國家能源大電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)(實驗)中心——打造實時數(shù)字仿真系統(tǒng) 精準演練大電網(wǎng)運行

　　編者按：今年2月，習近平總書記在中共中央政治局第三次集體學習時強調(diào)，要協(xié)同構(gòu)建中國特色國家實驗室體系，布局建設基礎學科研究中心，超前部署新型科研信息化基礎平臺，形成強大的基礎研究骨干網(wǎng)絡。今年全國兩會期間，習近平總書記在出席解放軍和武警部隊代表團全體會議時強調(diào)，要深化科技協(xié)同創(chuàng)新，建設好、管理好、運用好國家實驗室，聚力加強自主創(chuàng)新、原始創(chuàng)新，加快推進高水平科技自立自強。

　　近年來，南方電網(wǎng)公司貫徹落實黨中央、國務院決策部署，大力開展基礎研究和應用基礎研究，構(gòu)建專業(yè)齊全的創(chuàng)新平臺體系，充分發(fā)揮國家實驗室的引領(lǐng)作用，全力打造國家戰(zhàn)略科技力量和全球能源創(chuàng)新高地，以科技強企贏得發(fā)展主動。本期起，本報推出“走進實驗室”系列報道，通過本報記者實地探訪南方電網(wǎng)公司各大實驗室，充分展現(xiàn)公司加快推進高水平科技自立自強的積極作為和生動實踐。

　　南方電網(wǎng)交直流混聯(lián)，遠距離、大容量、超高壓輸電，安全穩(wěn)定特性復雜，駕馭難度大。有沒有一種技術(shù)可以在虛擬的世界里將它復制下來，讓我們提前預判風險并找到解決方法?有。它就是實時數(shù)字仿真技術(shù)。

　　將實時數(shù)字仿真技術(shù)運用到電網(wǎng)中，就是在實驗室中建立一套交直流并聯(lián)電網(wǎng)的實時數(shù)字仿真系統(tǒng)，它看不見、摸不著，只存在于處理器和顯示屏中，但它可以接入需要檢測的設備，運行需要試驗的調(diào)度指令，來檢驗它們對電網(wǎng)運行所產(chǎn)生的影響，幫助我們看清問題實質(zhì)，支撐電網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠。

　　南方電網(wǎng)公司于2003年啟動電網(wǎng)仿真實驗室建設，2004年建成投運。2009年，該實驗室被國家能源局認定為“國家能源大電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)(實驗)中心”，是國內(nèi)外現(xiàn)代化水平最高的仿真試驗研究基地之一，依托南網(wǎng)科研院運行管理。

　　如何實時仿真?

　　在實驗室構(gòu)建電網(wǎng)全息鏡像

　　近日，記者實地探訪了國家能源大電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)(實驗)中心，乍一看，它不像實驗室，更像是信息中心。

　　在這個面積達3600平方米(約9個標準籃球場)的實驗室內(nèi)，看不到任何網(wǎng)架和設備模型，只見一面面屏柜整齊排列，實時數(shù)字仿真器設備燈光頻繁閃爍、全速運算，電腦顯示屏里正顯示著仿真運算結(jié)果。

　　這些屏柜，是南方電網(wǎng)所有15回(特)高壓直流輸電工程最核心的部分——控制保護裝置(即二次設備)，它們與工程現(xiàn)場的裝置一模一樣，以最真實的狀態(tài)接入仿真系統(tǒng)。這些仿真器里運算著的，就是發(fā)電機、變壓器、線路、開關(guān)、風機、光伏等一次設備的數(shù)字模型。

　　“你在電腦上看到的只是一個個圖標，但是點擊進去，它就是一條線路、一個開關(guān)、一臺變壓器，是整個南方電網(wǎng)220千伏及以上電壓等級交直流并聯(lián)電網(wǎng)。”南網(wǎng)科研院電網(wǎng)仿真與控制技術(shù)研究所副所長黃立濱告訴記者，在仿真系統(tǒng)內(nèi)，電網(wǎng)運行中的電壓、電流、頻率波動等指標都能精準刻畫，仿真對比曲線也與電網(wǎng)運行狀態(tài)高度吻合。“微秒級的雷擊給電網(wǎng)帶來的故障，我們都能精確模擬。”

　　現(xiàn)代電網(wǎng)是復雜的人造系統(tǒng)，難以靠經(jīng)驗去理解和掌握，只有經(jīng)過大量深入細致的仿真計算，才能科學把握其發(fā)展規(guī)律和運行特性。仿真實驗的意義就在于，模擬實際電網(wǎng)，將問題盡可能暴露在前面，并解決它。它就像電網(wǎng)的鏡子，實際系統(tǒng)有什么，仿真就有什么，實際系統(tǒng)發(fā)生了什么，就可以在這個鏡像系統(tǒng)里真實再現(xiàn)。如同照相，把眼前的物理世界變成數(shù)字化系統(tǒng)。

　　要精準復制物理電網(wǎng)，還要把龐大又復雜的電網(wǎng)變成一個模型放到電腦內(nèi)，數(shù)字建模很關(guān)鍵。至今，南網(wǎng)科研院的科技工作者們，已構(gòu)建了上萬個覆蓋220千伏及以上電網(wǎng)所有類型一次設備的數(shù)字模型，這些模型，也成為南方電網(wǎng)科技工作的核心競爭力。目前，已有143項關(guān)于仿真建模及試驗技術(shù)申請了專利，獲得了中國電力科技進步獎一等獎等13項省部級及以上獎勵。

　　能解決什么問題?

　　可驗證工程投產(chǎn)前是否無懈可擊

　　經(jīng)過20余年的發(fā)展，南方電網(wǎng)已建成“八交十一直”19條西電東送大通道，最大送電能力超過5800萬千瓦。南方電網(wǎng)主網(wǎng)架已發(fā)展成為世界上技術(shù)最先進、結(jié)構(gòu)最復雜、運行最穩(wěn)定的大電網(wǎng)之一。這背后，實時仿真技術(shù)功不可沒。

　　它可以參與工程設計，給出量化的參數(shù)驗證結(jié)果。“比如，在昆柳龍直流工程規(guī)劃之初，對于工程要不要搞多端，是搞常規(guī)直流還是柔性直流，業(yè)內(nèi)有很多種不同的聲音。”黃立濱告訴記者，當時特高壓多端混合直流技術(shù)在世界上沒有過先例，但他們通過仿真系統(tǒng)驗證了昆柳龍直流工程采用多端混合直流的技術(shù)優(yōu)勢和可行性。“我們不僅可以進行定性的評價，還以定量的方法給出了仿真計算的結(jié)果。”當時，科研團隊選定了電壓恢復速率、直流輸送功率、送端電網(wǎng)頻率變化、對周圍直流的影響等四個關(guān)鍵指標，來驗證受端采用柔性直流的優(yōu)勢和可行性。

　　它可以檢驗工程是否無懈可擊，確保工程以最安全的狀態(tài)投運。再次以昆柳龍直流工程為例。該工程投產(chǎn)后，多次滿負荷800萬千瓦運行，經(jīng)受住了大負荷、高電壓、長時間等多重考驗。昆柳龍直流工程始終保持安全穩(wěn)定運行的背后，離不開仿真系統(tǒng)對它的持續(xù)“攻擊”和“找茬”。南網(wǎng)科研院電網(wǎng)仿真與控制技術(shù)研究所直流運行與控制技術(shù)研究室主任林雪華說：“我們在仿真系統(tǒng)里進行了10個月的測試實驗，找出了1000多個大大小小的隱患。”問題大到直流閉鎖跳閘，小到直流線路從故障開始到恢復功率的時間與設計要求差了幾個毫秒。解決這些問題和隱患后，昆柳龍直流工程得以順利投產(chǎn)。

　　它可以精準定位電網(wǎng)運行故障，為交直流大電網(wǎng)運行決策提供最有效的技術(shù)手段支持，是風險辨識的“定海神針”。相對運用傳統(tǒng)方式計算電網(wǎng)運行風險，采用實時數(shù)字仿真技術(shù)計算，可以更精準、更快速地定位，將特巡特維的站點縮減大半，大大減少運維耗費的人力物力。

　　將來還要研究什么?

　　大規(guī)模新能源并網(wǎng)后的仿真實驗

　　從2003年啟動建設至今，國家能源大電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)(實驗)中心已經(jīng)在電網(wǎng)實時數(shù)字仿真技術(shù)、大電網(wǎng)安全穩(wěn)定技術(shù)、高壓直流輸電自主化技術(shù)、特高壓直流輸電技術(shù)等領(lǐng)域取得了一系列重要科技成果和專利。整體科技研發(fā)居世界領(lǐng)先水平，確保了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

　　隨著新型電力系統(tǒng)建設的推進，多類型可再生能源的大規(guī)模、多電壓層級接入和設備高度電力電子化特點，正在讓電網(wǎng)變得越來越復雜，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定面臨著越來越多的挑戰(zhàn)，這也給實驗室提出了更多難題。

　　對此，南網(wǎng)科研院的科研工作者們正奮力開展新型電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生仿真平臺技術(shù)攻關(guān)。目前已構(gòu)建風電場群、光伏電站以及大容量高功率儲能換流器等關(guān)鍵設備的數(shù)字孿生仿真模型，實現(xiàn)對高比例新能源電力系統(tǒng)復雜拓撲結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的高精度數(shù)字模擬，為其運行控制的研究提供模型基礎和數(shù)據(jù)支撐。

　　以往，1臺仿真器一般最多模擬100兆瓦的風機容量，但是到2025年，南方區(qū)域新能源新增裝機將在1億千瓦以上。如此大規(guī)模的新能源接入，需要大量的仿真器來做實驗，不僅花費大，而且占地方。怎么辦?“我們研究了‘打包’的方法，通過等值建模技術(shù)擴大場站的仿真規(guī)模。”南網(wǎng)科研院電網(wǎng)仿真與控制技術(shù)研究所所長助理朱益華說，目前1臺仿真器能模擬近1000兆瓦的風機容量，仿真規(guī)模和效能提高了近10倍。

　　“以后這些二次設備也都將虛擬化。”林雪華指著整齊排列的控制保護裝置，自信地說。她告訴記者，目前已經(jīng)實現(xiàn)了對電網(wǎng)一次設備的數(shù)字化，將來還要研究如何將二次設備數(shù)字化，進一步提高仿真實驗效率，推動優(yōu)化電網(wǎng)運行方式，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。

　　統(tǒng)籌：南網(wǎng)報記者 劉杰

　　采寫：南網(wǎng)報記者 彭文蕊 通訊員 周慧