“張北的風點亮北京的燈”，這句話不僅向全世界形象展現了史上首次100%綠電奧運的創舉，也讓大量仍對“碳中和”不明覺厲的普通民眾直觀理解了什么是“新型電力系統”。
不過，鮮為人知的是，100%綠電奧運背后，離不開張北柔直工程和電網仿真技術的有力支撐。
張北柔直工程是集大規模可再生能源友好接入、多種形態能源互補和靈活消納、直流電網構建等于一體的重大科技試驗示范工程。這個全球首創的大項目，要求工程的研發、規劃、調試和并網等過程都要利用高精度的仿真技術先行研究、驗證、測試等，然后，才能正式建設、投入運行。
“我們對張北柔直工程進行了5800個工況、8萬余次仿真計算，開展了工程并網特性、運行方式安排、控制保護策略、故障應對措施等全方位的仿真分析和實驗驗證，保障了工程順利投產和高質量服務北京冬奧會綠電供應。”國家電網仿真中心數模混合仿真研究室主任朱藝穎介紹。
技術突破
電力系統仿真技術發展分為兩個階段：物理模型階段和數字模擬階段。
最初，人們通過物理模型試驗來研究電力系統。這些模型類似于我們常見的售樓處沙盤模型，就是把實物等比例縮小，以便研究。
但隨著電力系統發展，電網規模不斷擴大，復雜程度也不斷提高，物理模型已不再能滿足大系統實驗研究需求。此時，在計算機技術的加持下，就出現了數字模型代替物理模型的新型仿真系統。
電力系統是個動態系統。所以，電力系統仿真技術不僅要像橋梁模型那樣研究物理問題，而且要研究動態問題——沿著時間軸連續對電網狀態變化過程進行計算。
隨著計算機技術的發展，電力系統仿真計算速度不斷加快，當仿真計算速度與同一時間段內電網沿時間軸變化的速度一致時，即達到了實時仿真。只有仿真工具達到實時仿真時，才具備將實際電網中的設備接入到仿真數字電網進行同步仿真的能力，也就是電力系統數模混合仿真。
國外多家科研機構都針對本國電網開展數字仿真相關技術研究，但其電網復雜程度、運行控制難度遠不及我國電網。國際相關技術及經驗難以滿足我國電網的實際需求。中國電科院的國家電網仿真中心依托國家 863 計劃和國家電網公司科技項目，深入開展相關研究，取得了多項重大技術創新，研發了具有國際領先水平的大電網電磁暫態仿真項目。
那么，“大電網電磁暫態仿真項目”又是什么呢?
在直流輸電和新能源發電大規模發展之前，國內外均采用機電暫態數字仿真工具研究大電網安全穩定問題，支撐實際電網安全運行和協調控制。當大量直流電源和新能源電源接入電網后，人們開始認識到，機電暫態仿真方法無法準確模擬這些含電力電子器件設備的響應和控制特性，必須使用電磁暫態仿真方法。
然而，電磁暫態仿真步長小，速度慢，建模極其復雜，之前用于仿真局部電網和具體工程，根本無法仿真較大規模的實際電網。于是，在準確地仿真大電網安全穩定性和控制特性方面，出現了仿不了、仿不準、仿不快 的世界級難題。
國家電網仿真中心的大電網電磁暫態仿真項目，就是針對性地解決了這三大世界級難題。
首先是“仿得了”。 該項目攻克了眾多技術難題、將大電網仿真時間尺度由毫秒級變為微秒級，實現了含多回直流和高比例新能源的大規模電網的電磁暫態仿真，并實現了工程化應用，仿真規模達到上萬節點，可以覆蓋兩個區域電網，突破了人們對電力系統特性認知的技術瓶頸，徹底解決了現代大電網“仿不了”的世界難題。
其次是“仿得準”。 該項目攻克了子網分解隨機優化、任務映射圖匹配算法等技術難題，研制了基于高速光纖通信及軟同步的大流量分散式數模接口，解決了大規模電力電子控制保護裝置和復雜系統保護裝置接入萬節點級大區電網的數模混合仿真難題，實現了15回直流控制保護裝置(約300面屏柜，上萬個交互信號)同時接入到大規模實時仿真電網的數模混合仿真，跨越式提升了大電網的仿真精度，解決了對大規模電力電子設備接入電網控制響應特性“仿不準”的世界難題。
最后是“仿得快”。 該項目攻克了多項技術難題，將含大規模電力電子設備的大電網電磁模型啟動時長由上百秒減少至5秒以內，實現了多潮流方式與故障組合的大批量仿真作業動態資源配置，計算效率提升3000倍以上，徹底解決了大電網仿真“仿不快”的世界難題。
助跑“雙碳”
截至2021年底，國家電網并網新能源裝機規模達5.36億千瓦，成為世界上并網新能源裝機規模最大的電網。在碳達峰碳中和目標驅動下，我國提出構建新型電力系統，電力系統的雙高(高比例可再生能源、高比例電力電子設備)特點將更加明顯。
構建新型電力系統，仿真技術在新能源輸送中的作用日益凸顯。 不僅是張北柔直工程，技術成果已在西電東送、新能源電力集中外送等各項輸變電工程的規劃、建設、運營等關鍵時期發揮了巨大作用。通過精準校核直流輸電工程及新能源送出能力;國家電網經營區域內年增加清潔電量消納超300億千瓦時，相當于減排二氧化碳3200萬噸。
同時，仿真技術在維持電網安全穩定運行中也扮演著愈發重要的角色。
國家電網有限公司國家電力調度控制中心系統處處長賀靜波說，電網安全性與經濟性存在博弈，需要利用電力系統仿真技術尋找二者的平衡點。我國擁有全球規模最大、電壓等級最高、結構最復雜的電網，20年間沒有出現大的停電事故的重要原因，是將預想的故障提前在仿真系統中模擬，提前設計控制策略、防御措施。
可以說，仿真是當前掌握復雜大電網特性的唯一手段，被譽為電網安全的“尺”與“秤”，也一直被視為國內外電力行業的核心技術。
仿真技術在我國經歷了數十年的發展過程。
早在1981年，我國就提出了電網規劃方案必須通過仿真來校核的原則。
從上世紀80年代開始，在國家各類重大項目支持下，周孝信、郭劍波和湯涌等老一輩專家就帶領電力系統仿真分析團隊持續開展仿真技術研究與軟件開發。他們緊密圍繞我國發展±500千伏直流輸電等重大技術需求，開發了系列軟件。電力系統仿真技術也伴隨著我國輸電技術的發展不斷迭代升級。
不過，情況在最近十余年間發生變化。2010年，±800千伏向家壩—上海特高壓直流輸電示范工程投運。隨后幾年間，一批特高壓直流工程快速建設，大規模新能源機組接入，調度運行人員發現，此前足夠精確的電網仿真結果與實際運行情況的偏差越來越大。
于是，2012年，國家電網依托國家863計劃開始基礎研發。2015年，國家電網仿真中心成立，上百名技術骨干齊聚一堂，決心攻克大規模電網電磁暫態仿真技術。
起初，一些仿真領域的頂尖專家認為這是不可能完成的任務，更斷言至少需要20多年。
但辦法總比困難多。2017年12月，新一代特高壓交直流電網仿真平臺通過專家組驗收。科研團隊提前3年完成了既定目標。
該仿真平臺項目成果在特高壓交直流輸電工程、“一帶一路”建設中的電網工程等工程中，以及西電東送、大電網互聯、新能源集中外送等電網發展和運行實踐中發揮了重要作用，并在國家電網27個省級電力公司全部應用，推動了我國電網輸電能力和安全運行達到更高水平。
如今，隨著“雙碳”目標被提升到國家戰略高度，這項科研成果正在助力“雙碳”目標實現、加快構建新型電力系統中履行更加重大的歷史使命。
