“張北的風(fēng)點(diǎn)亮北京的燈”，這句話不僅向全世界形象展現(xiàn)了史上首次100%綠電奧運(yùn)的創(chuàng)舉，也讓大量仍對“碳中和”不明覺厲的普通民眾直觀理解了什么是“新型電力系統(tǒng)”。
不過，鮮為人知的是，100%綠電奧運(yùn)背后，離不開張北柔直工程和電網(wǎng)仿真技術(shù)的有力支撐。
張北柔直工程是集大規(guī)模可再生能源友好接入、多種形態(tài)能源互補(bǔ)和靈活消納、直流電網(wǎng)構(gòu)建等于一體的重大科技試驗示范工程。這個全球首創(chuàng)的大項目，要求工程的研發(fā)、規(guī)劃、調(diào)試和并網(wǎng)等過程都要利用高精度的仿真技術(shù)先行研究、驗證、測試等，然后，才能正式建設(shè)、投入運(yùn)行。
“我們對張北柔直工程進(jìn)行了5800個工況、8萬余次仿真計算，開展了工程并網(wǎng)特性、運(yùn)行方式安排、控制保護(hù)策略、故障應(yīng)對措施等全方位的仿真分析和實驗驗證，保障了工程順利投產(chǎn)和高質(zhì)量服務(wù)北京冬奧會綠電供應(yīng)。”國家電網(wǎng)仿真中心數(shù)模混合仿真研究室主任朱藝穎介紹。
技術(shù)突破
電力系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展分為兩個階段：物理模型階段和數(shù)字模擬階段。
最初，人們通過物理模型試驗來研究電力系統(tǒng)。這些模型類似于我們常見的售樓處沙盤模型，就是把實物等比例縮小，以便研究。
但隨著電力系統(tǒng)發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，復(fù)雜程度也不斷提高，物理模型已不再能滿足大系統(tǒng)實驗研究需求。此時，在計算機(jī)技術(shù)的加持下，就出現(xiàn)了數(shù)字模型代替物理模型的新型仿真系統(tǒng)。
電力系統(tǒng)是個動態(tài)系統(tǒng)。所以，電力系統(tǒng)仿真技術(shù)不僅要像橋梁模型那樣研究物理問題，而且要研究動態(tài)問題——沿著時間軸連續(xù)對電網(wǎng)狀態(tài)變化過程進(jìn)行計算。
隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)仿真計算速度不斷加快，當(dāng)仿真計算速度與同一時間段內(nèi)電網(wǎng)沿時間軸變化的速度一致時，即達(dá)到了實時仿真。只有仿真工具達(dá)到實時仿真時，才具備將實際電網(wǎng)中的設(shè)備接入到仿真數(shù)字電網(wǎng)進(jìn)行同步仿真的能力，也就是電力系統(tǒng)數(shù)模混合仿真。
國外多家科研機(jī)構(gòu)都針對本國電網(wǎng)開展數(shù)字仿真相關(guān)技術(shù)研究，但其電網(wǎng)復(fù)雜程度、運(yùn)行控制難度遠(yuǎn)不及我國電網(wǎng)。國際相關(guān)技術(shù)及經(jīng)驗難以滿足我國電網(wǎng)的實際需求。中國電科院的國家電網(wǎng)仿真中心依托國家 863 計劃和國家電網(wǎng)公司科技項目，深入開展相關(guān)研究，取得了多項重大技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)了具有國際領(lǐng)先水平的大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真項目。
那么，“大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真項目”又是什么呢?
在直流輸電和新能源發(fā)電大規(guī)模發(fā)展之前，國內(nèi)外均采用機(jī)電暫態(tài)數(shù)字仿真工具研究大電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題，支撐實際電網(wǎng)安全運(yùn)行和協(xié)調(diào)控制。當(dāng)大量直流電源和新能源電源接入電網(wǎng)后，人們開始認(rèn)識到，機(jī)電暫態(tài)仿真方法無法準(zhǔn)確模擬這些含電力電子器件設(shè)備的響應(yīng)和控制特性，必須使用電磁暫態(tài)仿真方法。
然而，電磁暫態(tài)仿真步長小，速度慢，建模極其復(fù)雜，之前用于仿真局部電網(wǎng)和具體工程，根本無法仿真較大規(guī)模的實際電網(wǎng)。于是，在準(zhǔn)確地仿真大電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和控制特性方面，出現(xiàn)了仿不了、仿不準(zhǔn)、仿不快 的世界級難題。
國家電網(wǎng)仿真中心的大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真項目，就是針對性地解決了這三大世界級難題。
首先是“仿得了”。 該項目攻克了眾多技術(shù)難題、將大電網(wǎng)仿真時間尺度由毫秒級變?yōu)槲⒚爰墸瑢崿F(xiàn)了含多回直流和高比例新能源的大規(guī)模電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真，并實現(xiàn)了工程化應(yīng)用，仿真規(guī)模達(dá)到上萬節(jié)點(diǎn)，可以覆蓋兩個區(qū)域電網(wǎng)，突破了人們對電力系統(tǒng)特性認(rèn)知的技術(shù)瓶頸，徹底解決了現(xiàn)代大電網(wǎng)“仿不了”的世界難題。
其次是“仿得準(zhǔn)”。 該項目攻克了子網(wǎng)分解隨機(jī)優(yōu)化、任務(wù)映射圖匹配算法等技術(shù)難題，研制了基于高速光纖通信及軟同步的大流量分散式數(shù)模接口，解決了大規(guī)模電力電子控制保護(hù)裝置和復(fù)雜系統(tǒng)保護(hù)裝置接入萬節(jié)點(diǎn)級大區(qū)電網(wǎng)的數(shù)模混合仿真難題，實現(xiàn)了15回直流控制保護(hù)裝置(約300面屏柜，上萬個交互信號)同時接入到大規(guī)模實時仿真電網(wǎng)的數(shù)模混合仿真，跨越式提升了大電網(wǎng)的仿真精度，解決了對大規(guī)模電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)控制響應(yīng)特性“仿不準(zhǔn)”的世界難題。
最后是“仿得快”。 該項目攻克了多項技術(shù)難題，將含大規(guī)模電力電子設(shè)備的大電網(wǎng)電磁模型啟動時長由上百秒減少至5秒以內(nèi)，實現(xiàn)了多潮流方式與故障組合的大批量仿真作業(yè)動態(tài)資源配置，計算效率提升3000倍以上，徹底解決了大電網(wǎng)仿真“仿不快”的世界難題。
助跑“雙碳”
截至2021年底，國家電網(wǎng)并網(wǎng)新能源裝機(jī)規(guī)模達(dá)5.36億千瓦，成為世界上并網(wǎng)新能源裝機(jī)規(guī)模最大的電網(wǎng)。在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)驅(qū)動下，我國提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)的雙高(高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備)特點(diǎn)將更加明顯。
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，仿真技術(shù)在新能源輸送中的作用日益凸顯。 不僅是張北柔直工程，技術(shù)成果已在西電東送、新能源電力集中外送等各項輸變電工程的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營等關(guān)鍵時期發(fā)揮了巨大作用。通過精準(zhǔn)校核直流輸電工程及新能源送出能力;國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)域內(nèi)年增加清潔電量消納超300億千瓦時，相當(dāng)于減排二氧化碳3200萬噸。
同時，仿真技術(shù)在維持電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中也扮演著愈發(fā)重要的角色。
國家電網(wǎng)有限公司國家電力調(diào)度控制中心系統(tǒng)處處長賀靜波說，電網(wǎng)安全性與經(jīng)濟(jì)性存在博弈，需要利用電力系統(tǒng)仿真技術(shù)尋找二者的平衡點(diǎn)。我國擁有全球規(guī)模最大、電壓等級最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的電網(wǎng)，20年間沒有出現(xiàn)大的停電事故的重要原因，是將預(yù)想的故障提前在仿真系統(tǒng)中模擬，提前設(shè)計控制策略、防御措施。
可以說，仿真是當(dāng)前掌握復(fù)雜大電網(wǎng)特性的唯一手段，被譽(yù)為電網(wǎng)安全的“尺”與“秤”，也一直被視為國內(nèi)外電力行業(yè)的核心技術(shù)。
仿真技術(shù)在我國經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展過程。
早在1981年，我國就提出了電網(wǎng)規(guī)劃方案必須通過仿真來校核的原則。
從上世紀(jì)80年代開始，在國家各類重大項目支持下，周孝信、郭劍波和湯涌等老一輩專家就帶領(lǐng)電力系統(tǒng)仿真分析團(tuán)隊持續(xù)開展仿真技術(shù)研究與軟件開發(fā)。他們緊密圍繞我國發(fā)展±500千伏直流輸電等重大技術(shù)需求，開發(fā)了系列軟件。電力系統(tǒng)仿真技術(shù)也伴隨著我國輸電技術(shù)的發(fā)展不斷迭代升級。
不過，情況在最近十余年間發(fā)生變化。2010年，±800千伏向家壩—上海特高壓直流輸電示范工程投運(yùn)。隨后幾年間，一批特高壓直流工程快速建設(shè)，大規(guī)模新能源機(jī)組接入，調(diào)度運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)，此前足夠精確的電網(wǎng)仿真結(jié)果與實際運(yùn)行情況的偏差越來越大。
于是，2012年，國家電網(wǎng)依托國家863計劃開始基礎(chǔ)研發(fā)。2015年，國家電網(wǎng)仿真中心成立，上百名技術(shù)骨干齊聚一堂，決心攻克大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真技術(shù)。
起初，一些仿真領(lǐng)域的頂尖專家認(rèn)為這是不可能完成的任務(wù)，更斷言至少需要20多年。
但辦法總比困難多。2017年12月，新一代特高壓交直流電網(wǎng)仿真平臺通過專家組驗收。科研團(tuán)隊提前3年完成了既定目標(biāo)。
該仿真平臺項目成果在特高壓交直流輸電工程、“一帶一路”建設(shè)中的電網(wǎng)工程等工程中，以及西電東送、大電網(wǎng)互聯(lián)、新能源集中外送等電網(wǎng)發(fā)展和運(yùn)行實踐中發(fā)揮了重要作用，并在國家電網(wǎng)27個省級電力公司全部應(yīng)用，推動了我國電網(wǎng)輸電能力和安全運(yùn)行達(dá)到更高水平。
如今，隨著“雙碳”目標(biāo)被提升到國家戰(zhàn)略高度，這項科研成果正在助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)、加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中履行更加重大的歷史使命。
