为我国电力系统安全稳定运行护航

——“电力大系统非线性控制学”获国家自然科学二等奖

●新闻中心记者 周襄楠

  卢强院士(中)与团队成员讨论(蒋光锐 摄)

  在2008年度国家自然科学奖的获奖名单中,一个来自清华工科院系的项目在34项获奖项目中颇为引人注意:这就是由清华大学电机系卢强院士领导的科研团队所完成的项目——《电力大系统非线性控制学》。

  该项目创立了电力大系统非线性控制学科体系,解决了电力大系统中长期存在的非线性最优控制和非线性鲁棒控制的理论难题,提出了我国电气工程若干重大技术科学问题的控制方法。基于该理论突破的、具有自主知识产权的大型发电机组非线性励磁控制器和水轮机调速非线性控制器也随即问世,该类设备可提高功率输送极限15%以上,既提高了系统的安全性,也具有显著的经济效益。由于其成果显著的原始创新性和开拓性,使得该项目在国家自然科学奖评审时从众多来自数理科学的科研成果中脱颖而出,获此殊荣。

  该项目的带领者卢强院士在电力系统非线性控制领域的杰出工作,使他成为国际上公认的该领域的开拓者和奠基人。2003年,由于他在最优控制领域的杰出贡献,卢强当选为IEEE Fellow, 这是国际电气与电子工程界的最高荣誉之一。2006年,更由于他在“非线性控制领域的显著贡献和非凡的世界影响”,卢强当选瑞典皇家工程科学院外籍院士。

  长达二十余年的研究历程、二十余名清华师生的不懈追求——来之不易的奖励的背后,不仅是对该课题重大科学意义和杰出学术水平的肯定,更是对研究者孜孜以求的科学精神的鼓励和褒扬。

  “顶天立地”的奋进目标

  自1831年法拉第发现电磁感应定律、次年皮克西制造出世界上第一台发电机以来,人类试图驾驭电力系统的努力就从来没有停止过。随着现代科技的进步,人类对电力系统的依赖程度也达到了惊人的程度——频率的一个闪动会在工厂里造成废品,一次短暂停电造成的损失甚至不亚于一场大地震。如何保障电力系统的安全运行,成为现代社会面临的一大科技问题。

  2003年8月14日,美国、加拿大互联电网发生大规模停电。数据显示,“8·14”停电对美国和加拿大国内生产总值造成的损失估计在每天250亿到300亿美元之间。

  2004年,卢强院士在接受《科技日报》采访时说:“决不让美、加大停电事故在我国重演。”

  卢强认为,这次特大事故的发生固然有其调度体制上的原因,但从科技角度看,则是美、加互联电网本身缺乏防范灾难性事故的实时自动调度控制系统所致。深究其原因,则是电力大系统的控制和调度方面的一系列重大科学问题至今尚未解决——由于电力系统内部和外部环境具有的复杂性、多样性和诸多难以预料的因素,电力大系统天然就是高维复杂的非线性系统,这使得该系统的控制问题成为世界性难题。

  另外一方面,我国电网能耗较大,降低能耗势在必行——如能在先进的优化运行理论指导下,仅将网损降低两个百分点,则每年可节电400亿度,约相当于年节煤2000万吨并大大降低了相应的污染。

  为此,卢强带领的科研团队始终将实现电力大系统的安全与经济综合优化运行作为科研目标,着力探究电力大系统的控制理论。

  改革开放以来,在实现电力大系统的最优控制这一主旋律下,团队的科研重点可分为三个阶段:电力系统线性最优控制、考虑诸多复杂因素的非线性最优控制以及考虑外界干扰和内部不确定性的非线性鲁棒控制。这三个阶段在难度和高度上呈现层层递进的关系,标识出研究者不懈攀登的足迹。

  纵观团队的科研思路,呈现出典型的“顶天立地”的特征:首先深入基层,了解电力工程界存在的问题,将关键性的工程问题进行科学抽象,提炼出理论问题,建立起相应的数学模型,然后采用严格的数学方法进行分析、求解。卢强从不把所取得的理论成果看成研究的终点,而是将其视为另一个起点——理论的结果最终还要“立地”,要研制出装备,创造出效益。

  “顶天立地”的科研目标产生的,是新的学科理论及其向现实生产力转化的成果。卢强带领科研团队在《电力大系统非线性控制学》的科研攻关中,出版专著3部(含1部英文专著),发表的SCI收录论文他引200余次,其中不乏该领域内的开创性代表作;中文核心期刊他引2500余次。传统工程学科领域的科研能够取得如此突出的学术成就的,并不多见。

  同时,该项目的成果在实际应用中也展现出美好的前景:根据所创立理论并在国内电力企业的大力支持下,研制成功了大型发电机组非线性励磁控制工业装置,以及面向三峡电站的大型水轮发电机组水门开度非线性控制器样机和超导储能非线性控制实验装置。其中非线性励磁控制装置已正式投入东北白山电厂30万千瓦机组运行,验证了理论的正确性并取得了显著安全和经济效益,突破了美国通用电气公司的常规励磁控制对我国发电行业的长期垄断。

  在卢强的带领下,科研团队践行着“用最新、最先进的理论和方法来解决人类需要但尚未解决的问题”的科研准则。

  严谨求真的科学态度

  卢强院士(右一)与研究团队就研究课题进行研讨(蒋光锐 摄)

    提起卢强院士,团队中的师生无不对他一丝不苟的科研态度印象深刻,这种严谨的科研态度也是促使团队一步一个脚印向前的重要因素。

  1999年6月,国际上最著名的科技出版社之一——美国克鲁沃学术出版社向卢强约稿,希望他能够将关于“电力系统非线性最优控制”的最新研究成果撰写成专著出版。此后,他拿出整整一年的时间主笔撰写这本英文专著《Nonlinear control systems and power system dynamics》(非线性控制系统与电力系统动态学),他的助手、项目的第二完成人梅生伟教授甚至记不清这部书稿到底修改了多少次。

  为了能安静地修改书稿,卢强索性“隐居”甲所。甲所的那间住房不大,他就把书稿满满当当地摊在地上,乍一看好像一幅幅色彩斑斓的图画,细看上面密密麻麻的修改字迹,有铅笔字、钢笔字,还有彩笔……把底稿都盖满了。真是五彩缤纷,走进去就好像进入了一个美丽的科学世界。有时遇到需要讨论的问题,卢强一个电话就打到梅生伟那里,完全不知屋外已是子夜时分。在撰写该书的过程中,有一次他趁讲学的机会,悄悄来到黄山脚下一个小镇。屋外风景如诗如画,他却无暇顾及,整整一月足不出户,专心致志,完成了专著第十章。

  为了修改书稿,卢强因过度劳累两次被校医院当场“扣下”住院。即使是在那种情况下,他还是让梅生伟帮忙在病床上支了一个小桌,一边输液一边修改书稿。

  这部在扉页上写着“献给我的母校清华大学”的英文专著出版后,被国际著名工程控制专家、美国华盛顿大学教授T.J.Tarn评价为“在应用先进控制理论和技术改善电力系统稳定性方面”的“第一书”,国际著名电力系统专家、美国工程院院士V.Vittal则称该书“发育了一个极具吸引力和崭新的学科”。

  该项目的第四完成人刘锋曾是卢强的博士生,在卢强的指导下,他的博士毕业论文《基于微分代数模型的电力系统非线性控制》获得2007年度全国优秀博士论文奖。对卢强一丝不苟的科研态度,他也深有感触。2000年,刘锋想给一个国际会议投送一篇论文的英文摘要。那时卢强正在输液,但还是字斟句酌地修改了刘锋写的摘要。“这件事情让我深受触动,它时时提醒我检讨自己的科研态度。”而刘锋的博士毕业论文,卢强更是通篇修改了四五次之多。

  为了了解中国电力系统的实际情况,卢强多次带领师生深入电厂、电力公司和电网调度一线;为了检验新制造的控制器的性能,他多次亲临电厂第一线,担任现场调试的总指挥。即使不能亲临现场,他也会通过电话严谨地“遥控”调试现场,确保控制器调试投运成功。

  团结合作的科研团队

  卢强领导的科研团队是一个生机勃勃的群体:梅生伟、孙元章、沈沉、何光宇、刘锋、陈颖、张雪敏等教师各有强项,本科生、博士生、博士后各有所长,大家相互配合和帮助,取长补短。卢强特别注重对研究生及年轻科技人才的培养,向他们提出“求知欲、想象力、创造力、责任感和勤奋”自我修养和成长五原则并身体力行。此次获奖的4人中,除了前面提到的刘锋荣获2007年全国优秀博士论文奖外,卢强指导的第一个博士生孙元章教授1998年获杰出青年科学基金,2000年入选教育部长江学者;梅生伟2003年破格晋升教授,2005年获杰出青年科学基金。

  为了给师生们创造良好的科研氛围,卢强多年来一直每周举办一次讨论班,从不间断。讨论班形式多样,有鼓励学生汇报自己科研进展的,有外请专家学者来作学术报告然后进行讨论的,讨论班涉猎的范围也很广。此外,卢强每年还请知名学者来做研讨会或讲座,请企业界的一线工程专家与学生交流,每年选派优秀的学生出境交流访问,同时鼓励学生参加国际会议,了解国外的研究体系和方法,开阔眼界。

  在这样的良好团队氛围中,年轻的教师和学生成长很快,刚刚留校的年轻教师和一些优秀的博士生往往已经能够在研究方面“挑大梁”。

  梅生伟介绍说:“团队里的中青年教师今后怎么发展,乃至生活上的一些细节,卢老师都想得非常细致,他的人格魅力把我们紧紧团结在一起。”

  “我们科研团队的各个项目、课题之间都是相互联系的。在电力系统这个领域,决不是单枪匹马就能够做出成就的。科研进展的取得,需要理论分析、软件设计、硬件环境、工程试验等各个方面紧密配合。因此,在我们的科研团队中,合作精神也被认定是一种科研能力。”刘锋如是说。

2009年03月23日 12:44:43  清华新闻网

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