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新型電力系統仿真分析、測試驗證。 一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、成果簡介 隨著“雙碳目標”國家能源戰略的確定和新型電力系統概念的提出，我國能源轉型力度持續加大，逐步形成了大量新能源接入電力系統的局面。由于風能、太陽能等新能源與常規能源稟性差別很大，其并網發電系統具有顯著不確定性、波動性和機械慣量缺失等特點。此外，高比例電力電子裝備、新一代直流輸電、多能互補的綜合能源、各類大規模儲能電站、各種通信及自動化新技術裝置等因素使得新型電力系統組成要素愈加復雜，動態特性蘊含諸多未知，造成系統規劃設計、裝備制造、系統集成和運行控制等都面臨史無前例的挑戰。目前，電力科研院所、規劃設計單位、裝備制造廠家、教育培訓機構等對新型電力系統開展仿真分析、測試驗證的需求很大、很迫切。同時看到，新型電力系統的這些新型場景對仿真技術要求苛刻，門檻很高。 1）新型電力系統需要精細化動態模擬。人們對新型電力系統動態行為的認識還不夠深入，無論是基礎理論層面還是工程技術層面還處于廣泛討論、觀點碰撞或局部示范試驗階段。然而，電力設施的新技術路線試錯成本極高，不太可能對所有備選方案和技術選項都逐一示范。因此，開展大量深入的仿真研究是推進新型電力系統實施的必要手段。對于新型電力系統，需要深入開展仿真研究的領域包括：①新型電網體系結構研究；②新能源接入電網關鍵技術； ③ 新能源電網保護與自動化技術； ④源網荷儲協同控制與優化調度；⑤新型配電網的電能質量分析與控制；⑥人工智能等新技術對新型電力系統的支撐。 2）新能源基地并網需要做穩定性評估。大規模陸上及海上風電集中接入局部電網有可能引發次/超同步振蕩、寬頻諧波諧振等電網安全穩定性問題，需要對這些問題進行機理及應對策略分析。所以需要對包含多類型新能源裝備的局部電網做精細化動模仿真測試。然而，百千臺級風光機組電磁暫態詳細建模與仿真是一個卡脖子難題。 3）軟、硬件在環仿真是必要的。新能源及儲能電站的電力電子變流器控制及保護策略是廠家核心機密，對外不公開。由于控保策略對裝置外特性及其接入系統的響應特性有重要影響，故需要分析內部核心控保策略。需要將新能源及儲能控制器實物或黑盒模型接入測試平臺開展動模仿真，以對其多時間尺度動態響應特性進行精細化分析。軟、硬件在環試驗對仿真平臺提出了更高要求。 4）超大規模儲能電站的仿真難度大。①單個儲能機組的設備形態發生改變，從兩/三電平變流器向模塊化多電平變流器（MMC）的復雜結構演變，甚至采用儲能跟變流器集成，故需要對這種復雜新形態做精細化測試驗證。②超大規模、超大機組的儲能電站包含較多并聯儲能單元或者儲能機組，吉瓦時級儲能電站，需上百臺機組并聯。另外，儲能變流器的控制策略正從電流源型向電壓源型轉變，控制策略趨于復雜化，故需要大量的儲能變流器的控制裝置接入測試平臺，才能對實現對儲能單機以及多機之間協調控制性能測試，進而實現超大規模、超大機組的儲能電站的精細化仿真。 5）現代直流輸電控制與保護測試提出更高要求。超/特高壓直流輸電系統應用于新能源基地外送的控制保護策略及其硬件在環試驗對實時仿真平臺硬件資源要求苛刻，既要對直流輸電系統建模，又要對新能源基地建模，應用場景的復雜性對仿真平臺要求更高。 1 技術分析（創新性、先進性、獨占性） 1.1 國產化實時仿真技術現狀 實時仿真是指仿真模型執行進度與系統時鐘完全同步的一類仿真，具備這種特性的仿真裝置稱為實時仿真器。新型電力系統的認知、試驗、生產、培訓需求快速增長，形成了實時仿真領域巨大潛在市場。但目前RTDS、RT-LAB等進口設備依舊壟斷市場，對于大規模新能源場站、縣域規模萬節點級電力系統、多端特高壓直流輸電等應用場景電磁暫態仿真，所需的仿真資源巨大，平臺造價極高。且關鍵核心技術處于卡脖子狀態，平臺應用的靈活性和開放性受到很大限制。只有開發和推廣國產化實時仿真技術才能為順利推進新型電力系統建設過程中的研究和生產提供自主可控的工具和手段。 1.2 UREP與進口設備的對比試驗  為了實現電力實時仿真器的國產化替代，徹底解決電力實時仿真領域的技術“卡脖子”問題，國產實時仿真器UREP需要與國際主流技術進行對比，力求達到甚至超過目前世界最先進的技術。對標對象為行業公認的電力系統實時仿真儀（RTDS）和行業廣泛使用的RTLAB，以上兩款設備均為加拿大生產。對比試驗方案如圖1-1所示。制定標準（典型）測試算例，分別在UREP、RTDS和RTLAB環境下搭建測試算例的仿真模型，在完全相同的測試條件和試驗內容下得到各種仿真器的仿真結果，比較仿真結果的一致性。同時比對仿真規模、建模效率和編譯時間等關鍵指標。             圖1-1  國產UREP與進口設備對標方案 1.2.1電氣網絡仿真對比    圖1-2表示了一個多支路網絡，基于圖1-1中三種仿真器搭建該模型，通過不斷增加支路數擴大網絡規模，直到仿真器過載，得到仿真器的算力極限。         圖1-2  多支路電氣網絡 在50us仿真步長下，對于圖1-2案例RTLAB最大仿真規模為78個 三相節點，UREP也為78個 三相節點，二者相同。在編譯速度方面，RTLAB編譯時間為3分52秒，UREP編譯時間為1分12秒，UREP是RTLAB的3.22倍。      圖1-3  基于RTDS的仿真模型  當基于RTDS建模時，如圖2-5，每塊PB5最多允許24個節點；當基于NovaCor建模時，在超大步長150us下可以達到100節點，在50us步長下仿真規模未知。 2.2.2 雙饋風機仿真對比   雙饋風機含有電機、傳動鏈、電力電子變流器和控制系統，是具有代表性的新能源元件。在在50us仿真步長下，對于如圖1-4案例，RTLAB最大仿真規模為6臺，UREP也為6臺，二者相同。在編譯速度方面，RTLAB編譯時間為7分0秒，UREP編譯時間為2分12秒，UREP是RTLAB的3.18倍。                圖1-4  雙饋風機測試案例 2.2.3 直流輸電仿真對比   直流輸電是最復雜的電力電子裝備，有換流閥、閥控制器、極控制器、站控制器等一次和二次系統，是實時仿真領域的難點，也是檢驗仿真器能力的試金石。圖1-5是雙端單極直流輸電系統測試用例，每端包含2個六脈波橋，控制保護包括了閥控、極控和主控模型，封裝于藍色模塊內。   圖1-5 雙端單極直流輸電系統測試用例 將圖1-5所示算例分別在RTLAB和UREP中建模運行，在單核可用資源下，若仿真對象為電氣主系統和控制保護組成的整個系統，則RTLAB過載，UREP也過載。若仿真對象僅為電氣主系統（即雙側電源、交直流濾波器和4個6脈波橋），則RTLAB和UREP均不過載。在編譯速度方面，RTLAB編譯時間為3分40秒，UREP編譯時間為1分11秒，UREP是RTLAB的3.10倍。 2.2.4 同步發電機組仿真對比    同步發電機目前仍是電力系統主力電源，是電力系統的主要仿真對象。同步發電機組模型包括同步發電機、調速器、勵磁調節器及升壓變。搭建多臺同步電機并列運行算例，如圖1-6所示。   圖1-6  同步電機并列運行算例 在50us仿真步長下，對于圖1-6案例RTLAB最大仿真規模為11臺，UREP為13臺。在編譯速度方面，RTLAB編譯時間為3分51秒，UREP編譯時間為1分16秒，UREP是RTLAB的3.04倍。 2.2.5 最小步長對比 基于CPU的最小仿真步長能夠體現仿真計算時間的抖動問題，抖動越小，允許的仿真步長就越小。因此，通過比較最小仿真步長，也可以反映仿真器的計算性能。仿真對象采用單臺雙饋風機，模型包括風力機、繞線異步電機、機側變流器、網側變流器、主動系統、所接入的配電網等元素，如圖1-7所示。             圖1-7  測試最小步長算例 經測試，RTLAB最小仿真步長為24us，UREP最小仿真步長為20us。可見，UREP具有更小的仿真抖動。 2.2.6 仿真精度對比 為了驗證國產UREP的仿真精度，采取和RTDS交叉對比驗證方法說明UREP的仿真精度。電力系統仿真包括電磁暫態和機電暫態，因此，從電磁暫態和機電暫態兩個方面進行對比，同時考慮各種應用場景，以覆蓋各種情形。電磁暫態檢測案例的電網拓撲如圖1-8所示。 圖1-8 電磁暫態檢測使用案例 無窮大電源電壓等級為110kV，頻率為50Hz，系統內阻抗為；L1、L3線路阻抗為，L2、L4線路阻抗為， T1、T2兩變壓器的額定容量均為，短路電壓，空載損耗，空載電流，短路損耗，變比，高低壓繞組均為Y形聯結；假設系統A1、B1、A、B處供電負荷為(5+j1)MVA，C1和C處供電負荷為1+j0.1MVA。UREP建模如圖1-9所示。   圖1-9 電磁暫態檢測案例的UREP仿真模型 基于RTDS建立電磁暫態案例的仿真模型如圖1-10所示，其電壓過零點短路控制如圖1-10所示。   圖1-10  RTDS仿真模型   圖1-11  RTDS電壓過零點短路控制結構 對上述模型，分別使用UREP和RTDS進行實時仿真，仿真時間為0.2s，短路故障發生在0.06s-0.16s之間，仿真步長為100微秒，橫軸表示在0.2s時間內仿真采樣點數，縱軸表示母線電壓、電流，單位分別為V、A。在母線A點處發生三相短路，短路前后及短路期間的三相電壓波形如圖16-7。為了顯示細微之處，將圖1-12局部放大后，如圖1-13。   圖1-12  A點發生三相短路時三相電壓波形   圖1-13  A點處發生三相短路時三相電壓波形局部放大 點劃線為RTDS仿真結果，虛線為UREP仿真結果。可以看出，兩種仿真結果高度重合，表現出電磁暫態仿真結果的高度一致。電磁暫態過程除了表現在電壓動態還表現在電流動態，短路前后及短路期間的三相短路電流波形如圖1-14。   圖1-14 A點處發生三相短路時三相電流波形 圖1-15  A點處發生三相短路時三相電流波形局部放大圖 1.3  對標結論 （1）在內核資源完全等同條件下，國產UREP和RTLAB的仿真算力基本相同，即內核授權數相同條件下，具有相同的仿真規模。 （2）國產UREP的建模效率和編譯速度遠遠高于RTLAB。小規模場景下，UREP是RTLAB的3倍左右，大規模場景下UREP是RTLAB的45倍左右。 （3）在仿真對象完全相同的條件下，國產UREP和RTDS的電磁暫態仿真結果完全相同，二者交叉對比沒有差別。

系統可實現在網絡環境下，完成注塑模具的并行設計。通過智能化提示，進行參數化繪圖，自動生成三維模型，并由三維模型直接或通過標準的IGES格式轉換進入不同系統的CAM模塊，實現設計與制造信息共享，達到CAD/CAM一體化。提高模具設計質量，縮短設計制造周期。

本研究針對復雜鑄件整體制造難、制模周期長、資源消耗大等難題，構建無模鑄造復合成形原理及機制，發明復雜砂型/芯數字化柔性擠壓近成形、切削凈成形方法，研發出砂型擠壓/切削復合成形工藝，省去木模、金屬模制造過程。 一、項目分類 關鍵核心技術突破 二、成果簡介 鑄造是我國裝備制造的基礎工藝，無論是農業機械、機床、汽車、船舶，還是航空航天以及國防軍工等領域的發展都離不開鑄件。我國現已成為世界鑄件生產大國，2020年我國各類鑄件總產量達到5195萬噸，較2019年同比增長6.6%，約占世界總產量45%，位居世界第一位。 鑄造主要有砂型鑄造、金屬型鑄造和特種鑄造等，砂型鑄造由于其原材料來源廣泛、成本低、鑄型制造簡便以及應用合金種類多等優點，世界上80%的鑄件都是采用砂型鑄造。對于砂型鑄造工藝來說，模樣、芯盒等模具的設計制造是非常復雜并且耗時的過程，該過程首先需要根據鑄造方案進行模具的設計，然后通過翻模制作砂型和砂芯，之后再將制作好的砂型和砂芯經過組芯、合箱以及澆鑄從而完成金屬毛坯的制造。而高性能復雜整體金屬結構件又是航空航天、國防軍工、軌道交通等領域高端裝備的核心組成部分。因此構件的短流程、高精密、高性能制造是實現我國高端裝備自主研發及制造的關鍵環節。 傳統的金屬成形如模具鑄造、模壓鍛造等需要木模、金屬模的成形工藝，存在工序多、流程長、形性精確控制難等世界性難題，無法滿足多品種、小批量、短流程、高精度的迫切要求，亟需研發新型精密成形基礎前沿機制與方法。本項目將構建數字化精密成形理論體系，涵蓋數字化無模鑄造復合成形和數字化多材質復合鑄型等兩方面，突破了復雜整體構件高效率、高性能、高精度無模成形技術，變革了采用模具造型的傳統砂型鑄造和模壓鍛造生產模式，推動傳統金屬成形模式的創新發展。 復雜砂型/芯曲面柔性擠壓近成形、切削凈成形的數字化無模鑄造復合成形技術與裝備 本研究針對復雜鑄件整體制造難、制模周期長、資源消耗大等難題，構建無模鑄造復合成形原理及機制，發明復雜砂型/芯數字化柔性擠壓近成形、切削凈成形方法，研發出砂型擠壓/切削復合成形工藝，省去木模、金屬模制造過程。揭示了擠壓工藝對砂型透氣性、砂型強度等性能的影響規律，發明了梯度緊實的柔性擠壓成形方法，實現了砂型/芯梯度緊實柔性擠壓近成形。 復雜鑄件形性精確調控的數字化多材質復合成形技術與裝備 本研究針對傳統單一鑄型對結構復雜、壁厚差異大、鑄件形性調控難、尺寸精度差等難題，提出了多材質復合鑄型技術及與鑄件相匹配的多材質復合鑄型及其坎合組裝方法，通過建立多材質復合鑄型與高性能鑄件一體化精確鑄造成形的計算分析模型，構建了多材質復合鑄型的調控原理與方法。揭示了多材質復合鑄型對鑄件溫度場、微觀組織及力學性能的影響規律，研制出石英砂、寶珠砂、鉻鐵礦砂等構成的形性可控鑄型材料配方，實現了鑄型透氣性、固化強度、切削性能的協同調控。研究了傳統鑄型與復合鑄型的凝固溫度曲線，對比了不同工藝所制鑄件的強度，掌握了各鑄型單元的熱力學參數及型砂種類對鑄件性能的影響規律，揭示了金屬液與不同鑄型間的熱力耦合作用機理。 三、創新點及主要技術指標 1.復雜砂型/芯曲面柔性擠壓近成形、切削凈成形的數字化無模鑄造復合成形技術與裝備 本研究揭示了砂粒移位、橋連斷裂、空穴彌合的砂型/芯切削機理，建立了非均質離散體砂型切削模型，發明了一種切削排砂一體化的無模鑄型數字化快速制造方法，實現了高精高效制造，鑄件制造周期縮短50%以上，成本降低30%以上。 2.復雜鑄件形性精確調控的數字化多材質復合成形技術與裝備 本研究實現了對鑄件充型凝固過程的精確調控，提高了復雜鑄件內在質量與外在精度，實現了鑄件性能主動精確調控，使鑄件廢品率從5%～10%降至2%～4%，減重10%～20%。 四、知識產權及獲獎（成果基礎） 知識產權情況： 成果獲授權發明專利46件，其中美日等國際發明專利18件；軟件著作權12件；起草制定國家、行業等標準規范14項；出版專著《無模鑄造》（機械工業出版社，2017）。成果入選并被列為國家工信部《機械基礎件、基礎制造工藝、基礎材料產業“十二五”規劃》（工信部規[2011]509號）中“50項推廣應用的先進綠色制造工藝”的首項技術。 獲獎情況： 2020年國家科學技術進步獎二等獎； 2018年中國機械工業科學技術獎特等獎； 2017年國家技術發明二等獎； 2016年中國機械工業科學技術獎特等獎； 2016年中國專利金獎； 2014年國家科學技術進步獎一等獎； 2012年北京市科學技術獎一等獎； 2011年國家科學技術進步獎二等獎。 五、成果圖片

系統可實現在網絡環境下，完成注塑模具的并行設計。通過智能化提示，進行參數化繪圖，自動生成三維模型，并由三維模型直接或通過標準的 IGES 格式轉換進入不同系統的 CAM 模塊，實現設計與制造信息共享，達到 CAD/CAM 一體化。提高模具設計質量，縮短設計制造周期。

XM-131D女性骨盆帶韌帶、血管、神經、盆底及器官模型 ? XM-131D女性骨盆帶韌帶、血管、神經、盆底及器官模型可拆分為6部件：女性骨盆帶第五腰椎、韌帶、血管、神經、盆底肌群、及子宮部分直腸等6部件；其中子宮、膀胱、直腸又可以剖開成2部分，顯示肛門外括約肌、尿道外括約肌、會陰淺橫肌、會陰深橫肌、球海綿體肌、坐骨海綿體肌、會陰中心腱、肛提肌各個部位均可拆卸，直腸、連帶輸卵管與卵巢的子宮及陰道作正中矢狀切可分成2部件，骨盆模型的右半部能顯示髂總動脈、髂內外動脈及髂總靜脈、髂外靜脈分布及解剖結構，顯示右骶叢、右坐骨神經與右陰部神經，顯示骨與韌帶及左右兩側髖骨、恥骨聯合、骶骨、尾骨、帶椎間盤的第五腰椎。模型通過第五腰椎、骶骨與尾骨的正中矢狀切骨盆可分成左右兩部分，并能顯示錐管中的馬尾成分，第五腰椎體的左半部分可以拆卸，模型的右半部分可顯示骨盆韌帶及腹股溝韌帶、骶結節韌帶、骶棘韌帶、骶髂前韌帶、骶腰韌帶、前縱韌帶、骶髂骨間韌帶、骶髂后韌帶，以及閉孔膜等結構。 尺寸：自然大，27×19×22cm 材質：PVC材料

XM-130B男性骨盆帶韌帶、血管、神經、盆底及器官模型 ? XM-130B男性骨盆帶韌帶、血管、神經、盆底及器官模型可拆分為7部件，顯示了男性骨盆的骨骼、韌帶、血管、神經以及盆底肌肉和外部性器官的彼此連接，通過一個正中切面展示了整個骨盆，右邊的外部肛門括約肌、坐骨海綿體肌、會陰淺橫肌和深橫肌，以及球海綿體肌均可拆除， 直腸、膀胱、前列腺和陰莖也可在正中一拆為二，陰莖部分的皮膚和筋膜已部分去除，因此可見血管和神經，陰囊和精索區域的部分皮膚也已去除，因此睪丸和附睪是可見的。在左側，精索以不同層進行顯示，在右側，睪提肌以及精索內筋膜已經暴露。右半部分骨盆顯示了常見的外部和內部髂動脈及外部髂靜脈，顯示了彼此之間的位置關系。仙骨神經叢、坐骨神經叢、陰部神經叢、陰莖背神經叢、陰囊前神經、會陰神經、肛門神經以及輸精管均有顯示。模型還展示了以下骨骼及韌帶：雙側髖骨、恥骨聯合、骶骨、尾骨以及第五腰椎和椎間盤。正中切面通過第五腰椎、骶骨以及尾骨，因此骨盆可以被拆分成兩半，這意味著馬尾(脊尾)在椎管內可見。第五腰椎的左半部分可以被拆除。以下韌帶也可見：腹股溝韌帶、骶結節韌帶、骶棘韌帶、髂骶前韌帶、髂腰韌帶、前縱韌帶、棘上韌帶、骶髂骨間韌帶、骶髂骨后韌帶、骶尾外側韌帶、骶尾后淺韌帶、閉鎖膜以及腔隙韌帶。 尺寸：自然大，17×18×30cm 材質：PVC材料

XM-131D女性骨盆帶韌帶、血管、神經、盆底及器官模型 ? XM-131D女性骨盆帶韌帶、血管、神經、盆底及器官模型可拆分為6部件：女性骨盆帶第五腰椎、韌帶、血管、神經、盆底肌群、及子宮部分直腸等6部件；其中子宮、膀胱、直腸又可以剖開成2部分，顯示肛門外括約肌、尿道外括約肌、會陰淺橫肌、會陰深橫肌、球海綿體肌、坐骨海綿體肌、會陰中心腱、肛提肌各個部位均可拆卸，直腸、連帶輸卵管與卵巢的子宮及陰道作正中矢狀切可分成2部件，骨盆模型的右半部能顯示髂總動脈、髂內外動脈及髂總靜脈、髂外靜脈分布及解剖結構，顯示右骶叢、右坐骨神經與右陰部神經，顯示骨與韌帶及左右兩側髖骨、恥骨聯合、骶骨、尾骨、帶椎間盤的第五腰椎。模型通過第五腰椎、骶骨與尾骨的正中矢狀切骨盆可分成左右兩部分，并能顯示錐管中的馬尾成分，第五腰椎體的左半部分可以拆卸，模型的右半部分可顯示骨盆韌帶及腹股溝韌帶、骶結節韌帶、骶棘韌帶、骶髂前韌帶、骶腰韌帶、前縱韌帶、骶髂骨間韌帶、骶髂后韌帶，以及閉孔膜等結構。 尺寸：自然大，27×19×22cm 材質：PVC材料

本發明提供一種薄膜非連續卷繞輸送模切裝置，包括：放料輥，用于對成卷柔性薄膜的放卷；收料輥，用于對成卷柔性薄膜的收卷；輸送對輥，設在所述放料輥和收料輥之間，用于完成薄膜進給；摩擦對輥和設在放料輥上的滑差軸，用于協作保持薄膜在進給過程中的張力穩定；模切機，用于完成薄膜裁切；工業相機，用于對薄膜的模切切痕成像；工業計算機，用于對模切切痕成像進行圖像處理，處理得到的誤差作為薄膜輸送進給步長的精度補償。本發明通過視覺裝置識別薄膜上的模切切痕，圖像處理所得薄膜進給誤差，補償下一步薄膜進給步長，有效保證薄膜非連續卷繞進給工況下，模切機薄膜進給精度和裁切切口均勻性。

主要模擬換熱器的進口溫度、出口溫度、蒸汽溫度和流量。配接WGRZ―3型換熱器在線監測儀可以測量進口溫度、出口溫度、蒸汽溫度和流量，實現蒸汽溫度自動控制，記錄污垢熱阻值和變化曲線，和計算機通信，打印垢層厚度、污垢沉積率等曲線，實現連網。（參閱專利產品WGRZ―3型換熱器在線監測儀簡介）。取出試驗管，用失重法，測出腐蝕率、污垢沉積率等參數。

水浸超聲C掃描檢測設備主要由超聲激發/接收單元、三維機械掃描部件、工業控制計算機和C掃描軟件等組成。該設備可以用于復合材料、金屬材料內部缺陷的檢測，在原理樣機的基礎上進行再開發可以實現大型復合材料部件檢測。 在此設備的基礎上，開發具有高效率、高精度技術特點的無損檢測設備，可以解決我國航空航天新材料、新工藝的檢測問題，顯著提高基礎部件（如大型小曲率平板等）檢測效率和精度，大幅提升我國高端裝備制造質量控制能力。 主要性能指標：1. 檢測方式：脈沖反射法；2. 測量精度：<1mm；3. 可檢材料類型：復合材料、金屬；4. 缺陷類型：脫粘、腐蝕、裂紋、孔洞、分層、夾雜；5. 缺陷位置：表面、內部。水浸超聲C掃描檢測設備是北航無損檢測技術研究中心自主研制的無損檢測設備，具有自主知識產權。