我国的电网相对薄弱，如何有效预防重大的系统崩溃事件？如何从重大系统崩溃事件时有发生的一些国外电网运作中吸取经验教训？作为科研机构的中国电力科学研究院，通过怎样的努力在保障电网安全？日前记者探访了电力系统多尺度全过程仿真与试验系统的创新秘诀——

    全国人大代表、中国工程院院士薛禹胜坦言，我国的电网一向非常薄弱，但是重大的系统崩溃事件却没有发生过，而电网系统非常健全的北美、西欧地区的系统崩溃事件却时有发生。保障电网系统安全，除了要有非常重要的电网的结构，还要有过硬的安全技术、管理技术、控制技术。实践表明，我国基础薄弱的电网能够安全运行，基于电网系统控制技术和自动化技术发展得非常好，目前已领先于发达国家。

    众所周知，电力系统是一个结构复杂、地域广大的巨型人造系统，其运行特性研究对系统的安全稳定运行极为重要。

    如何保证电网科学规划？怎样保障电网安全运行？中国电力科学研究院作为电力科研的生力军，以其雄厚的科研实力与产业根基，通过大量细致的工作，积极推进大电网仿真与试验技术的步伐。百余名科研人员历经10年潜心研究，攻克了电网仿真软件、物理模拟、数模混合仿真试验、建模和数据管理等领域的一系列关键技术，建成功能完备、综合试验能力世界一流的电力系统仿真与试验研究体系，具备了从设备、厂站到特大规模电网的仿真试验研究能力，具备了从电磁暂态、机电暂态到中长期动态的多时间尺度全过程仿真试验研究能力。该系统已广泛应用于全国电网规划设计、调度运行、科研教学等领域，国内市场占有率达80%以上，对我国电网发展和安全运行发挥了不可替代的作用。

    多尺度全过程仿真与试验系统成效显著

    一个能源资源分布与消费需求不平衡的中国，大量能源资源需要远距离输送，无疑需要构成万里输电网络系统。

    据统计，我国水能资源大部分集中在西南、中南和西北地区，仅四川和云南两省的可开发装机容量就达1.6亿千瓦，约占全国的43%，煤炭能源集中在华北和西北地区。而经济发达的东部沿海地区，能源资源非常短缺，北京、广东、上海等东部七省市的电力消费占到全国的45%以上。为了优化配置能源资源，我国正在实施发展特高压输电、大核电、大水电、大煤电的“一特三大”战略。到2020年将建成15个特高压直流输电工程，并成为世界上拥有直流输电工程数量最多、输送线路最长、容量最大的国家。此外，风电作为技术最成熟的新能源利用方式之一，已实现连续多年的快速增长，截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一，预计到2020年总装机容量将达到1.5亿千瓦；光伏发电近年来也得到了较快增长，预计到2020年总安装容量将达到0.2亿千瓦。国家已规划了多个大容量的风电基地和光伏基地开发计划，这些大规模的新能源发电集中接入电网，对电网的规划、发展与稳定运行都将提出新的挑战。

    从事电力系统仿真分析技术与软件研发的高级工程师宋新立认为，随着电网互联进程的推进和大受端系统的形成，大量的电能需要进行远距离传输，使得电网特性更趋复杂，电网的动态稳定性及电压稳定性问题更为突出。

    大规模交直流混合电力系统，决定了单一的仿真与试验手段无法满足我国电网发展规划、工程建设和运行控制的需求。国内外原有的电力系统仿真与试验手段不完备、仿真能力不足，存在各时间尺度过程独立仿真、新设备模型缺乏、数模混合仿真中直流输电系统规模小、仿真精度低等问题，在交直流输电和大功率电力电子设备的研制与运行、多馈入直流和广域控制保护研究等方面，都不能满足我国电力工业发展和电网安全运行的需求。长期从事电力系统稳定控制研究的教授级高工卜广全认为：为了保证我国电力系统安全、经济运行，必须采用多角度、多层面、全过程的仿真与试验手段，为此，需要突破大电网仿真与试验体系中的一系列关键技术。

    为此，中国电力科学研究院成立了以汤涌总工程师为首的科研团队，对大电网仿真与试验相关技术进行了数年的科技攻关。在多时间尺度全过程仿真领域，研发的仿真软件“PSD电力系统分析软件包”，算法先进，模型丰富，适应性强，性价比高，市场竞争力强，技术经济效益显著，软件包的多时间尺度全过程仿真能力和实用性超越了国内外同类产品；在数模混合仿真领域，首次实现了数字实时仿真装置与物理仿真装置的双向功率连接，完成了特高压直流输电物理仿真设备及其控制保护系统的开发和集成，建立了大规模复杂交/直流电网的数模混合仿真系统，是世界上第一个能够对特高压交直流混合电力系统进行数模仿真试验研究的实验室；在动态模拟试验领域，项目拥有特高压、可控串补、可控高抗、电子式互感器等多种的新设备模型；提出了规范化和精细化的建模技术标准，提出了能够反映实际电网特性的考虑配电网络的综合负荷模型（SLM）结构和负荷建模基本原则，实现多级电网调度规划数据的规范管理和统一校核，显著提高了仿真精度。近3年来，项目成果累计销售收入1.2亿元，节省国家投资3亿元以上；预计进一步推广应用可节省国家投资20亿元以上，科研成果变成了实实在在的经济效益，同时也为我国电网安全稳定运行做出了重要贡献。

    2009年9月，项目通过了中国电机工程学会组织的技术鉴定，与会专家一致认为：项目取得了一系列具有自主知识产权的创新性成果，总体达到国际领先水平。其领先性表现在：

    仿真模拟技术水平居世界领先水平；

    仿真模拟系统规模居世界第一；

    实现国家电网骨干网架的数字及模拟仿真分析，大电网仿真试验能力居世界第一；

    进行特高压系统保护、自动化装置等元件的测试试验，电力系统动态模拟性能居世界第一；

    建成大电网调度、运行、控制的闭环试验研究环境，电力系统运行和控制仿真试验能力居世界第一。

    国家重点工程实验室的科技创新

    无庸置疑，电是现代文明的动力基础，是国家发达程度的重要标志，安全用电已成为维护社会公共安全的重要内容。中国电力科学研究院名誉总工程师印永华认为：任何一个电网都不可能绝对排除发生停电事故，随着电网发展迅速，大规模交直流混合电力系统的特性日趋复杂，如果发生停电事故所造成的经济损失无法估量，如何减少或排除电网发生大面积停电的隐患，唯有仿真与试验。

    电力系统的运行特性研究对系统的安全稳定运行极为重要，没有实际的动态特性试验得不到真实的电网数据，而开展动态系统试验又是一项复杂而艰巨的系统工程。2005年3月29日的东北大扰动试验，共有64个单位、2000余名人员参加，仅准备时间前后就花了几个月。由于电能的生产、传输、消费是同时进行的，要对一个复杂和庞大的动态系统做试验，不仅关系到电厂、变电站、输电线路、用电设备，还涉及工厂、企业、医院和普通百姓，试验前必须做大量细致的准备工作，确保电网安全、数据测定、通讯协调等万无一失。因此，开展系统实际试验费时费力，这就决定了大量的试验研究不可能在实际系统进行，要认识和掌握电力系统的运行特性，必须通过仿真试验的手段来完成。

    电网仿真与试验手段可分为实时和非实时两种。实时仿真与试验又可分为物理动态模拟、数模混合半物理仿真、全数字仿真三种。实时仿真依靠试验室的专有硬件装置，其速度与实际系统动态过程完全相同；非实时仿真采用数字仿真软件，能够模拟系统静态和动态特性，是适于广泛应用的电网研究工具。这些模拟手段各有所长，互为补充，所组成的电网仿真与试验体系是对电网规划、建设和安全运行的重要技术支撑。

    仿真模拟试验研究越接近实际，研究结果才能越真实。仿真中心动态模拟实验室尤如一座袖珍发电厂，模拟发电厂的运行状态，进行发电机的物理模拟。在做电压动态模拟试验时，项目组的科研团人员大胆采用1500V电压模拟1000kV这一目前世界最高模拟电压。这个实验室不仅模拟电压等级高，模拟的元件种类也非常齐全。

    主电源和备用电源的切换也是模拟实验的重要内容，对于一些有重大影响活动必须有备用电源，其切换时机的把握影响着活动效果。据周春霞主任介绍，北京奥运那样的大型活动如果主电源停电，备用电源的切换超过10毫秒电视转播就会停止，超过几十毫秒钠灯就会熄灭后再启动，现场观众就会有停电感。而变电站的模拟更具神奇，能根据需要模拟各种元器件，还可以迅速搭建电力系统。

    在电力系统数模混合仿真实验室，不仅采用数字模拟，还用物理模型仿真，这是目前精确模拟大规模交、直流输电系统的较好方案。数模混合仿真既能充分发挥全数字实时仿真规模大、效率高的特点，又能做到准确真实地模拟大功率电力电子器件。这里没有旋转的发电机组，却能够精确地模拟发电机、动态负荷、感应电动机等旋转器件的工作状态。

    电力系统仿真试验研究是保证电网安全稳定运行的重要基础，在电力系统规划设计和调度运行中，必须通过仿真试验研究来优化确定规划设计方案和运行控制策略。

    团队合作攻关精神成为财富

    火车跑得快，全靠车头带。中国电力科学研究院总工程师汤涌长期从事电力系统仿真技术与软件开发、电力系统运行分析、电力系统稳定控制等领域的研究，是自主创新的“电力系统多尺度全过程仿真与试验系统”项目的负责人。项目自开题以来，他带领年轻的科研团队始终坚持自主创新，并瞄准国际仿真与试验技术前沿，对多时间尺度全过程数字仿真、数模混合半物理仿真、物理动态模拟、大电网运行和安全监控试验环境、实测建模和数据管理等关键技术进行科学攻关与系统开发，结合多种仿真手段的技术优势，互为补充，相辅相成，成功实现功能完备、综合试验能力世界领先的电力系统多尺度全过程仿真与试验研究系统。

    置身电力系统，这个巨大而复杂的非线性动态系统，含有多种不同时间常数的变量，电网受到扰动后的响应过程也混合着快变化和慢变化这一多时间尺度的特性。作为世界知名的电力系统仿真分析技术专家，汤涌主持建立的一整套具有自主知识产权的大电网仿真与试验体系，使我国的大电网仿真与试验摆脱了依赖外国的局面。完成的“交直流电力系统多时间尺度全过程仿真建模、软件开发与工程应用”项目，获2010年度中国电力科学技术奖一等奖和国家电网公司科技进步一等奖，开发完成的PSD电力系统分析软件包，在全国电力系统得到广泛应用，获2007年度第三届中国技术市场协会金桥奖。负荷建模研究成果分别于2007年、2009年、2010年获国家电网公司科技进步一等奖、陕西省科学技术奖一等奖、国家电网公司科技进步二等奖，为年轻的科研工作者树立榜样。

    目前，该系统可模拟50000节点以上大规模电网长达数小时的动态全过程，可实现多达6回双极直流输电物理模型的数模混合仿真，可实现阻抗角高达88.5°的多电压等级交流输电线路和新型电力电子设备的物理动态模拟，可实现20000节点级电网运行和安全控制的闭环试验研究。依托该成果建成了“电力系统仿真国家工程实验室”和“电网安全与节能国家重点实验室”，同时取得发明专利授权9项、受理18项，软件著作权7项，形成国标2项、行标2项、企标3项，出版专著1部。

    依靠该成果，中国电力科学研究院建立了青藏直流的详细模型，并对相关控制方案进行了细致的仿真试验分析工作，通过高效、全面的仿真试验，为青藏直流联网工程提供了重要的技术支撑。2011年12月9日，世界最高海拔、高寒地区建设的规模最大、施工难度最大的输变电工程——青藏直流联网工程投入试运行。同时，研究成果在我国电网发展规划、交直流输电重大工程建设、国家电网和南方电网调度运行中得到广泛应用。尤其是三峡输变电工程、西电东送、特高压交\直流输电等重大输电工程系统的仿真与试验研究，多项国家自然科学基金、973计划、国家科技支撑计划和国家电网公司重大科技与工程项目等，有力地保障了我国电网发展的科学规划，降低了大面积停电风险，为我国特高压电网建设及大电网安全稳定运行提供强有力的技术支撑，并促进了大功率电力电子、电力系统控制保护等相关电力装备产业及其他行业技术进步发展。这些应用成果的推广大幅度地提升了我国电网仿真试验和分析研究水平，优化了电力产业资源配置。

    良好的仿真试验能减少或排除电网发生大面积停电的隐患，在大量的工程实践中已得到验证。中国科学院院士卢强表示，假设某一条特高压线路发生一个大的干扰故障，一个大的交流同步系统能不能保持安全和稳定呢？中国电力科学研究院坚持开展了五六百种情况下的仿真实验，就是最好的回答！仿真试验为电网安全稳定提供良好的技术支撑，一系列创新性的科研成果来自仿真试验。这就是仿真试验的科学之处，也是仿真试验项目研究的意义所在。（记者 束洪福）