編者按：今年2月，習(xí)近平總書(shū)記在中共中央政治局第三次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，要協(xié)同構(gòu)建中國(guó)特色國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(tái)，形成強(qiáng)大的基礎(chǔ)研究骨干網(wǎng)絡(luò)。今年全國(guó)兩會(huì)期間，習(xí)近平總書(shū)記在出席解放軍和武警部隊(duì)代表團(tuán)全體會(huì)議時(shí)強(qiáng)調(diào)，要深化科技協(xié)同創(chuàng)新，建設(shè)好、管理好、運(yùn)用好國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，聚力加強(qiáng)自主創(chuàng)新、原始創(chuàng)新，加快推進(jìn)高水平科技自立自強(qiáng)。
近年來(lái)，南方電網(wǎng)公司貫徹落實(shí)黨中央、國(guó)務(wù)院決策部署，大力開(kāi)展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，構(gòu)建專(zhuān)業(yè)齊全的創(chuàng)新平臺(tái)體系，充分發(fā)揮國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的引領(lǐng)作用，全力打造國(guó)家戰(zhàn)略科技力量和全球能源創(chuàng)新高地，以科技強(qiáng)企贏得發(fā)展主動(dòng)。本期起，本報(bào)推出“走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”系列報(bào)道，通過(guò)本報(bào)記者實(shí)地探訪南方電網(wǎng)公司各大實(shí)驗(yàn)室，充分展現(xiàn)公司加快推進(jìn)高水平科技自立自強(qiáng)的積極作為和生動(dòng)實(shí)踐。
南方電網(wǎng)交直流混聯(lián)，遠(yuǎn)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(méi)有一種技術(shù)可以在虛擬的世界里將它復(fù)制下來(lái)，讓我們提前預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)并找到解決方法?有。它就是實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)。
將實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)運(yùn)用到電網(wǎng)中，就是在實(shí)驗(yàn)室中建立一套交直流并聯(lián)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，它看不見(jiàn)、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(cè)的設(shè)備，運(yùn)行需要試驗(yàn)的調(diào)度指令，來(lái)檢驗(yàn)它們對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，幫助我們看清問(wèn)題實(shí)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(dòng)電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，2004年建成投運(yùn)。2009年，該實(shí)驗(yàn)室被國(guó)家能源局認(rèn)定為“國(guó)家能源大電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心”，是國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代化水平最高的仿真試驗(yàn)研究基地之一，依托南網(wǎng)科研院運(yùn)行管理。
如何實(shí)時(shí)仿真?
在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建電網(wǎng)全息鏡像
近日，記者實(shí)地探訪了國(guó)家能源大電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心，乍一看，它不像實(shí)驗(yàn)室，更像是信息中心。
在這個(gè)面積達(dá)3600平方米(約9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng))的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，看不到任何網(wǎng)架和設(shè)備模型，只見(jiàn)一面面屏柜整齊排列，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器設(shè)備燈光頻繁閃爍、全速運(yùn)算，電腦顯示屏里正顯示著仿真運(yùn)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(hù)裝置(即二次設(shè)備)，它們與工程現(xiàn)場(chǎng)的裝置一模一樣，以最真實(shí)的狀態(tài)接入仿真系統(tǒng)。這些仿真器里運(yùn)算著的，就是發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)、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(gè)個(gè)圖標(biāo)，但是點(diǎn)擊進(jìn)去，它就是一條線路、一個(gè)開(kāi)關(guān)、一臺(tái)變壓器，是整個(gè)南方電網(wǎng)220千伏及以上電壓等級(jí)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(zhǎng)黃立濱告訴記者，在仿真系統(tǒng)內(nèi)，電網(wǎng)運(yùn)行中的電壓、電流、頻率波動(dòng)等指標(biāo)都能精準(zhǔn)刻畫(huà)，仿真對(duì)比曲線也與電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)高度吻合。“微秒級(jí)的雷擊給電網(wǎng)帶來(lái)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(yàn)去理解和掌握，只有經(jīng)過(guò)大量深入細(xì)致的仿真計(jì)算，才能科學(xué)把握其發(fā)展規(guī)律和運(yùn)行特性。仿真實(shí)驗(yàn)的意義就在于，模擬實(shí)際電網(wǎng)，將問(wèn)題盡可能暴露在前面，并解決它。它就像電網(wǎng)的鏡子，實(shí)際系統(tǒng)有什么，仿真就有什么，實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生了什么，就可以在這個(gè)鏡像系統(tǒng)里真實(shí)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(zhǔn)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(gè)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(wàn)個(gè)覆蓋220千伏及以上電網(wǎng)所有類(lèi)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(jìng)爭(zhēng)力。目前，已有143項(xiàng)關(guān)于仿真建模及試驗(yàn)技術(shù)申請(qǐng)了專(zhuān)利，獲得了中國(guó)電力科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等13項(xiàng)省部級(jí)及以上獎(jiǎng)勵(lì)。
能解決什么問(wèn)題?
可驗(yàn)證工程投產(chǎn)前是否無(wú)懈可擊
經(jīng)過(guò)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(guò)5800萬(wàn)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(jìn)、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、運(yùn)行最穩(wěn)定的大電網(wǎng)之一。這背后，實(shí)時(shí)仿真技術(shù)功不可沒(méi)。
它可以參與工程設(shè)計(jì)，給出量化的參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果。“比如，在昆柳龍直流工程規(guī)劃之初，對(duì)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(dāng)時(shí)特高壓多端混合直流技術(shù)在世界上沒(méi)有過(guò)先例，但他們通過(guò)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證了昆柳龍直流工程采用多端混合直流的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和可行性。“我們不僅可以進(jìn)行定性的評(píng)價(jià)，還以定量的方法給出了仿真計(jì)算的結(jié)果。”當(dāng)時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)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(duì)周?chē)绷鞯挠绊懙人膫€(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，來(lái)驗(yàn)證受端采用柔性直流的優(yōu)勢(shì)和可行性。
它可以檢驗(yàn)工程是否無(wú)懈可擊，確保工程以最安全的狀態(tài)投運(yùn)。再次以昆柳龍直流工程為例。該工程投產(chǎn)后，多次滿(mǎn)負(fù)荷800萬(wàn)千瓦運(yùn)行，經(jīng)受住了大負(fù)荷、高電壓、長(zhǎng)時(shí)間等多重考驗(yàn)。昆柳龍直流工程始終保持安全穩(wěn)定運(yùn)行的背后，離不開(kāi)仿真系統(tǒng)對(duì)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(yùn)行與控制技術(shù)研究室主任林雪華說(shuō)：“我們?cè)诜抡嫦到y(tǒng)里進(jìn)行了10個(gè)月的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，找出了1000多個(gè)大大小小的隱患。”問(wèn)題大到直流閉鎖跳閘，小到直流線路從故障開(kāi)始到恢復(fù)功率的時(shí)間與設(shè)計(jì)要求差了幾個(gè)毫秒。解決這些問(wèn)題和隱患后，昆柳龍直流工程得以順利投產(chǎn)。
它可以精準(zhǔn)定位電網(wǎng)運(yùn)行故障，為交直流大電網(wǎng)運(yùn)行決策提供最有效的技術(shù)手段支持，是風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的“定海神針”。相對(duì)運(yùn)用傳統(tǒng)方式計(jì)算電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，采用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)計(jì)算，可以更精準(zhǔn)、更快速地定位，將特巡特維的站點(diǎn)縮減大半，大大減少運(yùn)維耗費(fèi)的人力物力。
將來(lái)還要研究什么?
大規(guī)模新能源并網(wǎng)后的仿真實(shí)驗(yàn)
從2003年啟動(dòng)建設(shè)至今，國(guó)家能源大電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心已經(jīng)在電網(wǎng)實(shí)時(shí)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(zhuān)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(yùn)行。
隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)，多類(lèi)型可再生能源的大規(guī)模、多電壓層級(jí)接入和設(shè)備高度電力電子化特點(diǎn)，正在讓電網(wǎng)變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，這也給實(shí)驗(yàn)室提出了更多難題。
對(duì)此，南網(wǎng)科研院的科研工作者們正奮力開(kāi)展新型電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生仿真平臺(tái)技術(shù)攻關(guān)。目前已構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)群、光伏電站以及大容量高功率儲(chǔ)能換流器等關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)字孿生仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)高比例新能源電力系統(tǒng)復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的高精度數(shù)字模擬，為其運(yùn)行控制的研究提供模型基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。
以往，1臺(tái)仿真器一般最多模擬100兆瓦的風(fēng)機(jī)容量，但是到2025年，南方區(qū)域新能源新增裝機(jī)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(lái)做實(shí)驗(yàn)，不僅花費(fèi)大，而且占地方。怎么辦?“我們研究了‘打包’的方法，通過(guò)等值建模技術(shù)擴(kuò)大場(chǎng)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(zhǎng)助理朱益華說(shuō)，目前1臺(tái)仿真器能模擬近1000兆瓦的風(fēng)機(jī)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(hù)裝置，自信地說(shuō)。她告訴記者，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)一次設(shè)備的數(shù)字化，將來(lái)還要研究如何將二次設(shè)備數(shù)字化，進(jìn)一步提高仿真實(shí)驗(yàn)效率，推動(dòng)優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。
統(tǒng)籌：南網(wǎng)報(bào)記者 劉杰
采寫(xiě)：南網(wǎng)報(bào)記者 彭文蕊 通訊員 周慧
評(píng)論