电力系统动态模拟实验室四十年

清华大学电机工程与应用电子技术系教授       周双喜

清华大学电机工程与应用电子技术系高级工程师  陈永亭

 

       电力系统动态模拟实验室现在是《电力系统及发电设备控制和仿真》国家重点实验室分室之一。自1958年筹建以来，经过四十多年的不断建设、改造，几代人的艰苦努力，从单一的交流系统的物理模拟发展到具有交直流混合系统的物理模拟及数字仿真、数模混合等综合大型模拟实验室。四十多年来，依托实验室开展了大量具有重大理论和应用价值的科研及开发工作，同时为学生特别是研究生培养和教师的成长提供了良好的环境和条件。

 

 

      电力系统动态模拟实验室是电力系统在实验室内的复制品，是研究电力系统一个重要研究环境和工具。美国、日本和苏联在本世纪二十年代就开始利用物理模拟方法研究电力系统。之后法国、奥地利、澳大利亚等许多国家相继建设了电力系统动态模拟实验室。至今世界上许多国家的电力试验研究机构和高等院校仍有规模不等的电力系统动态模拟实验室在运行。其中俄罗斯列宁格勒工业大学拥有世界上最大的电力系统动态模拟实验室。

 

      自1952年电机系发输电教研组成立以来，当时的教授就关注着这种电力系统模拟工具研究。他们认为这是研究电力系统的一个有效的方法，如果我们有这样的研究基地，不仅可以研究我国电力系统的现状和未来，为我国的电力系统发展做出自己的贡献，也可以通过试验手段，对电力系统各种机理有新的理解和发现，使自己在世界电力系统研究方面争得一席之地。他们开展了大量科学调查和部分模拟设备的研究。1956年高景德博士从前苏联回来后，非常关注电力系统动态模拟研究，利用在前苏联学习期间的关系，想方设法搜集了大量这方面的资料，促进了动态模拟试验研究工作的开展。经过大家多方面努力，终于在1956年开始了筹建电力系统动态模拟实验室工作。

 

      虽然当时在筹建中得到了苏联莫斯科动力学院和列宁格勒电工研究所的许多关于模拟设计方面的资料和技术支持，但是，教研组老师却面临重大选择：我们是完全仿制苏联现有模拟系统，还是自己在模拟系统中有所创新。倘若仿制前苏联现有的模拟系统。其一，他们的实际机组容量、系统电压等级等与我国不同，如果完全照搬只能是研究苏联电网，而不是研究我国的电网。其二，当时苏联现有的模拟系统还存在许多问题，如对发电机、励磁机等重要部件的模拟方案仍存在缺陷；例如定子和转子的时间常数等关键参数的模拟结果就不令人满意；其三，对电力系统动态模拟没有自己的创新，对动态模拟就没有自己的贡献。而如果要独立搞出新的模拟系统面临的困难和压力是非常大的。当时我们称苏联为老大哥，他们的任何东西是不可改变的，他们每句话都是权威，要改变他们的东西，就是冒天下之大不韪，况且在五十年代我国科技和经济落后，的确需要苏联的支持和援助。当然还面临研制是否能成功的问题。全体同仁团结一心，为国家电力发展而着想，他们冒着很大压力，决心要研制出自己的动态模拟试验系统。因此，在高景德教授带领下，组织了当时发电专业和电机专业师生首先对模拟中的理论问题进行研究。

 

      模拟发电机是模拟系统的关键设备，它的模拟性能影响整个模拟系统的真实性和准确度。对一般电机来说电机的磁路计算已早为人们所掌握，至于模拟电机，由于它的各部分磁路的尺寸比例及形状与一般电机不同，因此不能按一般电机设计的方法来进行磁路计算。在设计模拟电机时，要求模拟电机的无载曲线与要模拟的大型发电机相同，否则就会使模拟不准确，为了找到模拟电机的磁路与无载曲线的关系，他们进行了大量的科学计算。当时的计算手段是用手或计算尺来进行，若计算一个数据，用计算尺来回拉几次不足为奇，但师生们不怕苦，为了早日得出结果，他们不分昼夜日地努力工作着，他们所用草稿纸足有几尺高，用坏了许多把计算尺。通过大量的数据计算和推论得出最佳设计方案。

 

      1960年科学出版社出版了《电力系统动态模拟论文集》，汇集了各种模拟装置研究的成果，在清华大学第五次科学讨论会上获得了表扬。

 

      对于各试验设备，是等和要，还是自力更生，尽可能自己制造。由于试验设备的特殊性，他们选择了后者。为此，电机系建立电工厂，知识分子搞研究还可以，动手搞生产谈何容易，但是他们在为国家电力发展、赶上世界先进水平的信念下，坚信能建并且一定能建成世界一流水平的模拟实验室。在生产中，不论老师，还是学生，不论教授，还是一般工作人员，他们不分地位高低，在工厂里一起住，一起吃，有的负责加工电机外壳，有的负责下线。当时我国经济非常落后，为了节省材料，他们就到工厂要下角料，自己剪裁、打磨硅钢片。那时，几十人围成一圈，人人手拿一块砖头打磨硅钢片的情景是多么感人的一幕啊！经过大家努力和多方面支持，终于于1958年8月1日建成了全国第一个动态模拟实验室。前苏联专家对我模拟实验室的建成也给予很高的评价，认为某些模拟理论超过了他们，有自己的见解。实验室的建成标志着我国有了新的电力系统研究工具，代表了当时全国高校的最高学术水平，并为后续其它动态模拟实验室的建设积累了宝贵经验和丰富的资料，也使我系电力系统、电机学科的研究和研究生的培养跨上一个新的台阶。

 

      随着科学的发展，原有的实验室不能适合新的要求，八十年代后期，电力系统动态模拟实验室在中科院院士高景德教授的多方筹划与争取下，获得两次世界银行贷款，把过去原有的电子管电路换成晶体管电路；许多机械设备改换成可控的电力电子设备。如，原动机模拟由原来的外接电源+电机放大机+加压机系统改造成了可控硅控制和功率放大器，使控制与操作方便、易行。

      随着计算机技术的进一步发展，动态模拟实验室在继续发挥物理模拟研究特点的同时，广泛开展电力系统数学模拟的研究。以动态模拟实验室为基础。1995年经国家批准正式成立了《电力系统及发电设备控制和仿真》国家重点实验室，这是全国高校中唯一的电力系统国家实验室。如今这个实验室物理模拟和数字模拟齐全。物理模拟中又包括了直流输电、柔性交流输电及计算机量测和监控等新技术。在1998年教育部的国家实验室评估中，获得了分组评分第一的好成绩。

 

      现在实验室可以开展：（1）电力系统科研和开发（包括担负国家重大科学研究项目）；（2）学生教学实验；（3）生产调度人员培训；（4）电力系统保护及自动装置试验检验；（5）电力系统各种运行工况的动态试验等。成为电力系统高水平的国家重点实验室。

 

二  　为电力工业发展作出贡献，硕果累累

 

      自实验室建成以来，开展了从基础理论研究到技术开发等大量科研工作，取得一系列有重大影响的科研成果，为我国的电力行业发展作出了宝贵的贡献。

      在实验室初步建成后就投入应用并在应用中不断改善和扩展试验设备和研究手段。在二十世纪六十年代初，研究了华东地区新安江－杭州－上海电力系统的运行和稳定问题。

 

      七十年代，我国的电网结构极其不合理。例如山西南部电网、湖北电网等地区发电厂与用户之间电气距离很远，系统运行稳定性问题十分突出。因此，造成发电厂的发电机不能满负荷运行而用户又缺电的矛盾。所以如何进一步提高输送能力与系统运行的可靠性，使之能够充分利用水利资源，多发水电，节约煤炭是当时一项有着重要政治意义与经济意义课题。

 

      1974年，实验室受湖北电力局的委托对湖北电网进行了这方面的试验研究。当时湖北省丹江口水电站、黄龙滩水电站等主要电源集中在湖北省的西北部，而负荷集中在武汉、黄石等东南部，发电端与用户之间虽然在73年建了两回长度约为400公里的220KV输电线，74年又建了第三回线路，但系统运行稳定问题还是十分突出。教研组老师接到此项任务后，认为这项任务意义重大，是实验室为我国电网事业出力的好时机，而且它的研究带有普遍意义。当时由五名老师和十三名同学组成了湖北电力系统稳定研究小组。他们到电厂、变电站调研。有时到处于深山老林的电厂去，没有交通工具，就靠两条腿，渴了就喝山沟水，饿了就摘野果吃。就这样他们深入现场，得到了研究中所需的原始资料。经过600多次实验，制定了湖北电网运行方案，提出了电网改造措施。当时他们采取了实验与实际电网运行直接相结合的方式。也就是说，第一天下午湖北电力局把第二天预计的用户用电需求情况通知实验室，实验室根据这些资料，在晚上进行各种试验，得出哪台发电机发多少功率，哪条线路上应流过多少电流，才能保证电网稳定运行。第二天早上把这些实试结果再传送到湖北电力局，湖北电力局再根据这些试验结果，调节电厂发电机的功率。就这样，师生和湖北电力生产共脉搏，为电厂安全满发和系统稳定运行持续工作了半年之久。

      七十年代，由于我国输电线路长，因而造成用户端电压很低，而发电端电压又很高。因此，串联电容补偿在配电网络中得到了应用，这是改善配电网络电压水平和提高输送容量的一种有效措施。不过，采用串联电容补偿也带来一些尚未解决的技术问题。在1973年江西九江至武山35KV线路，由于串联补偿而引起大容量的异步电动机的自激，致使电动机无法正常运行。因此，自激问题往往成为推广应用串联补偿技术的一个障碍。

 

    为了解决这个问题，在高景德教授带领下，组建了串联电容补偿研究小组。在当时，知识分子要研究理论问题，要冒着极大政治风险的，有朋友曾劝他们不要冒风险，惹祸烧身。但是高教授深信国家培养我们多年，不管在什么情况下，我们的心愿总是想用自己的知识为国家多做点贡献，我们接受的教育就是尊重事实，按科学规律办事。所以他们义无返顾地坚持研究这个课题。他们通过收集现场资料，查阅文献和进行几个月动态模拟实验后，发现这个配电网络发生的交流电动机自激有待克服，而且交流电动机发生的自激有不同的类型，自激时的转速也有明显不同，这是前人尚未发现和研究过的问题。

 

      研究小组为了弥补由于白天必须参加政治学习而流逝的时间，他们只得利用夜间搞研究。为了真实地反映原形中的过程，研究小组经过调查研究掌握实际系统负荷特性，自行研制了水泵、卷扬机、主扇风机等模拟异步电动机和模拟负载。通过单机系统物理模拟试验研究、多机系统物理模拟试验研究、理论分析计算，最后搞清了电机和配电网络是一个机电相联的系统，用已有只考虑电磁参数的理论和分析方法是无法解释上述现象的。为此，进一步考虑了电机的参数及其负载特性的影响，在全面考虑电磁参数和机械参数等因素的条件下，在理论上深化了对电动机自激的物理特性认识，提出了不仅电动机的电磁参数（电阻、电抗等）影响自激；而且电动机的机械参数（惯性、负载特性）和电源电压也影响自激，提出了自激区的理论分析方法，工程设计方法及近似估算方法，并得到了与实验结果一致的计算数据；搞清了发生自激的物理过程，提出了克服自激的有效措施。为了进一步验证新提出的理论、方法及措施的可靠性，还进行了现场工作试验，不仅解决了九江至武山35KV线路串联电容补偿引起异步电动机自激问题，而且这些理论在当时电力界产生了很大影响。更令人难以置信是在当时的逆境中，他们又完成一本《串联电容引起的电动机自激》专著。这是一本在封面上不能出现作者姓名的创造性的科学专著，在那特殊年代一颗科学种子能够破土而出，这需要什么样的力量在支撑啊！

      在开展物理模型作为研究电力系统的工具的同时，50年代后期又研制了直流计算台和交流计算台。七十年代引入了模拟计算机，用于电力系统研究。这些研究工具在当时也发挥过一定的作用。

 

       七十年代至八十年代初，计算机技术迅速发展，计算机数字仿真技术迅速发展起来。由于数字仿真灵活、快捷、经济、方便等特点，在电力系统中的应用也日趋增多。实验室八十年代初就致力于用世界银行贷款购置计算机设备、建立电力系统数字仿真研究的环境。85年开始正式组成了仿真科研组，承接了我国第一套电网调度员培训系统?D?D东北电网仿真系统的研制。经过几年的努力，90年系统投运，获国家能源部科技进步一等奖，国家科技进步二等奖。以后逐渐形成了电力系统数字仿真的科研方向，研究任务也扩大到水电厂仿真、变电站仿真等方面。1993研制成功我国第一台水电厂仿真系统?D?D丰满水电厂仿真系统。十多年来，他们在数字仿真的研究中，潜心于数学模型的研究，选用了能反映系统机电动态过渡过程的暂态计算方法，并开发了实时故障电流计算软件，使系统的稳态、特别是动态仿真以致故障状态下的继电保护行为仿真达到了非常逼真的地步。变电站、水电厂仿真功能齐全，一套系统可仿事故多达几千种。他们率先在国内仿真器中引入多媒体等先进的计算机技术，使变电站、水电厂的仿真更为形象生动、扩大了仿真范围。十多年来，他们先后完成了十多个水电厂、变电站仿真系统，交付用户作为培训和研究设施使用，为我国电力系统安全运行作出了贡献。

      电力系统动态模拟实验室坚持学研产相结合的方针，紧密结合电力系统生产实际，在新技术开发与转化方面，不断取得科技水平高，经济效益大的成果。

 

       实验室发电机的励磁控制系统的研究就是一个突出的典型。

 

       励磁控制系统是发电机的重要部件，它不仅要维持发电机电压在给定值，而且对电力系统稳定运行起着非常重要作用。新的控制理论在电力系统中的应用往往先通过对发电机励磁的控制得到实现。实验室一直在该领域进行着探索和实践。

 

      1977 年，和华北中试所一起对陡河电厂（日本进口）的自并励磁系统对系统稳定的影响进行了研究；

 

      1978 年，率先和哈尔滨大电机研究所合作开展了励磁附加控制?D电力系统稳定器的研究；

 

     八十年代初，在国内最早开始在电力系统中应用线性最优原理，开发了线性最优励磁控制器，并于1983年在甘肃碧口电厂投入运行；

 

      九十年代，开展了非线性励磁控制研究，1993年丰满电厂第一代非线性励磁控制器投入了运行，从而形成新一代发电机励磁调节器，可显著地改善电力系统的安全稳定水平。这是非线性控制理论在电力系统中应用处于世界前列。

 

      以上仅仅是实验室科研成果中几个方面。仅近三年实验室就完成许多科研和科技开发项目，包括国家重大基础研究、国家自然科学基金、国家“八五”和“九五”科技攻关、电力部及其它省部委重大项目等纵向课题45项，横向课题122项，已通过鉴定项目21项，大部分成果已获得实际应用。科研获奖项目21项，其中国家科技进步二等奖1项，三等奖2项。部级一等奖3项，二等奖5项，三等奖5项。获国家发明专利1项。共发表学术论文458篇。

 

      实验室还开展了对各种新型继电保护装置、变电站综合自动化装置、快关汽门、故障录波仪、稳定控制装置、电力系统参数辨识等设备与仪器的试验研究。这些试验不仅检验了理论研究成果，而且促使了研究成果向产业化的发展。

      实验室自成立以来就把培养人才作为自己的重要目标。为加强本科生的物理概念和对电力系统实际的认识，实验室开设了“电力系统实验课”，让学生自己动手完成发电机并列、有功无功调节、系统稳定运行、系统暂态运行、失磁等实验并独立思考写成实验报告。对于研究生、博士生更加重视在这方面的培养。例如中科院院士高景德教授指导的倪以信博士的论文“电力系统故障暂态全过程数字仿真”就是在实验室完成的，这是清华大学自己培养的第一个博士，我国第一个自己培养的女工学博士。清华大学培养的第100个博士，李兴源的“电力系统再同步”论文也是在实验室得到论证的。许多研究生的研究课题都要在实验室进行检验，他们在试验研究中在理论和实践知识方面得到了丰富和提高。实验室工作过的学生和教师出去后在各自领域中都有很好的发挥。卢强、韩英铎两位院士就是其中的杰出代表。

 

      中科院院士卢强教授就曾在实验室从事过湖北电力系统稳定性研究，长期从事励磁控制系统的研究，现任国家实验室主任。他主要从事电力系统动态学和电力系统控制理论等领域的研究工作。科学出版社出版社了他的两部专著，开拓了微分几何理论的电力系统非线性控制研究方向。他1988年在IEEE Trans. On Power Systems上发表的论文是该研究方向的首篇文献，1997年底在他主持和指导下完成的“电力系统智能控制理论及应用”（自然科学重点基金）课题中，构建了FACTS设备以多目标智能优化控制理论框架。他曾获国家优秀科技图书一等奖，国家自然科学二等奖，国家科技进步三等奖和国家教委科技进步一等奖，1997年又获国家教学成果特等奖。

 

      工程院院士韩英铎教授，他也在实验室从事过湖北电力系统稳定研究、低频减载等多项研究。现任国家实验室学术委员会主任。他在大区域互联系统频率动态过程分析及低频减载装置的整定等领域都有突出理论和工业应用成果。他从事的电力部重大科技攻关项目“先进静止无功发生器的研制”，重大自然科学基金“可控串补技术”课题的研究，使柔性交流输电技术研究达到国内领先，国际先进的地位。他积极推动科研面向经济建设主战场和科技转化为生产力的工作，他曾获能源部科技进步二等奖、国家优秀科技图书一等奖和国家科技进步二等奖、三等奖，1997年获国家教学成果特等奖。

 

      当我们回顾电力系统动态模拟实验室四十年的历程时，我们特别要提到中科院院士、杰出的电机工程科学家、我们的老校长高景德教授，他不仅指导和组织了该实验室的建设，而且随着电力工业和科学技术的进步，及时决策，从八十年代起，不断将数字仿真技术、电力电子技术、微机技术等引入实验基地，领导了“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室”的建设，为我国同类实验室的发展起了带头作用。他参加和指导的重大研究项目《串联电容引起的电动机自激》、《电力系统线性和非线性控制》、《电机多回路理论》、《电机及电力系统参数辨识新方法》、《电力系统仿真培训系统》、《现代电能系统运行与控制的新理论与新技术》等都与这个实验室分不开。他指导研究生的论文工作，都力求进行动态模拟实验检验。在大量科学研究的基础上，他编著和主编了《电力系统动态模拟论文集》（1960）、《交流电机过渡历程及运行方式的分析》（1963）、《串联电容引起的电动机自激》（1978）、《电机过渡过程的基本理论及分析方法（上、下）》（1982、1983）、《交流电机及其系统的分析》（1993）等多部著作。由于高景德教授在电工科学技术领域和高等教育事业中的杰出贡献，他于1980年当选为中国科学院学部委员（院士），1985年当选为国际电气与电子工程师学会（IEEE）的特级会员（FELLOW）。他先后获得国际电气与电子工程师学会一百周年奖（1985）、国家自然科学二等奖（1987）、国家教委科技进步一等奖（1988、1994）、全国优秀科技图书一等奖（1984、1985）、香港柏宁顿教育基金会（中国）第二届“孺子牛金球奖”中的最高奖－杰出奖（1996）、北京市教学成果一等奖（1996）和国家级教学成果特等奖（1997）等。