來(lái)源： 中國科技網(wǎng)

    肩負著(zhù)電網(wǎng)科學(xué)規劃和安全運行的使命和責任

      我國的電網(wǎng)相對薄弱，如何有效預防重大的系統崩潰事件？如何從重大系統崩潰事件時(shí)有發(fā)生的一些國外電網(wǎng)運作中吸取經(jīng)驗教訓？作為科研機構的中國電力科學(xué)研究院，通過(guò)怎樣的努力在保障電網(wǎng)安全？日前記者探訪(fǎng)了電力系統多尺度全過(guò)程仿真與試驗系統的創(chuàng )新秘訣——

      全國人大代表、中國工程院院士薛禹勝坦言，我國的電網(wǎng)一向非常薄弱，但是重大的系統崩潰事件卻沒(méi)有發(fā)生過(guò)，而電網(wǎng)系統非常健全的北美、西歐地區的系統崩潰事件卻時(shí)有發(fā)生。保障電網(wǎng)系統安全，除了要有非常重要的電網(wǎng)的結構，還要有過(guò)硬的安全技術(shù)、管理技術(shù)、控制技術(shù)。實(shí)踐表明，我國基礎薄弱的電網(wǎng)能夠安全運行，基于電網(wǎng)系統控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展得非常好，目前已領(lǐng)先于發(fā)達國家。

      眾所周知，電力系統是一個(gè)結構復雜、地域廣大的巨型人造系統，其運行特性研究對系統的安全穩定運行極為重要。

      如何保證電網(wǎng)科學(xué)規劃？怎樣保障電網(wǎng)安全運行？中國電力科學(xué)研究院作為電力科研的生力軍，以其雄厚的科研實(shí)力與產(chǎn)業(yè)根基，通過(guò)大量細致的工作，積極推進(jìn)大電網(wǎng)仿真與試驗技術(shù)的步伐。百余名科研人員歷經(jīng)10年潛心研究，攻克了電網(wǎng)仿真軟件、物理模擬、數?；旌戏抡嬖囼?、建模和數據管理等領(lǐng)域的一系列關(guān)鍵技術(shù)，建成功能完備、綜合試驗能力世界一流的電力系統仿真與試驗研究體系，具備了從設備、廠(chǎng)站到特大規模電網(wǎng)的仿真試驗研究能力，具備了從電磁暫態(tài)、機電暫態(tài)到中長(cháng)期動(dòng)態(tài)的多時(shí)間尺度全過(guò)程仿真試驗研究能力。該系統已廣泛應用于全國電網(wǎng)規劃設計、調度運行、科研教學(xué)等領(lǐng)域，國內市場(chǎng)占有率達80%以上，對我國電網(wǎng)發(fā)展和安全運行發(fā)揮了不可替代的作用。

      多尺度全過(guò)程仿真與試驗系統成效顯著(zhù)

      一個(gè)能源資源分布與消費需求不平衡的中國，大量能源資源需要遠距離輸送，無(wú)疑需要構成萬(wàn)里輸電網(wǎng)絡(luò )系統。

      據統計，我國水能資源大部分集中在西南、中南和西北地區，僅四川和云南兩省的可開(kāi)發(fā)裝機容量就達1.6億千瓦，約占全國的43%，煤炭能源集中在華北和西北地區。而經(jīng)濟發(fā)達的東部沿海地區，能源資源非常短缺，北京、廣東、上海等東部七省市的電力消費占到全國的45%以上。為了優(yōu)化配置能源資源，我國正在實(shí)施發(fā)展特高壓輸電、大核電、大水電、大煤電的“一特三大”戰略。到2020年將建成15個(gè)特高壓直流輸電工程，并成為世界上擁有直流輸電工程數量最多、輸送線(xiàn)路最長(cháng)、容量最大的國家。此外，風(fēng)電作為技術(shù)最成熟的新能源利用方式之一，已實(shí)現連續多年的快速增長(cháng)，截至2010年底，中國全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機達1600萬(wàn)千瓦，累計裝機容量達到4182.7萬(wàn)千瓦，首次超過(guò)美國，躍居世界第一，預計到2020年總裝機容量將達到1.5億千瓦；光伏發(fā)電近年來(lái)也得到了較快增長(cháng)，預計到2020年總安裝容量將達到0.2億千瓦。國家已規劃了多個(gè)大容量的風(fēng)電基地和光伏基地開(kāi)發(fā)計劃，這些大規模的新能源發(fā)電集中接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)的規劃、發(fā)展與穩定運行都將提出新的挑戰。

      從事電力系統仿真分析技術(shù)與軟件研發(fā)的高級工程師宋新立認為，隨著(zhù)電網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)程的推進(jìn)和大受端系統的形成，大量的電能需要進(jìn)行遠距離傳輸，使得電網(wǎng)特性更趨復雜，電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩定性及電壓穩定性問(wèn)題更為突出。

      大規模交直流混合電力系統，決定了單一的仿真與試驗手段無(wú)法滿(mǎn)足我國電網(wǎng)發(fā)展規劃、工程建設和運行控制的需求。國內外原有的電力系統仿真與試驗手段不完備、仿真能力不足，存在各時(shí)間尺度過(guò)程獨立仿真、新設備模型缺乏、數?；旌戏抡嬷兄绷鬏旊娤到y規模小、仿真精度低等問(wèn)題，在交直流輸電和大功率電力電子設備的研制與運行、多饋入直流和廣域控制保護研究等方面，都不能滿(mǎn)足我國電力工業(yè)發(fā)展和電網(wǎng)安全運行的需求。長(cháng)期從事電力系統穩定控制研究的教授級高工卜廣全認為：為了保證我國電力系統安全、經(jīng)濟運行，必須采用多角度、多層面、全過(guò)程的仿真與試驗手段，為此，需要突破大電網(wǎng)仿真與試驗體系中的一系列關(guān)鍵技術(shù)。

      為此，中國電力科學(xué)研究院成立了以湯涌總工程師為首的科研團隊，對大電網(wǎng)仿真與試驗相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了數年的科技攻關(guān)。在多時(shí)間尺度全過(guò)程仿真領(lǐng)域，研發(fā)的仿真軟件“PSD電力系統分析軟件包”，算法先進(jìn)，模型豐富，適應性強，性?xún)r(jià)比高，市場(chǎng)競爭力強，技術(shù)經(jīng)濟效益顯著(zhù)，軟件包的多時(shí)間尺度全過(guò)程仿真能力和實(shí)用性超越了國內外同類(lèi)產(chǎn)品；在數?；旌戏抡骖I(lǐng)域，首次實(shí)現了數字實(shí)時(shí)仿真裝置與物理仿真裝置的雙向功率連接，完成了特高壓直流輸電物理仿真設備及其控制保護系統的開(kāi)發(fā)和集成，建立了大規模復雜交/直流電網(wǎng)的數?；旌戏抡嫦到y，是世界上第一個(gè)能夠對特高壓交直流混合電力系統進(jìn)行數模仿真試驗研究的實(shí)驗室；在動(dòng)態(tài)模擬試驗領(lǐng)域，項目擁有特高壓、可控串補、可控高抗、電子式互感器等多種的新設備模型；提出了規范化和精細化的建模技術(shù)標準，提出了能夠反映實(shí)際電網(wǎng)特性的考慮配電網(wǎng)絡(luò )的綜合負荷模型（SLM）結構和負荷建?；驹瓌t，實(shí)現多級電網(wǎng)調度規劃數據的規范管理和統一校核，顯著(zhù)提高了仿真精度。近3年來(lái)，項目成果累計銷(xiāo)售收入1.2億元，節省國家投資3億元以上；預計進(jìn)一步推廣應用可節省國家投資20億元以上，科研成果變成了實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟效益，同時(shí)也為我國電網(wǎng)安全穩定運行做出了重要貢獻。

      2009年9月，項目通過(guò)了中國電機工程學(xué)會(huì )組織的技術(shù)鑒定，與會(huì )專(zhuān)家一致認為：項目取得了一系列具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng )新性成果，總體達到國際領(lǐng)先水平。其領(lǐng)先性表現在：

      仿真模擬技術(shù)水平居世界領(lǐng)先水平；

      仿真模擬系統規模居世界第一；

      實(shí)現國家電網(wǎng)骨干網(wǎng)架的數字及模擬仿真分析，大電網(wǎng)仿真試驗能力居世界第一；

      進(jìn)行特高壓系統保護、自動(dòng)化裝置等元件的測試試驗，電力系統動(dòng)態(tài)模擬性能居世界第一；

      建成大電網(wǎng)調度、運行、控制的閉環(huán)試驗研究環(huán)境，電力系統運行和控制仿真試驗能力居世界第一。

      國家重點(diǎn)工程實(shí)驗室的科技創(chuàng )新

      無(wú)庸置疑，電是現代文明的動(dòng)力基礎，是國家發(fā)達程度的重要標志，安全用電已成為維護社會(huì )公共安全的重要內容。中國電力科學(xué)研究院名譽(yù)總工程師印永華認為：任何一個(gè)電網(wǎng)都不可能絕對排除發(fā)生停電事故，隨著(zhù)電網(wǎng)發(fā)展迅速，大規模交直流混合電力系統的特性日趨復雜，如果發(fā)生停電事故所造成的經(jīng)濟損失無(wú)法估量，如何減少或排除電網(wǎng)發(fā)生大面積停電的隱患，唯有仿真與試驗。

      電力系統的運行特性研究對系統的安全穩定運行極為重要，沒(méi)有實(shí)際的動(dòng)態(tài)特性試驗得不到真實(shí)的電網(wǎng)數據，而開(kāi)展動(dòng)態(tài)系統試驗又是一項復雜而艱巨的系統工程。2005年3月29日的東北大擾動(dòng)試驗，共有64個(gè)單位、2000余名人員參加，僅準備時(shí)間前后就花了幾個(gè)月。由于電能的生產(chǎn)、傳輸、消費是同時(shí)進(jìn)行的，要對一個(gè)復雜和龐大的動(dòng)態(tài)系統做試驗，不僅關(guān)系到電廠(chǎng)、變電站、輸電線(xiàn)路、用電設備，還涉及工廠(chǎng)、企業(yè)、醫院和普通百姓，試驗前必須做大量細致的準備工作，確保電網(wǎng)安全、數據測定、通訊協(xié)調等萬(wàn)無(wú)一失。因此，開(kāi)展系統實(shí)際試驗費時(shí)費力，這就決定了大量的試驗研究不可能在實(shí)際系統進(jìn)行，要認識和掌握電力系統的運行特性，必須通過(guò)仿真試驗的手段來(lái)完成。

      電網(wǎng)仿真與試驗手段可分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種。實(shí)時(shí)仿真與試驗又可分為物理動(dòng)態(tài)模擬、數?；旌习胛锢矸抡?、全數字仿真三種。實(shí)時(shí)仿真依靠試驗室的專(zhuān)有硬件裝置，其速度與實(shí)際系統動(dòng)態(tài)過(guò)程完全相同；非實(shí)時(shí)仿真采用數字仿真軟件，能夠模擬系統靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，是適于廣泛應用的電網(wǎng)研究工具。這些模擬手段各有所長(cháng)，互為補充，所組成的電網(wǎng)仿真與試驗體系是對電網(wǎng)規劃、建設和安全運行的重要技術(shù)支撐。

      仿真模擬試驗研究越接近實(shí)際，研究結果才能越真實(shí)。仿真中心動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗室尤如一座袖珍發(fā)電廠(chǎng)，模擬發(fā)電廠(chǎng)的運行狀態(tài)，進(jìn)行發(fā)電機的物理模擬。在做電壓動(dòng)態(tài)模擬試驗時(shí)，項目組的科研團人員大膽采用1500V電壓模擬1000kV這一目前世界最高模擬電壓。這個(gè)實(shí)驗室不僅模擬電壓等級高，模擬的元件種類(lèi)也非常齊全。

      主電源和備用電源的切換也是模擬實(shí)驗的重要內容，對于一些有重大影響活動(dòng)必須有備用電源，其切換時(shí)機的把握影響著(zhù)活動(dòng)效果。據周春霞主任介紹，北京奧運那樣的大型活動(dòng)如果主電源停電，備用電源的切換超過(guò)10毫秒電視轉播就會(huì )停止，超過(guò)幾十毫秒鈉燈就會(huì )熄滅后再啟動(dòng)，現場(chǎng)觀(guān)眾就會(huì )有停電感。而變電站的模擬更具神奇，能根據需要模擬各種元器件，還可以迅速搭建電力系統。

      在電力系統數?；旌戏抡鎸?shí)驗室，不僅采用數字模擬，還用物理模型仿真，這是目前精確模擬大規模交、直流輸電系統的較好方案。數?；旌戏抡婕饶艹浞职l(fā)揮全數字實(shí)時(shí)仿真規模大、效率高的特點(diǎn)，又能做到準確真實(shí)地模擬大功率電力電子器件。這里沒(méi)有旋轉的發(fā)電機組，卻能夠精確地模擬發(fā)電機、動(dòng)態(tài)負荷、感應電動(dòng)機等旋轉器件的工作狀態(tài)。

      電力系統仿真試驗研究是保證電網(wǎng)安全穩定運行的重要基礎，在電力系統規劃設計和調度運行中，必須通過(guò)仿真試驗研究來(lái)優(yōu)化確定規劃設計方案和運行控制策略。

      團隊合作攻關(guān)精神成為財富

      火車(chē)跑得快，全靠車(chē)頭帶。中國電力科學(xué)研究院總工程師湯涌長(cháng)期從事電力系統仿真技術(shù)與軟件開(kāi)發(fā)、電力系統運行分析、電力系統穩定控制等領(lǐng)域的研究，是自主創(chuàng )新的“電力系統多尺度全過(guò)程仿真與試驗系統”項目的負責人。項目自開(kāi)題以來(lái)，他帶領(lǐng)年輕的科研團隊始終堅持自主創(chuàng )新，并瞄準國際仿真與試驗技術(shù)前沿，對多時(shí)間尺度全過(guò)程數字仿真、數?；旌习胛锢矸抡?、物理動(dòng)態(tài)模擬、大電網(wǎng)運行和安全監控試驗環(huán)境、實(shí)測建模和數據管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行科學(xué)攻關(guān)與系統開(kāi)發(fā)，結合多種仿真手段的技術(shù)優(yōu)勢，互為補充，相輔相成，成功實(shí)現功能完備、綜合試驗能力世界領(lǐng)先的電力系統多尺度全過(guò)程仿真與試驗研究系統。

      置身電力系統，這個(gè)巨大而復雜的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統，含有多種不同時(shí)間常數的變量，電網(wǎng)受到擾動(dòng)后的響應過(guò)程也混合著(zhù)快變化和慢變化這一多時(shí)間尺度的特性。作為世界知名的電力系統仿真分析技術(shù)專(zhuān)家，湯涌主持建立的一整套具有自主知識產(chǎn)權的大電網(wǎng)仿真與試驗體系，使我國的大電網(wǎng)仿真與試驗擺脫了依賴(lài)外國的局面。完成的“交直流電力系統多時(shí)間尺度全過(guò)程仿真建模、軟件開(kāi)發(fā)與工程應用”項目，獲2010年度中國電力科學(xué)技術(shù)獎一等獎和國家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步一等獎，開(kāi)發(fā)完成的PSD電力系統分析軟件包，在全國電力系統得到廣泛應用，獲2007年度第三屆中國技術(shù)市場(chǎng)協(xié)會(huì )金橋獎。負荷建模研究成果分別于2007年、2009年、2010年獲國家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步一等獎、陜西省科學(xué)技術(shù)獎一等獎、國家電網(wǎng)公司科技進(jìn)步二等獎，為年輕的科研工作者樹(shù)立榜樣。

      目前，該系統可模擬50000節點(diǎn)以上大規模電網(wǎng)長(cháng)達數小時(shí)的動(dòng)態(tài)全過(guò)程，可實(shí)現多達6回雙極直流輸電物理模型的數?；旌戏抡?，可實(shí)現阻抗角高達88.5°的多電壓等級交流輸電線(xiàn)路和新型電力電子設備的物理動(dòng)態(tài)模擬，可實(shí)現20000節點(diǎn)級電網(wǎng)運行和安全控制的閉環(huán)試驗研究。依托該成果建成了“電力系統仿真國家工程實(shí)驗室”和“電網(wǎng)安全與節能?chē)抑攸c(diǎn)實(shí)驗室”，同時(shí)取得發(fā)明專(zhuān)利授權9項、受理18項，軟件著(zhù)作權7項，形成國標2項、行標2項、企標3項，出版專(zhuān)著(zhù)1部。

      依靠該成果，中國電力科學(xué)研究院建立了青藏直流的詳細模型，并對相關(guān)控制方案進(jìn)行了細致的仿真試驗分析工作，通過(guò)高效、全面的仿真試驗，為青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程提供了重要的技術(shù)支撐。2011年12月9日，世界最高海拔、高寒地區建設的規模最大、施工難度最大的輸變電工程——青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程投入試運行。同時(shí)，研究成果在我國電網(wǎng)發(fā)展規劃、交直流輸電重大工程建設、國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)調度運行中得到廣泛應用。尤其是三峽輸變電工程、西電東送、特高壓交\直流輸電等重大輸電工程系統的仿真與試驗研究，多項國家自然科學(xué)基金、973計劃、國家科技支撐計劃和國家電網(wǎng)公司重大科技與工程項目等，有力地保障了我國電網(wǎng)發(fā)展的科學(xué)規劃，降低了大面積停電風(fēng)險，為我國特高壓電網(wǎng)建設及大電網(wǎng)安全穩定運行提供強有力的技術(shù)支撐，并促進(jìn)了大功率電力電子、電力系統控制保護等相關(guān)電力裝備產(chǎn)業(yè)及其他行業(yè)技術(shù)進(jìn)步發(fā)展。這些應用成果的推廣大幅度地提升了我國電網(wǎng)仿真試驗和分析研究水平，優(yōu)化了電力產(chǎn)業(yè)資源配置。

      良好的仿真試驗能減少或排除電網(wǎng)發(fā)生大面積停電的隱患，在大量的工程實(shí)踐中已得到驗證。中國科學(xué)院院士盧強表示，假設某一條特高壓線(xiàn)路發(fā)生一個(gè)大的干擾故障，一個(gè)大的交流同步系統能不能保持安全和穩定呢？中國電力科學(xué)研究院堅持開(kāi)展了五六百種情況下的仿真實(shí)驗，就是最好的回答！仿真試驗為電網(wǎng)安全穩定提供良好的技術(shù)支撐，一系列創(chuàng )新性的科研成果來(lái)自仿真試驗。這就是仿真試驗的科學(xué)之處，也是仿真試驗項目研究的意義所在。