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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) 精準演練大電網(wǎng)運行

南方電網(wǎng)報發(fā)布時間:2023-03-23 15:45:49  作者:彭文蕊

  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全體會議時強調(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,聚力加強自主創(chuàng)新、原始創(chuàng)新,加快推進高水平科技自立自強。

  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,以科技強企贏得發(fā)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(wǎng)公司各大實驗室,充分展現(xiàn)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(wǎng)交直流混聯(lián),遠距離、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3600平方米(約9個標準籃球場)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、變壓器、線路、開關(guān)、風機、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,但是點擊進去,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、頻率波動等指標都能精準刻畫,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、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。”當時,科研團隊選定了電壓恢復(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,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,多次滿負荷800萬千瓦運行,經(jīng)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(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)運行風險,采用實時數(shù)字仿真技術(shù)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(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,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)雜拓撲結(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100兆瓦的風機容量,但是到2025年,南方區(qū)域新能源新增裝機將在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1000兆瓦的風機容量,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


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