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大国重器:超大型电力系统电磁暂态仿真技术及平台
时间:2024-06-04 08:54:20

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5800个工况、8万余次仿真计算,保障了张北柔直工程顺利投产和高质量服务北京冬奥会绿电供应;上百种方式、近500种交直流故障组合仿真分析,让白鹤滩的清洁电能7毫秒闪送至华东;150万千米线路、10万个三相节点,无数次精密计算和仿真试验保障国家电网骨干电网安全稳定运行……

这就是入选“2023年度央企十大国之重器”榜单的超大型电力系统电磁暂态仿真技术及平台。多年来,结合我国大电网发展实际,国家电网有限公司持续开展电力系统仿真技术原创性研究,研发超大型电力系统电磁暂态仿真平台,并推动仿真研究成果实现工程应用,全力支撑新型电力系统建设。

全电磁暂态仿真解决大电网精准分析世界难题

仲夏时节,位于北京市海淀区的国家电网仿真中心,一排排机柜有节奏地闪烁着灯光,超大型电力系统电磁暂态仿真平台正在全速运行。

平台前,国家电网仿真中心大电网电磁暂态仿真团队做好了软硬件最后的测试准备。国家电网公司各级调度计算分析人员立即协同开展电网迎峰度夏运行方式仿真分析,精准模拟大规模新能源基地接入和特高压交直流重点工程在故障扰动下的运行特性,制订保障大电网安全高效运行的控制策略。

电力系统这一最复杂的人造动态系统,通过仿真计算,可以分析、掌握电网特性,为系统运行提供决策支持。“像机电-电磁混合仿真、电磁暂态仿真,都是通过仿真手段来模拟电力系统运行特性,进而开展各种系统控制和故障模拟的试验和研究。”国家电网仿真中心副主任李亚楼说。

随着电力电子设备在现代电力系统中广泛应用,电力系统的规模和复杂程度也不断增加,传统的机电暂态仿真方法无法准确模拟这些含电力电子器件设备的响应和控制特性,支撑我国大电网安全运行的仿真分析面临“仿不了”“仿不准”“仿不快”的世界级难题。

如何仿真大规模实际电网?2015年,国家电网公司党组决定创新仿真分析工具,构建新一代仿真平台,全面提升电网安全稳定分析技术支撑能力。

同年,国家电网仿真中心成立。中国电科院依托国家863计划课题“高渗透率间歇性能源的区域电网关键技术研究和示范”,以及国家自然科学基金项目“基于超大规模集成电路(VLSI)的电磁暂态多时间尺度实时仿真计算研究”深入开展相关研究。经过多年技术攻关,研发团队取得了多项重大技术创新——

告别“仿不了”。研发团队将大电网仿真时间尺度由毫秒级变为微秒级,实现了含多回直流和高比例新能源的大规模电网的电磁暂态仿真,攻克了现代大电网“仿不了”难题。

破解“仿不准”。建成电磁暂态仿真平台的模型库,解决了复杂控制保护设备“仿不准”难题。

实现“仿得快”。打造基于超算的仿真云计算架构,充分挖掘数万个CPU核的计算潜力,成功搭建仿真平台专用超算平台,彻底解决了大电网仿真“仿不快”难题。

目前,超大型电力系统电磁暂态仿真平台仿真规模达到上万节点,实现了对含多回直流和高比例新能源的大规模电网的电磁暂态仿真,覆盖了国家电网经营区26个省(自治区、直辖市),输电线路长度超过150万千米,系统规模超过10万个三相节点。

无论在北京西单办公区,还是远在几千里之外的新疆乌鲁木齐,计算分析人员动动手指就可以提交计算任务,远程享受超算一流速度,开展机电暂态、机电-电磁混合、全电磁暂态仿真分析,大幅提升了电网调度运行专业的仿真计算能力。

“超大型电力系统电磁暂态仿真平台相当于电力系统的‘作战沙盘’,过去扫描分析主网架2.6万条线路、1.8万台变压器的安全风险,需耗时10天以上,现在只要不到5分钟。”仿真平台技术负责人、中国电科院副院长郭强说。

团队协作攻克50微秒实时仿真步长

5月28日,利用超大型电力系统电磁暂态仿真平台,国网西藏电科院系统室主管许江波模拟西藏电网晚高峰运行场景,通过接入构网型储能设备的全电磁暂态模型,分析该区域电网特定运行场景下的安全稳定特性。

全电磁暂态仿真建模需要将大电网仿真时间尺度细化至微秒级,其中至关重要的是攻克50微秒步长实时仿真技术。

研究是漫长而枯燥的,考验着每一位研究人员的信心和耐心。当仿真步长越小时,仿真模型越准确。为攻克50微秒实时仿真步长的问题,他们用了2年的时间。

“50微秒的实时仿真步长意味着系统要在1秒钟内对华东电网6000个节点进行20000次计算。”国家电网仿真中心副总工程师、数模混合仿真研究室主任朱艺颖解释,这好比让数字电网练就“凌波微步”,“每一个CPU内核既要完成自己的任务,又要与其他CPU内核交互数据,还要完成与外接物理装置上万路信号的交互,且计算速度必须跟实际物理过程同步。”

经过不断探索和论证,科研团队在50微秒实时仿真步长技术方向开展攻关,先后攻克模型算法、数值稳定、计算技术及平台架构等技术难点。

2017年,团队在华东区域电网开展了故障反演试验,现场几万路信号实时交互,故障仿真模型仿真结果与实际波形几乎重合,华东区域电网首次实现了精准的电磁暂态实时仿真,50微秒实时仿真步长在大电网仿真中实现。

实践应用保障重点工程可靠运行

“直流短路接地试验开始,仿真启动20秒后单极直流线路接地短路故障触发。”5月22日,朱艺颖下达操作指令,利用超大型电力系统电磁暂态仿真平台开展±800千伏白鹤滩—江苏特高压直流输电线路工程输电能力分析试验。

“从2022年3月至今,我们针对该工程开展了上万次交直流故障的混合仿真计算,全面测试系统安全稳定特性。”仿真分析工程师卓谷颖说。

电网设计是否有缺陷?系统到底稳不稳定?提前开展电网仿真分析,是作出判断的最有效手段。2017年以来,利用超大型电力系统电磁暂态仿真平台对公司在建和拟建的重点输电工程开展了大量详细的仿真计算,先后完成控制策略验证、输电能力分析、振荡抑制策略制订等一系列技术攻关,为重点工程的安全稳定运行提供了可靠的研究平台。

2022年,计算分析人员开展了张北柔直工程构网型开环控制策略、低频阻尼附加控制等振荡抑制策略的系统校核和交流保护校核,推动了振荡抑制策略的现场实施,完成了千万千瓦级清洁能源发电经特高压柔直外送系统的建模及穿越故障仿真,支撑藏东南清洁能源外送技术方案研究。2023年11月以来,针对构网型储能接入西藏电网的稳定特性开展了前期分析,出具运行策略,开展了中广核阿里“零碳”光储热电示范项目试验反演工作,复现了储能电站发生的宽频振荡现象,为构网型储能性能优化和运行控制提供了支撑。

目前,超大型电力系统电磁暂态仿真平台已实现国家电网全部骨干网架的微秒级电磁暂态仿真。

“双碳”目标下,新型电力系统建设加速推进,复杂电力电子设备大规模接入电网,我国能源电力形态正发生深刻变化。面对新形势新挑战,需要超大型电力系统电磁暂态仿真平台发挥更大作用,开展多时间尺度、多运行方式、多典型场景的仿真分析,支撑新型电力系统科学构建和安全运行。



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