仿真照進現實守護電網安全穩定運行

陳瑜

張北的風，點亮北京的燈，更點亮了北京2022年冬奧會和冬殘奧會場館。場館歷史性地實現100%綠色電能供應。

“馴服”隨機波動的風力發電和光伏發電的，是張北可再生能源柔性直流電網試驗示范工程。

浪漫意境的背后，是支撐無數次的精密計算和仿真試驗的電力系統仿真技術。

國家電網有限公司國家電力調度控制中心系統處處長賀靜波說，電網安全性與經濟性存在博弈，需要利用電力系統仿真技術尋找二者的平衡點。我國擁有全球規模大、電壓等級高、結構復雜的電網，20年間沒有出現大的停電事故的重要原因，是將預想的故障提前在仿真系統中模擬，提前設計控制策略、防御措施。

電網安全需要更精準的“尺”與“秤”

電力系統是世界上最復雜的人造動態系統。

“它的規模太大了，細到千家萬戶，特別是有了新能源后更加復雜。”賀靜波說。

仿真是當前掌握復雜大電網特性的唯一手段，被譽為電網安全的“尺”與“秤”，也一直被視為國內外電力行業的核心技術。

但在賀靜波看來，電力系統仿真技術又有別于其他系統。“電網一旦投入運行，不允許停電做實驗，尤其是現代工業對電能的質量要求特別高，電能哪怕出現一點點擾動，產品就可能報廢一批，所以只能把外界看不見的仿真工作做得更好，才能保證整個電網不出問題。”

1981年，我國提出了電網規劃方案必須通過仿真來校核的原則。這也有力支撐了過去幾十年我國電網的高質量發展。

2010年，±800千伏向家壩—上海特高壓直流輸電示范工程投運。隨后幾年間，一批特高壓直流工程快速建設，大規模新能源機組接入，調度運行人員發現，此前足夠精確的電網仿真結果與實際運行情況的偏差越來越大。

“究其原因，是大規模直流輸電和新能源機組接入電網后，傳統的機電暫態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。”國家電網仿真中心副主任李亞樓說，研發高精度、高效率的電力系統仿真技術迫在眉睫。

2012年，國家電網公司依托國家863計劃開始基礎研發。2015年，國家電網仿真中心成立，上百名技術骨干齊聚一堂，決心攻克大規模電網電磁暫態仿真技術。

然而，當時有仿真領域的頂尖專家認為這是不可能完成的任務，更斷言至少需要20多年。專家的意見不無道理。此前電磁暫態仿真只用于局部電網和具體工程，根本無法仿真較大規模的實際電網。從這個角度說，國家電網仿真中心科研團隊真正走入了電力仿真技術的“無人區”。

好比小物件上雕花

走入“無人區”的，是一群當年30歲出頭的國家電網仿真中心科研人員。他們在一張長長計劃表里，羅列了幾十項任務，并逐一做了細致的進度計劃。對專家斷言“至少需要二十多年”解決的難題，他們給自己的期限是2020年。

在這難題中，50微秒的實時仿真步長是塊難啃的“骨頭”。

“我們要將11回直流工程的控保設備同時接入華東電網進行仿真，整個華東電網模型被分解到幾百個CPU核，每一個CPU核既要完成自己的任務，又要與其他CPU核交互數據，還要完成與外接物理裝置上萬路信號的交互，且仿真計算速度必須跟實際物理過程同步。50微秒的仿真步長，相當于在1秒鐘的時間里，要對華東電網6000個節點進行20000次計算。”國家電網仿真中心數模混合仿真研究室主任朱藝穎告訴記者。

賀靜波形容，就像在特別小的物體上面雕花，需要非常精細的操作。當時實驗室施工還沒全部結束，攻關團隊就在這樣的環境下伴隨著電鉆聲和裝修塵土開始了研究。

2017年的一個夏夜，北京天氣燥熱難耐，國家電網仿真中心的實驗室里燈火通明，幾百個CPU核飛速運轉，幾萬路信號實時交互，科研人員緊盯著電腦屏幕，當看到故障仿真模型與現場波形幾乎重合時，實驗室里爆發出巨大的歡呼聲，這意味著包含11回直流的華東區域電網首次實現了精準的電磁暫態實時仿真。朱藝穎感慨萬分，發了一條朋友圈：我仿佛看到我們搭建的巨人從地上緩緩站起。

模型算法、數值穩定、計算速率及平臺架構……一個個技術難題被攻克，2017年12月，新一代特高壓交直流電網仿真平臺通過專家組驗收。科研團隊提前3年完成了既定目標。

在科研團隊看來，成績源于深厚的技術積淀。

早在20世紀80年代，在國家各類重大項目支持下，周孝信、郭劍波和湯涌等老一輩專家就帶領電力系統仿真分析團隊持續開展仿真技術研究與軟件開發。他們緊密圍繞我國發展±500千伏直流輸電等重大技術需求，開發了系列軟件。電力系統仿真技術也伴隨著我國輸電技術的發展不斷迭代升級。

高精度仿真助推新型電力系統構建

截至2021年底，國家電網并網新能源裝機規模達5.36億千瓦。在碳達峰碳中和目標驅動下，我國提出構建新型電力系統，電力系統的雙高（高比例可再生能源、高比例電力電子設備）特點將更加明顯。

“現在回頭看，幸好建成了，要不然一些問題沒法解決。”李亞樓說。清潔能源經張北柔直工程送出是重大科技試驗示范工程，創下12項世界第一。

“我們對張北柔直工程進行了5800個工況、8萬余次仿真計算，開展了工程并網特性、運行方式安排、控制保護策略、故障應對措施等全方位仿真分析和試驗驗證，最終將工程運行工況精簡至9種，保障工程在可控的工況下安全穩定運行。”朱藝穎說。

不僅是張北柔直工程，技術成果已在西電東送、新能源電力集中外送等各項輸變電工程的規劃、建設、運營等關鍵時期發揮了巨大作用。通過精準校核直流輸電工程及新能源送出能力；國家電網經營區域內年增加清潔電量消納超300億千瓦時，相當于減排二氧化碳3200萬噸。

（文章來源《科技日報》，圖片來源于網絡）