張北的風(fēng)光，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(xiàn)100%綠色電能供應(yīng)。
“馴服”隨機波動的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的，是張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)試驗示范工程。
浪漫意境的背后，是支撐無數(shù)次的精密計算和仿真試驗的電力系統(tǒng)仿真技術(shù)。
國家電網(wǎng)有限公司國家電力調(diào)度控制中心系統(tǒng)處處長賀靜波說，電網(wǎng)安全性與經(jīng)濟性存在博弈，需要利用電力系統(tǒng)仿真技術(shù)尋找二者的平衡點。我國擁有全球規(guī)模最大、電壓等級最高、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的電網(wǎng)，20年間沒有出現(xiàn)大的停電事故的重要原因，是將預(yù)想的故障提前在仿真系統(tǒng)中模擬，提前設(shè)計控制策略、防御措施。
電網(wǎng)安全需要更精準(zhǔn)的“尺”與“秤”
電力系統(tǒng)是世界上最復(fù)雜的人造動態(tài)系統(tǒng)。
“它的規(guī)模太大了，細(xì)到千家萬戶，特別是有了新能源后更加復(fù)雜。”賀靜波說。
仿真是當(dāng)前掌握復(fù)雜大電網(wǎng)特性的唯一手段，被譽為電網(wǎng)安全的“尺”與“秤”，也一直被視為國內(nèi)外電力行業(yè)的核心技術(shù)。
但在賀靜波看來，電力系統(tǒng)仿真技術(shù)又有別于其他系統(tǒng)。“電網(wǎng)一旦投入運行，不允許停電做實驗，尤其是現(xiàn)代工業(yè)對電能的質(zhì)量要求特別高，電能哪怕出現(xiàn)一點點擾動，產(chǎn)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(wǎng)不出問題。”
1981年，我國提出了電網(wǎng)規(guī)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(wǎng)的高質(zhì)量發(fā)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(shè)，大規(guī)模新能源機組接入，調(diào)度運行人員發(fā)現(xiàn)，此前足夠精確的電網(wǎng)仿真結(jié)果與實際運行情況的偏差越來越大。
“究其原因，是大規(guī)模直流輸電和新能源機組接入電網(wǎng)后，傳統(tǒng)的機電暫態(tài)仿真方法無法準(zhǔn)確模擬這些含電力電子器件設(shè)備的響應(yīng)和控制特性。”國家電網(wǎng)仿真中心副主任李亞樓說，研發(fā)高精度、高效率的電力系統(tǒng)仿真技術(shù)迫在眉睫。
2012年，國家電網(wǎng)公司依托國家863計劃開始基礎(chǔ)研發(fā)。2015年，國家電網(wǎng)仿真中心成立，上百名技術(shù)骨干齊聚一堂，決心攻克大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真技術(shù)。
然而，當(dāng)時有仿真領(lǐng)域的頂尖專家認(rèn)為這是不可能完成的任務(wù)，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(tài)仿真只用于局部電網(wǎng)和具體工程，根本無法仿真較大規(guī)模的實際電網(wǎng)。從這個角度說，國家電網(wǎng)仿真中心科研團隊真正走入了電力仿真技術(shù)的“無人區(qū)”。
好比小物件上雕花
走入“無人區(qū)”的，是一群當(dāng)年30歲出頭的國家電網(wǎng)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(wù)，并逐一做了細(xì)致的進(jìn)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(shè)備同時接入華東電網(wǎng)進(jìn)行仿真，整個華東電網(wǎng)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(wù)，又要與其他CPU核交互數(shù)據(jù)，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(dāng)于在1秒鐘的時間里，要對華東電網(wǎng)6000個節(jié)點進(jìn)行20000次計算。”國家電網(wǎng)仿真中心數(shù)?；旌戏抡嫜芯渴抑魅沃焖嚪f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(xì)的操作。
當(dāng)時實驗室施工還沒全部結(jié)束，攻關(guān)團隊就在這樣的環(huán)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(wǎng)仿真中心的實驗室里燈火通明，幾百個CPU核飛速運轉(zhuǎn)，幾萬路信號實時交互，科研人員緊盯著電腦屏幕，當(dāng)看到故障仿真模型與現(xiàn)場波形幾乎重合時，實驗室里爆發(fā)出巨大的歡呼聲，這意味著包含11回直流的華東區(qū)域電網(wǎng)首次實現(xiàn)了精準(zhǔn)的電磁暫態(tài)實時仿真。朱藝穎感慨萬分，發(fā)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(shù)值穩(wěn)定、計算速率及平臺架構(gòu)……一個個技術(shù)難題被攻克，2017年12月，新一代特高壓交直流電網(wǎng)仿真平臺通過專家組驗收?？蒲袌F隊提前3年完成了既定目標(biāo)。
在科研團隊看來，成績源于深厚的技術(shù)積淀。
早在上世紀(jì)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(lǐng)電力系統(tǒng)仿真分析團隊持續(xù)開展仿真技術(shù)研究與軟件開發(fā)。他們緊密圍繞我國發(fā)展±500千伏直流輸電等重大技術(shù)需求，開發(fā)了系列軟件。電力系統(tǒng)仿真技術(shù)也伴隨著我國輸電技術(shù)的發(fā)展不斷迭代升級。
高精度仿真助推新型電力系統(tǒng)構(gòu)建
截至2021年底，國家電網(wǎng)并網(wǎng)新能源裝機規(guī)模達(dá)5.36億千瓦，成為世界上并網(wǎng)新能源裝機規(guī)模最大的電網(wǎng)。在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)驅(qū)動下，我國提出構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，電力系統(tǒng)的雙高(高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備)特點將更加明顯。
“現(xiàn)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(jīng)張北柔直工程送出是重大科技試驗示范工程，創(chuàng)下12項世界第一。
“我們對張北柔直工程進(jìn)行了5800個工況、8萬余次仿真計算，開展了工程并網(wǎng)特性、運行方式安排、控制保護(hù)策略、故障應(yīng)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(wěn)定運行。”朱藝穎說。
不僅是張北柔直工程，技術(shù)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(guī)劃、建設(shè)、運營等關(guān)鍵時期發(fā)揮了巨大作用。通過精準(zhǔn)校核直流輸電工程及新能源送出能力;國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)域內(nèi)年增加清潔電量消納超300億千瓦時，相當(dāng)于減排二氧化碳3200萬噸。
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