国网河北电力：在仿真“微秒时代”捕风捉光

初冬时节，分布在冀中南部平原山区的280座风光发电场站进入大发时段。当徐徐转动的风机、熠熠生辉的光伏板为电网带来股股电流时，有一群人正在加紧攻关，努力将清洁能源发电瞬息万变的特性精准刻画进电网系统。

在位于石家庄高新技术开发区河北电力科技园内的河北省能源互联网仿真建模与控制重点实验室，一组组仿真机、上位机正全速运行，工作人员专注地测算着风光发电设备的各类参数，为每一座风光发电场建立实测模型。

文／特约记者 庞彦娟 齐锦涛

在过去一年中，国网河北省电力有限公司依托河北省能源互联网仿真建模与控制重点实验室成立仿真建模集中攻关团队，聚焦新能源场站实测建模技术，将模型偏差控制在5%以内，累计完成201座集中式新能源场站实测建模。

把新能源场站“搬”进大电网

河北省南部地区并非新能源富集地区，多年来，河北南网保持着火力发电“一家独大”的局面，新能源发电在很长时间内发展缓慢。

转变发生在2018年，河北南网新能源装机容量一年的增长超过了此前十年的总和。2023年年底，河北南网的新能源装机 容量达到3663 万千瓦，占比 52.8%，成为网内装机第一大电源。如今，河北南网的新能源出力最大波动接近用电负荷的一半，对电力系统安全稳定运行的影响也不容小觑。

一直以来，借助场站实测模型进行电力系统安全稳定分析，是确保大电网安全稳定运行、新能源最大程度消纳的最有效手段。在对电力系统进行的安全稳定分析中，新能源场站也在沿用传统的新能源典型计算模型。最典型的计算模型是新能源发展初期，为了便于分析而由人工梳理出的四类模型。目前，河北南网有新能源场站280座，这么多设备型号各异、规模大小不一的场站仍然只能从四个典型计算模型中寻找相近的代替，这使得仿真模拟的精准性大大降低。

要想精准刻画出新能源场站的特性，需要用实测模型替代典型模型。河北省能源互联网仿真建模与控制重点实验室技术带头人王磊说:“实测模型，就相当于在电脑中为每一座新能源场站孪生出一模一样的场站。这个模型从场站结构、电气设备型号及特性到运行参数都要与现实运行的场站高度一致、对应还原。”

2021年5月，从沧县星途光伏场站开始，河北南网新能源场站实测模型的搭建工作正式启动。

在实验室里测准设备特性

“实测建模要分两步走，首先通过各种实验，了解新能源发电设备在实际运行中的各项特性，并提取参数，然后建立模型描述这些特性。”王磊的描述简洁明了，但实际上，他和团队的每一步都走得不容易。

新能源发电设备中，最为关键的是逆变器。出于技术和商业考虑，逆变器厂商将有关设备参数视为“独门绝技”，通常不愿意提供相关参数和控制逻辑。

“我们只能先摸索逆变器的每项参数，再参与到整体实验中，模拟新能源发电高峰、低谷等各种情况，摸清设备做出的各种应对策略。”李子璠是国网河北电科院建立的新能源仿真建模攻关团队成员之一，他把摸清设备参数的过程比作“盲人摸象”。

“最早的时候，工作人员需要用卡车拉着实验设备到新能源场站，通过现场人工短路实验，提取设备的各个参数。实验过程繁琐、周期长，存在一定风险，最重要的是受实验器材限制，提取参数有限。”他解释道。

如何更高效、更全面地提取逆变器参数，成为摆在攻关团队面前的第一道难题。从2022年开始，李子璠和团队成员开始参与仿真建模攻关，并逐渐摸索设计出了逆变器半实物测试平台。大个头的逆变器搬不进来，就把逆变器核心的控制器运到实验室，避开了对控制器黑箱参数的辨识过程，大大节省了时间。

研究过程中，攻关团队发现，随着逆变控制等技术的发展，河北南网新能源场站中应用的主流组串式光伏容量为100～300千瓦等级，逆变器变得体型小、容量低。他们在原有半实物测试平台的基础上，改进搭建了大功率全实物仿真平台，可支持额定功率430千瓦以下的光伏逆变器、风机变流器进行各类特性测试。“这样一来，逆变器、控制器直接以实物参与实验，好比做一桌菜，这两个菜品是直接从饭店买来现成的，不影响口味，还大大减少了烹饪时间。”李子璠介绍。

新能源场站中另一类不可或缺的设备就是无功补偿装置。作为新能源场站的主要无功电源之一，这类装置对新能源场站电压的支撑能力起着决定性作用，精准了解它的特性，对优化新能源调控、推进绿电消纳至关重要。“但是无功补偿装置结构复杂，装置元件种类、数量极多，如果按照传统的实验方式，通过一根根接线，把它接入仿真平台，数百根接线要耗费大量硬件资源，同时数据量也非常巨大，我们现有的平台无法满足。”王磊和团队被这一局面困扰。

既然接线会大量占用硬件资源，攻关团队决定放弃传统的接线方式，而是将无功补偿装置中的所有数据打包，通过光纤协议转换器直接读取数据包。攻关团队对原有仿真机进行优化，应用光纤协议转换器去完成无功补偿装置控制器输出大规模数字信号与上位机之间的采样、接收、转换、通信，最终实现1微秒小步长的低延迟、高精度仿真测试。

“也就是说，每1微秒我们就能获得一个无功补偿装置的数据包，以这种精度，我们可对目前市场上各类无功补偿装置展开实验。”王磊很欣慰，不但解决了问题，更有力提升了攻关团队的能力。

让程序自动算出准确模型

在提高实验各环节效率的同时，研究团队也在探索模型建立的创新点。“模型建立，就是将我们之前通过实验提取的设备参数，归纳为一个方程式，同时确保方程式的解可以覆盖新能源场站的所有工况。”王磊介绍。

实际工作中，建模涉及成百上千的设备和数以万计的数据，流程繁琐、步骤复杂，且涉及多个专业知识领域，尚未形成标准化、规范化流程，即便是专业能力过硬的员工，完成起来也是耗时费力。

以新能源建模控制环节参数建模为例，仅这一项工作就涉及电压、有功电流、无功电流、有功功率和无功功率等共计49项参数的辨识。再加上待拟合工况数量多、参数耦合性强，典型光伏场站的待拟合工况为26项，风电场则需拟合32项，所拟合参数需同时在各项工况条件下满足要求，测试计算流程复杂，参数的每一次迭代都需要遍历所有工况，依靠人工计算和经验辨识的方法不仅主观性强、标准化及自动化程度低，且计算周期长、重复计算次数多，效率低下。

2021年，实测建模这项工作刚起步时，一个人完成一个场站的建模，大概用了四个月左右的时间。彼时，各省市新能源场站建模都处在起步阶段，市场上并没有成熟的软件程序，规范的建模流程亦无经验可循。针对建模过程中的计算任务繁重的问题，王磊带着攻关团队自主开发了一款集成数据读取、数据处理、结果可视化的高度自动化软件，可涵盖实测建模中参数辨识、结果迭代、偏差测算、模型验证、参数寻优等多个环节，可一键完成偏差计算并生成报告。

针对新能源场站集电线路参数建模技术门槛高的难题，团队开发出一款程序，即使是新入职员工，只要将线路参数和接线布局输入界面，软件即可自动智能搜索算法完成拓扑构建和集总参数等值计算，有效降低了工作难度，原本需要3～5天的工作现在1分钟内就可以完成。

为了突破仿真软件权限受限的局面，攻关团队利用电力系统仿真软件（BPA）模拟程序，通过参数设置实现仿真模拟及参数寻优，得到最优参数后依托BPA进行验证，摆脱了BPA的算力和权限限制，实现了参数自动寻优，同时保留了仿真计算精度和可靠性，大幅提升了模型参数提取及拟合速度。

通过一系列软件程序的开发，攻关团队实测建模的精准度和效率越来越高，模型偏差控制在5%以内，典型新能源场站单人单场站建模的时间从一个月缩短到了一周。

截至今年10月，河北南网累计完成201座集中式新能源场站实测建模，实测建模进度达74%，单机实测建模达到129个，仅用一年时间就完成了“加强大电网电磁暂态仿真工作三年行动计划”的任务。在精准新能源场站模型的支撑下，电网运行方式实现了优化，大大提高河北南网新能源发电的送出与消纳能力，年增清洁能源消纳电量超过60亿千瓦时。