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(zhǔn)演練大電網(wǎng)運行

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

　　近年來，南方電網(wǎng)公司貫徹落實黨中央、國務(wù)院決策部署，大力開展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)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(qiáng)企贏得發(fā)展主動。本期起，本報推出“走進(jìn)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(jìn)高水平科技自立自強(qiáng)的積極作為和生動實踐。

　　南方電網(wǎng)交直流混聯(lián)，遠(yuǎn)距離、大容量、超高壓輸電，安全穩(wěn)定特性復(fù)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(fù)制下來，讓我們提前預(yù)判風(fēng)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(shè)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(shè)，2004年建成投運。2009年，該實驗室被國家能源局認(rèn)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(dá)3600平方米(約9個標(biāo)準(zhǔn)籃球場)的實驗室內(nèi)，看不到任何網(wǎng)架和設(shè)備模型，只見一面面屏柜整齊排列，實時數(shù)字仿真器設(shè)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(hù)裝置(即二次設(shè)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(jī)、變壓器、線路、開關(guān)、風(fēng)機(jī)、光伏等一次設(shè)備的數(shù)字模型。

　　“你在電腦上看到的只是一個個圖標(biāo)，但是點擊進(jìn)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(biāo)都能精準(zhǔn)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(fù)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(xì)致的仿真計算，才能科學(xué)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(zhǔn)復(fù)制物理電網(wǎng)，還要把龐大又復(fù)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(shè)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(jìn)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(jìn)、結(jié)構(gòu)最復(fù)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(shè)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(dāng)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(jìn)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(dāng)時，科研團(tuán)隊選定了電壓恢復(fù)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(biāo)，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(fù)荷800萬千瓦運行，經(jīng)受住了大負(fù)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(jìn)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(fù)功率的時間與設(shè)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(zhǔn)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(fēng)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(fēng)險，采用實時數(shù)字仿真技術(shù)計算，可以更精準(zhǔn)、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(shè)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(shè)的推進(jìn)，多類型可再生能源的大規(guī)模、多電壓層級接入和設(shè)備高度電力電子化特點，正在讓電網(wǎng)變得越來越復(fù)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(fēng)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(shè)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(fù)雜拓?fù)浣Y(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(chǔ)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(fēng)機(jī)容量，但是到2025年，南方區(qū)域新能源新增裝機(jī)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(kuò)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(fēng)機(jī)容量，仿真規(guī)模和效能提高了近10倍。

　　“以后這些二次設(shè)備也都將虛擬化。”林雪華指著整齊排列的控制保護(hù)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(shè)備的數(shù)字化，將來還要研究如何將二次設(shè)備數(shù)字化，進(jìn)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