“张北的风点亮北京的灯”，这句话不仅向全世界形象展现了史上首次100%绿电奥运的创举，也让大量仍对“碳中和”不明觉厉的普通民众直观理解了什么是“新型电力系统”。
不过，鲜为人知的是，100%绿电奥运背后，离不开张北柔直工程和电网仿真技术的有力支撑。
张北柔直工程是集大规模可再生能源友好接入、多种形态能源互补和灵活消纳、直流电网构建等于一体的重大科技试验示范工程。这个全球首创的大项目，要求工程的研发、规划、调试和并网等过程都要利用高精度的仿真技术先行研究、验证、测试等，然后，才能正式建设、投入运行。
“我们对张北柔直工程进行了5800个工况、8万余次仿真计算，开展了工程并网特性、运行方式安排、控制保护策略、故障应对措施等全方位的仿真分析和实验验证，保障了工程顺利投产和高质量服务北京冬奥会绿电供应。”国家电网仿真中心数模混合仿真研究室主任朱艺颖介绍。
技术突破
电力系统仿真技术发展分为两个阶段：物理模型阶段和数字模拟阶段。
最初，人们通过物理模型试验来研究电力系统。这些模型类似于我们常见的售楼处沙盘模型，就是把实物等比例缩小，以便研究。
但随着电力系统发展，电网规模不断扩大，复杂程度也不断提高，物理模型已不再能满足大系统实验研究需求。此时，在计算机技术的加持下，就出现了数字模型代替物理模型的新型仿真系统。
电力系统是个动态系统。所以，电力系统仿真技术不仅要像桥梁模型那样研究物理问题，而且要研究动态问题——沿着时间轴连续对电网状态变化过程进行计算。
随着计算机技术的发展，电力系统仿真计算速度不断加快，当仿真计算速度与同一时间段内电网沿时间轴变化的速度一致时，即达到了实时仿真。只有仿真工具达到实时仿真时，才具备将实际电网中的设备接入到仿真数字电网进行同步仿真的能力，也就是电力系统数模混合仿真。
国外多家科研机构都针对本国电网开展数字仿真相关技术研究，但其电网复杂程度、运行控制难度远不及我国电网。国际相关技术及经验难以满足我国电网的实际需求。中国电科院的国家电网仿真中心依托国家 863 计划和国家电网公司科技项目，深入开展相关研究，取得了多项重大技术创新，研发了具有国际领先水平的大电网电磁暂态仿真项目。
那么，“大电网电磁暂态仿真项目”又是什么呢?
在直流输电和新能源发电大规模发展之前，国内外均采用机电暂态数字仿真工具研究大电网安全稳定问题，支撑实际电网安全运行和协调控制。当大量直流电源和新能源电源接入电网后，人们开始认识到，机电暂态仿真方法无法准确模拟这些含电力电子器件设备的响应和控制特性，必须使用电磁暂态仿真方法。
然而，电磁暂态仿真步长小，速度慢，建模极其复杂，之前用于仿真局部电网和具体工程，根本无法仿真较大规模的实际电网。于是，在准确地仿真大电网安全稳定性和控制特性方面，出现了仿不了、仿不准、仿不快 的世界级难题。
国家电网仿真中心的大电网电磁暂态仿真项目，就是针对性地解决了这三大世界级难题。
首先是“仿得了”。 该项目攻克了众多技术难题、将大电网仿真时间尺度由毫秒级变为微秒级，实现了含多回直流和高比例新能源的大规模电网的电磁暂态仿真，并实现了工程化应用，仿真规模达到上万节点，可以覆盖两个区域电网，突破了人们对电力系统特性认知的技术瓶颈，彻底解决了现代大电网“仿不了”的世界难题。
其次是“仿得准”。 该项目攻克了子网分解随机优化、任务映射图匹配算法等技术难题，研制了基于高速光纤通信及软同步的大流量分散式数模接口，解决了大规模电力电子控制保护装置和复杂系统保护装置接入万节点级大区电网的数模混合仿真难题，实现了15回直流控制保护装置(约300面屏柜，上万个交互信号)同时接入到大规模实时仿真电网的数模混合仿真，跨越式提升了大电网的仿真精度，解决了对大规模电力电子设备接入电网控制响应特性“仿不准”的世界难题。
最后是“仿得快”。 该项目攻克了多项技术难题，将含大规模电力电子设备的大电网电磁模型启动时长由上百秒减少至5秒以内，实现了多潮流方式与故障组合的大批量仿真作业动态资源配置，计算效率提升3000倍以上，彻底解决了大电网仿真“仿不快”的世界难题。
助跑“双碳”
截至2021年底，国家电网并网新能源装机规模达5.36亿千瓦，成为世界上并网新能源装机规模最大的电网。在碳达峰碳中和目标驱动下，我国提出构建新型电力系统，电力系统的双高(高比例可再生能源、高比例电力电子设备)特点将更加明显。
构建新型电力系统，仿真技术在新能源输送中的作用日益凸显。 不仅是张北柔直工程，技术成果已在西电东送、新能源电力集中外送等各项输变电工程的规划、建设、运营等关键时期发挥了巨大作用。通过精准校核直流输电工程及新能源送出能力;国家电网经营区域内年增加清洁电量消纳超300亿千瓦时，相当于减排二氧化碳3200万吨。
同时，仿真技术在维持电网安全稳定运行中也扮演着愈发重要的角色。
国家电网有限公司国家电力调度控制中心系统处处长贺静波说，电网安全性与经济性存在博弈，需要利用电力系统仿真技术寻找二者的平衡点。我国拥有全球规模最大、电压等级最高、结构最复杂的电网，20年间没有出现大的停电事故的重要原因，是将预想的故障提前在仿真系统中模拟，提前设计控制策略、防御措施。
可以说，仿真是当前掌握复杂大电网特性的唯一手段，被誉为电网安全的“尺”与“秤”，也一直被视为国内外电力行业的核心技术。
仿真技术在我国经历了数十年的发展过程。
早在1981年，我国就提出了电网规划方案必须通过仿真来校核的原则。
从上世纪80年代开始，在国家各类重大项目支持下，周孝信、郭剑波和汤涌等老一辈专家就带领电力系统仿真分析团队持续开展仿真技术研究与软件开发。他们紧密围绕我国发展±500千伏直流输电等重大技术需求，开发了系列软件。电力系统仿真技术也伴随着我国输电技术的发展不断迭代升级。
不过，情况在最近十余年间发生变化。2010年，±800千伏向家坝—上海特高压直流输电示范工程投运。随后几年间，一批特高压直流工程快速建设，大规模新能源机组接入，调度运行人员发现，此前足够精确的电网仿真结果与实际运行情况的偏差越来越大。
于是，2012年，国家电网依托国家863计划开始基础研发。2015年，国家电网仿真中心成立，上百名技术骨干齐聚一堂，决心攻克大规模电网电磁暂态仿真技术。
起初，一些仿真领域的顶尖专家认为这是不可能完成的任务，更断言至少需要20多年。
但办法总比困难多。2017年12月，新一代特高压交直流电网仿真平台通过专家组验收。科研团队提前3年完成了既定目标。
该仿真平台项目成果在特高压交直流输电工程、“一带一路”建设中的电网工程等工程中，以及西电东送、大电网互联、新能源集中外送等电网发展和运行实践中发挥了重要作用，并在国家电网27个省级电力公司全部应用，推动了我国电网输电能力和安全运行达到更高水平。
如今，随着“双碳”目标被提升到国家战略高度，这项科研成果正在助力“双碳”目标实现、加快构建新型电力系统中履行更加重大的历史使命。
