今天，咱們聊聊電力系統(tǒng)仿真技術(shù)。
什么是仿真？
先舉個(gè)例子。假如工程師設(shè)計(jì)了一座橋，除了理論計(jì)算，怎么知道這座橋到底實(shí)不實(shí)用、承重性如何呢？這就得先做出一個(gè)模型來驗(yàn)證一下。
大橋模型圖。（視覺中國(guó)）
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(gè)系統(tǒng)到底穩(wěn)定不穩(wěn)定、有沒有缺陷呢？也得弄個(gè)模型來看看。這種用模型來測(cè)試電力系統(tǒng)的技術(shù)有個(gè)專業(yè)名詞——電力系統(tǒng)仿真技術(shù)。
中國(guó)電科院電網(wǎng)仿真中心超算中心。
電力系統(tǒng)仿真技術(shù)
兩個(gè)階段
一、物理模型階段
初，人們是用物理模型做試驗(yàn)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(shí)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(fù)雜程度越來越高，物理模型已經(jīng)不能滿足大系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的需求了。正好，計(jì)算機(jī)技術(shù)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(guó)電科院科研人員在電網(wǎng)仿真中心開展科研攻關(guān)。
電力系統(tǒng)是個(gè)動(dòng)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(dòng)態(tài)問題——沿著時(shí)間軸連續(xù)對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)變化過程進(jìn)行計(jì)算。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)仿真計(jì)算速度不斷加快，當(dāng)仿真計(jì)算速度與同一時(shí)間段內(nèi)電網(wǎng)沿時(shí)間軸變化的速度一致時(shí)，即達(dá)到了實(shí)時(shí)仿真。只有仿真工具達(dá)到實(shí)時(shí)仿真時(shí)，才具備將實(shí)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)?；旌戏抡妗?/p>
三個(gè)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(guó)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(shí)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(shí)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。
打個(gè)比方，研究電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理時(shí)，機(jī)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(xì)。然而，電磁暫態(tài)仿真步長(zhǎng)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(shí)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)、仿不快的難題。
國(guó)外多家科研機(jī)構(gòu)都針對(duì)本國(guó)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(guó)電網(wǎng)。國(guó)際相關(guān)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)難以滿足我國(guó)電網(wǎng)的實(shí)際需求。中國(guó)電科院的電網(wǎng)仿真中心依托 863 計(jì)劃和電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目，深入開展相關(guān)研究，取得了多項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)了具有國(guó)際水平的大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真項(xiàng)目。
該項(xiàng)目的研發(fā)，解決了三大難題。
01仿得了
本項(xiàng)目攻克了眾多技術(shù)難題、將大電網(wǎng)仿真時(shí)間尺度由毫秒級(jí)變?yōu)槲⒚爰?jí)，實(shí)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(shí)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(gè)區(qū)域電網(wǎng)，突破了人們對(duì)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。
02仿得準(zhǔn)
本項(xiàng)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(jí)大區(qū)電網(wǎng)的數(shù)?；旌戏抡骐y題，實(shí)現(xiàn)了15回直流控制保護(hù)裝置（約300面屏柜，上萬個(gè)交互信號(hào)）同時(shí)接入到大規(guī)模實(shí)時(shí)仿真電網(wǎng)的數(shù)?；旌戏抡妫缭绞教嵘舜箅娋W(wǎng)的仿真精度，解決了對(duì)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。
03仿得快
本項(xiàng)目攻克了多項(xiàng)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(dòng)時(shí)長(zhǎng)由上百秒減少至5秒以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了多潮流方式與故障組合的大批量仿真作業(yè)動(dòng)態(tài)資源配置，計(jì)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(huì)想：這個(gè)項(xiàng)目成果太牛了，那它有啥實(shí)際應(yīng)用？
助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)
加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)
“張北的風(fēng)點(diǎn)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(huì)的綠電實(shí)踐。這是奧運(yùn)會(huì)歷史上實(shí)現(xiàn)所有場(chǎng)館綠電供應(yīng)。
鮮為人知的是，為北京冬奧會(huì)場(chǎng)館提供綠電的創(chuàng)造了12項(xiàng)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(shù)的有力支撐。
我國(guó)研發(fā)的大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)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(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(yàn)示范工程。
啥叫“試驗(yàn)示范”？那就是全球個(gè)，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)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(shù)先行研究、驗(yàn)證、測(cè)試等，然后，才能正式建設(shè)、投入運(yùn)行。
俯瞰500千伏張北換流站，宛如一塊精密的電腦主板。
