新一代特高压交直流仿真平台优化与应用

随着电网向交直流混联结构快速发展，大电网的稳定特性受到严重的影响：一是交直流连锁反应将成为常态，交流电网短路故障（甚至设备的正常操作）将会引发交直流系统连锁反应；二是在特高压交直流大功率输送方式下，故障导致的暂态能量冲击大、影响范围广，成为电网运行控制难点。

电力系统仿真是认识和把握电网的机理、指导电网运行和控制的最重要手段。在“五交八直”投产后，特高压交直流大功率输送方式将成为新常态，交直流连锁反应、电网巨大暂态能量冲击将具普遍性与全局性，成为影响大电网稳定的主要因素。针对未来新的电网形势，现有电力系统仿真工具面临以下挑战：

1）电磁暂态仿真规模需要不断扩大。直流落点密集，单一交流系统故障会引起多回直流同时功率波动，仅对直流及近区交流电网进行电磁暂态仿真，无法准确模拟交直流之间、多回直流之间的相互影响特性。

2）基于电力电子技术（包括常规直流、柔性直流、SVC、STATCOM等电磁建模技术）的装置需要深化研究。特别是直流控制保护装置，控制环节多、硬件和软件逻辑复杂，不同厂家设备控制特性差异大，数字仿真建模困难，目前仍需要基于物理模型的混合仿真对数字模型进行校验和完善。

3）大电网电磁仿真的工程化应用技术水平需要提升。电磁暂态仿真采用分布参数元件和三相瞬时值建模，微秒级步长进行积分计算，运算量巨大、建立初始工况困难，需要依托大规模并行计算技术提高应用效率。目前，虽然在原理上实现了突破，但在大电网电磁仿真工程化应用技术方面，需要进一步提升。

为应对上述挑战，迫切需要创新研发新一代仿真平台（见图5-7），对电网特性进行全面、深入、高效的分析，提高大电网的认知水平和提升运行管控能力，进一步对构建广域互联能源网提供有力的技术支撑。

图5-7 新一代仿真平台建设思路

新一代特高压交直流电网仿真平台包含数模混合仿真和数字混合仿真两个实验室。两个实验室的共性是采用相同的核心计算技术，都需要扩展电磁暂态规模，并解决机电与电磁仿真接口问题。两者区别在于，数模混合仿真接入实际控保，功能定位是电网特定方式的精确仿真；数字混合仿真不接实际控保，功能定位是大电网大量作业的快速计算。通过两个平台的开发和应用，满足公司特高压交直流电网发展、运行的需要，有效地解决电网面临的仿真精度和仿真效率两大问题。

新一代仿真平台建成后，与传统的仿真计算工具共同发挥作用，不同的工具应用于不同场景，形成多场景、多工具联合作业的计算模式，共同支撑未来电网运行。

1.数模混合仿真

如图5-8所示建设以高性能并行计算机为数字实时仿真核心、外接各种实际控制保护装置的数模混合仿真平台：按照与实际工程特性一致的原则，在中国电科院国家电网仿真中心配置控制保护装置；扩充相关数模混合接口装置，满足与各套控制保护装置连接的需要，建立完备的直流输电系统数模混合实时仿真平台。(www.xing528.com)

图5-8 数模混合仿真平台体系架构

数模混合仿真以高性能计算机为计算核心，同时采用多种接口设备将所需实际物理装置接入，实现与一次数字仿真模型联合实时闭环计算，如直流输电工程控制保护装置、多种FACTS装置实际控制器（SVC、TCSC、STATCOM、可控高抗等）、发电机励磁调速控制器、柔性直流控制保护装置等。

通过综合比较ADPSS、HYPERSIM、RTDS等数字实时仿真平台的技术经济性，确定数模混合仿真发展路线：2017年前，HYPERSIM与ADPSS相互补充，适当扩充HYPERSIM软硬件，满足“四交五直”投运后电网发展需要；同时，加快ADPSS技术攻关，扩大电磁规模，提升控制保护接入能力，到2020年前，形成具有自主知识产权的新一代ADPSS数模混合支撑工具，HYPERSIM转为校验系统。

数模混合仿真的建设目标：2018年，电磁暂态仿真规模进一步扩大，能够覆盖华东、西南、西北等单一区域电网220kV及以上的网架及所研究区域内的所有直流工程，均接实际控制保护仿真装置，其余电网采用机电暂态建模，以机电-电磁混合仿真开展支撑工作。

2.数字混合仿真

按照能同时并行处理大量计算作业的需求，配置高性能计算机和存储系统，并采用最新的网络和软件技术互联，成为电网仿真专用的大型并行计算系统，全面支撑发展规划和调度运行的仿真计算分析，如图5-9所示。

图5-9 数字混合仿真平台硬件架构

建立包含资源层、平台层、应用层的超级计算机软件体系，以ADPSS软件为主要基础，进行平台核心计算程序的并行化重构和开发，支撑运行计算分析、电网推演、新技术研发等不同功能，并建立基于云计算的服务支撑体系。

数字混合仿真的建设目标：2018年，电磁暂态仿真规模进一步扩大，能够覆盖三华电网主网架及所有在运直流线路。

在新一代特高压交直流电网仿真平台建设过程中，需要研究攻克大规模电磁暂态算法及实时仿真、机电-电磁混合仿真接口、大规模分网并行、多控保装置与大规模数字仿真接口、电磁暂态指定工况自启动、基于超算的并行化重构、超算资源共享与云计算服务等7大关键技术。