國家能源大電網技術研發(實驗)中心——打造實時數字仿真系統 精準演練大電網運行

　　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，要協同構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，要深化科技協同創新，建設好、管理好、運用好國家實驗室，聚力加強自主創新、原始創新，加快推進高水平科技自立自強。

　　近年來，南方電網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，構建專業齊全的創新平臺體系，充分發揮國家實驗室的引領作用，全力打造國家戰略科技力量和全球能源創新高地，以科技強企贏得發展主動。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公司各大實驗室，充分展現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。

　　南方電網交直流混聯，遠距離、大容量、超高壓輸電，安全穩定特性復雜，駕馭難度大。有沒有一種技術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。它就是實時數字仿真技術。

　　將實時數字仿真技術運用到電網中，就是在實驗室中建立一套交直流并聯電網的實時數字仿真系統，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，運行需要試驗的調度指令，來檢驗它們對電網運行所產生的影響，幫助我們看清問題實質，支撐電網系統安全可靠。

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

　　如何實時仿真?

　　在實驗室構建電網全息鏡像

　　近日，記者實地探訪了國家能源大電網技術研發(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，看不到任何網架和設備模型，只見一面面屏柜整齊排列，實時數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果。

　　這些屏柜，是南方電網所有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)，它們與工程現場的裝置一模一樣，以最真實的狀態接入仿真系統。這些仿真器里運算著的，就是發電機、變壓器、線路、開關、風機、光伏等一次設備的數字模型。

　　“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、一臺變壓器，是整個南方電網220千伏及以上電壓等級交直流并聯電網。”南網科研院電網仿真與控制技術研究所副所長黃立濱告訴記者，在仿真系統內，電網運行中的電壓、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運行狀態高度吻合。“微秒級的雷擊給電網帶來的故障，我們都能精確模擬。”

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

　　要精準復制物理電網，還要把龐大又復雜的電網變成一個模型放到電腦內，數字建模很關鍵。至今，南網科研院的科技工作者們，已構建了上萬個覆蓋220千伏及以上電網所有類型一次設備的數字模型，這些模型，也成為南方電網科技工作的核心競爭力。目前，已有143項關于仿真建模及試驗技術申請了專利，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?

　　可驗證工程投產前是否無懈可擊

　　經過20余年的發展，南方電網已建成“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。南方電網主網架已發展成為世界上技術最先進、結構最復雜、運行最穩定的大電網之一。這背后，實時仿真技術功不可沒。

　　它可以參與工程設計，給出量化的參數驗證結果。“比如，在昆柳龍直流工程規劃之初，對于工程要不要搞多端，是搞常規直流還是柔性直流，業內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在世界上沒有過先例，但他們通過仿真系統驗證了昆柳龍直流工程采用多端混合直流的技術優勢和可行性。“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、送端電網頻率變化、對周圍直流的影響等四個關鍵指標，來驗證受端采用柔性直流的優勢和可行性。

　　它可以檢驗工程是否無懈可擊，確保工程以最安全的狀態投運。再次以昆柳龍直流工程為例。該工程投產后，多次滿負荷800萬千瓦運行，經受住了大負荷、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定運行的背后，離不開仿真系統對它的持續“攻擊”和“找茬”。南網科研院電網仿真與控制技術研究所直流運行與控制技術研究室主任林雪華說：“我們在仿真系統里進行了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。

　　它可以精準定位電網運行故障，為交直流大電網運行決策提供最有效的技術手段支持，是風險辨識的“定海神針”。相對運用傳統方式計算電網運行風險，采用實時數字仿真技術計算，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?

　　大規模新能源并網后的仿真實驗

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

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

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

　　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，南方區域新能源新增裝機將在1億千瓦以上。如此大規模的新能源接入，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，通過等值建模技術擴大場站的仿真規模。”南網科研院電網仿真與控制技術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，目前已經實現了對電網一次設備的數字化，將來還要研究如何將二次設備數字化，進一步提高仿真實驗效率，推動優化電網運行方式，提升電網安全穩定性。

　　統籌：南網報記者 劉杰

　　采寫：南網報記者 彭文蕊 通訊員 周慧