今天，咱们聊聊电力系统仿真技术。
什么是仿真？
先举个例子。假如工程师设计了一座桥，除了理论计算，怎么知道这座桥到底实不实用、承重性如何呢？这就得先做出一个模型来验证一下。
大桥模型图。（视觉中国）
同样的道理，如果工程师研发一种新的电力系统，怎么知道这个系统到底稳定不稳定、有没有缺陷呢？也得弄个模型来看看。这种用模型来测试电力系统的技术有个专业名词——电力系统仿真技术。
中国电科院国家电网仿真中心超算中心。
电力系统仿真技术
两个阶段
一、物理模型阶段
最初，人们是用物理模型做试验来研究电力系统的。这些模型就像我们常见的汽车模型一样，把实物等比例缩小。小了，就更好研究了。
电力线路路径模型。
二、数字模拟阶段
随着电力系统的发展，电网的规模越来越大、复杂程度越来越高，物理模型已经不能满足大系统实验研究的需求了。正好，计算机技术大发展，这就出现了数字模型代替物理模型的新型仿真系统。
中国电科院科研人员在国家电网仿真中心开展科研攻关。
电力系统是个动态系统。所以，电力系统仿真技术不仅要像桥梁模型那样研究物理问题，而且要研究动态问题——沿着时间轴连续对电网状态变化过程进行计算。
随着计算机技术的发展，电力系统仿真计算速度不断加快，当仿真计算速度与同一时间段内电网沿时间轴变化的速度一致时，即达到了实时仿真。只有仿真工具达到实时仿真时，才具备将实际电网中的设备接入到仿真数字电网进行同步仿真的能力，也就是电力系统数模混合仿真。
三个世界级难题出现
在直流输电和新能源发电大规模发展之前，国内外均采用机电暂态数字仿真工具研究大电网安全稳定问题，支撑实际电网安全运行和协调控制。
当大量直流电源和新能源电源接入电网后，人们开始认识到，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，必须使用电磁暂态仿真方法。
打个比方，研究电网运行机理时，机电暂态仿真就像放大镜，电磁暂态仿真就像显微镜，放大镜看得快但是不如显微镜看得仔细。然而，电磁暂态仿真步长小，速度慢 ，建模极其复杂，之前用于仿真局部电网和具体工程，根本无法仿真较大规模的实际电网。于是，在准确地仿真大电网安全稳定性和控制特性方面，出现了仿不了、仿不准、仿不快的世界级难题。
国外多家科研机构都针对本国电网开展数字仿真相关技术研究，但其电网复杂程度、运行控制难度远不及我国电网。国际相关技术及经验难以满足我国电网的实际需求。中国电科院的国家电网仿真中心依托国家 863 计划和国家电网公司科技项目，深入开展相关研究，取得了多项重大技术创新，研发了具有国际领先水平的大电网电磁暂态仿真项目。
该项目的研发，解决了三大世界级难题。
01
仿得了
本项目攻克了众多技术难题、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，并实现了工程化应用，仿真规模达到上万节点，可以覆盖两个区域电网，突破了人们对电力系统特性认知的技术瓶颈，彻底解决了现代大电网“仿不了”的世界难题。
02
仿得准
本项目攻克了子网分解随机优化、任务映射图匹配算法等技术难题，研制了基于高速光纤通信及软同步的大流量分散式数模接口，解决了大规模电力电子控制保护装置和复杂系统保护装置接入万节点级大区电网的数模混合仿真难题，实现了15回直流控制保护装置（约300面屏柜，上万个交互信号）同时接入到大规模实时仿真电网的数模混合仿真，跨越式提升了大电网的仿真精度，解决了对大规模电力电子设备接入电网控制响应特性“仿不准”的世界难题。
03
仿得快
本项目攻克了多项技术难题，将含大规模电力电子设备的大电网电磁模型启动时长由上百秒减少至5秒以内，实现了多潮流方式与故障组合的大批量仿真作业动态资源配置，计算效率提升3000倍以上，彻底解决了大电网仿真“仿不快”的世界难题。
看到这，您可能会想：这个项目成果太牛了，那它有啥实际应用？
助力“双碳”目标实现
加快构建新型电力系统
“张北的风点亮了北京的灯”，这句话，让全世界人们形象地了解了北京冬奥会的绿电实践。这是奥运会历史上首次实现所有场馆100%绿电供应。
鲜为人知的是，为北京冬奥会场馆提供绿电的创造了12项世界第一的柔性直流工程——张北柔直工程全过程都离不开电网仿真技术的有力支撑。
我国研发的大电网电磁暂态仿真平台是怎样支持张北柔直工程的？
张北柔直工程是集大规模可再生能源友好接入、多种形态能源互补和灵活消纳、直流电网构建等于一体的重大科技试验示范工程。
啥叫“试验示范”？那就是全球第一个，没有现成的经验可以借鉴。
所以，工程的研发、规划、调试和并网等过程都要利用高精度的仿真技术先行研究、验证、测试等，然后，才能正式建设、投入运行。
俯瞰500千伏张北换流站，宛如一块精密的电脑主板。
“我们对张北柔直工程进行了5800个工况、8万余次仿真计算，开展了工程并网特性、运行方式安排、控制保护策略、故障应对措施等全方位的仿真分析和实验验证，保障了工程顺利投产和高质量服务北京冬奥会绿电供应。”国家电网仿真中心数模混合仿真研究室主任朱艺颖介绍。
该仿真平台项目成果还在特高压交直流输电工程、“一带一路”建设中的电网工程等工程中，以及西电东送、大电网互联、新能源集中外送等电网发展和运行实践中发挥了重要作用，并在国家电网27个省级电力公司全部应用，推动了我国电网输电能力和安全运行达到更高水平。
白鹤滩—浙江±800千伏特高压直流输电工程。
巴基斯坦默拉直流输电工程。
该仿真平台项目成果将进一步促进相关科研工作，助力“双碳”目标实现，加快构建新型电力系统。比如，可利用该平台开展含多直流和大规模新能源电网的规划、运行、控制方面的仿真试验研究，柔性直流、储能设备等新技术新装置接入电网的适应性仿真试验研究等。
中国电科院科研人员在国家电网仿真中心开展重点工程仿真建模工作。
“我国电力系统已经进入世界电网发展的‘无人区’，这是我们必须去攻占的阵地。”国家电力调度控制中心系统处处长贺静波介绍，目前来看，新一代仿真平台的技术、设备、算法等能够支撑新型电力系统规划、建设和运行对仿真计算的需要，为加快我国能源转型提供强有力的基础技术支撑。
附名词解释：电力系统数模混合仿真
电力系统数模混合仿真采用先进的数字和物理模型组合技术，既能发挥数字仿真规模大等特点，又能充分利用物理仿真装置精确度高的特点，可进行从电磁暂态到机电暂态的全过程实时仿真研究，能比较精确地反映交直流系统的物理现象，是认知大电网运行机理特性的基础平台，是支撑直流工程建设和运行的强有力工具，并能作为大电网仿真校准钟为其他仿真手段提供准确的计算参考。
素材来源：中国电科院 中国能源报
