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仿真技术|仿真照进现实 守护电网安全稳定运行

张北的风光 ， 点亮北京的灯 ， 更点亮了北京2022年冬奥会和冬残奥会场馆 。 场馆历史性地实现100%绿色电能供应 。
“驯服”随机波动的风力发电和光伏发电的 ， 是张北可再生能源柔性直流电网试验示范工程 。
浪漫意境的背后 ， 是支撑无数次的精密计算和仿真试验的电力系统仿真技术 。
国家电网有限公司国家电力调度控制中心系统处处长贺静波说 ， 电网安全性与经济性存在博弈 ， 需要利用电力系统仿真技术寻找二者的平衡点 。 我国拥有全球规模最大、电压等级最高、结构最复杂的电网 ， 20年间没有出现大的停电事故的重要原因 ， 是将预想的故障提前在仿真系统中模拟 ， 提前设计控制策略、防御措施 。
电网安全需要更精准的“尺”与“秤”
电力系统是世界上最复杂的人造动态系统 。
“它的规模太大了 ， 细到千家万户 ， 特别是有了新能源后更加复杂 。 ”贺静波说 。
仿真是当前掌握复杂大电网特性的唯一手段 ， 被誉为电网安全的“尺”与“秤” ， 也一直被视为国内外电力行业的核心技术 。
但在贺静波看来 ， 电力系统仿真技术又有别于其他系统 。 “电网一旦投入运行 ， 不允许停电做实验 ， 尤其是现代工业对电能的质量要求特别高 ， 电能哪怕出现一点点扰动 ， 产品就可能报废一批 ， 所以只能把外界看不见的仿真工作做得更好 ， 才能保证整个电网不出问题 。 ”
1981年 ， 我国提出了电网规划方案必须通过仿真来校核的原则 。 这也有力支撑了过去几十年我国电网的高质量发展 。
2010年 ， ±800千伏向家坝—上海特高压直流输电示范工程投运 。 随后几年间 ， 一批特高压直流工程快速建设 ， 大规模新能源机组接入 ， 调度运行人员发现 ， 此前足够精确的电网仿真结果与实际运行情况的偏差越来越大 。
“究其原因 ， 是大规模直流输电和新能源机组接入电网后 ， 传统的机电暂态仿真方法无法准确模拟这些含电力电子器件设备的响应和控制特性 。 ”国家电网仿真中心副主任李亚楼说 ， 研发高精度、高效率的电力系统仿真技术迫在眉睫 。
2012年 ， 国家电网公司依托国家863计划开始基础研发 。 2015年 ， 国家电网仿真中心成立 ， 上百名技术骨干齐聚一堂 ， 决心攻克大规模电网电磁暂态仿真技术 。
然而 ， 当时有仿真领域的顶尖专家认为这是不可能完成的任务 ， 更断言至少需要20多年 。 专家的意见不无道理 。 此前电磁暂态仿真只用于局部电网和具体工程 ， 根本无法仿真较大规模的实际电网 。 从这个角度说 ， 国家电网仿真中心科研团队真正走入了电力仿真技术的“无人区” 。
好比小物件上雕花
走入“无人区”的 ， 是一群当年30岁出头的国家电网仿真中心科研人员 。 他们在一张长长计划表里 ， 罗列了几十项任务 ， 并逐一做了细致的进度计划 。 对专家断言“至少需要二十多年”解决的难题 ， 他们给自己的期限是2020年 。
在这难题中 ， 50微秒的实时仿真步长是块难啃的“骨头” 。
“我们要将11回直流工程的控保设备同时接入华东电网进行仿真 ， 整个华东电网模型被分解到几百个CPU核 ， 每一个CPU核既要完成自己的任务 ， 又要与其他CPU核交互数据 ， 还要完成与外接物理装置上万路信号的交互 ， 且仿真计算速度必须跟实际物理过程同步 。 50微秒的仿真步长 ， 相当于在1秒钟的时间里 ， 要对华东电网6000个节点进行20000次计算 。 ”国家电网仿真中心数模混合仿真研究室主任朱艺颖告诉采访人员 。
贺静波形容 ， 就像在特别小的物体上面雕花 ， 需要非常精细的操作 。
当时实验室施工还没全部结束 ， 攻关团队就在这样的环境下伴随着电钻声和装修尘土开始了研究 。
2017年的一个夏夜 ， 北京天气燥热难耐 ， 国家电网仿真中心的实验室里灯火通明 ， 几百个CPU核飞速运转 ， 几万路信号实时交互 ， 科研人员紧盯着电脑屏幕 ， 当看到故障仿真模型与现场波形几乎重合时 ， 实验室里爆发出巨大的欢呼声 ， 这意味着包含11回直流的华东区域电网首次实现了精准的电磁暂态实时仿真 。 朱艺颖感慨万分 ， 发了一条朋友圈：我仿佛看到我们搭建的巨人从地上缓缓站起 。
模型算法、数值稳定、计算速率及平台架构……一个个技术难题被攻克 ， 2017年12月 ， 新一代特高压交直流电网仿真平台通过专家组验收 。 科研团队提前3年完成了既定目标 。
在科研团队看来 ， 成绩源于深厚的技术积淀 。
【仿真技术|仿真照进现实 守护电网安全稳定运行】早在上世纪80年代 ， 在国家各类重大项目支持下 ， 周孝信、郭剑波和汤涌等老一辈专家就带领电力系统仿真分析团队持续开展仿真技术研究与软件开发 。 他们紧密围绕我国发展±500千伏直流输电等重大技术需求 ， 开发了系列软件 。 电力系统仿真技术也伴随着我国输电技术的发展不断迭代升级 。
高精度仿真助推新型电力系统构建
截至2021年底 ， 国家电网并网新能源装机规模达5.36亿千瓦 ， 成为世界上并网新能源装机规模最大的电网 。 在碳达峰碳中和目标驱动下 ， 我国提出构建新型电力系统 ， 电力系统的双高（高比例可再生能源、高比例电力电子设备）特点将更加明显 。
“现在回头看 ， 幸好建成了 ， 要不然一些问题没法解决 。 ”李亚楼说 。
清洁能源经张北柔直工程送出是重大科技试验示范工程 ， 创下12项世界第一 。
“我们对张北柔直工程进行了5800个工况、8万余次仿真计算 ， 开展了工程并网特性、运行方式安排、控制保护策略、故障应对措施等全方位仿真分析和试验验证 ， 最终将工程运行工况精简至9种 ， 保障工程在可控的工况下安全稳定运行 。 ”朱艺颖说 。
不仅是张北柔直工程 ， 技术成果已在西电东送、新能源电力集中外送等各项输变电工程的规划、建设、运营等关键时期发挥了巨大作用 。 通过精准校核直流输电工程及新能源送出能力；国家电网经营区域内年增加清洁电量消纳超300亿千瓦时 ， 相当于减排二氧化碳3200万吨 。 采访人员 陈 瑜

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