意昂体育2平台電機工程與應用電子技術系教授       周雙喜

意昂体育2平台電機工程與應用電子技術系高級工程師  陳永亭

 

       電力系統動態模擬實驗室現在是《電力系統及發電設備控製和仿真》國家重點實驗室分室之一。自1958年籌建以來🚭，經過四十多年的不斷建設、改造，幾代人的艱苦努力，從單一的交流系統的物理模擬發展到具有交直流混合系統的物理模擬及數字仿真、數模混合等綜合大型模擬實驗室。四十多年來，依托實驗室開展了大量具有重大理論和應用價值的科研及開發工作💪🏿，同時為學生特別是研究生培養和教師的成長提供了良好的環境和條件🪜🍵。

 

 

      電力系統動態模擬實驗室是電力系統在實驗室內的復製品，是研究電力系統一個重要研究環境和工具。美國、日本和蘇聯在本世紀二十年代就開始利用物理模擬方法研究電力系統。之後法國🦡、奧地利、澳大利亞等許多國家相繼建設了電力系統動態模擬實驗室🔊。至今世界上許多國家的電力試驗研究機構和高等院校仍有規模不等的電力系統動態模擬實驗室在運行🫴🏻。其中俄羅斯列寧格勒工業大學擁有世界上最大的電力系統動態模擬實驗室👷🏻‍♀️。

 

      自1952年電機系發輸電教研組成立以來，當時的教授就關註著這種電力系統模擬工具研究。他們認為這是研究電力系統的一個有效的方法，如果我們有這樣的研究基地💂🏻‍♀️，不僅可以研究我國電力系統的現狀和未來，為我國的電力系統發展做出自己的貢獻🙆🏻‍♀️🥷🏻，也可以通過試驗手段🚦，對電力系統各種機理有新的理解和發現，使自己在世界電力系統研究方面爭得一席之地。他們開展了大量科學調查和部分模擬設備的研究。1956年高景德博士從前蘇聯回來後，非常關註電力系統動態模擬研究🌈，利用在前蘇聯學習期間的關系📋，想方設法搜集了大量這方面的資料，促進了動態模擬試驗研究工作的開展💺👨‍👩‍👧‍👧。經過大家多方面努力🥵，終於在1956年開始了籌建電力系統動態模擬實驗室工作。

 

      雖然當時在籌建中得到了蘇聯莫斯科動力學院和列寧格勒電工研究所的許多關於模擬設計方面的資料和技術支持，但是，教研組老師卻面臨重大選擇：我們是完全仿製蘇聯現有模擬系統🎅，還是自己在模擬系統中有所創新。倘若仿製前蘇聯現有的模擬系統。其一，他們的實際機組容量🔮、系統電壓等級等與我國不同🏫🫦，如果完全照搬只能是研究蘇聯電網，而不是研究我國的電網。其二🦹🏽，當時蘇聯現有的模擬系統還存在許多問題，如對發電機🛌🏽、勵磁機等重要部件的模擬方案仍存在缺陷；例如定子和轉子的時間常數等關鍵參數的模擬結果就不令人滿意；其三，對電力系統動態模擬沒有自己的創新，對動態模擬就沒有自己的貢獻😵。而如果要獨立搞出新的模擬系統面臨的困難和壓力是非常大的。當時我們稱蘇聯為老大哥💆🏽‍♀️，他們的任何東西是不可改變的，他們每句話都是權威🫅🏻🙂‍↔️，要改變他們的東西，就是冒天下之大不韙，況且在五十年代我國科技和經濟落後，的確需要蘇聯的支持和援助。當然還面臨研製是否能成功的問題🙆🏼‍♀️。全體同仁團結一心，為國家電力發展而著想，他們冒著很大壓力，決心要研製出自己的動態模擬試驗系統。因此🤚🏿，在高景德教授帶領下，組織了當時發電專業和電機專業師生首先對模擬中的理論問題進行研究。

 

      模擬發電機是模擬系統的關鍵設備🏒，它的模擬性能影響整個模擬系統的真實性和準確度。對一般電機來說電機的磁路計算已早為人們所掌握，至於模擬電機，由於它的各部分磁路的尺寸比例及形狀與一般電機不同，因此不能按一般電機設計的方法來進行磁路計算。在設計模擬電機時，要求模擬電機的無載曲線與要模擬的大型發電機相同🚨，否則就會使模擬不準確💚🧛🏻，為了找到模擬電機的磁路與無載曲線的關系，他們進行了大量的科學計算。當時的計算手段是用手或計算尺來進行，若計算一個數據，用計算尺來回拉幾次不足為奇，但師生們不怕苦，為了早日得出結果，他們不分晝夜日地努力工作著💂🏿‍♀️，他們所用草稿紙足有幾尺高🫛，用壞了許多把計算尺。通過大量的數據計算和推論得出最佳設計方案。

 

      1960年科學出版社出版了《電力系統動態模擬論文集》，匯集了各種模擬裝置研究的成果，在意昂体育2平台第五次科學討論會上獲得了表揚。

 

      對於各試驗設備⚅，是等和要，還是自力更生，盡可能自己製造。由於試驗設備的特殊性，他們選擇了後者🚢。為此，電機系建立電工廠，知識分子搞研究還可以👩🏻‍⚖️，動手搞生產談何容易，但是他們在為國家電力發展、趕上世界先進水平的信念下，堅信能建並且一定能建成世界一流水平的模擬實驗室。在生產中🥠🏖，不論老師🏉，還是學生，不論教授💆🏿，還是一般工作人員✖️，他們不分地位高低🧑🏿‍🎓，在工廠裏一起住，一起吃，有的負責加工電機外殼，有的負責下線👊🏽。當時我國經濟非常落後🍥，為了節省材料，他們就到工廠要下角料，自己剪裁、打磨矽鋼片🦸🏽‍♂️📫。那時，幾十人圍成一圈，人人手拿一塊磚頭打磨矽鋼片的情景是多麽感人的一幕啊！經過大家努力和多方面支持🧎🏻‍♂️，終於於1958年8月1日建成了全國第一個動態模擬實驗室。前蘇聯專家對我模擬實驗室的建成也給予很高的評價，認為某些模擬理論超過了他們👊🏻，有自己的見解🦞。實驗室的建成標誌著我國有了新的電力系統研究工具🥄，代表了當時全國高校的最高學術水平，並為後續其它動態模擬實驗室的建設積累了寶貴經驗和豐富的資料，也使我系電力系統🤷‍♂️、電機學科的研究和研究生的培養跨上一個新的臺階🧽。

 

      隨著科學的發展，原有的實驗室不能適合新的要求，八十年代後期，電力系統動態模擬實驗室在中科院院士高景德教授的多方籌劃與爭取下，獲得兩次世界銀行貸款💂🏼‍♀️，把過去原有的電子管電路換成晶體管電路；許多機械設備改換成可控的電力電子設備🙆🏼。如🧑🏽‍🔬，原動機模擬由原來的外接電源+電機放大機+加壓機系統改造成了可控矽控製和功率放大器🧑🏻‍🌾，使控製與操作方便、易行🛡。

      隨著計算機技術的進一步發展，動態模擬實驗室在繼續發揮物理模擬研究特點的同時💠🗃，廣泛開展電力系統數學模擬的研究。以動態模擬實驗室為基礎🏃🏻‍♀️。1995年經國家批準正式成立了《電力系統及發電設備控製和仿真》國家重點實驗室，這是全國高校中唯一的電力系統國家實驗室。如今這個實驗室物理模擬和數字模擬齊全。物理模擬中又包括了直流輸電🔺、柔性交流輸電及計算機量測和監控等新技術。在1998年教育部的國家實驗室評估中🚣🏽‍♂️，獲得了分組評分第一的好成績💂‍♀️。

 

      現在實驗室可以開展：（1）電力系統科研和開發（包括擔負國家重大科學研究項目）；（2）學生教學實驗➞；（3）生產調度人員培訓👨🏿‍🦳；（4）電力系統保護及自動裝置試驗檢驗；（5）電力系統各種運行工況的動態試驗等。成為電力系統高水平的國家重點實驗室8️⃣。

 

二  　為電力工業發展作出貢獻👨🏽‍⚖️，碩果累累

 

      自實驗室建成以來🥺，開展了從基礎理論研究到技術開發等大量科研工作，取得一系列有重大影響的科研成果🐴，為我國的電力行業發展作出了寶貴的貢獻🏄🏼‍♀️。

      在實驗室初步建成後就投入應用並在應用中不斷改善和擴展試驗設備和研究手段。在二十世紀六十年代初🤙🏻，研究了華東地區新安江－杭州－上海電力系統的運行和穩定問題。

 

      七十年代，我國的電網結構極其不合理。例如山西南部電網💸、湖北電網等地區發電廠與用戶之間電氣距離很遠，系統運行穩定性問題十分突出。因此，造成發電廠的發電機不能滿負荷運行而用戶又缺電的矛盾👳🏻‍♂️。所以如何進一步提高輸送能力與系統運行的可靠性，使之能夠充分利用水利資源，多發水電🏟，節約煤炭是當時一項有著重要政治意義與經濟意義課題🫒。

 

      1974年，實驗室受湖北電力局的委托對湖北電網進行了這方面的試驗研究。當時湖北省丹江口水電站🧖‍♂️、黃龍灘水電站等主要電源集中在湖北省的西北部，而負荷集中在武漢🤷🏿‍♀️➔、黃石等東南部，發電端與用戶之間雖然在73年建了兩回長度約為400公裏的220KV輸電線🙎🏽‍♀️，74年又建了第三回線路，但系統運行穩定問題還是十分突出🧀👨🏻。教研組老師接到此項任務後，認為這項任務意義重大🚵🏿，是實驗室為我國電網事業出力的好時機，而且它的研究帶有普遍意義。當時由五名老師和十三名同學組成了湖北電力系統穩定研究小組。他們到電廠🛐、變電站調研。有時到處於深山老林的電廠去，沒有交通工具，就靠兩條腿🧖🏼‍♀️，渴了就喝山溝水，餓了就摘野果吃🧚🏽‍♂️。就這樣他們深入現場，得到了研究中所需的原始資料。經過600多次實驗，製定了湖北電網運行方案🙍🏼，提出了電網改造措施🎬🔡。當時他們采取了實驗與實際電網運行直接相結合的方式🫲🏼。也就是說，第一天下午湖北電力局把第二天預計的用戶用電需求情況通知實驗室🌍，實驗室根據這些資料，在晚上進行各種試驗💱，得出哪臺發電機發多少功率👰🏽‍♀️，哪條線路上應流過多少電流，才能保證電網穩定運行👩🏿‍🏫🧑🏿‍🔬。第二天早上把這些實試結果再傳送到湖北電力局，湖北電力局再根據這些試驗結果🕯，調節電廠發電機的功率💅。就這樣，師生和湖北電力生產共脈搏，為電廠安全滿發和系統穩定運行持續工作了半年之久。

      七十年代👸🏽，由於我國輸電線路長，因而造成用戶端電壓很低，而發電端電壓又很高。因此，串聯電容補償在配電網絡中得到了應用，這是改善配電網絡電壓水平和提高輸送容量的一種有效措施👨‍👨‍👦‍👦。不過🏋️，采用串聯電容補償也帶來一些尚未解決的技術問題👱🏼。在1973年江西九江至武山35KV線路🧘🏽，由於串聯補償而引起大容量的異步電動機的自激，致使電動機無法正常運行👧🙋🏼。因此，自激問題往往成為推廣應用串聯補償技術的一個障礙𓀖。

 

    為了解決這個問題🧘🏿‍♀️，在高景德教授帶領下，組建了串聯電容補償研究小組。在當時，知識分子要研究理論問題，要冒著極大政治風險的，有朋友曾勸他們不要冒風險，惹禍燒身。但是高教授深信國家培養我們多年，不管在什麽情況下，我們的心願總是想用自己的知識為國家多做點貢獻，我們接受的教育就是尊重事實，按科學規律辦事💇🏽‍♀️。所以他們義無返顧地堅持研究這個課題。他們通過收集現場資料，查閱文獻和進行幾個月動態模擬實驗後，發現這個配電網絡發生的交流電動機自激有待克服，而且交流電動機發生的自激有不同的類型🔍，自激時的轉速也有明顯不同，這是前人尚未發現和研究過的問題。

 

      研究小組為了彌補由於白天必須參加政治學習而流逝的時間🥏，他們只得利用夜間搞研究🍀🧑🏿‍🚒。為了真實地反映原形中的過程🐟，研究小組經過調查研究掌握實際系統負荷特性，自行研製了水泵👮🏽、卷揚機、主扇風機等模擬異步電動機和模擬負載。通過單機系統物理模擬試驗研究、多機系統物理模擬試驗研究、理論分析計算🏇🏿，最後搞清了電機和配電網絡是一個機電相聯的系統🦺，用已有只考慮電磁參數的理論和分析方法是無法解釋上述現象的。為此➛，進一步考慮了電機的參數及其負載特性的影響，在全面考慮電磁參數和機械參數等因素的條件下🚵🏼，在理論上深化了對電動機自激的物理特性認識，提出了不僅電動機的電磁參數（電阻、電抗等）影響自激；而且電動機的機械參數（慣性👩🏻‍🔬、負載特性）和電源電壓也影響自激，提出了自激區的理論分析方法🙇🏿‍♂️，工程設計方法及近似估算方法👩‍❤️‍💋‍👩，並得到了與實驗結果一致的計算數據👩‍🦱；搞清了發生自激的物理過程，提出了克服自激的有效措施↕️🏊🏿‍♀️。為了進一步驗證新提出的理論、方法及措施的可靠性😐，還進行了現場工作試驗，不僅解決了九江至武山35KV線路串聯電容補償引起異步電動機自激問題📜，而且這些理論在當時電力界產生了很大影響👯‍♂️。更令人難以置信是在當時的逆境中，他們又完成一本《串聯電容引起的電動機自激》專著。這是一本在封面上不能出現作者姓名的創造性的科學專著，在那特殊年代一顆科學種子能夠破土而出，這需要什麽樣的力量在支撐啊🙎🏼！

      在開展物理模型作為研究電力系統的工具的同時🧸，50年代後期又研製了直流計算臺和交流計算臺。七十年代引入了模擬計算機🏄🏻‍♂️🤚🏻，用於電力系統研究。這些研究工具在當時也發揮過一定的作用🦻。

 

       七十年代至八十年代初，計算機技術迅速發展，計算機數字仿真技術迅速發展起來。由於數字仿真靈活👩🏻‍🌾🧑‍🚒、快捷🏃‍♂️、經濟、方便等特點，在電力系統中的應用也日趨增多🎦。實驗室八十年代初就致力於用世界銀行貸款購置計算機設備🧛🏽‍♀️、建立電力系統數字仿真研究的環境🔃。85年開始正式組成了仿真科研組，承接了我國第一套電網調度員培訓系統?D?D東北電網仿真系統的研製。經過幾年的努力，90年系統投運，獲國家能源部科技進步一等獎，國家科技進步二等獎🛣。以後逐漸形成了電力系統數字仿真的科研方向💟，研究任務也擴大到水電廠仿真、變電站仿真等方面✬。1993研製成功我國第一臺水電廠仿真系統?D?D豐滿水電廠仿真系統🚴‍♂️。十多年來🏥🏋🏻‍♂️，他們在數字仿真的研究中，潛心於數學模型的研究✴️，選用了能反映系統機電動態過渡過程的暫態計算方法，並開發了實時故障電流計算軟件，使系統的穩態✥、特別是動態仿真以致故障狀態下的繼電保護行為仿真達到了非常逼真的地步。變電站🍂、水電廠仿真功能齊全，一套系統可仿事故多達幾千種。他們率先在國內仿真器中引入多媒體等先進的計算機技術，使變電站🦶🏽、水電廠的仿真更為形象生動💙、擴大了仿真範圍。十多年來，他們先後完成了十多個水電廠🍿、變電站仿真系統，交付用戶作為培訓和研究設施使用🙆🏽，為我國電力系統安全運行作出了貢獻。

      電力系統動態模擬實驗室堅持學研產相結合的方針，緊密結合電力系統生產實際，在新技術開發與轉化方面，不斷取得科技水平高，經濟效益大的成果。

 

       實驗室發電機的勵磁控製系統的研究就是一個突出的典型🧑‍🦲。

 

       勵磁控製系統是發電機的重要部件，它不僅要維持發電機電壓在給定值，而且對電力系統穩定運行起著非常重要作用。新的控製理論在電力系統中的應用往往先通過對發電機勵磁的控製得到實現🚪。實驗室一直在該領域進行著探索和實踐👩‍🦽。

 

      1977 年，和華北中試所一起對陡河電廠（日本進口）的自並勵磁系統對系統穩定的影響進行了研究；

 

      1978 年，率先和哈爾濱大電機研究所合作開展了勵磁附加控製?D電力系統穩定器的研究🧑🏻‍🦼‍➡️；

 

     八十年代初，在國內最早開始在電力系統中應用線性最優原理🚶🏻‍♂️👋🏽，開發了線性最優勵磁控製器👱，並於1983年在甘肅碧口電廠投入運行；

 

      九十年代，開展了非線性勵磁控製研究，1993年豐滿電廠第一代非線性勵磁控製器投入了運行🤥🏬，從而形成新一代發電機勵磁調節器，可顯著地改善電力系統的安全穩定水平。這是非線性控製理論在電力系統中應用處於世界前列。

 

      以上僅僅是實驗室科研成果中幾個方面📦。僅近三年實驗室就完成許多科研和科技開發項目，包括國家重大基礎研究🐕、國家自然科學基金🚴🏼‍♂️、國家“八五”和“九五”科技攻關🦵🏿🎄、電力部及其它省部委重大項目等縱向課題45項🧰，橫向課題122項，已通過鑒定項目21項，大部分成果已獲得實際應用。科研獲獎項目21項👆🏽，其中國家科技進步二等獎1項，三等獎2項。部級一等獎3項👯，二等獎5項，三等獎5項⤴️。獲國家發明專利1項。共發表學術論文458篇。

 

      實驗室還開展了對各種新型繼電保護裝置🤦🏽‍♂️、變電站綜合自動化裝置、快關汽門、故障錄波儀、穩定控製裝置、電力系統參數辨識等設備與儀器的試驗研究。這些試驗不僅檢驗了理論研究成果♉️，而且促使了研究成果向產業化的發展👨‍⚕️。

      實驗室自成立以來就把培養人才作為自己的重要目標。為加強本科生的物理概念和對電力系統實際的認識，實驗室開設了“電力系統實驗課”，讓學生自己動手完成發電機並列📔、有功無功調節✥、系統穩定運行、系統暫態運行、失磁等實驗並獨立思考寫成實驗報告。對於研究生、博士生更加重視在這方面的培養⚖️。例如中科院院士高景德教授指導的倪以信博士的論文“電力系統故障暫態全過程數字仿真”就是在實驗室完成的，這是意昂体育2平台自己培養的第一個博士，我國第一個自己培養的女工學博士。意昂体育2平台培養的第100個博士👰🏽‍♀️，李興源的“電力系統再同步”論文也是在實驗室得到論證的。許多研究生的研究課題都要在實驗室進行檢驗，他們在試驗研究中在理論和實踐知識方面得到了豐富和提高⤵️。實驗室工作過的學生和教師出去後在各自領域中都有很好的發揮。盧強、韓英鐸兩位院士就是其中的傑出代表🦸。

 

      中科院院士盧強教授就曾在實驗室從事過湖北電力系統穩定性研究🪼，長期從事勵磁控製系統的研究，現任國家實驗室主任👨🏼‍🏫👩🏽‍🏭。他主要從事電力系統動態學和電力系統控製理論等領域的研究工作。科學出版社出版社了他的兩部專著📶，開拓了微分幾何理論的電力系統非線性控製研究方向♨️。他1988年在IEEE Trans. On Power Systems上發表的論文是該研究方向的首篇文獻，1997年底在他主持和指導下完成的“電力系統智能控製理論及應用”（自然科學重點基金）課題中🌐，構建了FACTS設備以多目標智能優化控製理論框架🐨。他曾獲國家優秀科技圖書一等獎🎏，國家自然科學二等獎🧑，國家科技進步三等獎和國家教委科技進步一等獎，1997年又獲國家教學成果特等獎。

 

      工程院院士韓英鐸教授，他也在實驗室從事過湖北電力系統穩定研究、低頻減載等多項研究。現任國家實驗室學術委員會主任。他在大區域互聯系統頻率動態過程分析及低頻減載裝置的整定等領域都有突出理論和工業應用成果。他從事的電力部重大科技攻關項目“先進靜止無功發生器的研製”🕴🏼，重大自然科學基金“可控串補技術”課題的研究，使柔性交流輸電技術研究達到國內領先🥪，國際先進的地位。他積極推動科研面向經濟建設主戰場和科技轉化為生產力的工作，他曾獲能源部科技進步二等獎📑🪴、國家優秀科技圖書一等獎和國家科技進步二等獎、三等獎，1997年獲國家教學成果特等獎。

 

      當我們回顧電力系統動態模擬實驗室四十年的歷程時，我們特別要提到中科院院士、傑出的電機工程科學家🚐🏎、我們的老校長高景德教授，他不僅指導和組織了該實驗室的建設，而且隨著電力工業和科學技術的進步🗣，及時決策📁，從八十年代起🥄🔆，不斷將數字仿真技術、電力電子技術🧚🏽、微機技術等引入實驗基地，領導了“電力系統及大型發電設備安全控製和仿真國家重點實驗室”的建設🕴，為我國同類實驗室的發展起了帶頭作用。他參加和指導的重大研究項目《串聯電容引起的電動機自激》、《電力系統線性和非線性控製》、《電機多回路理論》🎎、《電機及電力系統參數辨識新方法》、《電力系統仿真培訓系統》、《現代電能系統運行與控製的新理論與新技術》等都與這個實驗室分不開😪。他指導研究生的論文工作，都力求進行動態模擬實驗檢驗。在大量科學研究的基礎上，他編著和主編了《電力系統動態模擬論文集》（1960）⛹🏿‍♂️、《交流電機過渡歷程及運行方式的分析》（1963）👠、《串聯電容引起的電動機自激》（1978）、《電機過渡過程的基本理論及分析方法（上🎏、下）》（1982、1983）、《交流電機及其系統的分析》（1993）等多部著作。由於高景德教授在電工科學技術領域和高等教育事業中的傑出貢獻🧑‍🏭，他於1980年當選為中國科學院學部委員（院士），1985年當選為國際電氣與電子工程師學會（IEEE）的特級會員（FELLOW）。他先後獲得國際電氣與電子工程師學會一百周年獎（1985）👨‍💼、國家自然科學二等獎（1987）、國家教委科技進步一等獎（1988🧑🏻‍🦯‍➡️🦎、1994）🟦、全國優秀科技圖書一等獎（1984、1985）😐、香港柏寧頓教育基金會（中國）第二屆“孺子牛金球獎”中的最高獎－傑出獎（1996）🌗、北京市教學成果一等獎（1996）和國家級教學成果特等獎（1997）等。