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    來源： 中國科技網

    肩負著電網科學規劃和安全運行的使命和責任

      我國的電網相對薄弱，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有發生的一些國外電網運作中吸取經驗教訓？作為科研機構的中國電力科學研究院，通過怎樣的努力在保障電網安全？日前記者探訪了電力系統多尺度全過程仿真與試驗系統的創新秘訣——

      全國人大代表、中國工程院院士薛禹勝坦言，我國的電網一向非常薄弱，但是重大的系統崩潰事件卻沒有發生過，而電網系統非常健全的北美、西歐地區的系統崩潰事件卻時有發生。保障電網系統安全，除了要有非常重要的電網的結構，還要有過硬的安全技術、管理技術、控制技術。實踐表明，我國基礎薄弱的電網能夠安全運行，基于電網系統控制技術和自動化技術發展得非常好，目前已領先于發達國家。

      眾所周知，電力系統是一個結構復雜、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。

      如何保證電網科學規劃？怎樣保障電網安全運行？中國電力科學研究院作為電力科研的生力軍，以其雄厚的科研實力與產業根基，通過大量細致的工作，積極推進大電網仿真與試驗技術的步伐。百余名科研人員歷經10年潛心研究，攻克了電網仿真軟件、物理模擬、數模混合仿真試驗、建模和數據管理等領域的一系列關鍵技術，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、廠站到特大規模電網的仿真試驗研究能力，具備了從電磁暫態、機電暫態到中長期動態的多時間尺度全過程仿真試驗研究能力。該系統已廣泛應用于全國電網規劃設計、調度運行、科研教學等領域，國內市場占有率達80%以上，對我國電網發展和安全運行發揮了不可替代的作用。

      多尺度全過程仿真與試驗系統成效顯著

      一個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，無疑需要構成萬里輸電網絡系統。

      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發裝機容量就達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。而經濟發達的東部沿海地區，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。為了優化配置能源資源，我國正在實施發展特高壓輸電、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、輸送線路最長、容量最大的國家。此外，風電作為技術最成熟的新能源利用方式之一，已實現連續多年的快速增長，截至2010年底，中國全年風力發電新增裝機達1600萬千瓦，累計裝機容量達到4182.7萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一，預計到2020年總裝機容量將達到1.5億千瓦；光伏發電近年來也得到了較快增長，預計到2020年總安裝容量將達到0.2億千瓦。國家已規劃了多個大容量的風電基地和光伏基地開發計劃，這些大規模的新能源發電集中接入電網，對電網的規劃、發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與軟件研發的高級工程師宋新立認為，隨著電網互聯進程的推進和大受端系統的形成，大量的電能需要進行遠距離傳輸，使得電網特性更趨復雜，電網的動態穩定性及電壓穩定性問題更為突出。

      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法滿足我國電網發展規劃、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，存在各時間尺度過程獨立仿真、新設備模型缺乏、數模混合仿真中直流輸電系統規模小、仿真精度低等問題，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，都不能滿足我國電力工業發展和電網安全運行的需求。長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、經濟運行，必須采用多角度、多層面、全過程的仿真與試驗手段，為此，需要突破大電網仿真與試驗體系中的一系列關鍵技術。

      為此，中國電力科學研究院成立了以湯涌總工程師為首的科研團隊，對大電網仿真與試驗相關技術進行了數年的科技攻關。在多時間尺度全過程仿真領域，研發的仿真軟件“PSD電力系統分析軟件包”，算法先進，模型豐富，適應性強，性價比高，市場競爭力強，技術經濟效益顯著，軟件包的多時間尺度全過程仿真能力和實用性超越了國內外同類產品；在數模混合仿真領域，首次實現了數字實時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發和集成，建立了大規模復雜交/直流電網的數模混合仿真系統，是世界上第一個能夠對特高壓交直流混合電力系統進行數模仿真試驗研究的實驗室；在動態模擬試驗領域，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標準，提出了能夠反映實際電網特性的考慮配電網絡的綜合負荷模型（SLM）結構和負荷建模基本原則，實現多級電網調度規劃數據的規范管理和統一校核，顯著提高了仿真精度。近3年來，項目成果累計銷售收入1.2億元，節省國家投資3億元以上；預計進一步推廣應用可節省國家投資20億元以上，科研成果變成了實實在在的經濟效益，同時也為我國電網安全穩定運行做出了重要貢獻。

      2009年9月，項目通過了中國電機工程學會組織的技術鑒定，與會專家一致認為：項目取得了一系列具有自主知識產權的創新性成果，總體達到國際領先水平。其領先性表現在：

      仿真模擬技術水平居世界領先水平；

      仿真模擬系統規模居世界第一；

      實現國家電網骨干網架的數字及模擬仿真分析，大電網仿真試驗能力居世界第一；

      進行特高壓系統保護、自動化裝置等元件的測試試驗，電力系統動態模擬性能居世界第一；

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

      國家重點工程實驗室的科技創新

      無庸置疑，電是現代文明的動力基礎，是國家發達程度的重要標志，安全用電已成為維護社會公共安全的重要內容。中國電力科學研究院名譽總工程師印永華認為：任何一個電網都不可能絕對排除發生停電事故，隨著電網發展迅速，大規模交直流混合電力系統的特性日趨復雜，如果發生停電事故所造成的經濟損失無法估量，如何減少或排除電網發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，沒有實際的動態特性試驗得不到真實的電網數據，而開展動態系統試驗又是一項復雜而艱巨的系統工程。2005年3月29日的東北大擾動試驗，共有64個單位、2000余名人員參加，僅準備時間前后就花了幾個月。由于電能的生產、傳輸、消費是同時進行的，要對一個復雜和龐大的動態系統做試驗，不僅關系到電廠、變電站、輸電線路、用電設備，還涉及工廠、企業、醫院和普通百姓，試驗前必須做大量細致的準備工作，確保電網安全、數據測定、通訊協調等萬無一失。因此，開展系統實際試驗費時費力，這就決定了大量的試驗研究不可能在實際系統進行，要認識和掌握電力系統的運行特性，必須通過仿真試驗的手段來完成。

      電網仿真與試驗手段可分為實時和非實時兩種。實時仿真與試驗又可分為物理動態模擬、數模混合半物理仿真、全數字仿真三種。實時仿真依靠試驗室的專有硬件裝置，其速度與實際系統動態過程完全相同；非實時仿真采用數字仿真軟件，能夠模擬系統靜態和動態特性，是適于廣泛應用的電網研究工具。這些模擬手段各有所長，互為補充，所組成的電網仿真與試驗體系是對電網規劃、建設和安全運行的重要技術支撐。

      仿真模擬試驗研究越接近實際，研究結果才能越真實。仿真中心動態模擬實驗室尤如一座袖珍發電廠，模擬發電廠的運行狀態，進行發電機的物理模擬。在做電壓動態模擬試驗時，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。這個實驗室不僅模擬電壓等級高，模擬的元件種類也非常齊全。

      主電源和備用電源的切換也是模擬實驗的重要內容，對于一些有重大影響活動必須有備用電源，其切換時機的把握影響著活動效果。據周春霞主任介紹，北京奧運那樣的大型活動如果主電源停電，備用電源的切換超過10毫秒電視轉播就會停止，超過幾十毫秒鈉燈就會熄滅后再啟動，現場觀眾就會有停電感。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。

      在電力系統數模混合仿真實驗室，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。數模混合仿真既能充分發揮全數字實時仿真規模大、效率高的特點，又能做到準確真實地模擬大功率電力電子器件。這里沒有旋轉的發電機組，卻能夠精確地模擬發電機、動態負荷、感應電動機等旋轉器件的工作狀態。

      電力系統仿真試驗研究是保證電網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，必須通過仿真試驗研究來優化確定規劃設計方案和運行控制策略。

      團隊合作攻關精神成為財富

      火車跑得快，全靠車頭帶。中國電力科學研究院總工程師湯涌長期從事電力系統仿真技術與軟件開發、電力系統運行分析、電力系統穩定控制等領域的研究，是自主創新的“電力系統多尺度全過程仿真與試驗系統”項目的負責人。項目自開題以來，他帶領年輕的科研團隊始終堅持自主創新，并瞄準國際仿真與試驗技術前沿，對多時間尺度全過程數字仿真、數模混合半物理仿真、物理動態模擬、大電網運行和安全監控試驗環境、實測建模和數據管理等關鍵技術進行科學攻關與系統開發，結合多種仿真手段的技術優勢，互為補充，相輔相成，成功實現功能完備、綜合試驗能力世界領先的電力系統多尺度全過程仿真與試驗研究系統。

      置身電力系統，這個巨大而復雜的非線性動態系統，含有多種不同時間常數的變量，電網受到擾動后的響應過程也混合著快變化和慢變化這一多時間尺度的特性。作為世界知名的電力系統仿真分析技術專家，湯涌主持建立的一整套具有自主知識產權的大電網仿真與試驗體系，使我國的大電網仿真與試驗擺脫了依賴外國的局面。完成的“交直流電力系統多時間尺度全過程仿真建模、軟件開發與工程應用”項目，獲2010年度中國電力科學技術獎一等獎和國家電網公司科技進步一等獎，開發完成的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市場協會金橋獎。負荷建模研究成果分別于2007年、2009年、2010年獲國家電網公司科技進步一等獎、陜西省科學技術獎一等獎、國家電網公司科技進步二等獎，為年輕的科研工作者樹立榜樣。

      目前，該系統可模擬50000節點以上大規模電網長達數小時的動態全過程，可實現多達6回雙極直流輸電物理模型的數模混合仿真，可實現阻抗角高達88.5°的多電壓等級交流輸電線路和新型電力電子設備的物理動態模擬，可實現20000節點級電網運行和安全控制的閉環試驗研究。依托該成果建成了“電力系統仿真國家工程實驗室”和“電網安全與節能國家重點實驗室”，同時取得發明專利授權9項、受理18項，軟件著作權7項，形成國標2項、行標2項、企標3項，出版專著1部。

      依靠該成果，中國電力科學研究院建立了青藏直流的詳細模型，并對相關控制方案進行了細致的仿真試驗分析工作，通過高效、全面的仿真試驗，為青藏直流聯網工程提供了重要的技術支撐。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——青藏直流聯網工程投入試運行。同時，研究成果在我國電網發展規劃、交直流輸電重大工程建設、國家電網和南方電網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，多項國家自然科學基金、973計劃、國家科技支撐計劃和國家電網公司重大科技與工程項目等，有力地保障了我國電網發展的科學規劃，降低了大面積停電風險，為我國特高壓電網建設及大電網安全穩定運行提供強有力的技術支撐，并促進了大功率電力電子、電力系統控制保護等相關電力裝備產業及其他行業技術進步發展。這些應用成果的推廣大幅度地提升了我國電網仿真試驗和分析研究水平，優化了電力產業資源配置。

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