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    來源： 中國科技網(wǎng)

    肩負著電網(wǎng)科學(xué)規(guī)劃和安全運行的使命和責(zé)任

      我國的電網(wǎng)相對薄弱，如何有效預(yù)防重大的系統(tǒng)崩潰事件？如何從重大系統(tǒng)崩潰事件時有發(fā)生的一些國外電網(wǎng)運作中吸取經(jīng)驗教訓(xùn)？作為科研機構(gòu)的中國電力科學(xué)研究院，通過怎樣的努力在保障電網(wǎng)安全？日前記者探訪了電力系統(tǒng)多尺度全過程仿真與試驗系統(tǒng)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(tǒng)崩潰事件卻沒有發(fā)生過，而電網(wǎng)系統(tǒng)非常健全的北美、西歐地區(qū)的系統(tǒng)崩潰事件卻時有發(fā)生。保障電網(wǎng)系統(tǒng)安全，除了要有非常重要的電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，還要有過硬的安全技術(shù)、管理技術(shù)、控制技術(shù)。實踐表明，我國基礎(chǔ)薄弱的電網(wǎng)能夠安全運行，基于電網(wǎng)系統(tǒng)控制技術(shù)和自動化技術(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(tǒng)是一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地域廣大的巨型人造系統(tǒng)，其運行特性研究對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行極為重要。

      如何保證電網(wǎng)科學(xué)規(guī)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，以其雄厚的科研實力與產(chǎn)業(yè)根基，通過大量細致的工作，積極推進大電網(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(shù)?；旌戏抡嬖囼?、建模和數(shù)據(jù)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?zāi)芰κ澜缫涣鞯碾娏ο到y(tǒng)仿真與試驗研究體系，具備了從設(shè)備、廠站到特大規(guī)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)到中長期動態(tài)的多時間尺度全過程仿真試驗研究能力。該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于全國電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、調(diào)度運行、科研教學(xué)等領(lǐng)域，國內(nèi)市場占有率達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。

      多尺度全過程仿真與試驗系統(tǒng)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(gòu)成萬里輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

      據(jù)統(tǒng)計，我國水能資源大部分集中在西南、中南和西北地區(qū)，僅四川和云南兩省的可開發(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(qū)。而經(jīng)濟發(fā)達的東部沿海地區(qū)，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，我國正在實施發(fā)展特高壓輸電、大核電、大水電、大煤電的“一特三大”戰(zhàn)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(shù)量最多、輸送線路最長、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，已實現(xiàn)連續(xù)多年的快速增長，截至2010年底，中國全年風(fēng)力發(fā)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(yù)計到2020年總裝機容量將達到1.5億千瓦；光伏發(fā)電近年來也得到了較快增長，預(yù)計到2020年總安裝容量將達到0.2億千瓦。國家已規(guī)劃了多個大容量的風(fēng)電基地和光伏基地開發(fā)計劃，這些大規(guī)模的新能源發(fā)電集中接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)的規(guī)劃、發(fā)展與穩(wěn)定運行都將提出新的挑戰(zhàn)。

      從事電力系統(tǒng)仿真分析技術(shù)與軟件研發(fā)的高級工程師宋新立認為，隨著電網(wǎng)互聯(lián)進程的推進和大受端系統(tǒng)的形成，大量的電能需要進行遠距離傳輸，使得電網(wǎng)特性更趨復(fù)雜，電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性及電壓穩(wěn)定性問題更為突出。

      大規(guī)模交直流混合電力系統(tǒng)，決定了單一的仿真與試驗手段無法滿足我國電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃、工程建設(shè)和運行控制的需求。國內(nèi)外原有的電力系統(tǒng)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(shè)備模型缺乏、數(shù)?；旌戏抡嬷兄绷鬏旊娤到y(tǒng)規(guī)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(shè)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(yè)發(fā)展和電網(wǎng)安全運行的需求。長期從事電力系統(tǒng)穩(wěn)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(tǒng)安全、經(jīng)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(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)進行了數(shù)年的科技攻關(guān)。在多時間尺度全過程仿真領(lǐng)域，研發(fā)的仿真軟件“PSD電力系統(tǒng)分析軟件包”，算法先進，模型豐富，適應(yīng)性強，性價比高，市場競爭力強，技術(shù)經(jīng)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(nèi)外同類產(chǎn)品；在數(shù)?；旌戏抡骖I(lǐng)域，首次實現(xiàn)了數(shù)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(shè)備及其控制保護系統(tǒng)的開發(fā)和集成，建立了大規(guī)模復(fù)雜交/直流電網(wǎng)的數(shù)模混合仿真系統(tǒng)，是世界上第一個能夠?qū)μ馗邏航恢绷骰旌想娏ο到y(tǒng)進行數(shù)模仿真試驗研究的實驗室；在動態(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(shè)備模型；提出了規(guī)范化和精細化的建模技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提出了能夠反映實際電網(wǎng)特性的考慮配電網(wǎng)絡(luò)的綜合負荷模型（SLM）結(jié)構(gòu)和負荷建?；驹瓌t，實現(xiàn)多級電網(wǎng)調(diào)度規(guī)劃數(shù)據(jù)的規(guī)范管理和統(tǒng)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(jié)省國家投資3億元以上；預(yù)計進一步推廣應(yīng)用可節(jié)省國家投資20億元以上，科研成果變成了實實在在的經(jīng)濟效益，同時也為我國電網(wǎng)安全穩(wěn)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(xué)會組織的技術(shù)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(chǎn)權(quán)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(xiàn)在：

      仿真模擬技術(shù)水平居世界領(lǐng)先水平；

      仿真模擬系統(tǒng)規(guī)模居世界第一；

      實現(xiàn)國家電網(wǎng)骨干網(wǎng)架的數(shù)字及模擬仿真分析，大電網(wǎng)仿真試驗?zāi)芰邮澜绲谝唬?br />
      進行特高壓系統(tǒng)保護、自動化裝置等元件的測試試驗，電力系統(tǒng)動態(tài)模擬性能居世界第一；

      建成大電網(wǎng)調(diào)度、運行、控制的閉環(huán)試驗研究環(huán)境，電力系統(tǒng)運行和控制仿真試驗?zāi)芰邮澜绲谝弧?br />
      國家重點工程實驗室的科技創(chuàng)新

      無庸置疑，電是現(xiàn)代文明的動力基礎(chǔ)，是國家發(fā)達程度的重要標(biāo)志，安全用電已成為維護社會公共安全的重要內(nèi)容。中國電力科學(xué)研究院名譽總工程師印永華認為：任何一個電網(wǎng)都不可能絕對排除發(fā)生停電事故，隨著電網(wǎng)發(fā)展迅速，大規(guī)模交直流混合電力系統(tǒng)的特性日趨復(fù)雜，如果發(fā)生停電事故所造成的經(jīng)濟損失無法估量，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(tǒng)的運行特性研究對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行極為重要，沒有實際的動態(tài)特性試驗得不到真實的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，而開展動態(tài)系統(tǒng)試驗又是一項復(fù)雜而艱巨的系統(tǒng)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(zhǔn)備時間前后就花了幾個月。由于電能的生產(chǎn)、傳輸、消費是同時進行的，要對一個復(fù)雜和龐大的動態(tài)系統(tǒng)做試驗，不僅關(guān)系到電廠、變電站、輸電線路、用電設(shè)備，還涉及工廠、企業(yè)、醫(yī)院和普通百姓，試驗前必須做大量細致的準(zhǔn)備工作，確保電網(wǎng)安全、數(shù)據(jù)測定、通訊協(xié)調(diào)等萬無一失。因此，開展系統(tǒng)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(tǒng)進行，要認識和掌握電力系統(tǒng)的運行特性，必須通過仿真試驗的手段來完成。

      電網(wǎng)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(tài)模擬、數(shù)?；旌习胛锢矸抡妗⑷珨?shù)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(tǒng)動態(tài)過程完全相同；非實時仿真采用數(shù)字仿真軟件，能夠模擬系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性，是適于廣泛應(yīng)用的電網(wǎng)研究工具。這些模擬手段各有所長，互為補充，所組成的電網(wǎng)仿真與試驗體系是對電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)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際，研究結(jié)果才能越真實。仿真中心動態(tài)模擬實驗室尤如一座袖珍發(fā)電廠，模擬發(fā)電廠的運行狀態(tài)，進行發(fā)電機的物理模擬。在做電壓動態(tài)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(nèi)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(jù)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(zhuǎn)播就會停止，超過幾十毫秒鈉燈就會熄滅后再啟動，現(xiàn)場觀眾就會有停電感。而變電站的模擬更具神奇，能根據(jù)需要模擬各種元器件，還可以迅速搭建電力系統(tǒng)。

      在電力系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡鎸嶒炇?，不僅采用數(shù)字模擬，還用物理模型仿真，這是目前精確模擬大規(guī)模交、直流輸電系統(tǒng)的較好方案。數(shù)?；旌戏抡婕饶艹浞职l(fā)揮全數(shù)字實時仿真規(guī)模大、效率高的特點，又能做到準(zhǔn)確真實地模擬大功率電力電子器件。這里沒有旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機組，卻能夠精確地模擬發(fā)電機、動態(tài)負荷、感應(yīng)電動機等旋轉(zhuǎn)器件的工作狀態(tài)。

      電力系統(tǒng)仿真試驗研究是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)，在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和調(diào)度運行中，必須通過仿真試驗研究來優(yōu)化確定規(guī)劃設(shè)計方案和運行控制策略。

      團隊合作攻關(guān)精神成為財富

      火車跑得快，全靠車頭帶。中國電力科學(xué)研究院總工程師湯涌長期從事電力系統(tǒng)仿真技術(shù)與軟件開發(fā)、電力系統(tǒng)運行分析、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制等領(lǐng)域的研究，是自主創(chuàng)新的“電力系統(tǒng)多尺度全過程仿真與試驗系統(tǒng)”項目的負責(zé)人。項目自開題以來，他帶領(lǐng)年輕的科研團隊始終堅持自主創(chuàng)新，并瞄準(zhǔn)國際仿真與試驗技術(shù)前沿，對多時間尺度全過程數(shù)字仿真、數(shù)?；旌习胛锢矸抡?、物理動態(tài)模擬、大電網(wǎng)運行和安全監(jiān)控試驗環(huán)境、實測建模和數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵技術(shù)進行科學(xué)攻關(guān)與系統(tǒng)開發(fā)，結(jié)合多種仿真手段的技術(shù)優(yōu)勢，互為補充，相輔相成，成功實現(xiàn)功能完備、綜合試驗?zāi)芰κ澜珙I(lǐng)先的電力系統(tǒng)多尺度全過程仿真與試驗研究系統(tǒng)。

      置身電力系統(tǒng)，這個巨大而復(fù)雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)，含有多種不同時間常數(shù)的變量，電網(wǎng)受到擾動后的響應(yīng)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(tǒng)仿真分析技術(shù)專家，湯涌主持建立的一整套具有自主知識產(chǎn)權(quán)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外國的局面。完成的“交直流電力系統(tǒng)多時間尺度全過程仿真建模、軟件開發(fā)與工程應(yīng)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)公司科技進步一等獎，開發(fā)完成的PSD電力系統(tǒng)分析軟件包，在全國電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，獲2007年度第三屆中國技術(shù)市場協(xié)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(wǎng)公司科技進步一等獎、陜西省科學(xué)技術(shù)獎一等獎、國家電網(wǎng)公司科技進步二等獎，為年輕的科研工作者樹立榜樣。

      目前，該系統(tǒng)可模擬50000節(jié)點以上大規(guī)模電網(wǎng)長達數(shù)小時的動態(tài)全過程，可實現(xiàn)多達6回雙極直流輸電物理模型的數(shù)?；旌戏抡?，可實現(xiàn)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(shè)備的物理動態(tài)模擬，可實現(xiàn)20000節(jié)點級電網(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(tǒng)仿真國家工程實驗室”和“電網(wǎng)安全與節(jié)能國家重點實驗室”，同時取得發(fā)明專利授權(quán)9項、受理18項，軟件著作權(quán)7項，形成國標(biāo)2項、行標(biāo)2項、企標(biāo)3項，出版專著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(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(qū)建設(shè)的規(guī)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，研究成果在我國電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃、交直流輸電重大工程建設(shè)、國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)調(diào)度運行中得到廣泛應(yīng)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(tǒng)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(guī)劃，降低了大面積停電風(fēng)險，為我國特高壓電網(wǎng)建設(shè)及大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供強有力的技術(shù)支撐，并促進了大功率電力電子、電力系統(tǒng)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)進步發(fā)展。這些應(yīng)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?zāi)軠p少或排除電網(wǎng)發(fā)生大面積停電的隱患，在大量的工程實踐中已得到驗證。中國科學(xué)院院士盧強表示，假設(shè)某一條特高壓線路發(fā)生一個大的干擾故障，一個大的交流同步系統(tǒng)能不能保持安全和穩(wěn)定呢？中國電力科學(xué)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(wǎng)安全穩(wěn)定提供良好的技術(shù)支撐，一系列創(chuàng)新性的科研成果來自仿真試驗。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。