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破解三大難題!中國電網這項技術取得突破

作者: 時間:2022-04-15 點擊:2269

今天(tian),咱們聊聊電力系統仿真技術(shu)。

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。

大橋(qiao)模型(xing)圖。(視覺中(zhong)國(guo))


同樣的道理,如(ru)果工程(cheng)師研發(fa)一種新的電力系(xi)統(tong)(tong),怎么知道這(zhe)個系(xi)統(tong)(tong)到底穩(wen)定不穩(wen)定、有(you)沒有(you)缺陷呢?也得弄個模(mo)型來看看。這(zhe)種用模(mo)型來測(ce)試(shi)電力系(xi)統(tong)(tong)的技術有(you)個專業名詞——電力系(xi)統(tong)(tong)仿真技術。

中(zhong)國電科(ke)院電網仿真中(zhong)心(xin)超(chao)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(chu),人們是用物理(li)模(mo)型做試(shi)驗(yan)來(lai)研究電力系統的。這(zhe)些模(mo)型就(jiu)像我們常(chang)見的汽車模(mo)型一(yi)樣,把(ba)實物等比例縮小(xiao)。小(xiao)了,就(jiu)更好研究了。

電力線路路徑模型。



二、數字模擬階段


隨著電(dian)力系統(tong)的(de)(de)發(fa)展(zhan),電(dian)網的(de)(de)規模(mo)(mo)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)、復雜程度越(yue)來(lai)越(yue)高,物理模(mo)(mo)型已經不能滿足大(da)系統(tong)實驗研究的(de)(de)需(xu)求(qiu)了。正好,計算(suan)機技(ji)術大(da)發(fa)展(zhan),這就出現了數字(zi)模(mo)(mo)型代替物理模(mo)(mo)型的(de)(de)新型仿真系統(tong)。

中國電(dian)科院科研人(ren)員在(zai)電(dian)網仿真(zhen)中心(xin)開展科研攻關。


電力系統(tong)(tong)是個動態(tai)系統(tong)(tong)。所以,電力系統(tong)(tong)仿(fang)真技術不(bu)僅(jin)要像橋梁模型那樣研究(jiu)物理問(wen)(wen)題,而且(qie)要研究(jiu)動態(tai)問(wen)(wen)題——沿著(zhu)時間軸(zhou)連續(xu)對電網狀態(tai)變化過程進(jin)行計算。

隨(sui)著計算(suan)機技術的發展,電力(li)(li)系統仿(fang)真(zhen)(zhen)計算(suan)速(su)(su)度(du)(du)不斷加快,當仿(fang)真(zhen)(zhen)計算(suan)速(su)(su)度(du)(du)與同一時(shi)間(jian)段(duan)內電網(wang)沿時(shi)間(jian)軸變化的速(su)(su)度(du)(du)一致(zhi)時(shi),即(ji)達到(dao)了實時(shi)仿(fang)真(zhen)(zhen)。只有(you)仿(fang)真(zhen)(zhen)工(gong)具達到(dao)實時(shi)仿(fang)真(zhen)(zhen)時(shi),才具備(bei)將實際電網(wang)中(zhong)的設備(bei)接入(ru)到(dao)仿(fang)真(zhen)(zhen)數字電網(wang)進行同步仿(fang)真(zhen)(zhen)的能力(li)(li),也就是電力(li)(li)系統數模混合仿(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(da)量直(zhi)流電(dian)源和(he)新能源電(dian)源接入(ru)電(dian)網后,人們開始認識(shi)到,機(ji)電(dian)暫態仿真方(fang)法(fa)無法(fa)準確模(mo)擬這些含電(dian)力電(dian)子器件設(she)備(bei)的響應和(he)控(kong)制特性,必(bi)須(xu)使用電(dian)磁(ci)暫態仿真方(fang)法(fa)。

打個比方(fang),研究電(dian)網(wang)運行機理(li)時(shi),機電(dian)暫態仿真(zhen)就像放大鏡(jing),電(dian)磁暫態仿真(zhen)就像顯(xian)微(wei)鏡(jing),放大鏡(jing)看得快但是不(bu)如顯(xian)微(wei)鏡(jing)看得仔(zi)細。然而,電(dian)磁暫態仿真(zhen)步長小,速度慢(man) ,建模(mo)極其(qi)復雜,之前用于仿真(zhen)局部電(dian)網(wang)和(he)具體(ti)工程,根本無法(fa)仿真(zhen)較大規模(mo)的實(shi)際電(dian)網(wang)。于是,在準(zhun)確地仿真(zhen)大電(dian)網(wang)安全穩(wen)定性和(he)控制(zhi)特(te)性方(fang)面,出現了(le)仿不(bu)了(le)、仿不(bu)準(zhun)、仿不(bu)快的難題。

國(guo)(guo)(guo)外多家科(ke)研(yan)(yan)機構都針對本國(guo)(guo)(guo)電(dian)(dian)網(wang)(wang)開展(zhan)數字仿真(zhen)相關技(ji)術(shu)研(yan)(yan)究(jiu),但其電(dian)(dian)網(wang)(wang)復雜程度、運行控制難度遠不及我(wo)國(guo)(guo)(guo)電(dian)(dian)網(wang)(wang)。國(guo)(guo)(guo)際(ji)相關技(ji)術(shu)及經驗難以(yi)滿足我(wo)國(guo)(guo)(guo)電(dian)(dian)網(wang)(wang)的(de)實(shi)際(ji)需(xu)求(qiu)。中(zhong)國(guo)(guo)(guo)電(dian)(dian)科(ke)院的(de)電(dian)(dian)網(wang)(wang)仿真(zhen)中(zhong)心依托(tuo) 863 計(ji)劃和電(dian)(dian)網(wang)(wang)公司(si)科(ke)技(ji)項(xiang)目(mu),深入開展(zhan)相關研(yan)(yan)究(jiu),取(qu)得了(le)多項(xiang)重大技(ji)術(shu)創新,研(yan)(yan)發了(le)具有國(guo)(guo)(guo)際(ji)水平的(de)大電(dian)(dian)網(wang)(wang)電(dian)(dian)磁暫態仿真(zhen)項(xiang)目(mu)。


該項目(mu)的研發,解決了三大難題。


01仿得了

本項目攻克(ke)了眾多技術難題、將大(da)電網仿真(zhen)時(shi)間尺度由毫(hao)秒(miao)級變(bian)為微秒(miao)級,實(shi)現(xian)了含多回(hui)直流和高(gao)比例新能(neng)源的(de)大(da)規模電網的(de)電磁暫態仿真(zhen),并(bing)實(shi)現(xian)了工程(cheng)化應用,仿真(zhen)規模達到上(shang)萬(wan)節(jie)點(dian),可以(yi)覆蓋兩個區域電網,突(tu)破了人們對電力系統(tong)特性認知的(de)技術瓶頸,徹底解決(jue)了現(xian)代大(da)電網“仿不了”的(de)世界(jie)難題。


02仿得準

本項目攻克了子網分(fen)解隨(sui)機優化、任務(wu)映射圖匹配算法等技(ji)術(shu)難(nan)題(ti),研制了基于高速光纖通(tong)信及軟同步的(de)(de)大(da)流(liu)量分(fen)散式數模(mo)(mo)接(jie)(jie)口,解決(jue)了大(da)規模(mo)(mo)電力(li)電子控(kong)(kong)制保護裝(zhuang)置和復雜系統保護裝(zhuang)置接(jie)(jie)入(ru)萬(wan)節點級大(da)區電網的(de)(de)數模(mo)(mo)混合仿真(zhen)難(nan)題(ti),實現了15回直流(liu)控(kong)(kong)制保護裝(zhuang)置(約300面屏柜,上萬(wan)個交互信號)同時接(jie)(jie)入(ru)到(dao)大(da)規模(mo)(mo)實時仿真(zhen)電網的(de)(de)數模(mo)(mo)混合仿真(zhen),跨(kua)越(yue)式提升了大(da)電網的(de)(de)仿真(zhen)精度,解決(jue)了對大(da)規模(mo)(mo)電力(li)電子設備接(jie)(jie)入(ru)電網控(kong)(kong)制響應(ying)特性“仿不準”的(de)(de)世界(jie)難(nan)題(ti)。


03仿得快

本項(xiang)目(mu)攻(gong)克了多項(xiang)技術難題,將含大(da)規模電力電子設(she)備的(de)(de)大(da)電網電磁模型啟動(dong)時長由上(shang)百秒(miao)減少(shao)至5秒(miao)以(yi)內,實現了多潮(chao)流方式與故(gu)障組合的(de)(de)大(da)批量仿(fang)(fang)真作業動(dong)態資源配置(zhi),計算(suan)效率提升(sheng)3000倍以(yi)上(shang),徹底解決了大(da)電網仿(fang)(fang)真“仿(fang)(fang)不(bu)快”的(de)(de)世界難題。


看到這(zhe)(zhe),您可能會想(xiang):這(zhe)(zhe)個項目成果太牛了,那(nei)它有啥實際應用?

助(zhu)力“雙碳”目標實現

加快構(gou)建新型電力系統(tong)


“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(zhi)的是,為北(bei)京冬奧(ao)會場(chang)館提供綠電(dian)的創造了12項(xiang)世(shi)界的柔性直流(liu)工程——張北(bei)柔直工程全(quan)過(guo)程都(dou)離不開電(dian)網仿真技術的有(you)力(li)支撐。

我(wo)國(guo)研發的大電(dian)網(wang)電(dian)磁(ci)暫態(tai)仿(fang)真平臺是(shi)怎(zen)樣支(zhi)持張北柔直工(gong)程的?

張北(bei)柔直工(gong)(gong)程是集大規(gui)模(mo)可(ke)再生(sheng)能源友好接(jie)入、多種形態(tai)能源互補和靈活消納、直流電(dian)網(wang)構建等于一體(ti)的(de)重大科技試驗示范(fan)工(gong)(gong)程。



啥(sha)叫“試驗(yan)示(shi)范”?那就是全球(qiu)個(ge),沒有現(xian)成的經驗(yan)可以借鑒。


所以,工程(cheng)的研(yan)發、規劃(hua)、調試和并網(wang)等(deng)過程(cheng)都要(yao)利(li)用高(gao)精度(du)的仿真技(ji)術先行(xing)研(yan)究、驗(yan)證、測試等(deng),然后,才能(neng)正式(shi)建設、投入運(yun)行(xing)。


俯(fu)瞰500千伏張北換流站,宛如(ru)一塊精密(mi)的電(dian)腦主(zhu)板。



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