高温和高压的环境，在这种环境中两个氢原子只有合成一个氦原子，才是它的新的稳定形式，这也就是太阳内部的核聚变反应。
再比如，我们扔出去一块石头，这个石头会划出一条抛物线，这是因为这条抛物线是石头运动的最稳定的轨迹。尽管这个抛物线是短暂的，转瞬即逝的。然而在这条抛物线的每一个点上，石头的动能和势能构成的作用量函数是最小的，数学上的变分原理告诉我们，作用量最小的就是最稳定的。所以当一个电力电子化的新能源系统出现次同步振荡的时候，那是因为这个振荡曲线是系统所能找到的最稳定曲线，也就是作用量最小的曲线。只不过这个振荡曲线不是我们所希望的曲线。
它不是我们希望的稳定的曲线，但它确实是这个系统所能产生的最稳定的曲线。之所以产生这样的结果，就是系统设计（或者是控制系统设计）出了问题，作为这个系统的设计者，我们没有为这个系统规定好稳定的运动曲线。就是因为我们心中的数学模型还不够完善。
对于能源互联网来讲，其在每个能量节点以及每一能量通路上的能量密度一定是非常高的，如果这么高的能量密度不能控制稳定，必然会引起灾难性的后果。钱学森先生说[2]：“为了设计一个优良的控制系统，必须充分地了解受控对象、执行机构及系统内一切元件的运动规律。
控制理论主要研究系统状态的运动规律和改变这种运动规律的方法和可能性。前者统称为分析问题，后者则为综合（设计）问题。分析是基础，综合是目的，而后者又是前者的发展结果，是前者的更高阶段。”因此，在设计能源互联网的控制系统之前，我们需要首先研究清楚能源互联网内部一切元件的运动规律。因此，我们必须要建立系统的数学模型。
为了阐明系统的数学模型建模问题，我们需要从西方哲学的起点——柏拉图的“理型论”开始说起。柏拉图的理型论认为：自然界中有形的东西是“流动”的，所以世间没有不会分解的“物质”。属于“物质世界”的每一样东西必然是由某种物质做成。这种物质会受时间侵蚀，但做成这些东西的“模子”或“形式”却是永恒不变的。
事实上，柏拉图的理型，就是数学模型。因为柏拉图学说中的上帝是一个几何学家。柏拉图在雅典旁边的阿卡德摩斯开办最早的大学，就是雅典学园。在雅典学园门口树着一个牌子，上面写着“不懂数学者，不懂几何学者，不得入内”，以显示其对学员数学基础和几何学基础的重视。欧几里得年轻的时候就在雅典学园进行学习，欧几里得为了证明柏拉图的理型论，把几何学演绎到了极致，写成了一本书《几何原本》。
《几何原本》对欧洲的科学发展影响非常巨大，牛顿论述万有引力的《自然哲学的数学原理》在写作之初，就是想要模仿《几何原本》的写法来写。《自然哲学的数学原理》前面很大一部分都是在提出微积分方法，而微积分方法的提出也是以几何学为基础的。积分就是求曲线向前伸展时，曲线下面阴影的面积是多少。而微分就是阴影面积的增长率，这完全是一种几何学的表达。自从有了万有引力，我们才能够精确计算太阳系八大行星的运行轨道。上帝用基于几何学的万有引力规定了行星的运行轨迹，这就是为什么说：柏拉图学说认为上帝是一个几何学家。
如果说自然界是上帝创造的，而电力系统，包括能源互联网系统却是由人类创造的，那么电力系统的设计者和创造者也应该是一个几何学家。人们是按照心目中的数学模型来建造这个电力系统的。如果这个电力系统出现故障，首先我们要看它是不是符合我们心中的数学模型，比如我们设计一个1欧姆的电阻，而在实际中却选择了一个100欧姆的电阻，那么这个电阻就是不符合我们心中的数学模型。
可是如果我们设计了一个1欧姆的电阻，而实际中的电阻总会有百分之几的误差，那么这个百分之几的误差不应该让系统崩溃，否则这个设计是不稳定的，或者说这个设计的抗扰动能力差。电阻、电容、电感等元件参数的偏差属于电路的结构偏差，是一个结构稳定性问题，是静态稳定性分析。通过简单的计算校核就能发现。随着电力电子装备越来越多，控制器越来越复杂以后，系统的动态稳定性问题就增多了。动态稳定性的问题不能简单地通过计算校核来发现了。
历史上，关于运动稳定性最早的研究，是对离心调速器稳定性的研究。英国人艾里最早用动力学微分方程分析了离心摆调速器的不稳定性。他发现了离心摆调速器是可能不稳定的——“机器变得发狂”。当一台大功率的蒸汽机变得发狂的时候，就会出现机毁人亡的灾难性后果，因此人们始终重视蒸汽机这个能量控制系统的稳定性问题。
英国的麦克斯韦在1868年发表文章《On Governors（论调速器）》，使用动力学方法分析了瓦特调速器的稳定性问题，通过求取系统的特征根，解决了二阶及三阶系统的稳定性，但是对于更复杂的高阶系统，因为求取特征根非常困难，就无能为力了。直到1877年，大约蒸汽机控制被介绍的100年之后，E·J·Routh（劳斯）才给出了控制稳定性的条件。劳斯给出的方法，不需要求解多项式的根，也能对系统稳定性给出结论。他是通过对一个三角阵列进行计算实现的，稳定性的充要条件是：劳斯阵列中的第一列元素都为正。而这三角阵列很容易人工计算。使用劳斯判据就可以解决高阶系统的稳定性判断问题。
到了20世纪初，随着电子放大器的发展，长途电话技术开始发展，然而随着距离的增加，会出现电能损失；尽管使用了直径较大的电线，但是需要越来越多的放大器来弥补失去的能量。这就导致了电子管的弱非线性也会被多次放大，从而导致多处失真。
当时工程师唯一能够使用的理论工具就是劳斯判据，然而使用劳斯判据需要分析超过50阶的微分方程，这个计算量在数字计算机出现以前，使用人工处理是几乎不可能完成的。于是，1932年，H.奈奎斯特发明了一种通过一个开环频率响应图来确定闭环系统的稳定性，也就是一种对电话系统进行试验扫频测试的方法。之后1938年，伯德在奈奎斯特的基础上优化了绘图方法，不需要大量的计算就可以绘制图形。
然而奈奎斯特面对的是一个单输入单输出的简单系统（电话系统），而他并不能有效解决复杂系统的控制问题。在1948年，北美航空公司自动化分部（现在的波音公司）从事飞行器和导弹控制研究的埃文斯，就发现奈奎斯特方法无法解决他所面对的飞行器控制问题，所以埃文斯建议重新返回到对动力学微分方程（系统特征方程）的研究，也就是70年前麦克斯韦和劳斯的工作基础。
他发明了一种不需要求解代数方程就能进行根轨迹绘图的方法，是通过相角条件来判断一个点是否属于根轨迹的。为了帮助他们的工程师，埃文斯甚至发明了一种“螺旋线尺”，用来快速测量角度并对其进行加减，来判断相角条件是否满足，一个熟练的控制工程师依靠螺旋线尺，可以在几秒内判断相角条件是否满足。在计算机普及以前，极大地帮助了他们的系统设计和分析工程师。
以上提到的特征根法、奈奎斯特方法、根轨迹法都是针对线性系统的，虽然离心调速器本身是一个圆周曲线上的非线性系统，但麦克斯韦使用的方法是用高阶线性方程对圆周方程进行局部近似，也就是对局部的圆周曲线做泰勒级数展开，展开的阶数越高，近似越准确，但是计算会更复杂。
真正在理论上给出了非线性系统稳定性判据的是李雅普诺夫。1892年，李雅普诺夫发表博士论文《运动稳定性的一般问题》，他的研究对象是非线性运动微分方程，得到的结论也包含符合劳斯判据的线性方程的结论。可是，直到半个多世纪以后，到1958年左右才被引入控制类文献中。在这个半个多世纪里面，并不是因为奈奎斯特和埃文斯看不懂李雅普诺夫，而是因为如果要使用李雅普诺夫给出的理论方法，涉及到大量的矩阵运算，这些矩阵运算在计算机普及之前，使用人工靠一把计算尺是不可能完成的。在1960年前后，IBM公司推出了第一款商业计算机system360，才提供了这种计算能力。
现在我们做数值仿真，是把电力系统的数学模型放在计算机里面，借助计算机的计算能力得到系统的数值试验的结果，来代替真实试验的结果。这是因为真实的电力系统试验成本很高，相比起来，计算机数值试验的成本就低得多了。而大量的国内工程师只是借助国外软件提供的模型做数值试验，在国内工程师的心中却没有一个数学模型，大家只是试图从国外软件提供的仿真结果中提炼出一个简易的数学模型来进行进一步的稳定性分析，而这种做法已经被埃文斯证明是不可能的了，这种做法就是“想瞎了心”了。同时过度依赖国外软件，就容易被人“卡住脖子”。
因此，为了设计一个稳定坚强可靠的能源互联网，我们要回归到数学模型本身，重新回归到柏拉图的理型论来进行思考。要在我们的心中，而不是在国外电磁暂态分析软件中，建立起能源互联网的理论模型。要在心中建立一个柏拉图所说的理想的数学模型。当年波音公司的埃文斯就是这么做的，麦克斯韦和劳斯也是这么做的。英国哲学家柏兰特·罗素说，西方文艺复兴中的科学复兴，就是重新回归柏拉图理型论的过程[4]。
总结
不论我们愿意与否，竞争始终存在，而且新世纪的科技竞争有愈演愈烈的倾向。我们唯一能做的就是入场比赛，然后赢得比赛。虽然很困难，但是正如美国前总统约翰·费茨杰拉德·肯尼迪在他的著名演讲《我们决定登月》中提到的：“我们决定在这十年间登上月球并实现更多梦想，并非它们轻而易举，而正是因为它们困难重重。因为这个目标将促进我们实现最佳的组织并测试我们顶尖的技术和力量。”由此，我们选择一个目标应该取决于，它是否能促进我们实现最佳的组织，是否能够测试我们顶尖的技术和力量（对于我们缺少的顶尖技术，也可以做到查漏补缺）。并且取决于这个目标是否包含着历史发展的趋势和必然，是否符合“稳定者生存”的宇宙普遍法则。
所以，从这个意义上讲，“构建具有中国特色的国际领先的能源互联网企业”是一个正确的目标。我们单位也应该紧紧围绕这个目标来开展工作。事实上，我们院也确实是围绕这个目标来设置专业的，例如传感所就是要在电网的测量幅度和测量的频带宽度上进行拓展；半导体所是在电网的控制频率上进行拓展，开发更高控制频率的电力电子元件；材料所的目标是给高能量密度的特高压系统提供一个可靠的容器；直流所和电力电子所一直在做特高压关键设备和特高压输电系统的集成。
在2020年上半年，中国发生新冠疫情。在疫情发展之初，国家疾控中心的一个主任在接受记者采访的时候，引用了存在主义作家加缪的一段话：“这一切里面并不存在英雄主义，这只是诚实的问题。与鼠疫斗争的唯一方式，只能是诚实。”这段话出自加缪的小说《鼠疫》，这里的关键词是“诚实”，在另一些《鼠疫》的中文译本里面翻译的关键词是“尊严”：“与鼠疫斗争的惟一方式，就是用上我们的尊严”。这里的“诚实”或者“尊严”指的是同一个意思，就是要诚实地做事情，有尊严地做事情。医生的诚实在于认真地对待每一个病人。卫兵的诚实在于认真站好每一班岗。而科技工作者的诚实在于实事求是。实事求是的意思就是认真对待每件科研工作，不糊弄，否则就会尊严扫地，就会很尴尬。
原标题：关于能源科技动向和发展的几点体会
