近日，河北张家口的风电、太阳能发电通过张北柔性直流电网工程送到北京冬奥会，在奥运历史上首次实现所有场馆100%绿电供应，引起了社会的广泛关注。但鲜为人知的是，作为世界上电压等级最高、输送容量最大的柔性直流工程，张北柔直工程的规划、建设、运行等全过程离不开电网仿真技术的有力支撑。
在位于中国电科院的国家电网仿真中心，更加精准高效的电磁暂态仿真技术，正在电网建设、运行及支撑新能源并网、构建新型电力系统等方面发挥越来越重要的作用。
电网规模和复杂程度前所未有倒逼仿真技术不断升级
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，没有经验可以借鉴，工程研发、调试和并网过程中高精度仿真必不可少。“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冬奥绿电供应。”国家电网仿真中心数模混合仿真研究室主任朱艺颖介绍。
众所周知，电力系统是世界上最复杂的人造动态系统，是现代社会运转的基础，与公路铁路运输、天然气、水利、石油等系统相比，具有电能光速传输、从发电到用电全过程实时平衡、不可中断等特点，安全性和可靠性要求极高。仿真是掌握电网特性、分析规划方案、制定控制策略、验证防御措施的主要手段，也是电力系统的一项关键核心技术。随着电力系统规模不断扩大和复杂程度不断增加，仿真技术必须不断升级换代来适应系统发展的需要。
国家电力调度控制中心系统处处长贺静波介绍：“机电暂态仿真等老一代电力系统仿真技术有力支撑了过去几十年我国电网高质量快速发展。近年来，我国能源转型步伐加快，直流输电和新能源大规模发展，我国电网逐渐成为含有大量电力电子设备、跨大区交直流混联的现代电力系统，网络规模和复杂程度前所未有，系统结构形态和技术基础发生重大变化，原有的仿真技术已跟不上电网发展要求，面临‘仿不了、仿不准、仿不快’等问题，迫切需要研发更加精准高效的仿真技术，构建支撑高比例新能源电力系统的新一代仿真平台。”
据了解，新一代仿真平台于2017年12月26日通过专家组验收，为全面提升对复杂电力系统的认知、分析和控制能力提供了重要的技术手段，已全面用于我国电网发展规划、调度运行决策、新设备研发等方面的分析计算和试验研究。
掌握电磁暂态仿真核心技术持续提高大电网安全水平
据了解，在传统交流电网发展阶段，国内外主要采用机电暂态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。然而，随着直流和新能源大规模接入电网，电网安全面临新的问题。英国、澳大利亚等国的电网大停电事故表明，电力电子设备与交流电网交互作用，存在复杂的动态过程和连锁反应风险，容易造成大面积停电事故。机电暂态仿真方法主要用于模拟交流发电机转子的慢速运动过程，无法准确模拟电力电子器件设备的快速响应和控制特性，必须采用更加精细的电磁暂态仿真方法。
“电磁暂态仿真是高精度的仿真技术，用电磁暂态来开展大规模电网的仿真计算，相当于以纳米级的结构精度来建造整个摩天大楼，难度可想而知，被很多业内专家认为是不可能攻克的世界级工程难题。但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、不得不去攻占的阵地。”贺静波介绍，为此，国家电网仿真中心在研发新一代仿真平台的过程中，攻克了模型算法、数值稳定、计算技术及平台架构等一个个技术难题，将大电网仿真时间尺度由毫秒级细化至微秒级，实现含多回直流和高比例新能源的大规模电网电磁暂态仿真，在我国特大规模电网中实现工程化应用。该项技术的仿真规模达到上万个节点，电磁模型的启动时长由上百秒减少至5秒以内，提升计算效率3000倍以上，各项技术达到国际领先水平。
据了解，新一代仿真平台的核心设备、技术和软件已完全实现国产化。截至目前，除前述张北柔直工程外，新一代仿真平台项目成果还在西电东送、大区电网互联、特高压交直流输电工程、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，并在国家电网所属全部网省公司应用，保障了我国电网输电能力和安全运行达到更高水平，产生经济效益超过120亿元。
另据悉，该项目成果已在南方电网等国内数十家单位应用，并推广至巴西、巴基斯坦等国家的电网工程。
将助力构建新型电力系统应对更高比例新能源并网
从2009年至今的10余年间，国家电网已建成“15交14直”特高压工程。截至2021年底，国家电网并网新能源装机规模达5.36亿千瓦，成为世界上最复杂、并网新能源装机规模最大的电网。
在碳达峰、碳中和目标驱动下，我国提出构建新型电力系统，承载高比例新能源接入。电力系统的双高（高比例新能源、高电力电子设备）特点将更加明显，节点规模和复杂控制元件的数量急剧增大，再加上特高压交直流工程持续建设，大电网安全运行将更加复杂，对仿真计算的规模化能力、准确性、高效性等要求也将进一步提高。
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，为我国能源加快转型提供强有力的基础技术支撑。同时，国家电网仿真中心将进一步总结梳理电网仿真方法，积极应用大数据、人工智能等新技术、新设备，优化适应电力系统新形态下的有效、准确的计算理论、方法，推动仿真技术在电网科学规划、提升新能源并网占比、提高电力系统运行效率、提升电网安全稳定性等方面继续发挥重要作用。
