新型電力系統(tǒng)仿真工具研究初探

董雪濤，馮長有，朱子民，唐君毅，劉 震，徐 志，亢朋朋

（1. 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學研究院,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830001；2. 國家電網(wǎng)有限公司國家電力調(diào)度控制中心,北京市 100031；3. 新疆電力系統(tǒng)全過程仿真重點實驗室,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830001；4. 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力調(diào)度控制中心,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830002）

0 引言

電力系統(tǒng)是實現(xiàn)能源轉型的關鍵支撐,構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實現(xiàn)中國“30·60”雙碳戰(zhàn)略目標的必然途徑［1-2］。2021 年3 月,中央財經(jīng)委員會第九次會議明確提出了實施可再生能源替代行動、構建新型電力系統(tǒng)的重要部署,未來電網(wǎng)將在能源清潔化發(fā)展和電力技術革新的共同推動下,實現(xiàn)新能源和跨區(qū)域電網(wǎng)的高質(zhì)量、跨越式發(fā)展［3］。伴隨這一過程中系統(tǒng)高比例可再生能源和高比例電力電子設備接入的“雙高”特征凸顯,電網(wǎng)特性的復雜程度和運行難度驟升。當前,針對復雜大電網(wǎng)穩(wěn)定特性的認知與規(guī)劃方案、運行控制策略的制定仍高度依賴仿真分析,現(xiàn)有仿真軟件難以滿足新型電力系統(tǒng)各項分析需求,函須理清仿真工具發(fā)展趨勢,構建完善的仿真技術框架體系并針對新型電力系統(tǒng)開展深入分析研究,從而全面掌握電網(wǎng)安全穩(wěn)定特性［4-5］。

在電力系統(tǒng)向深度低碳、零碳轉變過程中,電網(wǎng)動態(tài)特性隨基礎支撐電源的清潔能源化與火電機組由電量供應主體轉換為電力供應主體的定位變化而發(fā)生深刻轉變［6-7］；規(guī)?；履茉唇尤搿⑷嵝暂旊娂夹g的廣泛應用使得電網(wǎng)逐步呈現(xiàn)高度電力電子化、扁平化和分布化的特點［8］。電力電子元件較低的故障耐受能力和復雜的控制邏輯對系統(tǒng)仿真與安全穩(wěn)定特性的分析提出新的挑戰(zhàn),其快速暫態(tài)過程對電網(wǎng)局部電磁暫態(tài)精細化模型、等效聚合模型的建立和快速求解算法提出更高要求［9-10］；在新型電力系統(tǒng)中,可再生能源經(jīng)由特高壓直流跨大區(qū)輸送成為重要的電能傳輸方式,交流互聯(lián)、直流組網(wǎng)局面的逐步形成使得區(qū)域電網(wǎng)間的耦合特性日趨緊密,對大電網(wǎng)仿真分析的時空尺度和全國范圍內(nèi)電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、分析過程智能化、仿真計算平臺化均提出了新的需求。配電網(wǎng)中不同類型的海量小型、微型分布式電源（DG）的接入、用戶側多能綜合能源系統(tǒng)構建和電網(wǎng)跨區(qū)域互聯(lián)等大電網(wǎng)發(fā)展帶來的海量運行數(shù)據(jù),函須建立完備的、基于全景信息的電網(wǎng)多元數(shù)據(jù)驅(qū)動分析、運行控制體系。探究面向新型電力系統(tǒng)的先進仿真工具發(fā)展路徑與解決方案具有重要戰(zhàn)略意義［11-12］。

本文著眼于“雙高”背景下新型電力系統(tǒng)特征與發(fā)展趨勢,梳理并歸納“雙高”特征對新型電力系統(tǒng)仿真分析帶來的挑戰(zhàn),分析仿真工具發(fā)展趨勢,提出新型電力系統(tǒng)仿真技術框架,展望了目前仿真工具需要關注的潛在技術發(fā)展要點。

1 新型電力系統(tǒng)對仿真分析帶來的挑戰(zhàn)

結合“30·60”雙碳目標的實現(xiàn)時序,可將新型電力系統(tǒng)發(fā)展建設過程以2030 年為關鍵節(jié)點,劃分為轉型期和成型-成熟期兩大階段,最終形成以新能源為主體,火電結合碳捕獲、利用與封存（carbon capture,utilization and storage,CCUS）技術作保障,抽水蓄能、新型儲能和燃氫電站等作調(diào)節(jié)以及負荷側協(xié)同互動為輔助的堅強、智能、數(shù)字化新型電力系統(tǒng)。各發(fā)展階段電網(wǎng)主要特征和電網(wǎng)發(fā)展、仿真軟件帶來的挑戰(zhàn)如圖1 所示。

圖1 新型電力系統(tǒng)各發(fā)展階段特征與仿真分析主要面臨的挑戰(zhàn)Fig.1 Characteristics and main challenges of simulation analysis in each development stage of new power system

新型電力系統(tǒng)不同發(fā)展階段對仿真工具帶來的挑戰(zhàn)主要可歸納為3 個層面:系統(tǒng)動力學特性改變背景下電網(wǎng)穩(wěn)定特性重塑,運行風險增大,跨區(qū)域大電網(wǎng)耦合特性增強；綜合能源體系構建背景下,仿真分析應對的時空尺度、跨度增大；電網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展過程中基于全景信息的數(shù)字驅(qū)動電網(wǎng)分析和運行控制體系重構。

1.1 電網(wǎng)穩(wěn)定特性重塑，運行風險增大

電網(wǎng)穩(wěn)定特性的重塑貫穿新型電力系統(tǒng)轉型、成型和成熟的全過程。高比例新能源和高比例電力電子設備接入電力系統(tǒng),既給系統(tǒng)帶來靈活快速的調(diào)控手段,同時也深刻改變了電力系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)和運行特性。隨著新能源占比提升,起到調(diào)節(jié)及慣性支撐作用的傳統(tǒng)火電機組被新能源機組替代,電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力和穩(wěn)定裕度逐步降低,系統(tǒng)運行風險增大,安全穩(wěn)定問題愈加突顯［13］。

新能源機組獨有的快速動態(tài)響應與低轉動慣量特性將“重塑”系統(tǒng)整體的動態(tài)行為。系統(tǒng)整體動力學特性由機電過程主導逐步轉化為切換控制主導,電網(wǎng)響應更加快速、動態(tài)特性更加復雜,一、二次寬頻帶耦合特征凸顯,故障連鎖演化過程愈加復雜,精細化的電力系統(tǒng)建模及仿真分析技術需求隨之日益增長［14］。中低壓電網(wǎng)中,綜合能源系統(tǒng)與電網(wǎng)的高耦合度所帶來的負荷側多種影響因素和不同接入、匯集方式下新能源機組出力的強波動性、高隨機性、難預測性共同影響下,系統(tǒng)各電壓層級潮流分布、運行方式多變,仿真計算邊界難以確定,影響電網(wǎng)經(jīng)典穩(wěn)定性的各個方面［15-16］。

文獻［17-18］針對“雙高”背景下系統(tǒng)在不同時間尺度上經(jīng)典穩(wěn)定性和寬頻帶電磁諧振/振蕩等新型穩(wěn)定性問題進行分析,指出電力系統(tǒng)在逐步轉變?yōu)橐孕履茉礊橹黧w電源的過程中,需要革新大擾動穩(wěn)定性分析的基礎理論與方法,形成弱中心化甚至去中心化的穩(wěn)定性快速分析與調(diào)控體系；待系統(tǒng)完全轉變?yōu)椤半p高”特征主導時,原有的穩(wěn)定性定義與分類等基礎概念可能不再適用,建立全新的穩(wěn)定性定義與分類是需要解決的首要問題。進一步,需要針對大擾動異構設備機電-電磁暫態(tài)的交互影響及多時間尺度暫態(tài)分析過程中電磁暫態(tài)過程影響的刻畫展開更為深入的研究與分析［19］。

1.2 仿真分析應對的時空尺度、跨度增大

新型電力系統(tǒng)發(fā)展和完善過程中,跨大區(qū)電網(wǎng)間多條特高壓直流同送同受現(xiàn)象的存在,以及未來直流組網(wǎng)的發(fā)展趨勢將使得電網(wǎng)間耦合特性日趨緊密,極大地增大了仿真分析時空尺度上的跨度和范圍；局部電網(wǎng)中熱、冷、氫、氣等能源深度耦合的綜合能源體系構建過程中,負荷特征的柔性、生產(chǎn)和消費兼具特性的轉變,以及電網(wǎng)運行過程中源網(wǎng)荷儲協(xié)同互動的非完全實時平衡模式轉變對系統(tǒng)仿真在多時間尺度的綜合分析上提出了新的挑戰(zhàn)。

當前,電力系統(tǒng)仿真分析主要聚焦于區(qū)域電網(wǎng)范圍內(nèi)新能源機組與傳統(tǒng)同步機組間交織交互因素影響下的電磁暫態(tài)、機電暫態(tài)和中長期動態(tài)過程特性分析,但在跨大區(qū)強耦合電網(wǎng)特性和多形態(tài)能源綜合接入影響下,系統(tǒng)大范圍長時間尺度的慢過程、長過程分析仍是解耦的［20］,當前及未來仿真在計算時各過程交互進行,整體情況如圖2 所示。新能源電量主導場景下,數(shù)倍于負荷的新能源裝機容量所造成的功率波動和熱、冷、氫、氣等大規(guī)模多類型能源轉換系統(tǒng)的接入,將使得電網(wǎng)在小時乃至更長時間尺度上的功率平衡和運行控制難度激增,新能源消納與安全矛盾突出,給電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃、生產(chǎn)運行帶來了極大挑戰(zhàn)［21-22］。

圖2 不同階段仿真分析聚焦的時間尺度Fig.2 Time scale adopted by simulation analysis in different stages

另一方面,隨著對精確模擬電網(wǎng)集群化電力電子設備快速動態(tài)過程和交織交互因素影響下電網(wǎng)慢過程、長過程等多時空尺度上仿真需求的日益增長,系統(tǒng)穩(wěn)定分析對電磁暫態(tài)仿真、數(shù)?；旌戏抡娴染毣抡婕夹g的依賴度也越來越高［12,23］。系統(tǒng)分析過程中,所需模型參數(shù)和建模復雜度成倍增加,如何使大規(guī)模風電、光伏基地、儲能場站和綜合能源系統(tǒng)等元件的機電、電磁暫態(tài)等值模型準確性達到實際研究、應用需求的標準,對電力系統(tǒng)仿真軟件提出了更高要求；跨區(qū)域大電網(wǎng)層級仿真需基于超級計算資源開展,以電磁暫態(tài)和數(shù)模混合仿真為主的精細化仿真質(zhì)效面臨巨大挑戰(zhàn)［24］,如何實現(xiàn)機電暫態(tài)仿真過程中電磁與機電參數(shù)的融合、超高維異構系統(tǒng)穩(wěn)定性快速分析、廣域互聯(lián)大電網(wǎng)的電磁參數(shù)平臺化統(tǒng)一建模與統(tǒng)一管理,以及實現(xiàn)大電網(wǎng)機電、電磁等不同仿真引擎的云端調(diào)用,已經(jīng)成為適應大電網(wǎng)電力電子化仿真計算的關鍵環(huán)節(jié)［25］。

1.3 數(shù)字驅(qū)動的電網(wǎng)分析、運行控制體系重構

新型電力系統(tǒng)發(fā)展成型-成熟過程中,社會-物理-信息的高度耦合,對數(shù)字驅(qū)動的電網(wǎng)全景信息分析、運行控制體系重構提出了新的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有仿真體系下,模型驅(qū)動的電網(wǎng)靜態(tài)/暫態(tài)分析基于設備物理模型,并利用嚴格的數(shù)學公式推導關聯(lián)各維度之間的數(shù)據(jù),但其分析過程需做大量相關信息的預處理工作,存在復雜電力系統(tǒng)的交織問題,并缺乏有效的機制來應對模型等效、系統(tǒng)固有誤差、不確定度在不同電網(wǎng)層級上的傳遞和有效評估,更難以有效利用新型電力系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù),發(fā)揮大數(shù)據(jù)帶來的數(shù)據(jù)優(yōu)勢［26］。構建基于電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的電力系統(tǒng)數(shù)字孿生模型,進而建立實時態(tài)勢感知、超時虛擬推演的分析、運行控制體系,可有效解決以上問題［27］?；陔S機矩陣理論對電力系統(tǒng)數(shù)字孿生模型進行分析挖掘,結合時間序列分析、建立相應量化評價指標,能夠?qū)崿F(xiàn)對大電網(wǎng)擾動的影響程度分析和影響范圍評估,一定程度上可實現(xiàn)仿真模型與交織問題的解耦［28］。

數(shù)字驅(qū)動的電網(wǎng)全景信息分析和運行控制體系典型架構如圖3 所示。

圖3 數(shù)字驅(qū)動的電網(wǎng)全景信息運行控制體系典型架構Fig.3 Typical architecture of digital-driven power grid operation control system with panoramic information

通過對系統(tǒng)宏觀層面上全景信息和電網(wǎng)物理設備層面上實時運行信息的廣域智能感知及全面實時連接,構建電網(wǎng)完整映射的數(shù)字孿生體［29］；建立并完善新型電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)和人工智能支撐下的運行分析控制平臺,結合云端協(xié)同、物理-數(shù)字孿生技術支撐的物理系統(tǒng)分析管控等手段,實現(xiàn)調(diào)控運行的智能決策和電網(wǎng)各層級資源的友好、協(xié)同互動；通過互聯(lián)互動、數(shù)字賦能,形成新型電力系統(tǒng)各層級不同類型要素之間的高效協(xié)同與資源優(yōu)化匹配；在數(shù)字層面上,完善機理與數(shù)據(jù)融合的建模方法、自主智能控制策略等關鍵技術,并閉環(huán)作用于物理系統(tǒng),使得安全穩(wěn)定特性分析過程中獲取的信息更為多元化,系統(tǒng)運行控制體系和電網(wǎng)數(shù)字模型實現(xiàn)完善、靈活的自尋優(yōu)、自校正、自愈能力,全面支撐高比例可再生能源并網(wǎng)與消納,促進電網(wǎng)低碳高效運行,從而進一步提升新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平［30］。

2 當前主要仿真工具存在的不足

當前,電網(wǎng)數(shù)字孿生模型和智能分析運行控制體系的構建尚處于起步狀態(tài),相應仿真軟件、系統(tǒng)和平臺較為欠缺；針對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)開展仿真分析的主流軟件從時間尺度層面,可劃分為電力系統(tǒng)中長期生產(chǎn)模擬仿真技術、機電暫態(tài)仿真技術、電磁暫態(tài)仿真技術、機電-電磁混合仿真技術和數(shù)?；旌戏抡婕夹g五大類,每種仿真技術在應對新型電力系統(tǒng)仿真分析時均有各自的優(yōu)缺點。

1）電力系統(tǒng)中長期生產(chǎn)模擬仿真技術

新型電力系統(tǒng)“雙高”特征突顯背景下,電力系統(tǒng)中長期生產(chǎn)模擬仿真技術的重要性進一步突顯。由于新能源和冷、熱等多種能源資源具有波動性和不可儲存性,高比例新能源機組和綜合能源系統(tǒng)的接入使得電力系統(tǒng)實時平衡難度驟增,而實時電力平衡是導致新能源棄風棄光的直接原因［31］。采用時序生產(chǎn)模擬的方法逐時段模擬高比例新能源接入情況下電網(wǎng)的運行情況,是分析新型電力系統(tǒng)中新能源消納能力的重要手段［32］。代表性的模擬仿真工具主要有源網(wǎng)荷一體化生產(chǎn)模擬軟件PSDPEBL、REPS、LPSP_ProS、SPER_ProS、MAPS、BALMOREL、EnergyPLAN、WILMAR Planning Tool 和DIgSILENT 等［33］。

新型電力系統(tǒng)背景下,考慮綜合能源系統(tǒng)接入的大電網(wǎng)長時間尺度生產(chǎn)模擬仿真分析需進一步完善多類型儲能電站、燃氫機組、光熱機組等新設備的精細化仿真模型,并打通與機電、電磁暫態(tài)仿真模型間的模型參數(shù)壁壘,實現(xiàn)不同仿真軟件精細化模型參數(shù)、等效模型參數(shù)間的互通互用與平臺化管理；精益化新能源機組功率預測和電力用戶側綜合能源系統(tǒng)用能分析預測,支撐電源、柔性負荷和多種儲能間非實時電力電量平衡模式的重構,實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的全過程仿真分析,助力系統(tǒng)新能源承載能力的全面評估［34-35］。

2）機電暫態(tài)仿真技術

機電暫態(tài)仿真主要針對同步發(fā)電機機械、電磁轉矩之間不平衡引起的轉子運動變化過程進行分析,仿真步長通常為半個周期或一個周期,主要應用于電力系統(tǒng)功角、電壓和頻率等的機電暫態(tài)過程穩(wěn)定性研究、交直流混聯(lián)大電網(wǎng)規(guī)劃和運行分析,代表性的仿真工具有國外仿真軟件 PSS/E、DIgSILENT、BPA 和國產(chǎn)仿真軟件PSASP 等［36-37］。

該類型仿真軟件采用準穩(wěn)態(tài)相量模型,通常忽略元件的電磁暫態(tài)過程和非基波分量,對跨區(qū)大電網(wǎng)中發(fā)生的同送同受多直流同時換相失敗等典型故障特性的模擬存在局限性,且無法對電力電子設備的開關動態(tài)準確模擬,集中、分布式新能源機組和綜合能源系統(tǒng)等值建模仿真精度也有待完善和提高。此外,當前機電暫態(tài)仿真軟件中基于動態(tài)同調(diào)的多機等值模型無法描述多機設備的序貫動作及時空耦合特性,更難以分析由此導致的多機連鎖反應的問題［38］。

新型電力系統(tǒng)背景下,機電暫態(tài)仿真技術應對的電網(wǎng)規(guī)模驟增,系統(tǒng)功角、電壓和頻率穩(wěn)定分析間的特性耦合也更為緊密,此時系統(tǒng)中的失穩(wěn)可能表現(xiàn)為所有變量的失穩(wěn)［39］?，F(xiàn)有傳統(tǒng)仿真分析理論和求解算法難以應對新型電力系統(tǒng)成型-成熟期的穩(wěn)定分析需求,且軟件中主流求解算法的收斂性易受到電力電子器件快速、大功率波動的沖擊影響,函需基于分布式穩(wěn)定性分析等新型穩(wěn)定性分析方法,實現(xiàn)仿真分析體系的重構,以適應新型電力系統(tǒng)中海量元件組成的特點,并滿足快速穩(wěn)定性分析的需求［40］。

3）電磁暫態(tài)仿真技術

電磁暫態(tài)仿真技術綜合考慮設備元件中電場-磁場耦合關系及相應電壓、電流的變化過程,仿真步長可達微秒或納秒級,主要應用于局部電網(wǎng)及大功率電力電子設備的快速暫態(tài)過程和事故反演分析［41-42］。代表性仿真工具有國外仿真軟件PSCAD/EMTDC、EMTPE、HYPERSIM、RTDS、PSModel和 國 產(chǎn) 仿 真 軟 件CloudPSS、ADPSS/ETSDAC［43］等。電磁暫態(tài)仿真技術具有高仿真精度的特點,但計算速度慢、仿真規(guī)模小,存在常規(guī)發(fā)電機控制器模型不完備、現(xiàn)有網(wǎng)絡元件模型參數(shù)準確度不高、直流控保模型與實際物理裝置特性存在差距、與機電仿真數(shù)據(jù)尚未實現(xiàn)有效融合等缺點；對于多機集群,電磁暫態(tài)仿真的詳細建模將導致維數(shù)災問題［44］。此外,新型電力系統(tǒng)因“雙高”特征而呈現(xiàn)的多種寬頻帶振蕩現(xiàn)象對電磁暫態(tài)仿真技術也提出了新的需求,函須建立兼顧仿真精度與速度、適用于電磁暫態(tài)同步穩(wěn)定分析的標準化仿真模型［45］。

4）機電-電磁混合仿真技術

機電-電磁混合仿真將機電暫態(tài)仿真技術與電磁暫態(tài)仿真技術的優(yōu)點相結合,針對大電網(wǎng)機電暫態(tài)分析過程中電力電子設備密集區(qū)域或重點關注區(qū)域電網(wǎng)開展電磁暫態(tài)建模分析［46］。代表工具包括PSS/E、PSCAD/EMTDC、PSMODEL 和ADPSS等,主要存在的問題是機電/電磁暫態(tài)部分軟件各自維護,通用性差；模型間參數(shù)轉換復雜,模型完備度、精細化仿真質(zhì)效仍待提高；計算過程中存在初始化過程煩瑣、硬件配置要求高等問題。

5）數(shù)?；旌戏抡婕夹g

數(shù)模混合仿真技術在數(shù)字仿真基礎上,通過物理接口與設備實物實現(xiàn)混合仿真,可用于大電網(wǎng)穩(wěn)定性專題研究、設備制造、事故反演及控保策略優(yōu)化等 研 究［47］。 常 見 仿 真 工 具 包 括 RT-LAB、HYPERSIM、RTDS、DDRTS 和ADPSS,其兼顧了數(shù)字仿真靈活與物理設備準確的優(yōu)點,但其實時性、穩(wěn)定性和試驗規(guī)模等方面技術瓶頸和核心仿真能力仍待進一步突破與提升［48］。此外,數(shù)?；旌戏抡嬗布O備要求較高、價格昂貴,甚至需要專門定制,部分底層硬件仍依賴國外技術［49］。

3 先進仿真工具發(fā)展趨勢

為進一步提升新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定特性認知能力,完善自主仿真工具體系和標準化模型庫,增強算法求解能力和仿真建模精細化水平,建立完善的電網(wǎng)多元數(shù)字驅(qū)動智能分析運行控制體系,建議主要從3 個層面來提升仿真工具能力。

3.1 理論研究深入化、仿真工具精細化與國產(chǎn)化

從以下3 個方面進一步提升電網(wǎng)運行特性理論研究深度、仿真建模精細化程度,逐步實現(xiàn)仿真軟件國產(chǎn)化,全面掌握新型電力系統(tǒng)運行特性。

1）提升電網(wǎng)運行特性理論研究深度

新型電力系統(tǒng)中源、網(wǎng)、荷三側電力電子設備比例高,呈現(xiàn)出低抗干擾能力、低慣量和低過載能力等特性,在傳統(tǒng)的穩(wěn)定性問題上將產(chǎn)生諸如寬頻帶振蕩、鎖相振蕩等新型穩(wěn)定性問題,需要基于“分解應對規(guī)模”的去中心化分析思路,結合負荷特性、電網(wǎng)形態(tài)在新型電力系統(tǒng)發(fā)展不同階段的變化特征,綜合考慮電網(wǎng)特性分析過程中的保守性程度,建立適用于分布式和集中式穩(wěn)定性分析的綜合分析方法［50］。在此基礎上,基于大規(guī)模電磁暫態(tài)分網(wǎng)并行計算技術,突破數(shù)?；旌戏抡婕夹g在實時性和仿真效率方面的瓶頸,在計算規(guī)模和仿真精度上實現(xiàn)全網(wǎng)全場景實時數(shù)模綜合仿真,結合新的穩(wěn)定性定義與分類和電力電子設備的建模與仿真,驗證大擾動穩(wěn)定性分析結論,最終形成適應未來“雙高”電力系統(tǒng)的大擾動穩(wěn)定性分析理論與方法［51］。

2）提升仿真精細化水平和算法求解能力

在仿真模型方面,結合設備應用場景和所研究問題的特征,明確模型簡化條件和適用范圍,進而建立細節(jié)度與保真度得到有效控制和評估的精細化仿真模型。

針對機電暫態(tài)仿真軟件,深入研究電力電子設備的等效建模技術,構建適用于跨區(qū)域大電網(wǎng)的直流輸電（含柔性直流）、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）設備、新能源設備（含集中式和分布式）、綜合能源系統(tǒng)中新型電力負荷的精細化模型；改進求解算法,消除大功率快速沖擊下系統(tǒng)因高度電力電子化而產(chǎn)生收斂性能惡化的問題,提升仿真工具對電力電子化電力系統(tǒng)的精細化仿真能力。

針對電磁暫態(tài)仿真軟件,實現(xiàn)基于機電數(shù)據(jù)的電磁暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)轉換與自動建模；針對直流輸電系統(tǒng)電磁模型參數(shù)多、初始方式調(diào)整困難的問題,研究方式智能調(diào)整、快速初始化、初值偏差自適應調(diào)整和快速進入穩(wěn)態(tài)的電磁暫態(tài)仿真平穩(wěn)啟動策略,提出基于電力電子設備端口量約束的仿真模型狀態(tài)變量初值求解方法；設計多時間尺度解耦、網(wǎng)絡分區(qū)解耦、元件解耦的多層級并行仿真框架；提出兼顧計算負載和通信負載均衡性的自動分網(wǎng)優(yōu)化算法和電力電子設備寬頻帶動態(tài)特性建模方法,并研發(fā)了高比例電力電子設備電力系統(tǒng)寬頻帶振蕩特性分析軟件。

3）提升仿真分析工具國產(chǎn)化水平

當前中國自主研發(fā)的電磁暫態(tài)仿真、數(shù)?；旌戏抡娴裙ぞ咴谀Ｐ屯陚湫?、軟件認可度、實時仿真性能、用戶生態(tài)等方面與國際領先水平均存在一定差距,電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真能力、精細化模型建立、數(shù)據(jù)管理和綜合仿真計算平臺的搭建方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)［52］。

在掌握基于機電數(shù)據(jù)的電磁暫態(tài)仿真建模方法的基礎上,進一步研發(fā)實用化工具,實現(xiàn)模型構建與求解方法、啟動策略、仿真框架和優(yōu)化算法上的國產(chǎn)化,進而在仿真模型、仿真算法、軟件穩(wěn)定性上達到國際水平,實現(xiàn)對國外產(chǎn)品的替代。針對目前仿真軟件中底層技術的國外引進情況,及時跟蹤國產(chǎn)芯片、通信技術和國產(chǎn)操作系統(tǒng)的進展情況,評估國產(chǎn)技術在仿真工具中應用的可行性,最終實現(xiàn)仿真工具全面國產(chǎn)化的目標。

3.2 仿真平臺一體化、體系智能化

實現(xiàn)電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬、電磁與機電暫態(tài)仿真模型參數(shù)的融合,電磁暫態(tài)仿真模型參數(shù)的平臺化統(tǒng)一建模、統(tǒng)一管理,以及機電、電磁等不同仿真引擎的云端調(diào)用,是適應跨區(qū)域大電網(wǎng)仿真分析和電網(wǎng)電力電子化仿真計算的關鍵環(huán)節(jié)；構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理應用、通用仿真計算的一體化智能化仿真工作平臺,是減少仿真分析過程中銜接環(huán)節(jié)工作量、提升整體工作效率的重要途徑［53］。通過仿真計算數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模和穩(wěn)定分析計算過程的平臺化、智能化實現(xiàn)仿真工作的一體化平臺建設。

1）大電網(wǎng)仿真計算數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模和仿真平臺

研究電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬、機電暫態(tài)、電磁暫態(tài)仿真計算數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模技術和大電網(wǎng)計算數(shù)據(jù)處理技術來實現(xiàn)仿真計算數(shù)據(jù)平臺化,達到計算數(shù)據(jù)一源多用,滿足不同目標、不同時間尺度以及不同仿真程序的計算需求。通過提升不同算法之間數(shù)據(jù)流轉效率,將平臺功能拓寬至涵蓋不同類型仿真計算,以實現(xiàn)機電、電磁等不同仿真引擎的云端調(diào)用,進一步提升仿真分析效率。

2）穩(wěn)定分析計算全過程平臺智能化水平提升

針對海量電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)的處理和應用,利用大數(shù)據(jù)技術實現(xiàn)高效管理、智能篩選與處理,同時對輸電斷面穩(wěn)定裕度評估、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制策略生成和大電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)快速定位等智能自動化技術進行探索,為潮流計算調(diào)整和方式報告生成的智能化和高效化提供技術支撐［54］。

通過構建領域知識圖譜,以人工智能方法實現(xiàn)對電網(wǎng)運行方式進行高精度和高效率的分析計算；通過仿真工具實現(xiàn)人機混合態(tài)勢判斷、多通道人機混合交互環(huán)境和知識交互的新型電網(wǎng)調(diào)控支撐系統(tǒng),為應對大規(guī)模新能源接入對電網(wǎng)調(diào)控帶來的挑戰(zhàn)做好充分準備。進一步,將人工智能分析技術與超算電磁暫態(tài)云仿真平臺相結合,在系統(tǒng)穩(wěn)定特性分析、穩(wěn)定極限求取和穩(wěn)定策略生成方面具備結果可視化和方式報告自動化生成入庫能力,提升電網(wǎng)運行方式分析速度和精度。以此為基礎,進一步實現(xiàn)人機知識交互、多智能體協(xié)同分析和混合智能持續(xù)進化能力,大幅提升仿真工具、仿真平臺的自動化仿真分析處理能力。

3.3 多元數(shù)據(jù)驅(qū)動綜合防御仿真體系

在前兩部分工作基礎上,結合電網(wǎng)數(shù)字孿生技術,構建多元數(shù)據(jù)驅(qū)動下的電網(wǎng)綜合仿真防御體系,進一步提升新型電力系統(tǒng)復雜電網(wǎng)運行背景下系統(tǒng)分析計算能力,為電力系統(tǒng)運行風險預警、風險評估、降風險措施的制定提供數(shù)據(jù)支撐,最終形成的新型電力系統(tǒng)多元數(shù)據(jù)驅(qū)動全場景綜合防御仿真體系架構如圖4 所示。

圖4 多元數(shù)據(jù)驅(qū)動的新型電力系統(tǒng)綜合防御仿真體系Fig.4 Multivariate-data-driven comprehensive defense simulation system for new power system

1）電網(wǎng)數(shù)字孿生體系構建:研究新型電力系統(tǒng)在數(shù)據(jù)、知識雙重驅(qū)動下的相關性模型、因果性模型構建方法和有機融合技術；研究電網(wǎng)數(shù)字模型在多物理場景下的場路耦合優(yōu)化方法和高效求解技術；研究面向綜合能源系統(tǒng)和集中、分布式新能源大規(guī)模接入背景下配電網(wǎng)分布式資源的多顆粒度數(shù)字孿生建模與特征信息提取、聚合方法；研究基于系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)和多電壓等級層面間信息靈活交互的“源-網(wǎng)-荷-儲”精細化動態(tài)特性辨識和在線建模方法。進一步,構建能夠全面模擬新型電力系統(tǒng)復雜動態(tài)特性的電網(wǎng)智能化數(shù)字孿生模型和仿真分析體系,探究數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的理論精度邊界,優(yōu)化仿真建模精度,提升模型求解算法的求解能力和速度［55］。

2）新型電力系統(tǒng)規(guī)劃設計-發(fā)展建設-調(diào)度運行全過程、多時間尺度數(shù)字化仿真分析平臺與仿真分析體系構建:研究新型電力系統(tǒng)發(fā)展和完善過程中電網(wǎng)復雜行為關聯(lián)分析方法和復雜故障下系統(tǒng)多機設備序貫動作的時空耦合特性分析方法；結合新型電力系統(tǒng)全過程、多時間尺度上穩(wěn)定分析評估與控制策略優(yōu)化需求,開展人工智能技術能力提升研究,實現(xiàn)人工智能技術的“可信、可解釋、可遷移”。在此基礎上,研究多類型綜合能源系統(tǒng)接入背景下基于電力物聯(lián)網(wǎng)的配電網(wǎng)動態(tài)規(guī)劃方法、自適應協(xié)同控制策略和云計算-邊緣計算協(xié)同下的配電網(wǎng)運行、調(diào)控技術,使得電網(wǎng)運行過程中分析和決策能夠在“信息-物理-人”各層面充分交互條件下實現(xiàn)進一步優(yōu)化,全面支撐新型電力系統(tǒng)在不同發(fā)展階段的安全、低碳、高效運行［56］。

3）新型電力系統(tǒng)全場景信息實時感知:研究電網(wǎng)外部環(huán)境中電場、磁場和溫度、光等多元信息與電網(wǎng)內(nèi)部各類型元件、設備間的全景信息映射關系,掌握系統(tǒng)全景特征信息的監(jiān)測、監(jiān)控方法；研究系統(tǒng)設備不同運行條件下環(huán)境能量的分布特性,基于微機械和微結構等新技術,構建電網(wǎng)全景信息分布式實時監(jiān)測網(wǎng)絡；研究系統(tǒng)多源時空信息間的耦合關系及二者的融合理論和方法,進而建立完備的系統(tǒng)設備健康狀態(tài)評估和診斷體系。通過開展上述研究,進一步增強了新型電力系統(tǒng)的可觀性,實現(xiàn)對電網(wǎng)全景信息中有效特征值的辨識和充分利用［57］。

4）新型電力系統(tǒng)實時運行信息集成和安全防控:研究新型電力系統(tǒng)發(fā)展過程中從信息化到數(shù)字化的提升方法；研究社會物理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)多樣性、混雜性特征下的新型電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)自洽融合、質(zhì)量提升和高效利用；研究新型電力系統(tǒng)信息傳遞體系針對網(wǎng)絡攻擊的智能識別與安全防控能力提升方法；研究滿足新型電力系統(tǒng)安全、可靠需求的5G 通信組網(wǎng)和高速通信技術。通過開展上述研究,解決信息-物理耦合下復雜廣域系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)安全問題［58-59］。

5）構建基于穩(wěn)控裝置反饋和氣象信息預警預測環(huán)節(jié)的電網(wǎng)防御:針對當前的仿真軟件在數(shù)據(jù)互通與風險預警方面存在的脫節(jié)現(xiàn)象和直流控保等穩(wěn)控裝置方面存在的盲區(qū)導致仿真分析難以真實、準確地體現(xiàn)電網(wǎng)的實際運行情況,通過增設穩(wěn)控裝置反饋環(huán)節(jié)以提高模擬仿真的真實性,進一步打通模型互通間的障礙,為模擬故障演化提供更為科學的依據(jù)。

新能源機組由于其固有屬性導致出力波動性較大,致使氣象信息預警預測成為機組出力特性分析的關鍵?，F(xiàn)有仿真工具在氣象數(shù)據(jù)分析方面存在短板,將導致新能源并網(wǎng)系統(tǒng)運行風險預警方面存在延遲,在機組出力預測方面精度偏低,給大規(guī)模新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行留下隱患。將適用于新能源機組的氣象信息監(jiān)測、信息處理與存儲技術、多源自我優(yōu)化和智能互動等新興技術應用于新型電力系統(tǒng)仿真、調(diào)控體系,構建氣象信息預測、預警環(huán)節(jié),進一步提升新能源機組的出力預測精度,為仿真平臺在系統(tǒng)運行風險評估和故障預警方面提供基礎數(shù)據(jù)支撐。同時,融合大數(shù)據(jù)挖掘與信息共享平臺,對海量資源監(jiān)測數(shù)據(jù)進行高效管理和統(tǒng)計分析,實現(xiàn)全網(wǎng)新能源中長期、短期、超短期一體化功率預測功能,最終形成集氣象信息監(jiān)控、多源自我優(yōu)化和智能互動于一體的仿真、控制體系。

4 結語

新興技術的發(fā)展和應用,將給電力系統(tǒng)仿真工具的發(fā)展提供動力來源,電網(wǎng)仿真分析工具正逐步向數(shù)字驅(qū)動的多元綜合性仿真體系發(fā)展,但未來較長一段時期內(nèi)模型驅(qū)動的機電、電磁和混合仿真、數(shù)模仿真技術仍是電網(wǎng)分析的重要手段；在新型電力系統(tǒng)仿真體系發(fā)展的高級階段,模型驅(qū)動的仿真技術將與多元數(shù)據(jù)驅(qū)動綜合防御仿真體系更為緊密地結合,最終實現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)空間和多場景下真實物理空間和虛擬數(shù)字空間“信息-物理-人”的充分交互和有機結合。

本文首先分析了新型電力系統(tǒng)的主要特征,梳理了“雙高”特征對新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來3 個層面上的挑戰(zhàn),分析了當前主流仿真工具的不足。在此基礎上,結合電網(wǎng)穩(wěn)定特性研究深入化、仿真建模精細化、仿真軟件智能化與國產(chǎn)化、平臺一體化及電網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展方面的發(fā)展趨勢,分析了未來先進仿真工具的發(fā)展前景,構建了新型電力系統(tǒng)下多元數(shù)據(jù)驅(qū)動綜合防御仿真體系,以期為低碳發(fā)展目標下的電網(wǎng)仿真分析工具發(fā)展提供參考。