中國電力系統穩定控制技術的開創者

——記第七屆顧毓琇電機工程獎獲得者孫光輝先生

艱難求學 白手起家 開創穩控事業

1938年，孫光輝出生在山東省膠東地區一個農村的普通家庭，那時人多地少，生活貧困。他在抗日戰爭、解放戰爭的戰亂與艱苦環境中度過了童年。他十歲之前沒有連續念過書，直到1949年新中國成立后才隨父進城，有了一個和平的學習環境。從此，他從插班四年級下學期才開始了他的學習之路。由于深感上學不易，努力學習僅用了半年時間就跟上了其他同學，從初小畢業，并考上了當地的重點中學。童年的經歷鍛煉了他吃苦耐勞、堅忍不拔的性格。中學、大學期間他的學習成績一直很好，全是“5分”（學習當時蘇聯的五分制），而且經常主動、耐心地幫助成績較差的同學。受到物理老師的啟蒙，中學時就熱愛科學和工程，常常擺弄一些電子器件。中學畢業后考入了著名的 “哈爾濱工業大學”電機工程系。1961年，由于全國大學院系調整，電力系統專業的師生都并入“北京電力學院”（華北電力大學前身）。受專業老師的影響，在校期間就對電力系統穩定這門專業課情有獨鐘。

1963年孫光輝的大學畢業設計是在水電部技術改進局（中國電科院前身）完成的。當時正趕上國內最大的水電站—新安江水電站投產，經國內第一條220千伏新安江—杭州—上海線路送電到上海，所以孫光輝有機會最早參與了該項目穩定問題的研究工作。由于畢業設計論文出色，畢業后不僅留在技改局系統室工作，而且還獨立承擔了“新安江水電站電氣制動及切機穩定控制裝置”的研制工作。當時這方面工作在國內還是一片空白，國外也只有蘇聯的古比雪夫水電站開始采用電氣制動措施，但查不到任何可供參考的資料，任務緊迫，只能白手起家，一切從頭做起。

工作一開始，孫光輝就遇到了一系列的技術難題。例如，關鍵的系統狀態量—有功功率P如何快速測量？電流i與電壓u的乘法怎么實現？功率突變量△P怎么形成？系統故障前的運行工況怎么存儲？裝置的結構又應是什么樣子？而當時，二極管都是靠進口的稀罕器件，放大器處在電子管時代，觸發回路只能依靠極化繼電器實現；技改局在裝置設計與制造方面很薄弱。這些越不過去的關鍵技術，對一個剛出校門的學生來說無疑是難度很大的。在老同志的指點與支持下，憑著一股初生牛犢不怕虎的精神，孫光輝幾乎天天泡在實驗室里，從穩定分析計算（當時最先進的計算工具就是引進蘇聯的交流計算臺)、穩控策略制定、裝置原理設計、元器件采購、各組件的搭建和反復試驗，只能邊學習邊修改邊完成。為了設計裝置的結構，他專程去上海繼電器廠參觀學習距離保護裝置（機電型）的屏柜結構。經過孫光輝不懈的努力，不到一年時間，各項關鍵技術和難題都被一一攻克，把國內第一套穩控裝置和控制屏柜研制出來了。例如，利用硒堆（動模實驗室剩余備品）具有近似平方的特性，采用公式，實現了u與i的乘積運算。該運算方法（20世紀八十年代初，改進用二極管與精密電阻組成多段折線，提高了平方器的精度和生產效率）一直被應用到20世紀九十年代采用集成電路的乘法器和單片微機為止。現在看起來非常簡單的一條指令就能實現的乘法運算，但在20世紀六十年代是多么的艱難。除此之外，孫光輝還解決了大容量電阻器（一期容量70兆瓦，為節約投資而利用電廠基建剩余的扁鐵組裝，20世紀八十年代后更換為合金電阻）的設計和試驗、制動電阻的快速投入與切除等技術問題，保證了電氣制動措施按期順利投運。

這就是我國第一套電力系統穩控裝置的誕生過程，該裝置和制動電阻在1964年下半年成功投運，比日本早了一年，比美國早了近20年，一直用到20世紀八十年代。1965年孫光輝又為湖南電網的柘溪水電站送出工程，研制了第二套穩控裝置，并于1966年正式投運。該裝置在技術上更加完善，增加了遠方故障信號傳遞（使用電子管型的高頻收發信機）；為節約投資和占地，又主持研制了基于廉價的大功率（140兆瓦）水電阻器做制動電阻。國內第一、二套穩控裝置的連續成功投運，為后來國內穩控裝置和穩控系統的研制奠定了良好基礎。這些裝置的投運已經五十多年，但穩控裝置的基本原理、基本功能和構架至今變化不大。

時代需要 牽頭研制安全自動裝置

十年動亂期間國內發生了210次大停電事故，電網的安全穩定問題亟待解決。1981年電力部在大連及時召開了電網穩定工作會議，會上首次頒布了《電力系統安全穩定導則》（第一版），要求各電網的一把手親自抓電網穩定工作，并提出盡快研究確保電網安全的“安全自動裝置”，指定南京自動化所（國網電科院前身）為歸口單位，指定孫光輝為全國安全自動裝置研制工作的牽頭人。

時代的需求就是奮斗的目標。孫光輝抓住機遇，站到了我國電力系統安全穩定控制事業的最前沿，不僅為電力系統安全穩定運行研制出各種最急需的控制設備，而且對全國安全自動裝置研發、新技術推廣與交流、標準的制定、新技術培訓（調度、設計、運維）等方面做了大量技術與組織工作。在1982年7月、1983年12月及1985年1月接連組織召開了三次全國范圍的安全自動裝置重要會議，電力部有關領導親自參加和主持，講形勢、提要求，推動開展安全自動裝置的研究工作。孫光輝從工作啟動、起草相關規定和裝置產品的研制計劃，到成果交流，一直承擔了主要工作。

成功研制高精度數字頻率繼電器 徹底改變低頻減載落后狀態

1983年12月在四川召開的安全自動裝置第二次會議上，電力部領導指出，我國已經形成東北、華東、華北三個3000兆瓦以上的大電網，由于嚴重缺電，備用不足，經常出現低頻運行，頻率崩潰事故頻發。當時，我國電網低頻減載措施由于使用的頻率繼電器基本還是引進蘇聯的感應型老式周波繼電器，頻率測量誤差大（±0.25Hz）,延時不準確，導致選擇性差，低頻減載輪次少、延時長，嚴重不適應電網的需求，急迫需要更新換代。會上有關領導直接點名孫光輝：“你必須立即研制高精度的頻率繼電器，要立軍令狀，一年內拿出滿足要求的產品”，并指定由華東電管局牽頭代表電網全力給予配合[見電力部（84）電生字第16號文]。會上提出的頻率測量精度為±0.1Hz，延時誤差1%，將精度從±0.25 Hz提升到±0.1 Hz，是一個很大的提高。但只有精度達到±0.1Hz，才有可能使低頻減載級差從0.5Hz縮減至0.2～0.25Hz，基本滿足電網的控制要求。

20世紀八十年代初的技術條件很有限，在電力系統內集成電路還剛開始應用。孫光輝經過調研和評估，決定采用集成數字電路和由運算放大器驅動的方案，徹底拋棄了傳統的LC諧振測頻方法。此方法利用了由晶體振蕩電路產生的高精度高頻脈沖，由數字計數器實現每個工頻周期的計數，將頻率定值換算成一個周期的計數值就可用數字撥盤開關直接進行頻率定值整定，延時也同樣采用計數方式。方案確定后，孫光輝立即搭電路試驗，連1984年的春節假期都沒有休息，3個月內完成了初樣機的試驗，測試結果超出預期，頻率精度達到0.015Hz。華東電管局立即主持召開了全國專家討論會，見證了測試結果，并一致支持孫光輝選用的技術方案。為便于現場全面大批量更換，會上建議采用與原來繼電器外殼相同尺寸、接線端子定義一致的整機設計方案。經過反復改進，于1984年底生產出多套正式產品SZH-1A/1B樣機，在南京進行了全國所有同類產品的嚴格型式試驗，歷經十余天，SZH-1A、B型頻率繼電器成為唯一滿足要求的產品。按電力部要求，該裝置立即在華東、京津唐、東北三大電網投入試運行，經過多臺套、多地區的半年以上跳閘運行。1985年11月電力部主持召開了部級鑒定會，并于以（86）電生字第134號文要求全國電網全面推廣SZH-1型頻率繼電器（這是電力產品推廣應用史上空前絕后的一次）。并依此數字頻率繼電器為基礎，各大區電網都制定了本網低頻減載新方案，編制了產品規范和相應標準。該型頻率繼電器技術轉產后生產了數萬臺套，在我國得到了全面應用，徹底改變了國內低頻減載與高頻切機的落后狀態，杜絕了電網的頻率崩潰事故。直到20世紀九十年代中期，隨著單片微機技術的應用，孫光輝研制完成了性能更優的第三代微機型低頻低壓綜合減載裝置，才逐步取代了SZH型數字頻率繼電器。該微機型低頻低壓減載裝置成功沿用至今，二十多年來，其原理、測量、判據、檢測方法和裝置標準都基本沒有變化，為電力系統的頻率穩定做出了卓越貢獻。

成功實現自動躲過短路故障的低壓減載技術

20世紀八九十年代，電網的電壓穩定問題很突出，電壓崩潰事故時有發生，孫光輝經過研究分析，認為當時的低壓減載裝置中的延時設置過長是主要原因。當時為了防止由短路引起的低壓事故造成裝置誤動作，低壓減載裝置采用的延時都長達5s以上（國外至今仍沿用此值），在發生低電壓崩潰事故時基本起不到作用，而縮短動作延時又經常出現誤動切除負荷，因此現場不得不增加延時或被迫退出運行，使低壓減載措施形同虛設。為了解決依靠延時無法區分低電壓事故與系統短路故障（后備保護動作延時較長）的難題，他深入分析了低電壓事故與短路故障的特征與兩者的區別，提出了“自動躲過短路故障”技術方案，在低壓減載軟件中編制了自動躲過短路的標準模塊，只要發生短路故障就自動進入該模塊程序、閉鎖裝置，故障切除后立即自動解除閉鎖。經過反復試驗和動模測試，充分驗證了該模塊的正確性，從20世紀九十年代中期投運至今，現場運行情況一直良好，國內低壓減載裝置延時設置為0.2～0.5秒，再沒有發生過誤動作，從而有效地防止了電網低電壓崩潰事故。

成功研制出無需整定的電網失步判據

電力系統遭遇多重嚴重事故后，穩定破壞繼而出現失步振蕩是難以完全避免的，為此必須依靠第三道防線的重要設備——失步解列裝置，在預定的輸電斷面將電網解列為兩個可以同時繼續獨立運行的分區電網，從而避免了電網崩潰。20世紀九十年代之前國內電網采用的都是基于阻抗圓原理的失步判據，但“等值阻抗定值”的計算和整定是電網運行方式專業人員的一大難題，孫光輝看在眼里急在心里，決心尋找一種無需定值整定的失步判據。經過一段時間的思考和反復論證，期間畫了無數的相量圖，終于在1995年首次提出并實現了無需整定的相位角φ原理的失步判據，通過大量模擬試驗驗證和現場試運行，經歷多次電網失步振蕩事故的正確動作和非失步振蕩事故的正確“不動作”的考驗，相位角φ原理的失步解列裝置很快在電網得到推廣應用。2002年他又首次將Ucosφ原理應用于電網失步判據，同樣取得了成功。以上這兩種原理的失步判據和所提出的確定振蕩中心范圍的輔助判據，在國內電網和電廠里獲得全面應用。2009年他又提出基于光纖同步采樣技術的電網多點母線電壓相角差θ原理的失步判據，并在南方電網得到成功應用。基于該判據的廣域失步解列系統能精確定位失步振蕩中心位置。此后他依據這一原理，又進一步提出基于電力系統同調機群的廣域失步解列系統構架，為未來大型復雜交流電網的失步解列技術的研究指明了方向。

孫光輝主持研發的集成電路與微機兩代低頻及低壓減載裝置、基于相位角φ和基于Ucosφ兩種失步判據的失步解列裝置均在全國各類電網普遍應用。從20世紀八十年代開始，我國電力系統在這一領域里從沒有購買或引進國外的同類產品，由于該產品技術性能明顯優于國外，所以近十多年來這些產品已銷往俄羅斯、亞非拉等國，并占有了一定的國際市場份額。

推動并完善“三道防線”的控制理念

現今在我國電力行業，“三道防線”對確保電力系統安全穩定運行的巨大作用已成為業界人士的共識，其控制理念也已深入人心。孫光輝對“三道防線”作出了杰出貢獻。《電力系統安全穩定導則》頒布后，一些專家曾把“導則”中規定的三級穩定標準誤稱為“三道防線”。實際上《導則》規定的三級穩定標準的要求與為實現該要求而采用的控制手段及措施之間的內涵是不同的，前者是電網的安全設防要求，后者則是采用什么手段來滿足這些設防要求。在DL/T723-2000版《電力系統安全穩定控制技術導則》（第二版）（孫光輝是主要編寫者）中雖提及了“三道防線”，但尚未給出明確的定義。給“三道防線”的控制理念下一個準確的定義是孫光輝多年來義不容辭的責任。2003年及2004年中國電機工程學會分別在成都和南京召開的關于防止大停電事故的電力論壇上，他在主旨報告中均對“三道防線”控制理念作了全面的闡述，并在其后的多次學術會議上均介紹了“三道防線”的控制理念，在編制國標GB/T26399-2011版《電力系統安全穩定控制技術導則》（第三版）時更是明確將“三道防線”的定義寫入國家標準，對每一道防線的控制內容均作了具體規定，統一了業內人士的認識。

為新能源并網技術添磚加瓦

孫光輝年過八旬后不再按時上班了，但仍一直念念不忘他所開創的電力系統穩定控制事業，仍堅持受邀參加有關學術活動和標準討論、技術培訓等活動，值得一提的是他近幾年來學習并參與了風電、光伏為主的新能源并網技術的研討，提出了一些有益的建議和觀點，對新能源技術健康發展做出了貢獻。

2015年下半年開始，孫光輝對新疆哈密地區風電大規模并網誘發的次同步振蕩做了深入分析，提出了現場對廣域次同步全新的檢測、記錄和分析方案。在對該系統記錄的大量數據分析的基礎上，明確指出風電變流器（含逆變器）輸出電流中的間諧波是誘發次同步振蕩的主要原因，通過優化變流器的調節參數就能解決這類次同步振蕩問題，并提出了以風電為主的送端電網抑制次同步振蕩的控制方案。孫光輝提出的兩個技術方案在新疆電網很快地得到實施，既從理論上分析清楚了此類次同步振蕩的機理，又化解了現場的燃眉之急。

2017年初開始，孫光輝依據同步發電機組和電力系統的動態特性（尤其是他所提出的“電力系統動態過程三階段”理論），認為新能源使用的變流器在理論上就不可能模擬同步發電機組的慣量和動態特性，并在多次學術會上論證了“虛擬同步發電機”概念的錯誤之處，糾正了國內新能源領域熱衷搞“虛擬同步發電機”的方向。他認為應充分發揮電力電子器件具有的快速調節特長，而不是舍快求慢、試圖盲目去模擬同步機組的固有特性。他的論點得到業界主流專家、學者的贊同。

孫光輝在2017年下半年率先提出光伏電站快速參與電力系統一次調頻、調壓的技術方案。南瑞繼保公司當年就在西藏電網現場實現了本站30毫秒、遠方60毫秒的有功功率和無功功率的快速調節與控制技術。2018年該技術與產品通過了中國電機工程學會組織的技術鑒定。這一創新技術已開始在國內推廣應用，改變了新能源參與一次調頻的落后狀態。

近幾年，孫光輝在新能源并網技術方面邊學習邊思考，為新能源技術發展添磚加瓦，既對電力系統有所貢獻，同時也豐富了其晚年生活。

堅忍不拔 一生進取

人的一生能干成幾件有意義的實事是不易的。孫光輝在電網安全穩定控制技術領域，經過長期的不懈努力，克服了重重困難，開創了一套完整體系。從單站穩控裝置，到大區復雜龐大的穩控系統；從提出離線分析編制穩控策略表，到在線按實時數據信息、快速自動形成并刷新穩控策略表；從簡單的高精度的數字頻率繼電器，到功能齊全的低頻減載裝置，能自動躲過短路故障、快速可靠的低電壓減載裝置；從單站的新原理的失步解列裝置，到提出基于全網同調機群之間相位角變化的復雜大電網失步解列系統；從局部電網低頻振蕩監測與解列裝置，到實現基于廣域信息的低頻振蕩源定位及大電網低頻振蕩檢測與控制系統，全面完整配套并完善了電力系統第二與第三道防線的控制設備。這些工作既有嚴格的理論體系、又有工程的實踐，綜合解決了大電網面臨的安全穩定問題，不斷地完善了“三道防線”的控制理念。

孫光輝之所以能夠在穩定控制技術領域開創出一片新天地，除了其本人刻苦鉆研、百折不撓，經受住各種難以想象的挫折外，他深有感觸地講：“要感謝歷屆領導給予的信任和支持，放手讓我自由地選擇自己想干的事；更要感謝國內電力行業朋友們的鼎力支持與真誠幫助，是他們的合作與配合，精心做好現場調試、運行維護，及時反饋現場出現的問題，對裝置研發過程中存在的缺陷、甚至給電網造成的損失（軟件的BUG曾引起裝置誤動，造成現場切機、切負荷），在查清原因、毫無保留的解釋后，有關電網的朋友們一直持包容和充分理解的態度，積極幫助提出解決的建議，正是他們的協助才使研制的裝置能夠不斷完善和性能逐步提高，我與全國同行朋友不僅僅是緊密工作伙伴，更是親密朋友，亦師亦友；感謝和我數十年來先后共事過的同事們，正是他們的共同努力，無私奉獻和艱辛付出，才最終共同完成了這些成果”。以下幾點經驗和體會，謹供年輕同志借鑒：

堅持科研以電網存在的實際問題為導向。孫光輝所研究的項目和設備都是電網安全穩定運行中迫切需要的，目標明確、任務緊迫，研制出來裝置就能在電網立即掛網試運，研究的成果能迅速推廣，全國電網就是穩控新技術的試驗與驗證的“實驗基地”。

服從大局需要，干一行專一行。孫光輝于1972年初來到南京。起初三年當晶體管型繼電保護裝置的調試工，從1975年參與籌建南京自動化所的“動態模擬實驗室”，為國產500千伏晶體管繼電保護搭建試驗平臺。這一干就是7年。從設計、設備制造、安裝施工到全套模擬設備調試完工，按時交付使用。沒有現成設備就自己研制，如新型自動短路試驗臺、電力電子的負阻器、自動機組程序啟停控制裝置等等。這些創新的設備不僅武裝了動模實驗室，而且還供貨給全國其他動模實驗室，他自己也由動模技術外行變成了全國資深的動模試驗專家，還獲得江蘇省科技成果二等獎。“動模”就是一個微型電力系統。建動模的過程也是他深入理解和掌握電力系統物理結構和動態的過程，為后來開展穩定控制技術研究幫助很大。在那個惡補外語、紛紛出國當訪問學者的年代，他卻默默地日以繼夜的忙于動模建設，錯失了出國深造的機會，人生可能就是這樣，有得必有失。

科研之路沒有捷徑，目標方向要正確，還需扎實的基本功和堅韌的創新精神

孫光輝一直非常注重掌握基本物理概念，遇事一定先從物理概念上去理解，切忌盲從。只有基本概念清晰，靈活抓住事物的本質，運用掌握的知識，才能找出解決問題的途徑，不被“權威”忽悠。前輩王梅義先生曾給孫光輝說過：“現在計算機、通信等新技術發展很快，技術手段先進，但電工基礎的基本理論沒變，電力系統的發、輸、配、供的基本構成和原理沒變，今后也難有質的變化”。我們學習新技術一定要為電力系統這個基本對象服務，應充分了解和掌握電力系統的經典理論和科學規律，才能有針對性的解決電網中存在的問題。從事科研還需要一股堅忍不拔的精神，研究與創新不可能一帆風順，挫折甚至失敗總會伴隨，他一直深信，最困難的時候也可能是最接近成功的時候，堅持下去就一定會有所突破。

來源: 中國電機工程學會