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1、1 2009年7月14日 完成人 周孝信 吴中习 林集明等汇报人 周孝信完成单位 中国电力科学研究院 电力系统全数字实时仿真关键技术研究 装置研制和应用 1 主要汇报内容 2 2 停电前 停电后 美加8 14大停电卫星照片 停电后的夜景 停电后人们受困 电力系统是由发电 输配电和用电组成的大型人造系统 在带来巨大效益的同时 还时刻面临来自外部和内部故障对安全运行的威胁 若不能及时的采取正确的处理措施 就会导致局部或大面积的停电事故 造成巨大的经济损失和社会影响 一 立项背景及总体思路 立项背景 1 3 4 特高压交流 葛上直流龙政直流 福双线 一 立项背景及总体思路 立项背景 2 三万线 我国
2、已建成装机容量高达数亿千瓦 面积覆盖全国大部分地区的互联电力系统 确保电力系统运行安全 避免大范围停电事故的发生和蔓延 是维护国家能源供应安全的重要任务 4 5 一 立项背景及总体思路 立项背景 3 通过对大规模电力系统的实时和超实时仿真 掌握运行中电网遭受故障条件下的动态特性 对各类安全稳定措施和控制保护设备进行验证考核 是达到避免大停电事故 保障电力系统安全运行的重要举措 数字仿真是电力系统仿真技术的发展方向 现有电力系统数字仿真技术和仿真手段不能满足我国大规模电力系统实时和超实时仿真的要求 5 一 立项背景及总体思路 立项背景 4 现有电力系统仿真分析数字计算方法和软件主要用于电力系统运
3、行方式的离线分析 不能满足实时仿真和在线应用的要求 上世纪90年代国际上推出的电力系统实时数字仿真装置RTDS基于专用硬件 只适合小规模电力系统的仿真试验 6 为满足我国大规模 交直流混合电力系统仿真的要求 研发新型电力系统实时数字仿真装置成为我国新世纪电力系统技术发展的急需 其中大规模互联电网仿真的实时性和大容量电力电子设备与大电网相互影响的仿真精确度 成为电力系统实时数字仿真技术必须解决的两大技术难题 一 立项背景及总体思路 立项背景 5 7 7 8 一 立项背景及总体思路 任务来源 8 9 一 立项背景及总体思路 总体思路 电力系统全数字实时仿真装置外观图 9 二 主要科技创新 10 1
4、0 基于机群服务器 多机分网并行计算 机电 电磁暂态混合的实时数字仿真系统的总体架构 保证了大电网实时仿真功能的实现 11 二 主要科技创新 1 11 二 主要科技创新 12 12 提出分网并行通用算法 端口逆矩阵法 解决了大规模电网仿真时间长 无法实现实时仿真的难题 旁证 发明专利ZL03126462 XZL200410000154 7 二 主要科技创新 2 13 38 47 串行计算 分12网并行计算 仿真时间 秒 4 02 13 14 二 主要科技创新 3 提出电磁暂态过程并行计算方法 节点分裂法与分布参数线路解耦法相结合 兼顾并行计算的灵活性和计算效率 旁证 发明专利ZL0312646
5、2 X 14 15 二 主要科技创新 4 提出分极 分整流 逆变侧 交直流分割并行的直流输电系统电磁暂态实时仿真算法 为实现外接直流输电控制装置的闭环仿真试验奠定了基础 旁证 发明专利ZL03126462 X 15 16 不同网络划分方法效果比较 二 主要科技创新 5 提出机电暂态网络自动划分算法 优化边界表法 提高了分网均匀度和计算效率 旁证 发明专利ZL03126462 X 16 17 二 主要科技创新 6 1 提出机电暂态与电磁暂态并行混合仿真接口方法 实现了快慢不同时间尺度暂态过程的联合仿真 解决了大容量电力电子设备与大电网相互影响仿真准确度的技术难题 旁证 发明专利ZL0312646
6、2 X 17 18 网络划分示意图 机电暂态网络 电磁暂态网络 二 主要科技创新 6 2 通过分网并行计算 实现了万节点级国家电网的机电暂态 电磁暂态混合实时仿真 电磁暂态侧仿真结果 线路三相电流 机电暂态侧仿真结果 发电机功角 18 二 主要科技创新 19 19 20 二 主要科技创新 7 提出具有强通用性 扩展性和兼容性的多模型统一接入方法 机电暂态仿真综合接口平台 旁证 发明专利ZL03126461 1 20 21 实际电网作为试验背景 二 主要科技创新 8 1 提出并解决了实时仿真中同步 实时控制以及与外部物理装置的输入输出接口问题 实现了大电网背景下实际物理装置的闭环仿真试验 旁证
7、发明专利ZL03126461 1 21 22 逆变侧换流器触发角 鄂三峡左 1机 珞璜发电机的功角曲线 系统规模母线 4884发电机 657负荷 1484交流线 3257直流线 1变压器 2161 机电暂态仿真 国家电网背景下的直流输电控制装置试验 二 主要科技创新 8 2 22 23 UFV 200C型安全稳控装置 发电机出口开关电流录波图 系统规模母线 3171发电机 462负荷 962交流线 1802变压器绕组 2482 华东电网背景下的安稳控制装置试验 二 主要科技创新 8 3 23 24 三 主要技术经济指标 实现了10000节点级电网的机电暂态实时和超实时仿真以及机电 电磁暂态混合
8、实时仿真 满足全国电网实时仿真的需要 实现了与调度自动化EMS实时数据接口 继电保护 稳定控制装置 直流输电及可控串补控制装置等仿真试验 作机电暂态和电磁暂态的混合实时仿真时 机电暂态仿真步长不超过10毫秒 100节点20台发电机电磁暂态实时仿真步长不超过50微秒 24 四 与国内外实时仿真技术的比较 25 与国内外先进水平比较 本项目在实时仿真规模 并行算法 硬件平台等多方面具有明显优势 完全可以替代并优于RTDS等国外实时仿真装置 25 26 五 相关知识产权及第三方评价 1 获奖及相关知识产权情况 获发明专利3项 其中 电力系统数字仿真装置 获得第十届中国专利优秀奖电力系统数字仿真装置
9、专利号 ZL03126461 1电力系统数字仿真方法 专利号 ZL03126462 X电力系统潮流分网并行计算方法 专利号 ZL200410000154 72008年度中国电力科学技术奖一等奖获软件著作权一项电力系统电磁和机电暂态过程仿真软件 授权号2007SR04499发表论文23篇 其中EI收录12篇 26 27 专家鉴定意见 专家鉴定认为 项目研发的成果具有自主知识产权 总体技术达到了国际领先水平 五 相关知识产权及第三方评价 2 鉴定意见 27 五 相关知识产权及第三方评价 3 查新报告 电力系统全数字实时仿真装置具有的技术要点 除委托单位的文献外 在所检出的相关文献中未见报道 28
10、28 总结几句 五 相关知识产权及第三方评价 4 用户评价 用户评价表明 该仿真装置已成功用于直流输电 可控串补 继电保护 励磁控制 安稳控制等装置试验 以及大电网运行特性及控制策略研究等方面 成为电网仿真分析和装置测试的有力工具 29 29 30 目前本装置已在国家电力调度通信中心 国家电网仿真中心 江苏省电力试验研究院 山东大学等9家生产 科研 教学单位投运 在大电网安全稳定分析和试验研究中发挥重要作用 六 应用推广和经济社会效益 1 应用情况 1 应用于国家电力调度中心 应用于江苏省电力试验研究院有限公司 应用于安徽省电力科学研究院 应用于山东大学电气工程学院 应用于河北省电力研究院 应
11、用于国家电网仿真中心 30 31 六 应用推广和经济社会效益 1 应用情况 2 作为基础仿真平台 实现在线动态安全分析 预警和决策支持的功能 帮助调度员迅速准确地掌握电力系统的运行状态 在电网出现安全隐患时 及时给出控制或预警措施 为国家电网的安全运行提供技术保障 构建国家电网的仿真模型 为电网运行方式的分析和预演 电网事故重现和对策 控制系统的研发与验证等提供实验环境 31 32 六 应用推广和经济社会效益 2 经济效益 2005至2008年底 累计实现销售收入3000万元 替代国外进口产品 增收节支1 03亿元 随着本装置在上百家网省电力公司 科研机构及高等院校推广应用 可为国家节省投资1
12、0亿元以上 装置在电网中的广泛推广应用 能够进一步优化电网运行方式 避免大停电事故 具有重大社会经济效益 32 33 六 第三方评价和应用情况 3 社会效益 应用于电气控制设备的入网检测 工程调试 运行维护 提高了设备运行可靠性 应用于电网调度人员的动态仿真培训和反事故演习 提高运行人员素质和电网安全运行水平 33 七 作用和意义 在大规模电力系统实时仿真技术上取得重大突破 推动了电力系统实时仿真技术进步 实现了软硬件系统的全部国产化 通过与计算机 网络通讯学科交叉集成 促进了高性能计算机技术在电力系统中的应用 大幅度提高我国电网仿真试验和分析研究水平 为电力系统新技术 新装备的研究提供强有力
13、的手段 34 34 八 主要完成人贡献 35 35 八 主要完成人贡献 36 36 八 主要完成人贡献 37 37 38 八 主要完成人贡献 38 38 39 谢谢 39 39 2020 4 25 40 机群系统配置 2020 4 25 41 Myrinet网并行计算测试结果 2020 4 25 42 10000节点系统分网并行计算时间 10秒动态过程仿真 2020 4 25 43 PSASP EMT 机电电磁暂态混合仿真并行算法 算例 修改后的IEEE14系统单线图 网络分割 以母线6为边界点 包含 1 2 4机的部分网络为机电暂态计算网络 其余部分为电磁暂态计算网络 4 1 2 2020 4 25 44 电磁暂态仿真的并行算法 IEEE14节点系统 分网并行计算与串形计算结果比较母线Bus5处发生三相接地短路0 1秒 计算步长50微秒母线BUS 6 BUS 11的A相电压 2020 4 25 45 机电电磁暂态混合仿真并行算法 与EMTP对比 BUS4母线A相电压 BUS3 BUS4线路A相电流仿真波形 BUS4三相短路0 1秒 2020 4 25 46 2005年1月4日11点58分 武南变电站发生单相接地故障后 运行在抽水状态的沙河抽水蓄能机组 出现大幅功率振荡引起发电机 电动机保护跳闸 仿真曲线 红色 与故障录波图 黑色 一致
