今天，咱們聊聊電力系統(tǒng)仿真技術。
什么是仿真？
先舉個例子。假如工程師設計了一座橋，除了理論計算，怎么知道這座橋到底實不實用、承重性如何呢？這就得先做出一個模型來驗證一下。
大橋模型圖。（視覺中國）
同樣的道理，如果工程師研發(fā)一種新的電力系統(tǒng)，怎么知道這個系統(tǒng)到底穩(wěn)定不穩(wěn)定、有沒有缺陷呢？也得弄個模型來看看。這種用模型來測試電力系統(tǒng)的技術有個專業(yè)名詞——電力系統(tǒng)仿真技術。
中國電科院電網(wǎng)仿真中心超算中心。
電力系統(tǒng)仿真技術
兩個階段
一、物理模型階段
初，人們是用物理模型做試驗來研究電力系統(tǒng)的。這些模型就像我們常見的汽車模型一樣，把實物等比例縮小。小了，就更好研究了。
電力線路路徑模型。
二、數(shù)字模擬階段
隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)的規(guī)模越來越大、復雜程度越來越高，物理模型已經(jīng)不能滿足大系統(tǒng)實驗研究的需求了。正好，計算機技術大發(fā)展，這就出現(xiàn)了數(shù)字模型代替物理模型的新型仿真系統(tǒng)。
中國電科院科研人員在電網(wǎng)仿真中心開展科研攻關。
電力系統(tǒng)是個動態(tài)系統(tǒng)。所以，電力系統(tǒng)仿真技術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)變化過程進行計算。
隨著計算機技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)仿真計算速度不斷加快，當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，即達到了實時仿真。只有仿真工具達到實時仿真時，才具備將實際電網(wǎng)中的設備接入到仿真數(shù)字電網(wǎng)進行同步仿真的能力，也就是電力系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡妗?/p>
三個難題出現(xiàn)
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)安全運行和協(xié)調(diào)控制。
當大量直流電源和新能源電源接入電網(wǎng)后，人們開始認識到，機電暫態(tài)仿真方法無法準確模擬這些含電力電子器件設備的響應和控制特性，必須使用電磁暫態(tài)仿真方法。
打個比方，研究電網(wǎng)運行機理時，機電暫態(tài)仿真就像放大鏡，電磁暫態(tài)仿真就像顯微鏡，放大鏡看得快但是不如顯微鏡看得仔細。然而，電磁暫態(tài)仿真步長小，速度慢 ，建模極其復雜，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、仿不快的難題。
國外多家科研機構(gòu)都針對本國電網(wǎng)開展數(shù)字仿真相關技術研究，但其電網(wǎng)復雜程度、運行控制難度遠不及我國電網(wǎng)。國際相關技術及經(jīng)驗難以滿足我國電網(wǎng)的實際需求。中國電科院的電網(wǎng)仿真中心依托 863 計劃和電網(wǎng)公司科技項目，深入開展相關研究，取得了多項重大技術創(chuàng)新，研發(fā)了具有國際水平的大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真項目。
該項目的研發(fā)，解決了三大難題。
01仿得了
本項目攻克了眾多技術難題、將大電網(wǎng)仿真時間尺度由毫秒級變?yōu)槲⒚爰?，實現(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)了工程化應用，仿真規(guī)模達到上萬節(jié)點，可以覆蓋兩個區(qū)域電網(wǎng)，突破了人們對電力系統(tǒng)特性認知的技術瓶頸，徹底解決了現(xiàn)代大電網(wǎng)“仿不了”的世界難題。
02仿得準
本項目攻克了子網(wǎng)分解隨機優(yōu)化、任務映射圖匹配算法等技術難題，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裝置和復雜系統(tǒng)保護裝置接入萬節(jié)點級大區(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)?；旌戏抡?，跨越式提升了大電網(wǎng)的仿真精度，解決了對大規(guī)模電力電子設備接入電網(wǎng)控制響應特性“仿不準”的世界難題。
03仿得快
本項目攻克了多項技術難題，將含大規(guī)模電力電子設備的大電網(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。
看到這，您可能會想：這個項目成果太牛了，那它有啥實際應用？
助力“雙碳”目標實現(xiàn)
加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)
“張北的風點亮了北京的燈”，這句話，讓全世界人們形象地了解了北京冬奧會的綠電實踐。這是奧運會歷史上實現(xiàn)所有場館綠電供應。
鮮為人知的是，為北京冬奧會場館提供綠電的創(chuàng)造了12項世界的柔性直流工程——張北柔直工程全過程都離不開電網(wǎng)仿真技術的有力支撐。
我國研發(fā)的大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真平臺是怎樣支持張北柔直工程的？
張北柔直工程是集大規(guī)?？稍偕茉从押媒尤?、多種形態(tài)能源互補和靈活消納、直流電網(wǎng)構(gòu)建等于一體的重大科技試驗示范工程。
啥叫“試驗示范”？那就是全球個，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可以借鑒。
所以，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先行研究、驗證、測試等，然后，才能正式建設、投入運行。
俯瞰500千伏張北換流站，宛如一塊精密的電腦主板。
