叶明
电力系统暂态稳定定量分析的开拓者--------薛禹胜 精选
2021-10-28 08:39
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电力系统暂态稳定定量分析的开拓者------薛禹胜

 

 

薛禹胜,1941年生,江苏无锡人,无党派人士。现任国电自动化研究院/南京南瑞集团公司总工程师,博士生导师,国际著名稳定性理论及电力系统自动化专家。1963年参加工作,1987年获比利时列日大学博士学位,1995年当选为中国工程院院士。2003年当选为第十届全国人民代表大会代表。

作为电力系统暂态稳定定量分析的开拓者和学术带头人,薛禹胜所创造的CCEBC(互补群群际能量壁垒)理论开创了非自治系统运动稳定性的量化研究,发明的EEAC法是对电力系统暂态稳定快速分析这一世界性难题的重大突破。EEAC法是惟一得到严格证明的定量分析法,揭示了多机电力系统暂态失稳的本质及失稳模式随参数值而变的机理,至今仍是国际上电力系统稳定性分析惟一的量化理论及商品软件,被公认为电力系统暂态稳定分析和预防控制的最佳快速解析方法。该方法不但精确,比积分法求临界条件快数十倍,还能提供其他方法不能提供的重要信息[1]。其商品软件包已成功应用于国内外电力系统在线暂态安全分析和电力系统在线稳定控制,包括法国、美国、加拿大、芬兰、爱尔兰、韩国、澳大利亚等国家和地区的29个境外电力公司和大学,是我国电力界自主知识产权的高技术向欧美发达国家输出的范例。

针对我国现代电网发展对安全稳定的要求,近年来薛禹胜着重研究大停电的演变机理和时空协调的防御体系,从理论到系统方案及技术应用,都取得了新的自主创新成果。

薛禹胜的研究成果“电力系统暂态稳定在线评估技术及其应用”获1996年度国家科技进步一等奖,所发明的“电力系统的自适应系统保护方法”获2004年度国家技术发明二等奖。薛院士和他的科研团队应用以上成果还获得更多应用性成果,包括国家科技进步二等奖2项、全国优秀科技图书一等奖、国家图书奖提名奖等。获发明专利授权 2 项并获第九届中国专利优秀奖。发表著作3本,国际论文95篇,国内论文155篇。

薛禹胜是全国先进工作者,获国家电网公司科技杰出贡献奖。曾长期担任国际自控联发电厂与电力系统专委会委员,现任国际大电网组织中国国家委员会技术委员会主席、中国电机工程学会理事、江苏省电机工程学会副理事长。他担任主编的《电力系统自动化》杂志获得全国期刊最高荣誉“双高期刊”称号,蝉联了每届国家期刊奖,并名列每届百种中国杰出学术期刊。

薛禹胜还是上海交通大学、浙江大学、山东大学、武汉大学、东南大学、河海大学及华中科技大学等高校的兼职教授。他是江苏省优秀研究生导师。

薛禹胜几十年来如一日,治学严谨而勇于创新,谦虚宽厚,堪称职业道德的典范。

 

1.为特高压电网建设提供“稳定保障”

 

新的经济发展阶段,出现交流100万电压等级是新一轮经济发展的必然。这是国家电网公司对国际电力事业的重大贡献,也是中国电力学术界和工程界难得的机遇。特高压电网能够按计划,符合技术规范地建设好。但也要看到,特高压电网的安全运行同样是件极具挑战性的任务。在立项和开工阶段,必然会较多地强调特高压建设的必要性,但现在则应同样地重视特高压电网运行规律和分析控制技术的研究。

特高压电网对支撑我国可持续发展有重大意义。但要形成有规模的网络,必然要经历从个别线路到放射形网络,再发展为闭环电网的过程。50万伏电网发展初期与22万伏线路形成电磁环网运行的问题,将会在特高压电网形成过程中再次出现,这是发展中不可避免的代价。特高压线路的断开不但会使大量负荷转移到50万伏电网而引起后者的相继开断,并且由于电气距离的突然增加,可能诱发严重的低频振荡。万一失稳,则波及面很大。此外,拓扑和工况的变化及其影响加剧,失稳模式变化更加复杂,运行风险不容忽视。

薛禹胜所从事的研究课题,在超大规模输配电和电网安全保障大课题范围中。薛禹胜过去提出的扩展等面积法(EEAC),是一套快速的量化算法,解决了一个世界性难题,证明中国人完全可以源创出世界上没有先例的理论和算法。EEAC为构建现代大电网的防御体系奠定了坚实的理论基础,扭转了灾变防御工作的被动局面。

面对大范围互联、电力市场化、大量分布电源、高压直流输电技术和柔性交流输电技术、海量的广域信息等特点,加上即将到来的特高压电网的建设,我国现代电力系统的动态行为进一步复杂化,现代电力系统的可靠性面临着新的挑战,我们科研工作者也迎来了新的挑战,去解决超大规模输配电和电网安全保障这一世界性的电网科技难题。薛禹胜所在的国电自动化研究院一直致力于电力自动化技术的研究开发,努力为电网的安全稳定运行提供可靠技术保障,今后将更加突出自主创新,努力为特高压电网建设和运行提供技术保障。

50万伏网络建成初期,电磁环网现象非常普遍。依靠我国老一辈电力工作者创造的三道防线的理念,相当薄弱的电网在严峻的条件下基本满足了运行要求。现在,50万伏线路已经足够强大,一些22万伏线路已经解开运行,比如江苏的22万伏电网已经分成14片运行。特高压电网循序前进,也将在发展中消除电磁环网。但是,在新的环境下,三道防线在安全性与经济性的结合方面,出现了一些不适应。

首先,在技术上有含糊和难以操作的地方。比如目前按故障类型来区分严重程度,再决定用哪道防线来应对。但故障类型并不能合理区分故障的严重程度。由于无法明确定义,也就不可能合理地协调经济性和安全性。第二,因为没有从全局和协调的观点来看故障与对策的关系,人为地用三道防线把控制体系孤立开,铁路警察,各管一段。因此,必然造成过度控制,不但不经济,而且可能引起对后续稳定性的负效应。改进的方法在于寻找控制手段中风险最小的组合,并以风险的大小来判定故障的严重程度。听起来有点像“市场倒推”的评估标准,需要计算的是“买断故障”的经济代价,而不是估算故障可能造成的损失。过去为什么不能做到这样?因为过去无法在机理、算法方面找到综合最优的对策,只能从表面现象来推测结果,难以做到经济性与安全性上的协调,往往为保障安全性过度地牺牲经济性。三道防线是非常重要的概念,并不过时,但是随着电网的发展,控制手段也要改进。薛禹胜及其创新团队提出的“时空协调的大停电防御体系”就是这样的一种改进。

时空协调的大停电防御框架,立足于动态、定量、优化、在线、自适应、风险和协调的观点,有机协调预防控制、继电保护、紧急控制、校正控制、阻尼控制等防线,并为这些防线提供在线决策支持。综合防御框架强调信息监测、在线分析和控制决策个要素:信息是分析和决策的基础;机理和量化分析则通过数据挖掘来深刻掌握电网的行为特性;正确的决策是为了以最小的风险代价来满足电力需求。该框架应该实现多方位的技术提升,包括从静态到动态,从定性到定量,从离线到在线,从定制到自适应,从保守到优化,从确定性到风险性,从表面到本质,从局部到全局,从孤立到协同。

在技术实现上,薛禹胜前瞻性地研究开发了广域监测分析保护控制WARMAP)系统框架,国电自动化研究院的科研团队正在与华东电网公司和江苏省电力公司的专家们一起实施这样一个雄伟的创举,以实现时空协调的大停电防御体系。时空协调的大停电防御体系将为更复杂电网的安全稳定运行提供一个关键的技术支撑,对此薛禹胜院士充满信心。他表示“将尽力使自己的工作达到本学科的里程碑水平,我宣称这一点,就是为了不给自己留后路。” [2]

薛禹胜院士的潜心研究不但使EEAC成为研究电力系统稳定性的有力理论武器,并且在国内外的实际工程中得到了广泛的应用。最近,EEAC又从电力系统暂态稳定性的定量理论进一步拓广为可以分析任意非自治、非线性多刚体运动稳定性的互补群能量壁垒准则(CCEBC)。薛禹胜院士很有信心:“中国有能力在世界上建好特高压输电工程,也有能力保证它的安全稳定运行。”

 

2.为国民经济发展构建 “数学模型

 

薛禹胜在思考如何发挥自己的学术成果的更大价值。非线性科学是不同学科领域的共同概念理论基础,它是继量子力学、相对论之后的又一次新的科学革命。当前,无论从研究的规模,还是从认识的深度来看,CCEBC现在还没有得到普遍应有的认可认识,但它确实充满了新意和生机。薛禹胜一边开拓CCEBC在电力系统中的应用;一边“游说”国内其他领域的学者关注CCEBC,使它能在天体碰撞、轴系扭振等工程问题,以及在人口、市场等非工程系统的稳定性研究中获得应用。

薛禹胜还有一个雄心勃勃的计划:建立一个可以预测中国电力市场未来发展趋势的数学模型,以便让中国企业和政府部门从十年一次的、价值数百亿美元的市场动荡中解脱出来。如果模型可以大致预测出电力市场的波动,那么加入足够多的变量,是否也可预测出中国未来的社会变迁呢?现在,这位在世界范围内也称得上造诣精深的电力系统专家,开始考虑向经济学和社会学领域寻找突破。

  对于中国来说,电力市场面临的严峻挑战之一是电力投资在 “过热 “短缺之间的巨大波动。在中国目前电力供应持续短缺的大背景之下,大批电力项目纷纷上马,政府监管部门担心数年之后就会导致出现供给远大于需求的现象,进而造成这些电厂亏损,并导致为它们提供资金支持的银行出现高达数百亿美元的坏帐,给整个社会经济造成危害。

   美国加利福尼亚州就曾出现电力危机和北美地区大停电事件,这表明电力市场的稳定与管制是一个世界性的难题。“美国市场经济的经验和电力市场化的条件比中国好得多,最大的电业灾难却偏偏发生于此,中国也应该吸取他们的教训。”

  因此,一个让常人感到匪夷所思的想法在他脑海中盘旋:“既然电力市场的试验会让一国经济付出如此高昂的成本,可不可以把它搬到试验室去做?有无可能建立一个技术与经济相结合的仿真系统,把以前纯物理系统的电力系统,变成一个动态的宏观系统?

  曾经获得诺贝尔奖的实验经济学和行为经济学为薛禹胜提供了理论上的支橕。他将在仿真系统中尽量用数学及物理模型解决能定量的部分,而对不能定量的人的参与,则请来发电厂、电网公司、调度员、用户等市场参与者代表(或者了解他们决策倾向的人),坐在终端,完成整个系统的仿真。

  现在投资方没有办法预测3年或者更长时间以后的市场状况,投资是盲目的。” 薛禹胜说, “我不能肯定仿真能达到最终目的,但有这样一个具有参考价值的数学模型总比什么都没有好吧?

  目前,薛禹胜和他的研究团队对该模型研究已经进行了两年,完成总体计划大约使用2300万资金。薛禹胜院士构建的系统已经可以将美国加州发生的电力市场崩溃的过程“仿真”出来,并建立起模型。

  然而,电力市场并不是薛禹胜院士的最终目标。在他的脑海里,将数学模型计划推广开来,在主要经济领域和重要行业引入仿真系统,甚至对社会的未来进行预测和推理,供决策者参考,这完全看技术手段的支持能力。 薛禹胜院士“一直在思考这个问题,但目前还只是一种理论上的构想,是一个很遥远的目标,也许这辈子都无法实现。

  薛禹胜将他的计划和想法带进了全国人民代表大会。他说: “科学不仅需要定性地描述,还需要定量地分析。尽管阻力很大,也不知道可以走多远,但中国正在着手建立和谐社会,我希望能为这个宏伟目标提供技术支持。

 

3.为行业健康成长做好“基础研究“

 

一个国家、一个行业对基础研究的重视程度犹如其对科技的长线和短线投资,需要有高瞻远瞩的眼光。但近几年来在我国电力行业,应用性基础研究的成果储备呈下降趋势。这种局面继续下去必将严重制约电力工业的发展。薛禹胜表示了这一担忧。  

薛禹胜认为,改革开放40多年来,电力工程应用研究领域取得了很大进展。但与航天、生物、计算机、地质等行业相比,其原创性的重大应用性基础研究成果较少。长此以往,必将导致电力工业发展后劲的严重不足。电力的应用性基础研究往往没有直观的经济效益,具有很大的不确定性,但它是整个电力工业发展的重要原动力之一,更是电力走新型工业化道路的基础。这些年,我们在电力研究领域比较多地强调了科研成果的转化,但对科研的过程缺乏应有的耐心,对应用性基础研究的政策制定以及目标选择上则重视得很不够。

  强调科学技术必须面向经济建设,宏观上是非常正确的,但创收不应该是科研单位的惟一任务。如果较远目标的应用性基础研究项目得不到应有的支持,科研单位仅仅忙于四处寻找合同,签到什么就干什么,则项目的积累和成果的储备就会下降。科学技术对经济建设的推动作用就不能得到充分的体现。

  薛禹胜认为,其实国内的电力应用基础研究还是有较强的人才实力的,人数也不少,且不乏有潜力的学术带头人。造成原创性研究成果廖廖的原因,除了一些科研人员缺乏勇气和韧劲等个人因素外,最主要的原因还是没有建立起一套能够激发科研人员积极性的机制。薛禹胜所在的南瑞集团公司的另一块牌子是国电自动化研究院,是国内较早走向市场的科研院所之一,已取得显著的经济效益和社会效益,具有了一定的品牌效应。薛禹胜介绍了目前公司采取的一些体制和机制上的改革措施,如探索职工持股和上市,改革组织机构、研发投入机制和内部管理机制等。他说,这些改革举措的目标之一就是要进一步激发科研人员进行应用性基础研究的积极性。

他认为,科研院所在走向市场的过程中都或多或少出现了内部各自为政、恶性竞争、重复开发的现象,这或许是科研院所走产业化道路必然要经历的发展阶段。因为在起步初期,普遍采取课题承包或部门承包方式,团体越小,利益越大。但随著科研产业化规模的不断扩大和发展成熟,通过内部组织的整合将内耗减少到最小,就显得愈发重要。在经历了初期的探索阶段后,市场观念得到了强化,知道科研生产如何和商品挂钩了,这就为重新整合创造了条件,同时市场竞争的日益加剧也将促进这种整合。这时就要建立起共享的概念,使合作多于竞争,突出团队精神,使大家明白一只拳头远胜过一只手指的力量。当然,整合不能仅仅利用行政手段,而更多的是要利用经济杠杆,根据市场细分原则,从有利于各部分的长远发展和规模效益出发,扭转分散重复的局面。从管理上加强协调,技术上加强集成,既保证对现有产品和服务的平稳延续,又使得内部资源得以最大发挥。科研院所在进入市场的进程中若能够把握好内部整合这一步,再能把握好体制和机制创新的时机和步骤,就有可能真正成为我国市场经济中实现科技产业良性循环的市场主体。而这些以技术创新为核心的科技企业在实现良性发展的基础上,也应建立起一个有利于激发科技人员进行创新性开发和前瞻性应用基础研究的良性机制,这样既有利于科技企业自身的可持续发展,也为行业的技术进步作出贡献。  

薛禹胜及其科研团队能够不断创新并取得具有国际领先水平的成果,很大程度得益于国家电网公司的宏观引领和国电自动化研究院的良好环境。在自主创新特别是原始创新方面,薛禹胜院士感到,科技工作者除了要具备必要的品质和素养、要有责任感和敬业精神,还要注重以下几点。

一是要从解决实际问题出发,坚持理论研究,寻找突破口。不要单纯为追求原始创新而脱离实际的需求确定方向和课题。为此,应该在生产实践中寻求课题,潜心研究和比较他人的研究成果,发现没有解决的重要问题。

二是要对创新的艰难有充分的思想准备,对各方面的压力有足够的承受力。杰出的新观念就是建立在科学基础上的标新立异,必然会显得反常。在不被理解、甚至非常孤立的时候,仍然坚持对真理的追求、实事求是地从不同意见中完善自己,这是很不容易的事。至少要做到舍得放弃暂时的利益,甘于寂寞。我的体会是只有不计名利,才能实事求是,才能尊重别人,才能开展真正的学术批评,才能将对科学的兴趣转变为献科学身的精神。

三是要学会从成功中总结经验,从失败中吸取教训。灵感的偶然性以长期积累为基础,与其寻找灵感还不如为灵感的产生打好基础。既要敢于幻想,又要脚踏实地;既要有紧迫感,又切忌急功近利;既要有自信心,也要有正视失败的勇气,要把握住勇于认错和坚毅不拔之间的辨证关系,固执与执着之间的差别仅在于是否能客观地对待不同的意见并勇于承认自己的失误,文过饰非只会使自己彻底地失败。心胸要开阔,把握住谦虚好学和大胆立异之间的辨证关系,既要虚心学习别人的经验,又不能轻信权威的结论;既不要轻易否定不同的学术观点,也不要被自己过去的成果所束缚;坚持用实践检验一切理论和算法。

 

参考文献

 

[1]卢嘉锡.院士思维(卷4[C].合肥:安徽教育出版社,2001.702

[2]卢嘉锡.院士思维(卷4[C].合肥:安徽教育出版社,2001.718


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