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破解三大難題!中國電網這項技術取得突破

作(zuo)者: 時(shi)間(jian):2022-04-15 點擊:2317

今天,咱(zan)們(men)聊聊電力系(xi)統仿(fang)真技術。

什么是仿真?

先舉個例子。假如工程師設計了一座橋,除了理論計算,怎么知道這座橋到底實不實用、承重性如何呢?這就得先做出一個模型來驗證一下。

大(da)橋模型圖。(視覺中(zhong)國)


同(tong)樣的道理,如果工程師研發(fa)一種新(xin)的電力系(xi)(xi)統,怎么(me)知道這(zhe)個系(xi)(xi)統到底(di)穩定(ding)不(bu)穩定(ding)、有沒(mei)有缺(que)陷呢?也得弄個模型來看看。這(zhe)種用模型來測試電力系(xi)(xi)統的技(ji)術(shu)有個專業名詞——電力系(xi)(xi)統仿真技(ji)術(shu)。

中(zhong)國電科院(yuan)電網仿真中(zhong)心(xin)超算中(zhong)心(xin)。


電力系統仿真技術

兩個階段

一、物理模型階段


初,人們(men)是用物(wu)理模型(xing)做試驗來研(yan)究(jiu)電力系(xi)統的。這(zhe)些模型(xing)就像(xiang)我們(men)常(chang)見(jian)的汽車模型(xing)一(yi)樣,把實物(wu)等比例縮小。小了,就更(geng)好研(yan)究(jiu)了。

電力線路路徑模型。



二、數字模擬階段


隨著電力系(xi)統(tong)(tong)的(de)發(fa)展(zhan),電網的(de)規模越(yue)(yue)來越(yue)(yue)大(da)、復雜程度越(yue)(yue)來越(yue)(yue)高(gao),物(wu)理(li)模型已經(jing)不能滿足大(da)系(xi)統(tong)(tong)實驗研究的(de)需(xu)求了。正(zheng)好,計算機技術大(da)發(fa)展(zhan),這就出(chu)現(xian)了數字(zi)模型代(dai)替物(wu)理(li)模型的(de)新型仿(fang)真系(xi)統(tong)(tong)。

中(zhong)國電科(ke)院科(ke)研(yan)人員在(zai)電網仿真中(zhong)心(xin)開展科(ke)研(yan)攻(gong)關。


電(dian)力(li)系統是個動態系統。所以,電(dian)力(li)系統仿真(zhen)技術不僅(jin)要像橋梁(liang)模型(xing)那樣(yang)研究(jiu)物理問題,而且要研究(jiu)動態問題——沿著時(shi)間軸連(lian)續對電(dian)網狀態變(bian)化過程進(jin)行(xing)計算(suan)。

隨著(zhu)計算(suan)機技術的(de)發(fa)展,電力系統(tong)仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)(zhen)計算(suan)速度(du)(du)不斷加(jia)快,當仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)(zhen)計算(suan)速度(du)(du)與同一(yi)時(shi)間段內(nei)電網沿時(shi)間軸變化的(de)速度(du)(du)一(yi)致時(shi),即達到了實(shi)(shi)時(shi)仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)(zhen)。只(zhi)有仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)(zhen)工具達到實(shi)(shi)時(shi)仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)(zhen)時(shi),才具備將實(shi)(shi)際(ji)電網中的(de)設(she)備接入到仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)(zhen)數字電網進行同步仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)(zhen)的(de)能力,也就是電力系統(tong)數模混合仿(fang)(fang)(fang)真(zhen)(zhen)。


三個難題出現


在直流輸電和新能源發電大規模發展之前,國內外均采用機電暫態數字仿真工具研究大電網安全穩定問題,支撐實際電網安全運行和協調控制。

當大量直流電(dian)源和(he)新能源電(dian)源接(jie)入(ru)電(dian)網后(hou),人(ren)們開(kai)始認識到,機電(dian)暫態(tai)(tai)仿真(zhen)方法(fa)無法(fa)準(zhun)確模(mo)擬(ni)這些含電(dian)力(li)電(dian)子器件設備的響應和(he)控制特性(xing),必須使(shi)用電(dian)磁暫態(tai)(tai)仿真(zhen)方法(fa)。

打個比方,研究電(dian)網(wang)(wang)運行機理時,機電(dian)暫(zan)態(tai)(tai)仿(fang)真(zhen)(zhen)就像(xiang)放(fang)大(da)鏡(jing),電(dian)磁(ci)暫(zan)態(tai)(tai)仿(fang)真(zhen)(zhen)就像(xiang)顯微鏡(jing),放(fang)大(da)鏡(jing)看得快(kuai)但是(shi)不(bu)如顯微鏡(jing)看得仔(zi)細。然而,電(dian)磁(ci)暫(zan)態(tai)(tai)仿(fang)真(zhen)(zhen)步長小,速度(du)慢(man) ,建模極其復雜,之前用于仿(fang)真(zhen)(zhen)局部電(dian)網(wang)(wang)和具體工程,根本無(wu)法仿(fang)真(zhen)(zhen)較大(da)規模的實際(ji)電(dian)網(wang)(wang)。于是(shi),在準(zhun)確地仿(fang)真(zhen)(zhen)大(da)電(dian)網(wang)(wang)安全穩定(ding)性(xing)(xing)和控制特性(xing)(xing)方面(mian),出現了仿(fang)不(bu)了、仿(fang)不(bu)準(zhun)、仿(fang)不(bu)快(kuai)的難題(ti)。

國外多家(jia)科研機構(gou)都(dou)針(zhen)對本國電(dian)網(wang)(wang)(wang)(wang)(wang)開展數(shu)字仿真(zhen)相關(guan)技術(shu)研究,但其電(dian)網(wang)(wang)(wang)(wang)(wang)復雜程(cheng)度(du)、運行控制難度(du)遠不及(ji)我國電(dian)網(wang)(wang)(wang)(wang)(wang)。國際相關(guan)技術(shu)及(ji)經驗難以(yi)滿足我國電(dian)網(wang)(wang)(wang)(wang)(wang)的(de)實際需求。中(zhong)國電(dian)科院(yuan)的(de)電(dian)網(wang)(wang)(wang)(wang)(wang)仿真(zhen)中(zhong)心依托 863 計(ji)劃和(he)電(dian)網(wang)(wang)(wang)(wang)(wang)公(gong)司科技項目,深(shen)入(ru)開展相關(guan)研究,取得了多項重(zhong)大技術(shu)創新,研發了具有國際水(shui)平(ping)的(de)大電(dian)網(wang)(wang)(wang)(wang)(wang)電(dian)磁暫態仿真(zhen)項目。


該項目(mu)的研發(fa),解決(jue)了三大難題。


01仿得了

本項目攻克了(le)眾(zhong)多技(ji)術(shu)難(nan)題(ti)、將大電(dian)網(wang)(wang)仿真時(shi)間尺度(du)由(you)毫秒級(ji)變為微秒級(ji),實現了(le)含多回直(zhi)流和高比例新能源(yuan)的大規(gui)模(mo)電(dian)網(wang)(wang)的電(dian)磁暫(zan)態(tai)仿真,并實現了(le)工程化應用,仿真規(gui)模(mo)達到上萬(wan)節點,可以(yi)覆蓋兩個區(qu)域(yu)電(dian)網(wang)(wang),突(tu)破了(le)人們對電(dian)力系統(tong)特性認知(zhi)的技(ji)術(shu)瓶頸,徹底(di)解決了(le)現代大電(dian)網(wang)(wang)“仿不了(le)”的世界難(nan)題(ti)。


02仿得準

本項目攻克了(le)(le)(le)子(zi)網(wang)(wang)分解(jie)隨機(ji)優化、任務映(ying)射圖匹配(pei)算法等(deng)技術(shu)難(nan)題,研制(zhi)了(le)(le)(le)基(ji)于高速光纖通(tong)信及軟同步的(de)大(da)(da)流(liu)量分散式(shi)數模(mo)接口,解(jie)決(jue)了(le)(le)(le)大(da)(da)規模(mo)電力電子(zi)控制(zhi)保(bao)護裝置和復雜系統(tong)保(bao)護裝置接入萬(wan)節點級大(da)(da)區電網(wang)(wang)的(de)數模(mo)混合(he)仿(fang)真(zhen)難(nan)題,實(shi)現了(le)(le)(le)15回直流(liu)控制(zhi)保(bao)護裝置(約300面屏柜,上萬(wan)個交互信號)同時接入到大(da)(da)規模(mo)實(shi)時仿(fang)真(zhen)電網(wang)(wang)的(de)數模(mo)混合(he)仿(fang)真(zhen),跨越(yue)式(shi)提升了(le)(le)(le)大(da)(da)電網(wang)(wang)的(de)仿(fang)真(zhen)精度(du),解(jie)決(jue)了(le)(le)(le)對大(da)(da)規模(mo)電力電子(zi)設備接入電網(wang)(wang)控制(zhi)響應特性(xing)“仿(fang)不(bu)準”的(de)世(shi)界難(nan)題。


03仿得快

本項目(mu)攻克了(le)多(duo)項技術難題,將含大(da)(da)規模電(dian)(dian)力電(dian)(dian)子(zi)設備的大(da)(da)電(dian)(dian)網電(dian)(dian)磁模型啟(qi)動時長由上(shang)百秒減少至(zhi)5秒以內,實現(xian)了(le)多(duo)潮流方式與故(gu)障組合的大(da)(da)批量(liang)仿(fang)真(zhen)作(zuo)業動態資源配置,計算效率提升(sheng)3000倍(bei)以上(shang),徹底解(jie)決了(le)大(da)(da)電(dian)(dian)網仿(fang)真(zhen)“仿(fang)不(bu)快”的世界難題。


看到這,您(nin)可能會(hui)想:這個項目成果太牛了,那它有啥實際應用?

助力“雙碳”目標實現(xian)

加快構建新型電力系統


“張北的風點亮了北京的燈”,這句話,讓全世界人們形象地了解了北京冬奧會的綠電實踐。這是奧運會歷史上實現所有場館綠電供應。

鮮為人知的(de)是(shi),為北京冬奧會場館提供(gong)綠電的(de)創造了(le)12項世界的(de)柔性直(zhi)流工(gong)程(cheng)(cheng)——張北柔直(zhi)工(gong)程(cheng)(cheng)全過程(cheng)(cheng)都(dou)離不開電網(wang)仿真技(ji)術的(de)有(you)力支(zhi)撐。

我國研發的大電(dian)網電(dian)磁暫態仿真平臺是怎(zen)樣支持張北柔直(zhi)工程的?

張北柔直(zhi)工(gong)程是(shi)集大規模可再生能源友好接入、多種形態能源互補(bu)和靈(ling)活(huo)消(xiao)納(na)、直(zhi)流(liu)電網(wang)構(gou)建(jian)等(deng)于(yu)一體的重大科技試(shi)驗示范工(gong)程。



啥叫“試驗示范”?那(nei)就(jiu)是全球(qiu)個(ge),沒(mei)有現成的經驗可以借鑒。


所以(yi),工程(cheng)的研(yan)發、規(gui)劃、調(diao)試(shi)和并網(wang)等(deng)過程(cheng)都要利用高精度的仿真技(ji)術(shu)先行研(yan)究、驗證、測試(shi)等(deng),然后(hou),才能正式建設(she)、投入(ru)運行。


俯瞰500千伏張北換流站(zhan),宛(wan)如(ru)一塊精密的(de)電腦主板。



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