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国家能源大电网技术研发(实验)中心—— 打造实时数字仿真系统 精准演练大电网运行

来源: 南方电网报    更新: 2023-03-21    浏览: 1289    字体:

今年2月,习近平总书记在中共中央政治局第三次集体学习时强调,要协同构建中国特色国家实验室体系,布局建设基础学科研究中心,超前部署新型科研信息化基础平台,形成强大的基础研究骨干网络。今年全国两会期间,习近平总书记在出席解放军和武警部队代表团全体会议时强调,要深化科技协同创新,建设好、管理好、运用好国家实验室,聚力加强自主创新、原始创新,加快推进高水平科技自立自强。

  近年来,南方电网公司贯彻落实党中央、国务院决策部署,大力开展基础研究和应用基础研究,构建专业齐全的创新平台体系,充分发挥国家实验室的引领作用,全力打造国家战略科技力量和全球能源创新高地,以科技强企赢得发展主动。本期起,本报推出走进实验室系列报道,通过本报记者实地探访南方电网公司各大实验室,充分展现公司加快推进高水平科技自立自强的积极作为和生动实践。

  南方电网交直流混联,远距离、大容量、超高压输电,安全稳定特性复杂,驾驭难度大。有没有一种技术可以在虚拟的世界里将它复制下来,让我们提前预判风险并找到解决方法?有。它就是实时数字仿真技术。

  将实时数字仿真技术运用到电网中,就是在实验室中建立一套交直流并联电网的实时数字仿真系统,它看不见、摸不着,只存在于处理器和显示屏中,但它可以接入需要检测的设备,运行需要试验的调度指令,来检验它们对电网运行所产生的影响,帮助我们看清问题实质,支撑电网系统安全可靠。

  南方电网公司于2003年启动电网仿真实验室建设,2004年建成投运。2009年,该实验室被国家能源局认定为国家能源大电网技术研发(实验)中心,是国内外现代化水平最高的仿真试验研究基地之一,依托南网科研院运行管理。

  如何实时仿真?

  在实验室构建电网全息镜像

  近日,记者实地探访了国家能源大电网技术研发(实验)中心,乍一看,它不像实验室,更像是信息中心。

  在这个面积达3600平方米(约9个标准篮球场)的实验室内,看不到任何网架和设备模型,只见一面面屏柜整齐排列,实时数字仿真器设备灯光频繁闪烁、全速运算,电脑显示屏里正显示着仿真运算结果。

  这些屏柜,是南方电网所有15回(特)高压直流输电工程最核心的部分——控制保护装置(即二次设备),它们与工程现场的装置一模一样,以最真实的状态接入仿真系统。这些仿真器里运算着的,就是发电机、变压器、线路、开关、风机、光伏等一次设备的数字模型。

  你在电脑上看到的只是一个个图标,但是点击进去,它就是一条线路、一个开关、一台变压器,是整个南方电网220千伏及以上电压等级交直流并联电网。南网科研院电网仿真与控制技术研究所副所长黄立滨告诉记者,在仿真系统内,电网运行中的电压、电流、频率波动等指标都能精准刻画,仿真对比曲线也与电网运行状态高度吻合。微秒级的雷击给电网带来的故障,我们都能精确模拟。

  现代电网是复杂的人造系统,难以靠经验去理解和掌握,只有经过大量深入细致的仿真计算,才能科学把握其发展规律和运行特性。仿真实验的意义就在于,模拟实际电网,将问题尽可能暴露在前面,并解决它。它就像电网的镜子,实际系统有什么,仿真就有什么,实际系统发生了什么,就可以在这个镜像系统里真实再现。如同照相,把眼前的物理世界变成数字化系统。

  要精准复制物理电网,还要把庞大又复杂的电网变成一个模型放到电脑内,数字建模很关键。至今,南网科研院的科技工作者们,已构建了上万个覆盖220千伏及以上电网所有类型一次设备的数字模型,这些模型,也成为南方电网科技工作的核心竞争力。目前,已有143项关于仿真建模及试验技术申请了专利,获得了中国电力科技进步奖一等奖等13项省部级及以上奖励。

  能解决什么问题?

  可验证工程投产前是否无懈可击

  经过20余年的发展,南方电网已建成八交十一直”19条西电东送大通道,最大送电能力超过5800万千瓦。南方电网主网架已发展成为世界上技术最先进、结构最复杂、运行最稳定的大电网之一。这背后,实时仿真技术功不可没。

  它可以参与工程设计,给出量化的参数验证结果。比如,在昆柳龙直流工程规划之初,对于工程要不要搞多端,是搞常规直流还是柔性直流,业内有很多种不同的声音。黄立滨告诉记者,当时特高压多端混合直流技术在世界上没有过先例,但他们通过仿真系统验证了昆柳龙直流工程采用多端混合直流的技术优势和可行性。我们不仅可以进行定性的评价,还以定量的方法给出了仿真计算的结果。当时,科研团队选定了电压恢复速率、直流输送功率、送端电网频率变化、对周围直流的影响等四个关键指标,来验证受端采用柔性直流的优势和可行性。

  它可以检验工程是否无懈可击,确保工程以最安全的状态投运。再次以昆柳龙直流工程为例。该工程投产后,多次满负荷800万千瓦运行,经受住了大负荷、高电压、长时间等多重考验。昆柳龙直流工程始终保持安全稳定运行的背后,离不开仿真系统对它的持续攻击找茬。南网科研院电网仿真与控制技术研究所直流运行与控制技术研究室主任林雪华说:我们在仿真系统里进行了10个月的测试实验,找出了1000多个大大小小的隐患。问题大到直流闭锁跳闸,小到直流线路从故障开始到恢复功率的时间与设计要求差了几个毫秒。解决这些问题和隐患后,昆柳龙直流工程得以顺利投产。

  它可以精准定位电网运行故障,为交直流大电网运行决策提供最有效的技术手段支持,是风险辨识的定海神针。相对运用传统方式计算电网运行风险,采用实时数字仿真技术计算,可以更精准、更快速地定位,将特巡特维的站点缩减大半,大大减少运维耗费的人力物力。

  将来还要研究什么?

  大规模新能源并网后的仿真实验

  从2003年启动建设至今,国家能源大电网技术研发(实验)中心已经在电网实时数字仿真技术、大电网安全稳定技术、高压直流输电自主化技术、特高压直流输电技术等领域取得了一系列重要科技成果和专利。整体科技研发居世界领先水平,确保了电网安全稳定运行。

  随着新型电力系统建设的推进,多类型可再生能源的大规模、多电压层级接入和设备高度电力电子化特点,正在让电网变得越来越复杂,系统的安全稳定面临着越来越多的挑战,这也给实验室提出了更多难题。

  对此,南网科研院的科研工作者们正奋力开展新型电力系统的数字孪生仿真平台技术攻关。目前已构建风电场群、光伏电站以及大容量高功率储能换流器等关键设备的数字孪生仿真模型,实现对高比例新能源电力系统复杂拓扑结构和控制系统的高精度数字模拟,为其运行控制的研究提供模型基础和数据支撑。

  以往,1台仿真器一般最多模拟100兆瓦的风机容量,但是到2025年,南方区域新能源新增装机将在1亿千瓦以上。如此大规模的新能源接入,需要大量的仿真器来做实验,不仅花费大,而且占地方。怎么办?我们研究了打包的方法,通过等值建模技术扩大场站的仿真规模。南网科研院电网仿真与控制技术研究所所长助理朱益华说,目前1台仿真器能模拟近1000兆瓦的风机容量,仿真规模和效能提高了近10倍。

  以后这些二次设备也都将虚拟化。林雪华指着整齐排列的控制保护装置,自信地说。她告诉记者,目前已经实现了对电网一次设备的数字化,将来还要研究如何将二次设备数字化,进一步提高仿真实验效率,推动优化电网运行方式,提升电网安全稳定性。


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