东晋文人陶渊明在传世之作《桃花源记》中曾写道,“忽逢桃花林,夹岸数百步,中无杂树,芳草鲜美,落英缤纷。山有小口,仿佛若有光。复行数十步,豁然开朗。土地平旷,屋舍俨然,有良田美池桑竹之属。阡陌交通,鸡犬相闻。”后来,桃花源往往被比喻成人们追求的美好事物。三十年前,南方电网超高压输变电公司检修中心教授级高工肖遥打开了一道缝隙,发现了电气行业研究领域的“桃花源”,从此与电能质量结缘。他通过刻苦钻研与实践,用一项项科技成果不断促进着行业的进步与发展。
水木清华 锻造梦想
梦想,往往是创造精彩人生的必要条件。随着改革开放的不断深入,电视机早已成为全国百姓家中的平常电器。但在上世纪七十年代,一台小小的电视机是全国人民都向往得到的宝贝。肖遥最初考上清华的动力,正是因为这个在当时极具魔力的电器。“当初我考大学的初衷就是为了能够组装一台电视机,实现随时看电影的梦想。但至今仍然没有学会,反而对电视已失去兴趣,索性将电视信号都停了。”
上世纪七十年代,经过一系列全国性的运动,使得我国教育条件十分恶劣。但是肖遥靠着勤奋苦读以及老师的教诲,考入了众多学子梦寐以求的清华大学。谈及高考前的经历,肖遥回忆道:“我的中学时期经常要通过劳动来改造思想,为此学校创办了农场,我本人就是‘猪头司令’,因为我们班主要学习养猪的技术。直到1977年3月,我才逐步回到书桌前,真正的学习课本知识,但是教材十分短缺。”这段时期的客观条件十分艰苦,也使肖遥培养了吃苦耐劳的精神。
虽然肖遥考上了清华大学,但中学时期在他看来仍然有着诸多遗憾。“我感觉那段时间浪费了许多光阴,以至于在最后短短一年的时间内,才匆忙将初中和高中的全部内容囫囵吞枣装进脑海。庆幸的是在恢复高考的初期,我的中学老师非常认真和卖力,从来不计较得失与报酬。”正因如此,在大学阶段相当长的时间里,他感觉自己的中学基础知识并不牢固。
1978年10月,肖遥进入清华大学电机工程系电力系统及其自动化专业学习,后来成为院士的卢强老师对他的大学生涯有着深刻的影响。“卢强老师是我在大学期间的班主任,在入学后不久,他就亲自介绍如何尽快适应大学的节奏和掌握一套适用于自己的学习方法,并且着重介绍了电力系统及其自动化专业的主要内容和发展前景。卢强老师的学术功底非常深厚,他首创了发电机最优励磁理论以及电力系统非线性控制理论,不仅对我们的学风要求非常严格,对同学的品行管理也丝毫不曾松懈,一旦发现问题就会及时介入解决。后来卢强老师成为科学院院士,在毕业后的每次同学聚会上,他都会亲临祝贺。”
在毕业设计阶段,肖遥遇到了另外一位恩师。“我的大学毕业设计是在王维俭教授的指导下,研究变压器励磁涌流的行为及其对差动保护2次谐波制动的影响。在王教授的悉心指导和李宁君同学的协同合作下,研究取得了新的发现。王老师亲自将我们的研究成果核心内容提炼后,发表在《继电器》杂志上。在临近毕业时,他又让我协助计算发电机定子3次谐波分布及其对3次谐波定子接地判据的分析。对这个问题的分析结果,王老师也进行了归纳并总结发表,这两篇文章均将我作为第一署名人。后来我经常发表文章,与王老师当初的关心与鼓励有着密切的关系。”
大学毕业后,肖遥考上本校应届研究生,师从王维俭教授。“王教授是继电保护方面的权威,不仅治学严谨,在生活和做人方面对我也是言传身教。他多次通过自身经历告诉我们要不忘初心,坚持自己的专业爱好,以及如何独善其身,不被外界的喧嚣所迷惑,尽可能做一个对社会有用的人。‘厚德载物、自强不息’正是通过这样的一种方式在清华人心中一代一代延续着。”肖遥回忆到。
兴趣+挚友=成功
天才科学家爱因斯坦曾经说过,兴趣是最好的老师。肖遥正是通过对电能质量的兴趣撬开了一道缝隙,从而看了其中的精彩,于是通过不懈努力实现了自身的价值与梦想。
1986年,肖遥在研究生毕业后主动要求来到湖北省电力试验研究所工作,从此第一次接触到了电力系统谐波问题,成为国内较早从事谐波工作的专业人员。“我来到研究所后领导分配的第一份工作就是与华北电力学院的宣伟良、陈龙森一起开发‘多谐波源谐波潮流计算软件’。这是我第一次接触到电力系统谐波问题。”从此,肖遥与电能质量结缘,一步步见证了我国电能质量行业的发展。
兴趣的产生并不是与生俱来,是需要一定的过程与积累。肖遥对电能质量方面的兴趣也是慢慢培养起来的。他对滤波器参数的设计计算方法产生兴趣,是因为当时找不到相应的算法,所以他力图破解并设计滤波器。对此他回忆道:“当年这些算法国际上只有少数几个成套设备制造商掌握,但他们出于商业目的从不公开发表。我通过纸上涂鸦后发现最终的计算公式和蕴藏在其中的物理概念竟然如此美妙。”当时肖遥将其视为秘笈并作为日后下海的资本之一,并没有打算公开发表。为推广算法,他将各种滤波器的参数设计算法设计成一个小软件,将计算公式通过内核包装起来,使用者通过界面给出条件就可马上得出结果。
后来,公司规定在国际会议录用论文即可出国交流。肖遥为了能够出国交流,将这份秘笈写成英文投到IEEE 1998年ICHQP会议上。论文录取后,肖遥得到周世平所长的大力支持,随后与武汉高压研究所的李澍森一起参加了希腊会议。“在会议上,我了解到国际上开始研究电压暂降及其危害,回来后我们两人将这方面的内容综述成《供电系统的电压下凹》发表在《电网技术》上。这是国内初次介绍电压暂降的概念。有了这次希腊之行,我也就有了再次出国交流学习的想法,于是通过努力,在1999年获得了赴比利时布鲁塞尔自由大学电气系访问学习的机会。”
肖遥通过与国际前沿电能质量治理技术的接触,逐步创造了自己的发明专利并得到实际应用。“我在摸索各种滤波器参数设计方法过程中,面对已有的各种滤波器的拓扑结构,开始考虑是否能够提出一种新的拓扑结构。我结合之前核算过的葛洲坝换流站滤波器的损耗,于是就有了‘低损耗的多调谐无源电力滤波器’发明申请。早年国企申请专利的行为非常少,我为了申请费用与领导进行了沟通。主管领导尚春知道后,鼓励我将其变成现实,哪怕是在实验室搭个模型都可以,能够为科技创新增加色彩。我则坚持要结合HVDC工程或者其它的滤波工程来实现,这样才可以获得相应等级的奖励。之后我与中冶南方的谢德华取得联系,得到了他的大力支持,使得该项发明在武钢的某滤波工程中成功实施。”
肖遥始终认为,电能质量研究是实践性很强的领域,许多问题都发生在现场,注意观察就显得格外重要。“2000年,我在与胡斌一起进行谐波普查测量时,发现个别常规电磁式电压互感器测量到的谐波电压畸变率异常,有时THD达到了50%,奇怪的是没有任何设备损坏。观察现场其特点在于电磁式电压互感器中性点是通过阻抗接地,我们分析可能是由于零序谐波电流经过中性接地阻抗导致,随即将中性点接地阻抗临时短路后再进行测量,谐波电压测量结果正常。后来这个分析结果还刊登在IEEE transaction on PD上。”
在电能质量研究中,肖遥在面对一些自己解决不了的问题时,时常会积极向周边的同事、朋友寻求帮助。在湖北电力研究院期间,他经常就一些专业问题向周达山等老专家请教,得到指点后令其茅塞顿开。他还经常与李小平、邓春年、胡斌等同事到现场工作,大家取长补短,相互之间的配合十分默契,有时为了证明某一设想,大家会反复进行试验和测量,而且毫无怨言。
2007年,肖遥在参加CIGRE B4-47工作组“HVDC滤波器设计特殊问题”导则的起草过程中,经常能够与国际同行进行交流。有一次在讨论谐波叠加问题时,他突然发现两个谐波相量任意角度叠加的轨迹其实是一个圆,可以依此来探讨概率叠加方法。此想法当即得到Xavier Yang(杨显军,法国电力公司)的支持,概率叠加方法随后发表在IEEE transaction on PD会刊上。
多年以来,肖遥十分感谢这些同行朋友的一路鼓励与帮助。“段晓波是我大学的同班同学,因为我们都从事电能质量,近年来常在一起讨论问题,每次见面都非常亲切。武汉高压研究所李澍森总工多年来就像兄长一样始终在对我给予鼓励和帮助,我们每次见面都要对一些技术问题进行交流和讨论。后来我无意中钻到线路参数测量研究中,也得到了李总的许多指点和帮助。”
见证历史 收获信心
肖遥对于我国电能质量初期的行业环境记忆犹新。上世纪八十年代,国际上关于电能质量的问题主要集中在谐波方面,同期国内的谐波问题也比较突出,比如电气化铁道改造、冶金行业逐步普及、电弧炉炼钢等,导致补偿电容器和电动机经常烧毁,系统的保护误动、发电机组定子灼伤等故障集中爆发。正是在这个阶段,IEEE开始组织两年一次的电力谐波国际会议(简称ICHP)。到了上世纪九十年代,随着对电能质量关注面的扩展,ICHP会议更名为电力谐波和电能质量国际会议(简称为ICHQP)。与此同时,中国电机工程学会用电与节电专业委员会成立了高次谐波分专业委员会,组织全国的技术交流活动。
在此阶段,肖遥完成了许多重要工作。他编制了“多谐波源谐波潮流计算软件”并进行推广应用,该软件是当时国内自主开发最好的谐波潮流计算软件,前后共计有20余家研究和设计单位引进使用,主要用于电气化铁道、冶金、化工、HVDC等接入系统方式的规划设计。同时,肖遥进行了电气化铁道谐波对常规电度表计量的影响,以及对电气化铁道供电电价进行了研究。
随后,肖遥对华中电网500kV系统的谐波进行了行为分析。他回忆道:“这个问题的起因是在1991年,当时是葛洲坝-上海HVDC直流输电系统建成的初期。葛洲坝换流站换流变压器空载合闸曾导致华中系统鄂豫之间的联络线—姚孟至双河500kV线路跳闸解列。为防止类似事故再次发生,有关部门专门组织各方力量对系统各点进行同步测量,辅以潮流计算分析,最后发现是换流变合闸涌流的4次谐波导致姚双线的行波保护误动作,为此在行波保护装置内部增设4次谐波滤波器解决了误动问题。1995年,隔河岩水电厂在建设初期通过38km的线路连接到葛洲坝换流站,为此我们吸收教训,对接入系统的特殊问题做了全方位的研究。我在计算中发现换流站带隔河岩电厂孤岛运行方式下,系统可能会产生2次谐波和3次谐波谐振,该计算结果对编制运行方式有着重要的指导意义。”
当时,肖遥还参与了《电能质量 公用电网谐波》的编制工作。虽然编制该标准遇到了多方面的阻力,但最后还是在电力部门的强力推动下得以完成。
1996年,湖北白莲河铝厂产生的谐波对生产造成很大影响,其可控硅整流负荷的功率因数很低,导致每月无功罚款达到了5万元,而配套安装的无功补偿电容器组和5、7次滤波器却无法投入运行。之前工厂曾经请人进行两轮诊断和改造,但均未取得成功。肖遥在接到任务后,设计了一项针对性的试验,并通过计算验证,发现铝厂的滤波器投入后与系统发生了强烈的4次谐波谐振。后来的改造工作也是围绕如何消除4次谐波谐振,同时避免3次谐波谐振来展开。“在整个改造工作中,我们尽可能地利用了铝厂已有的设备,保留其中的5次滤波器,将补偿电容器组和7次滤波器组分别改装成3次和4次滤波器组,仅仅购置了一组用于3次滤波用的串联电抗器,从而使改造投资最小。设置3次滤波器的目的是防止设置4次滤波器后,滤波器组与系统之间出现3次谐波谐振。这个项目不但缓解局部地区的谐波问题,还消除了2km外白莲河电厂的机组振动现象。”肖遥说到。
1999年,肖遥有幸来到比利时布鲁塞尔自由大学电气系进行为期一年的访问,跟随J.C.MAUN教授研究利用干扰负荷的变化量测量系统谐波阻抗的课题。该测量原理由四川大学的杨洪耕教授在比利时烈日大学攻读博士期间所提出,曾得到CIGRE专家工作组的推举。MAUN教授联合一家高科技公司通过将谐波测量系统稍加改造,使其具备了系统谐波阻抗测量功能,但是测量精度却不如人意。“这是一个具有挑战性的项目,提高测量精度的首要问题是要找出误差原因,为此MAUN教授在全球范围内选聘人选继续这项工作。我接手后,首先对最基础的电压和电流测量数据进行分析,发现其中的相位测量误差是关键,而导致相位误差的主要问题是频率波动比较大。当这个观点提交给老板时,老板拒绝这样的理由,他认为整个欧洲是一个联合大电网,而当时中国还是若干个区域电网,因此不可能产生频率问题并导致测量误差。后来,我反复从不同角度观察和并进行理论分析,证明问题确实如此,最终得到了MAUN教授认可。最后,我根据误差形成原理,提出利用大量测量数据的统计方法来提高测量精度,得到了MAUN的高度评价。西方人的研究方式就是这样,要想改变对方的观点,你必须要有足够的理论依据和试验数据。”肖遥至今仍然很怀念在比利时的那段时光,虽然每天面临很多任务,但由于宽松的研究环境和人事关系,他从来没有感觉到压力。
2002年,龙泉换流站在调试期间,其中的3次C型滤波器组经常跳闸。肖遥接受了任务,反复测量元件的RLC参数均没有太大的偏差,但ABB技术员向总部设计人员汇报时表示不相信他们的测量结果。对此肖遥回忆道:“这事本来与我没有太大关系,当时只是抱着试试看的想法,将保护的逻辑图取来进行分析。其中的数字信号处理内容恰好刚刚自学过,滤波器调谐工作正好是我们负责完成的。于是我们通过严密的数理逻辑进行了证明:由于C形滤波器没有在电抗器上安装调谐抽头,导致其实际调谐值与保护整定值略有偏差,只要稍微将保护整定值稍微调整一下,就能避免‘误动’。后来通过实践发现确实如此。”
肖遥在进入南方电网工作后,通过自身的经验解决了诸多技术难题。“我来到南方电网后遇到的第一件事,是天广直流的PLC噪声滤波器调谐单元在运行中烧坏。有了之前滤波器研究的基础,我通过对PLC电路结构分析,发现了其设计和制造工艺缺陷,后来将自行设计的新调谐电路安装上去后消除了隐患。另外,南方电网的HVDC高压直流滤波电容器组的不平衡保护经常不明原因动作,以致于成为了领导的心病。我也是抱着试试看的想法,将滤波器允许的失谐率、电容器的电压过载能力作为限制条件。通过分析,发现现实中的不平衡保护的定值偏小,最后说服大家调整定值后终于将问题解决,同时也不影响滤波器的安全以及系统的安全。”
肖遥通过多年的潜心研究,见证了我国电能质量行业的发展。“这些年,我国电能质量的研究方向全面开花,主要是电力电子技术快速发展,以及分布式新能源给电能质量研究带来的机遇与挑战。值得庆幸的是,社会上对电能质量的关注度与日俱增,相关的高科技公司也在快速成长。因为电能质量最终涉及到供电、用电各方的利益,需要各参与方及电能质量从业人员共同努力延伸服务,为客户创造最大价值。如今世界瞬息万变,一些大型公司如IBM,GE等都在向服务转型,国内的互联网公司等也在向服务转型。具体到系统的每一个公共连接点,电能质量的表现形式各异,其导致的问题都有其特殊性,因此未来谁的在电能质量方面的解决方案能够效率更高,对客户问题能够快速反应,服务到家,谁就能占有市场份额。”
肖遥认为,随着新技术的应用,电能质量的内涵和外延一直在拓展。比如在上世纪八十年代,行业中只是关心谐波问题。但是到了上世纪九十年代,国际上发现电压暂降可能带来更大的损失。现在的电能质量问题已经研究到超瞬态震荡波对电气设备的影响,以及更高次谐波的电磁兼容问题。同时,部分系统如今正在安装电能质量监测网络,这也是电能质量研究的一个里程碑事件。有了这样的网络,便可以收集一些典型事件,利用大数据分析系统的电能质量行为方式及其影响域,就能够通过大数据分析对电能质量方面的电磁兼容问题进行深入细致的研究。
对于我国电能质量领域的未来,肖遥充满了信心与期盼。“这些年,新生力量在源源不断加入电能质量研究队伍中来。年轻人思维敏捷,有干劲,在充分吸收前人经验的基础上,可以取得很多的成果。技术并不是太复杂的东西,只要将前人的内容吃透,结合具体的工作,总会找到一道大门,进入这道大门就会发现新的天地。”
总结经验 继续前行
对行业知识系统的学习与实践,造就了肖遥如今在电能质量领域的成就。在来到南方电网工作后,他主要从事研究高压系统和设备的安全运行。“我在毕业设计期间对发电机定子三次谐波的做过分析,后来通过对隔河岩机组的谐波实际测量解决了其定子接地保护误动的问题。通过现场测量发现,有些保护其实是可以通过测量方法使之精确整定的,因为测量结果中包含了理论分析中忽略掉的各种影响因子。高压电网的电压互感器普遍采用CVT,其频率特性导致通过CVT测量谐波电压时的误差大。在与高电压技术人员交流中,我发现利用电流互感器末屏可以精确测量谐波电压。后来在测量500kV的电压谐波时就是通过变压器套管末屏获取的准确数据。随后在分析高肇直流PLC耦合电容器爆炸事故中,我借用电流互感器末屏,成功测量到交直流线路的高频噪声,并且通过噪声测量结果提出取消直流PLC滤波器、有条件取消交流PLC滤波器的建议,为后续的工程建设节省了数千万的投资。”
肖遥在工作中曾经历过6起变压器套管爆炸导致变压器本体起火燃烧并损坏的事故。现有的变压器差动保护只是在套管爆炸后才启动跳闸,但是为时已晚,无法防止变压器起火燃烧。近期肖遥正在争取将变压器套管增加一个试验监测端子,该端子的目的是监测变压器套管的状态,必要时通过保护启动跳变压器两侧的电源开关,有效防止变压器起火燃耗的事故。如果此举成功,就可以通过该监测端子,快速准确地测量到母线的谐波电压,并且实现VFTO监测,克服CVT变比在高频下的非线性问题。
“特高压直流输电也带来了一些新问题,比如用于测量直流电压的RC分压器就因设计和制造工艺问题损坏。我近期在考虑利用直流滤波器来测量直流母线的稳态电压。该设想至少在理论上可行,且投资比较少。”肖遥补充说到。
目前,肖遥还是三个电能质量相关标准化委员会的委员。“制定标准其实是一项非常严肃的工作,标准制定参与者要代表大多数人的利益;代表先进的技术发展方向;代表现有的生产力水平。个别标准的修订由于个别部门利益至上的问题,历经10年还无法出台,这是全社会应该关注的问题。”肖遥如是说。
随着事业的不断成功,肖遥也拥有着幸福美满的家庭。“其实我们这代人在生活上的要求很低。能够满足温饱,身体健康就是最大的快乐。我独自在外工作的时间很多,未和夫人和孩子在一起,只是周末才与家人团聚。因此我也有比较多的业余时间做自己想做的事,有些理论分析工作就是下班后完成的。儿子现在很懂事,自己也很努力,有他自己的追求,在这点上我们已经知足了。”正是这种对生活简单而纯粹的需求,让肖遥拥有了专心投身科研的环境,为我国电能质量获得更大发展创造了条件。
地址:北京市丰台区丰台北路17号院1号楼丽泽天地写字楼 电子邮件:weihy@shejis.com.cn