新型電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)理念與發(fā)展路徑

沈 沉，陳 穎，黃少偉，于智同，宋炎侃，高仕林

（1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系,北京市 100084；2. 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院,四川省成都市 610042；3. 清鸞科技（成都）有限公司,四川省成都市 610042）

0 引言

當(dāng)前,中國(guó)電力系統(tǒng)正在快速向“新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”演進(jìn)［1］,具體表現(xiàn)為3 個(gè)趨勢(shì):

1）電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,電能供給不確定性增大。以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模和發(fā)電量將保持高速增長(zhǎng),并呈現(xiàn)集中式和分布式開發(fā)并重的態(tài)勢(shì),電源結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)根本性、不可逆的調(diào)整。受到氣象條件影響,風(fēng)光等電源出力具有顯著的間歇性和波動(dòng)性,增大了電網(wǎng)運(yùn)行的不確定性,系統(tǒng)運(yùn)行工況更加復(fù)雜多變［2］。

2）電網(wǎng)中電力電子設(shè)備的占比不斷提高。多形態(tài)直流輸電應(yīng)用于區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、新能源集中送出以及配電網(wǎng)靈活轉(zhuǎn)供等場(chǎng)景,輸配電網(wǎng)中交直流混聯(lián)區(qū)域不斷增多。與此同時(shí),大量新能源發(fā)電和新型負(fù)載通過(guò)變流器接入電網(wǎng)。電力電子設(shè)備占比的不斷提高改變了電網(wǎng)的基本形態(tài),在提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和靈活性的同時(shí),也深刻改變了系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)理,寬頻振蕩、頻率失穩(wěn)、暫態(tài)電壓失穩(wěn)等安全威脅不斷增大。

3）電力信息物理技術(shù)深度融合,電網(wǎng)調(diào)控形態(tài)逐漸演變。一方面,第5 代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)將被廣泛應(yīng)用,這就要求全面升級(jí)設(shè)備監(jiān)控和系統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng),推動(dòng)信息網(wǎng)絡(luò)和電力網(wǎng)絡(luò)融合；另一方面,處于電網(wǎng)末端的海量電氣設(shè)備和微網(wǎng)系統(tǒng)將具備智能分析和決策能力,集中式和分布式電力調(diào)控策略將有機(jī)融合,形成電力信息物理“云邊協(xié)同”的運(yùn)行機(jī)制。

多年來(lái),由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性,人們依賴仿真工具認(rèn)識(shí)電力系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性,推演電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),驗(yàn)證人們?cè)O(shè)計(jì)的保護(hù)控制規(guī)律?？梢哉f(shuō),沒有各種仿真工具的幫助,現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和控制保護(hù)都難以實(shí)施。新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行更離不開高性能數(shù)字仿真技術(shù)支撐。

電力系統(tǒng)仿真根據(jù)復(fù)現(xiàn)的電力系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性可分為靜態(tài)潮流計(jì)算和時(shí)域暫態(tài)仿真2 種。時(shí)域暫態(tài)仿真根據(jù)仿真對(duì)象的時(shí)間尺度又可以分為中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真［3］。目前,電力系統(tǒng)靜態(tài)潮流計(jì)算、機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)非常成熟,相關(guān)國(guó)內(nèi)軟件,如中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱電科院）開發(fā)的PSD-BPA［4］、PSASP［5］仿真軟件已被大量應(yīng)用于電力系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)。隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展,電磁暫態(tài)過(guò)程顯著影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,電磁暫態(tài)仿真工具的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越多。具有代表性的國(guó)內(nèi)外電磁暫態(tài)仿真軟件有PSCAD/EMTDC［6］、EMTPE［7］、全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真軟件Hypersim［8］；支持硬件在環(huán)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)RTDS、RT-LAB［9］；電科院產(chǎn)品PSModel 和電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置ADPSS/ETSDAC）［10］等。客觀地講,目前,國(guó)外電磁暫態(tài)仿真軟件在中國(guó)占據(jù)主要市場(chǎng),尤其是用于設(shè)備研發(fā)的電磁暫態(tài)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真軟件更是處于壟斷地位。

然而,現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真軟件和平臺(tái)開發(fā)大多始于20 世紀(jì)90 年代,其核心設(shè)計(jì)理念成型于21 世紀(jì)之初,并在2005 至2015 年間的大電網(wǎng)互聯(lián)和智能電網(wǎng)發(fā)展浪潮中逐步成熟。隨著電力系統(tǒng)邁向以新能源為主體的低碳時(shí)代,傳統(tǒng)仿真工具的設(shè)計(jì)理念與新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)存在顯著的偏差,函待升級(jí)理念、調(diào)整路線并積極實(shí)踐。

另一方面,在新型電力系統(tǒng)對(duì)仿真提出新的需求的同時(shí),也為中國(guó)電力系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇。在面對(duì)這些新需求時(shí),國(guó)內(nèi)外的仿真軟件都站到了同一起跑線上。這就為國(guó)內(nèi)軟件打破用戶對(duì)國(guó)外軟件的使用黏性,在性能的先進(jìn)性、功能的全面性,以及用戶體驗(yàn)的友好性等方面趕超國(guó)外軟件提供了一個(gè)很好的契機(jī)。

為此,本文首先分析了新型電力系統(tǒng)背景下電力行業(yè)對(duì)仿真的新需求；然后,提出了面向新型電力系統(tǒng)的仿真應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)理念,介紹了全球各仿真研究團(tuán)隊(duì)在新型電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件研發(fā)方面的實(shí)踐；接著,從促進(jìn)自主研發(fā)工業(yè)軟件健康發(fā)展的角度出發(fā),探討了國(guó)產(chǎn)電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件的發(fā)展路徑,即電力系統(tǒng)仿真軟件的功能定位需要從單純的仿真工具向電力企業(yè)數(shù)字化業(yè)務(wù)核心環(huán)節(jié)過(guò)渡,不僅要是一款優(yōu)秀的仿真工具,還應(yīng)成為電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境,并按一條助力用戶業(yè)務(wù)自動(dòng)化、平臺(tái)使用便捷化、應(yīng)用開發(fā)生態(tài)化路徑發(fā)展。最后,通過(guò)介紹作者團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的新型電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境——CloudPSS 的實(shí)踐,進(jìn)一步闡釋了上述設(shè)計(jì)理念和發(fā)展路徑。

1 新型電力系統(tǒng)背景下電力行業(yè)對(duì)仿真的新需求

新型電力系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出明顯的“雙高”特征,即新能源發(fā)電高滲透和電力電子設(shè)備高滲透。“雙高”特征帶來(lái)了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一系列變化。

首先,以電力電子為接口的新能源發(fā)電設(shè)備替代傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)后,系統(tǒng)慣量減小,加上電力電子設(shè)備控制和電力電子開關(guān)動(dòng)作的快速性,系統(tǒng)中不同動(dòng)態(tài)的時(shí)間常數(shù)跨度增大。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)受同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電過(guò)程主導(dǎo),時(shí)間常數(shù)一般在毫秒到秒的時(shí)間范圍,而“雙高”電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)范圍可以擴(kuò)展到微秒量級(jí)。

其次,“雙高”電力系統(tǒng)相比傳統(tǒng)電力系統(tǒng)具有更加復(fù)雜多樣的動(dòng)態(tài)特性,原因主要存在于2 個(gè)方面:一方面,電力電子設(shè)備的外特性主要由其內(nèi)置控制策略決定,而電力電子設(shè)備的控制設(shè)計(jì)更加靈活,不同廠家的控制參數(shù)設(shè)計(jì)不盡相同；另一方面,為保證電力電子設(shè)備的自身安全而設(shè)置的很多控制（如高低電壓穿越控制、輸出限幅等）本身就呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性、非連續(xù)特性。

再次,新能源發(fā)電的動(dòng)態(tài)特性易受外界擾動(dòng)影響,具有較強(qiáng)的不確定性。例如,風(fēng)機(jī)在故障穿越后表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)特性既與機(jī)端電壓動(dòng)態(tài)變化過(guò)程有關(guān),也與故障發(fā)生時(shí)風(fēng)機(jī)的出力水平有關(guān)。

最后,新型電力系統(tǒng)的狀態(tài)時(shí)空耦合性強(qiáng),不同時(shí)間常數(shù)的動(dòng)態(tài)可能相互影響,不同地域的狀態(tài)量也可能發(fā)生相互影響。例如,微秒級(jí)的電力電子開關(guān)過(guò)程可能影響電力電子設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,從而影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功率平衡。而系統(tǒng)功率的不平衡又會(huì)導(dǎo)致不同時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)的變化。不同地域的狀態(tài)量發(fā)生相互影響更是顯而易見的,直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)將送受端的電氣量緊密聯(lián)系在了一起。

上述特性的變化給電力系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)本身帶來(lái)了一系列新的挑戰(zhàn)。同時(shí),仿真作為支撐電力企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)的重要計(jì)算工具,其研發(fā)不可能脫離電力企業(yè)的業(yè)務(wù)需求。因此,在討論仿真工具的設(shè)計(jì)理念與發(fā)展路徑時(shí),不得不審視企業(yè)的業(yè)務(wù)模式,進(jìn)而了解這些業(yè)務(wù)模式對(duì)仿真工具的功能需求以及性能要求。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的時(shí)空耦合性不強(qiáng),基于此特性形成了相對(duì)獨(dú)立的業(yè)務(wù)流程,并分配給不同的業(yè)務(wù)部門處理。即使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為有交互影響,也可以通過(guò)不同業(yè)務(wù)部門之間的簡(jiǎn)單信息溝通和業(yè)務(wù)迭代加以考慮。上述的業(yè)務(wù)處理模式極大地化解了電力系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)的交叉耦合性,降低了業(yè)務(wù)復(fù)雜性,多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明了上述業(yè)務(wù)處理模式的有效性。與之相適應(yīng),不同業(yè)務(wù)部門使用的仿真工具在建模時(shí)間尺度、求解算法等方面都有明顯的差異。規(guī)劃和運(yùn)行部門大量使用靜態(tài)的潮流計(jì)算工具；方式和控制保護(hù)設(shè)計(jì)部門大量使用各種時(shí)域暫態(tài)仿真工具。

新型電力系統(tǒng)的發(fā)展給電力企業(yè)的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。由于新型電力系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)空耦合性增強(qiáng),電力系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)之間的聯(lián)系也越發(fā)緊密。以大規(guī)模海上風(fēng)電接入點(diǎn)規(guī)劃為例,除了要考慮接入變電站的容量和通道疏散能力等約束以外,還要考慮是否會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生寬頻振蕩等問題。同樣的例子還有“三道防線”的設(shè)計(jì)。由于新能源發(fā)電高滲透帶來(lái)的運(yùn)行方式多樣性,預(yù)防控制和校正控制設(shè)計(jì)需要更多協(xié)調(diào),以減少可能帶來(lái)的控制失配,進(jìn)而威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。從上述例子可以看出,不同部門的業(yè)務(wù)之間出現(xiàn)了交叉耦合,業(yè)務(wù)量也大幅增加。

為了應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)給電力企業(yè)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式帶來(lái)的沖擊,企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為重要的應(yīng)對(duì)措施。所謂企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型就是通過(guò)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)重塑企業(yè)的信息化環(huán)境和業(yè)務(wù)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)無(wú)須人工介入的經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化,大幅提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。仿真作為電力企業(yè)眾多業(yè)務(wù)的支撐手段,其功能定位、性能設(shè)計(jì)都需要考慮如何適應(yīng)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,服務(wù)于企業(yè)業(yè)務(wù)流程的自動(dòng)化。

綜上,從新型電力系統(tǒng)本身的特點(diǎn)出發(fā),結(jié)合電力企業(yè)應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的業(yè)務(wù)要求,考慮仿真分析平臺(tái)自身的發(fā)展需要,可以總結(jié)出新型電力系統(tǒng)背景下行業(yè)對(duì)仿真的三方面需求。

一是性能方面的需求。新型電力系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜性,動(dòng)態(tài)行為的多時(shí)間尺度特性、強(qiáng)非線性和隨機(jī)性,要求仿真工具在模型的完備性、建模的準(zhǔn)確性方面有所保證。此外,新型電力系統(tǒng)狀態(tài)的大范圍時(shí)空耦合特性還要求仿真工具能夠支持對(duì)大規(guī)模系統(tǒng)采用小步長(zhǎng)進(jìn)行高效計(jì)算?？紤]到新型電力系統(tǒng)受新能源發(fā)電不確定性的影響,運(yùn)行場(chǎng)景復(fù)雜多樣、運(yùn)行方式靈活多變,仿真分析平臺(tái)還必須具有處理大量場(chǎng)景的能力。

二是業(yè)務(wù)方面的需求。如前所述,面對(duì)新型電力系統(tǒng),電力企業(yè)的業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出更強(qiáng)的耦合性。企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求仿真工具能夠嵌入多種數(shù)字化業(yè)務(wù)、支持多人/多部門協(xié)同,具有仿真結(jié)果自動(dòng)分析功能以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的自動(dòng)化；為了快速構(gòu)建新業(yè)務(wù)或者實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)重塑或再造,還需支持功能模塊化,具備模塊拼接與嵌套功能；為了實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)間的協(xié)同,需要能夠支持電磁場(chǎng)路聯(lián)合仿真、云邊協(xié)同仿真、仿真與優(yōu)化協(xié)同,甚至需要支持跨行業(yè)與跨領(lǐng)域仿真。例如,風(fēng)機(jī)制造企業(yè)在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)電氣部分控制時(shí),除了要考慮風(fēng)機(jī)自身動(dòng)態(tài)特性,還需要考慮風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)多臺(tái)風(fēng)機(jī)之間的相互作用,這就要求對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)字模擬與對(duì)控制器的硬件在環(huán)仿真實(shí)現(xiàn)一體化計(jì)算。

三是仿真應(yīng)用軟件自身發(fā)展的需求。相較于技術(shù)層面的提升,不斷吸引用戶、擴(kuò)大用戶群,并在新老用戶持續(xù)的使用過(guò)程中不斷獲得用戶反饋才是軟件的生命力所在。為滿足大量用戶的業(yè)務(wù)需求和性能需求,仿真應(yīng)用軟件需要改變自身的功能定位,需要從單純的仿真工具向電力企業(yè)仿真應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)過(guò)渡。該平臺(tái)需要具有開放的架構(gòu),強(qiáng)大的中臺(tái),包括用戶管理、數(shù)據(jù)/算例管理、應(yīng)用管理等,支持云邊協(xié)同計(jì)算,注重隱私保護(hù),具有靈活的接口等,也只有如此,才能形成一個(gè)良好的軟件應(yīng)用生態(tài)。

2 面向新型電力系統(tǒng)的仿真應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)理念

如圖1 所示,為滿足新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求,電力系統(tǒng)仿真分析平臺(tái)需要在模型完備性、建模準(zhǔn)確性、計(jì)算高效性、場(chǎng)景覆蓋全面性、接口開放性、服務(wù)靈活性等方面獲得顯著提升,才能支撐新型電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證、安全分析和優(yōu)化決策等關(guān)鍵業(yè)務(wù)。

圖1 面向新型電力系統(tǒng)的仿真應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)理念Fig.1 Design concepts of simulation-based application software for new power system

以下從6 個(gè)維度描述新型電力系統(tǒng)仿真分析平臺(tái)設(shè)計(jì)理念。

1）模型完備

新型電力系統(tǒng)中電氣動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度更加寬泛,從開關(guān)器件動(dòng)作的微秒級(jí)暫態(tài)到發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的秒級(jí)動(dòng)態(tài)都有可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定特性。同時(shí),新型電力系統(tǒng)中技術(shù)更迭頻繁,高效發(fā)電和儲(chǔ)能、信息物理融合、多能耦合互補(bǔ)等技術(shù)催生新的電氣設(shè)備。相應(yīng)地,構(gòu)建完備的新型電力系統(tǒng)設(shè)備仿真模型極具挑戰(zhàn),其中涉及3 個(gè)層面能力提升。一是設(shè)備類型全覆蓋,即提供“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)所涉及電氣設(shè)備及其控制保護(hù)的仿真模型；二是時(shí)空尺度全覆蓋,即所構(gòu)建仿真模型能夠同時(shí)支撐穩(wěn)態(tài)潮流、機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)分析,并適用于“器件-設(shè)備-微網(wǎng)-配電網(wǎng)-輸電網(wǎng)”所需仿真場(chǎng)景；三是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)全覆蓋,即能夠與完整的設(shè)備靜態(tài)參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián),與實(shí)體物理設(shè)備建立有效映射,形成物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)。

目前,各類電力仿真分析工具均在努力提升前2 個(gè)層次的模型完備性,其中,中國(guó)ADPSS 和徳國(guó)PowerFactory 等軟件,建立了支撐多類型暫態(tài)分析的設(shè)備模型；加拿大OPAL-RT 公司則通過(guò)整合RT-LAB 和Hypersim 等多款軟件,提供從輸電網(wǎng)到電力電子設(shè)備的詳細(xì)電磁暫態(tài)仿真；PSCAD/EMTDC、EMTP-RV 和MATLAB/Simulink 等 軟件提供了較為靈活的模型構(gòu)建方法,適用于設(shè)備級(jí)和小規(guī)模電網(wǎng)離線電磁暫態(tài)分析。

需要指出的是,在模型完備性第3 個(gè)層面,現(xiàn)有仿真分析工具大都只管理靜態(tài)參數(shù),缺乏對(duì)模型參數(shù)的校核和與動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián),影響了模型準(zhǔn)確性提升和靈活交換。

2）建模精準(zhǔn)

只有保證模型精準(zhǔn),仿真結(jié)果才有可能是正確的。為此,有必要持續(xù)提升仿真模型精度,取得3 個(gè)層面技術(shù)進(jìn)步:（1）多時(shí)間尺度融合暫態(tài)精確建模,即在統(tǒng)一建?？蚣芟戮_刻畫微秒到數(shù)十秒的系統(tǒng)動(dòng)態(tài),適用于不同步長(zhǎng)參數(shù),消除由于建模假設(shè)引發(fā)的仿真結(jié)果失真；（2）高穩(wěn)定和高精度的數(shù)值積分模型,即適用于連續(xù)和離散動(dòng)態(tài)過(guò)程積分,無(wú)數(shù)值振蕩問題,保持高階精度；（3）知識(shí)和數(shù)據(jù)融合的自適應(yīng)仿真建模,即能夠根據(jù)電氣設(shè)備和局部網(wǎng)絡(luò)的實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù),通過(guò)深度學(xué)習(xí)等方法,辨識(shí)設(shè)備和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型及關(guān)鍵參數(shù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、可解釋和高精度的仿真建模。

為了提高建模精度,已有仿真軟件在模型參數(shù)校準(zhǔn)、開關(guān)動(dòng)作動(dòng)態(tài)擬合、數(shù)值振蕩抑制等方面開展了大量研究工作,并發(fā)展了動(dòng)態(tài)平均化、動(dòng)態(tài)相量和移頻分析等建模方法,嘗試解決多時(shí)間尺度暫態(tài)精確建模難題。然而,從理論成果到仿真工具實(shí)踐,道路險(xiǎn)阻且漫長(zhǎng)。PSCAD/EMTDC、RTDS、ADPSS等工具采用隱式梯形差分格式和節(jié)點(diǎn)分析法構(gòu)建仿真 模 型；MATLAB/Simulink 和RTLAB 等 工 具 在狀態(tài)方程建?；A(chǔ)上發(fā)展了高效差分格式和計(jì)算模型。在多時(shí)間尺度建模方面,現(xiàn)有仿真工具支持較少,大多停留在提供可測(cè)試的仿真模型階段。

在高精度建模第3 層面研究中,現(xiàn)有的仿真分析軟件都還處在摸索和起步階段,還未見到成熟的知識(shí)和數(shù)據(jù)融合建模工具。相比對(duì)傳統(tǒng)建模方法進(jìn)行修正和改進(jìn),通過(guò)知識(shí)和數(shù)據(jù)融合建模更具應(yīng)用價(jià)值,有可能解決新能源控制模型測(cè)辨、新能源場(chǎng)站聚合建模、負(fù)荷聚合動(dòng)態(tài)建模和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)等值等學(xué)術(shù)和工程難題,提升新能源電力系統(tǒng)仿真建模整體準(zhǔn)確性。

3）計(jì)算高效

數(shù)值計(jì)算效率是影響電力仿真分析工具實(shí)用性的關(guān)鍵指標(biāo)。為了準(zhǔn)確分析新型電力系統(tǒng)故障后穩(wěn)定特性,需要開展含有高比例新能源發(fā)電的交直流電網(wǎng)詳細(xì)電磁暫態(tài)仿真研究。相比傳統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真,此類電磁暫態(tài)仿真步長(zhǎng)顯著減小、仿真模型復(fù)雜度和系統(tǒng)規(guī)模大幅提升,導(dǎo)致仿真計(jì)算量大、計(jì)算效率低。為了提升新型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真效率,達(dá)到實(shí)時(shí)或超實(shí)時(shí)水平,滿足閉環(huán)測(cè)試和在線安全分析需求,需要從3 個(gè)層面尋求技術(shù)突破:（1）面向異構(gòu)計(jì)算芯片的細(xì)粒度并行仿真,即突破傳統(tǒng)X86架構(gòu)的約束,采用圖形處理器（graphics processing unit,GPU）、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（field programmable gate array,FPGA）、ARM 等異構(gòu)計(jì)算芯片,建立電力仿真流水線式計(jì)算圖模型,實(shí)現(xiàn)高性能的細(xì)粒度并行仿真；（2）面向超算的海量場(chǎng)景并行仿真,即針對(duì)云端超算環(huán)境,設(shè)計(jì)批量仿真并行處理方法,優(yōu)化調(diào)度計(jì)算和數(shù)據(jù)資源,實(shí)現(xiàn)海量復(fù)雜場(chǎng)景的高效分析；（3）融合深度學(xué)習(xí)的加速仿真,即在同一套軟硬件架構(gòu)中同時(shí)開展仿真分析和深度學(xué)習(xí),提取系統(tǒng)穩(wěn)定特征,并自適應(yīng)調(diào)整仿真參數(shù),加速獲得穩(wěn)定分析結(jié)論。

為了提高實(shí)用性和爭(zhēng)奪市場(chǎng),已有的電力系統(tǒng)仿真分析工具都在不斷提高自身仿真效率。尤其是大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真,一直是國(guó)內(nèi)外仿真工具爭(zhēng)奪的技術(shù)高地。目前,RTDS、RT-LAB、上海交通大學(xué)等團(tuán)隊(duì)積極研究基于FPGA 的小步長(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真解決方案,以提升電力電子設(shè)備實(shí)時(shí)閉環(huán)仿真和測(cè)試性能；Hypersim 和ADPSS 等仿真平臺(tái)以多中央處理器（central processing unit,CPU）高性能計(jì)算服務(wù)器為基礎(chǔ)硬件,通過(guò)分網(wǎng)并行加速仿真。

在融合深度學(xué)習(xí)的加速仿真方面,國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)仿真工具均處于探索階段,還未見到較為成熟的產(chǎn)品。相比之下,深度學(xué)習(xí)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于對(duì)物理過(guò)程的加速仿真,在生物分子學(xué)、光學(xué)、流體力學(xué)、傳熱和電磁場(chǎng)等領(lǐng)域取得了豐富成果,推動(dòng)了高性能數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展。因此,借鑒這些領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn),研發(fā)融合深度學(xué)習(xí)的加速仿真功能,是提升新型電力系統(tǒng)仿真分析效率的重要舉措。

4）場(chǎng)景全覆蓋

區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng),新型電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境不確定因素更多,運(yùn)行場(chǎng)景更加復(fù)雜多變。相應(yīng)地,仿真分析工具應(yīng)該具備復(fù)雜場(chǎng)景生成和隨機(jī)動(dòng)態(tài)模擬的能力,方可準(zhǔn)確量化分析設(shè)備和系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)。為此,仿真軟件需要努力獲得3 個(gè)層面提升:（1）復(fù)雜運(yùn)行和故障場(chǎng)景生成,即考慮環(huán)境因素和用能需求不確定性,生成極大似然、考慮風(fēng)險(xiǎn)偏好的潮流方式,并合理設(shè)置初始故障；（2）復(fù)雜隨機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬,即模擬多種不確定性因素干擾下電力系統(tǒng)隨機(jī)動(dòng)態(tài),準(zhǔn)確刻畫連鎖故障發(fā)生和發(fā)展過(guò)程；（3）系統(tǒng)運(yùn)行不確定性量化分析,即開展統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘,從海量仿真結(jié)果中辨識(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定特征,并量化分析系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

雖然,科學(xué)構(gòu)建仿真場(chǎng)景對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析至關(guān)重要,但現(xiàn)有電力仿真分析軟件很少提供相關(guān)功能模塊,更多地是將場(chǎng)景生成的任務(wù)交給軟件使用者。尤其是對(duì)一些受隨機(jī)因素影響的場(chǎng)景,如連鎖故障發(fā)展,難以在現(xiàn)有仿真分析工具中實(shí)現(xiàn)。一方面,是因?yàn)殡姎庠O(shè)備和控制保護(hù)邏輯中缺乏不確定性模型；另一方面,則是因?yàn)榉抡孳浖蠖嗖捎脝芜M(jìn)程模式,難以根據(jù)隨機(jī)事件動(dòng)態(tài)觸發(fā)新的仿真進(jìn)程。近年來(lái),國(guó)家電網(wǎng)有限公司積極建設(shè)高性能電力系統(tǒng)仿真超算平臺(tái),以PSASP 和ADPSS 等國(guó)產(chǎn)仿真軟件為計(jì)算引擎,開展批量化仿真分析作業(yè),積累了復(fù)雜仿真場(chǎng)景構(gòu)建和分析的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

在系統(tǒng)不確定評(píng)估分析方面,現(xiàn)有電力仿真分析工具還未給出成熟方案,甚至很少有仿真軟件能夠提供完備的仿真結(jié)果大數(shù)據(jù)管理功能。究其根本,現(xiàn)有仿真分析工具均圍繞高效計(jì)算設(shè)計(jì),缺乏對(duì)高效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和挖掘等功能的支持。這一局面必須在新型電力系統(tǒng)仿真分析平臺(tái)中徹底加以改變。

5）接口開放

新型電力系統(tǒng)仿真分析工具應(yīng)具備較高的開放性,能夠以多種形式更新和拓展設(shè)備模型、仿真算法和應(yīng)用功能,并對(duì)接設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù),支撐跨行業(yè)、跨領(lǐng)域、跨部門的知識(shí)分享和協(xié)同分析業(yè)務(wù)。提升仿真分析工具開放性的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)較為合理的接口,具體可包括3 個(gè)層次:（1）支持多編程語(yǔ)言的自定義模型接口,即通過(guò)編寫代碼定義新的仿真模型、改進(jìn)仿真算法,實(shí)現(xiàn)仿真內(nèi)核升級(jí)和功能擴(kuò)展；（2）支持多源數(shù)據(jù)融通的可擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口,即從設(shè)備和系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)中抽取有用信息,初始化仿真模型和場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)仿真模型和結(jié)果的導(dǎo)出和靈活轉(zhuǎn)換,支撐多仿真器聯(lián)合仿真；（3）支持業(yè)務(wù)邏輯定制的功能接口,即圍繞新型電力系統(tǒng)多樣化分析需求,設(shè)計(jì)仿真分析和數(shù)據(jù)處理流程、仿真驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化決策。

開放的接口是仿真工具持久生命力的重要來(lái)源之一,也是工程實(shí)用的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有電力仿真分析軟件都或多或少提供了用戶自定義的開發(fā)接口。其中,最有代表性的當(dāng)屬M(fèi)ATLAB/Simulink 軟件,不僅全面開放代碼層面的模型和算法開發(fā)接口,更提供模型編譯導(dǎo)出、多物理場(chǎng)混合仿真、數(shù)據(jù)后處理等功能接口。與之類似,PowerFacotry 軟件采用面向?qū)ο笏枷朐O(shè)計(jì),也提供了豐富的模型和功能接口,支撐多種形態(tài)的系統(tǒng)暫態(tài)分析。相比之下,其他電磁暫態(tài)仿真工具,如PSCAD/EMTDC、RTDS、RTLAB、ADPSS 等,開放性略顯不足,基本都停留在支持圖形化或特定編程語(yǔ)言開發(fā)仿真模型、跨軟件導(dǎo)入模型和算例層面,數(shù)據(jù)接口和功能接口還不夠完善。

為了支撐新型電力系統(tǒng)安全分析和優(yōu)化決策,迫切需要電力仿真分析工具具有豐富和強(qiáng)健的數(shù)據(jù)和功能接口。在這個(gè)方面,現(xiàn)有的仿真工具都還有很大的提升空間,函須發(fā)展仿真數(shù)據(jù)中臺(tái)和仿真應(yīng)用可視化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

6）服務(wù)靈活

面向新型電力系統(tǒng)的仿真分析需求廣泛存在,形式多樣,不僅要支撐常規(guī)設(shè)計(jì)、測(cè)試和分析任務(wù),還需集成于數(shù)字孿生之中,應(yīng)用于不同電力設(shè)施的場(chǎng)景分析和模擬推演,更要融入云邊調(diào)控體系,服務(wù)于人工智能和優(yōu)化決策。換言之,無(wú)論是真實(shí)用戶、數(shù)字孿生還是人工智能體,真正需要的是穩(wěn)定和高效的仿真計(jì)算和數(shù)據(jù)服務(wù),而非仿真工具軟硬件本體。可見,提高電力仿真分析服務(wù)的靈活性至關(guān)重要。為了讓仿真計(jì)算服務(wù)在云邊端環(huán)境中可用且有用,還要完成3 個(gè)層次的技術(shù)提升:（1）安全的云邊協(xié)同仿真服務(wù),即研發(fā)可靈活部署的虛擬化仿真引擎,面向云計(jì)算設(shè)施設(shè)計(jì)統(tǒng)一的模型、算力和結(jié)果管理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)一體化的高性能云仿真服務(wù)和邊緣側(cè)在環(huán)仿真服務(wù)；（2）高效的數(shù)字孿生推演分析服務(wù),即將仿真引擎嵌入到數(shù)字孿生應(yīng)用,根據(jù)設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù),快速推演復(fù)雜場(chǎng)景中孿生體運(yùn)行特性和安全態(tài)勢(shì)；（3）多形態(tài)的仿真驅(qū)動(dòng)優(yōu)化服務(wù),即接入強(qiáng)化學(xué)習(xí)、魯棒優(yōu)化等多形態(tài)優(yōu)化決策應(yīng)用,支持設(shè)備和系統(tǒng)層面的優(yōu)化調(diào)控策略自動(dòng)生成。

從軟件到應(yīng)用,再到服務(wù),是電力仿真分析工具重要發(fā)展趨勢(shì),得到了軟件廠商和研究機(jī)構(gòu)的普遍認(rèn)同并達(dá)成了共識(shí)。徳國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)發(fā)起了分布式實(shí)時(shí)仿真項(xiàng)目,將分散在不同高校和機(jī)構(gòu)的RTDS 和RT-LAB 裝置互聯(lián),提供大規(guī)模交直流電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真和閉環(huán)測(cè)試服務(wù)；基于仿真超算平臺(tái),中國(guó)電科院仿真中心為多個(gè)省網(wǎng)公司提供高性能的故障掃描和安全評(píng)估分析服務(wù)。

3 面向新型電力系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)仿真軟件發(fā)展路徑

面向新型電力系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)仿真軟件作為工業(yè)軟件,其生命力來(lái)自用戶。只有吸引大量的用戶,并建立軟件開發(fā)者與用戶之間的良性互動(dòng),才能在使用過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)軟件自身的問題,使軟件不斷完善,進(jìn)而獲得更多的用戶。因此,如何吸引更多的用戶,是面向新型電力系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)仿真軟件想要發(fā)展壯大必須考慮的問題,其實(shí)也是所有國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件發(fā)展必須思考的問題。

一般而言,工業(yè)軟件的用戶數(shù)量是有限的。當(dāng)市場(chǎng)上存在大量同質(zhì)軟件且大家都瞄準(zhǔn)同一客戶群時(shí),一款國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件必須思考其能吸引用戶的優(yōu)勢(shì)到底是什么。特別是當(dāng)市場(chǎng)上存在成熟的國(guó)外商業(yè)仿真軟件并在市場(chǎng)上處于優(yōu)勢(shì)地位時(shí),國(guó)產(chǎn)軟件想要生存必然要和國(guó)外軟件爭(zhēng)奪用戶,必須打破國(guó)外軟件憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)建立的用戶黏性。為此,國(guó)產(chǎn)軟件需要從提升用戶體驗(yàn)的角度提供國(guó)外軟件并不具有的功能。具體的途徑有3 個(gè)。

1）助力用戶業(yè)務(wù)自動(dòng)化

考慮到仿真是手段而不是目的,服務(wù)于用戶業(yè)務(wù)才是仿真的最終目的,因此,輔助用戶高效完成其業(yè)務(wù)才是仿真應(yīng)該追求的終極用戶體驗(yàn)。仿真工具只有嵌入到用戶的數(shù)字化業(yè)務(wù)中去,提升用戶業(yè)務(wù)的自動(dòng)化水平,才是仿真工具具有用戶黏性的根本原因。

其實(shí),每一位仿真工具的使用者都有自己的核心業(yè)務(wù)。以調(diào)控中心運(yùn)行方式調(diào)整業(yè)務(wù)為例,常規(guī)的業(yè)務(wù)流程可以概括為以下步驟:

步驟1:基礎(chǔ)運(yùn)行方式設(shè)定。

步驟2:N-1 安全仿真校核。

步驟3:若校核不通過(guò)進(jìn)行出力方式調(diào)整。

步驟4:設(shè)計(jì)校正控制方式。

步驟5:返回步驟4 重復(fù)整個(gè)流程直至校核通過(guò)。

從上述業(yè)務(wù)流程可以看出,僅步驟4 用到了仿真工具?？梢栽O(shè)想,如果存在一個(gè)軟件工具,可以圍繞仿真實(shí)現(xiàn)整個(gè)業(yè)務(wù)流程的自動(dòng)化,必將極大地提高整個(gè)業(yè)務(wù)的完成效率,該軟件工具也一定能獲得用戶的青睞。本文把這條途徑稱為助力用戶業(yè)務(wù)自動(dòng)化。

2）平臺(tái)使用便捷化

面向新能源電力系統(tǒng)的仿真主要涉及大電網(wǎng)的全電磁暫態(tài)仿真,無(wú)論是算例的準(zhǔn)備、仿真參數(shù)的設(shè)定,還是計(jì)算結(jié)果的分析,其使用難度都較機(jī)電暫態(tài)仿真大大增加,仿真軟件使用的學(xué)習(xí)曲線大為延長(zhǎng)。以高校電氣工程學(xué)科研究生使用仿真分析平臺(tái)開展科研為例,其科研過(guò)程也可以看作是一個(gè)業(yè)務(wù)過(guò)程,該業(yè)務(wù)的目的就是要通過(guò)和已有成果的仿真對(duì)比,驗(yàn)證自己的成果在某些指標(biāo)上比現(xiàn)有成果更具先進(jìn)性,具體流程可以概括為以下步驟:

步驟1:構(gòu)造基礎(chǔ)算例。

步驟2:通過(guò)仿真復(fù)現(xiàn)前人成果。

步驟3:通過(guò)仿真驗(yàn)證自己的成果。

步驟4:仿真結(jié)果對(duì)比。

步驟5:改進(jìn)自己的成果并返回步驟3。

上述流程中步驟1 和2 其實(shí)都屬于準(zhǔn)備性工作,雖然并無(wú)創(chuàng)新性,但是必不可少。遺憾的是,這2 步工作量大、難度高。可以設(shè)想,如果存在一個(gè)軟件工具,可以積累前人的算例和成果,必將為科研工作提供極大的便利,為科研人員節(jié)省大量的仿真實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間,降低平臺(tái)使用難度,從而贏得用戶。本文把這條途徑稱為平臺(tái)使用便捷化。

3）應(yīng)用開發(fā)生態(tài)化

考慮到新型電力系統(tǒng)存在大量分布式電源和微電網(wǎng),柔性負(fù)荷的種類也多種多樣,電力系統(tǒng)的組成元件不再僅有大容量的發(fā)電機(jī)和變壓器,還有大量特性各異、容量較小的設(shè)備,完全依靠一家軟件開發(fā)企業(yè)為電力系統(tǒng)所有的元件建模將不再具有可操作性。因此,設(shè)備模型的開發(fā)應(yīng)該大眾化和眾籌化。同時(shí),以電力系統(tǒng)為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展,仿真的對(duì)象不再局限于電力系統(tǒng)本身,而是在電力系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上增加對(duì)冷、熱、天然氣系統(tǒng)的仿真,仿真的范疇不斷擴(kuò)大,仿真服務(wù)的業(yè)務(wù)種類也大大增加。這對(duì)新型電力系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。從擴(kuò)大用戶群的角度來(lái)看這是仿真軟件發(fā)展的機(jī)遇,從仿真軟件研發(fā)的難度來(lái)看這是挑戰(zhàn)。為此,可以通過(guò)構(gòu)建軟件應(yīng)用生態(tài),由不同專業(yè)開發(fā)人員開發(fā)面向不同專業(yè)的核心仿真內(nèi)核程序,并在此基礎(chǔ)上通過(guò)拼接內(nèi)核程序快速構(gòu)建面向不同專業(yè)的應(yīng)用程序。本文把這條途徑稱為應(yīng)用開發(fā)生態(tài)化。

上述3 條途徑分別通過(guò)圍繞仿真幫助用戶打造自動(dòng)化的業(yè)務(wù)鏈,降低用戶使用仿真工具所需準(zhǔn)備工作的難度,擴(kuò)大平臺(tái)核心仿真內(nèi)核數(shù)量,進(jìn)而助力用戶打造新的數(shù)字化業(yè)務(wù)來(lái)提升用戶體驗(yàn),擴(kuò)大用戶群,從而為仿真分析平臺(tái)創(chuàng)造源源不斷的生命力。

4 面向新型電力系統(tǒng)的仿真應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境CloudPSS 研發(fā)實(shí)踐

上文從6 個(gè)維度介紹了新型電力系統(tǒng)仿真軟件的設(shè)計(jì)理念,又從3 個(gè)方面介紹了仿真軟件發(fā)展路徑。以下通過(guò)介紹筆者團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的面向新型電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境——CloudPSS 的實(shí)踐,進(jìn)一步闡釋上述設(shè)計(jì)理念和發(fā)展路徑,詳細(xì)介紹如下。

4.1 設(shè)計(jì)理念的踐行

1）“模型完備”理念的實(shí)踐

在模型完備方面,CloudPSS 提供了超過(guò)150 種電氣元件模型,包括300 余種子模型。尤其是,該平臺(tái)還提供了部分中國(guó)電力系統(tǒng)專有元件的模型。其次,該平臺(tái)提供的電力系統(tǒng)元件模型動(dòng)態(tài)覆蓋穩(wěn)態(tài)潮流至納秒級(jí)電磁暫態(tài)仿真過(guò)程,能夠同時(shí)支撐穩(wěn)態(tài)潮流、機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的全時(shí)間尺度分析。最后,針對(duì)大規(guī)模電網(wǎng)仿真模型的構(gòu)建和參數(shù)獲取困難、不合理參數(shù)導(dǎo)致仿真結(jié)果錯(cuò)誤的問題,CloudPSS 提出了基于機(jī)電暫態(tài)仿真算例的大規(guī)模電網(wǎng)暫態(tài)仿真算例的快速生成方法［11］。同時(shí),提出了基于高斯混合模型的電磁暫態(tài)仿真參數(shù)校正方法,利用現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)辨識(shí)和校正［12］。

2）“建模精準(zhǔn)”理念的實(shí)踐

在建模精準(zhǔn)方面,CloudPSS 實(shí)現(xiàn)了基于移頻分析和多速率異步協(xié)調(diào)算法的多時(shí)間尺度電磁暫態(tài)仿真建模［13-14］,采用了根匹配和三階段單對(duì)角隱式龍格庫(kù)塔等具有L 穩(wěn)定特性的數(shù)值積分方法［15-16］,提升了大步長(zhǎng)下新能源和交直流系統(tǒng)的仿真精度和數(shù)值穩(wěn)定性,將先進(jìn)的建模理論付諸工程實(shí)踐。針對(duì)新型電力系統(tǒng)的“雙高”特性,該平臺(tái)為設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)研究定制了新能源和電力電子網(wǎng)絡(luò)仿真模型,滿足了大規(guī)模電力系統(tǒng)精細(xì)化多尺度暫態(tài)分析需求。同時(shí),針對(duì)新型電力系統(tǒng)中存在的部分設(shè)備機(jī)理模型難獲取的問題,該仿真分析平臺(tái)提出了基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)理與數(shù)據(jù)融合驅(qū)動(dòng)建模方法［17］,可將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備動(dòng)態(tài)模型融入新型電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件,實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬。

3）“計(jì)算高效”理念的實(shí)踐

在計(jì)算高效方面,CloudPSS 設(shè)計(jì)了基于CPU和GPU 的多層次高性能電磁暫態(tài)并行仿真方法［18-19］,從GPU 細(xì)粒度并行算法、并行任務(wù)切分、批量化并行仿真加速等多個(gè)角度展開研究,實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模電網(wǎng)實(shí)時(shí)電磁暫態(tài)仿真,并將算法推廣應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)申威處理器,提升了仿真器核心技術(shù)自主可控性。同時(shí),由于基于云計(jì)算技術(shù)研發(fā),CloudPSS 方便部署于超算平臺(tái)。具體地,CloudPSS 與神威超算開展了合作,針對(duì)云端超算環(huán)境,設(shè)計(jì)了批量仿真并行處理方法,優(yōu)化了調(diào)度計(jì)算和數(shù)據(jù)資源,實(shí)現(xiàn)了海量場(chǎng)景的高效計(jì)算,驗(yàn)證了純國(guó)產(chǎn)超算平臺(tái)中批量化電磁暫態(tài)仿真技術(shù)的可行性和成熟度。

4）“場(chǎng)景全覆蓋”理念的實(shí)踐

在場(chǎng)景全覆蓋方面,CloudPSS 發(fā)展了多元化復(fù)雜場(chǎng)景生成方法和技術(shù),具體包括:（1）針對(duì)新型電力系統(tǒng)運(yùn)行工況多變、潮流調(diào)整困難等問題,提出了基于生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)運(yùn)行工況生成和自動(dòng)調(diào)整方法［20］,采用高斯混合模型描述多源相關(guān)不確定性因素,訓(xùn)練生成網(wǎng)絡(luò)獲得安全穩(wěn)定且可靠收斂的系統(tǒng)潮流斷面,獲得目標(biāo)指向性強(qiáng)的多樣化初始運(yùn)行點(diǎn)族群；（2）針對(duì)故障后系統(tǒng)隨機(jī)動(dòng)態(tài)模擬難題,提出了事件驅(qū)動(dòng)的故障場(chǎng)景生成方法,考慮交直流設(shè)備動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度差異,通過(guò)馬爾可夫樹搜索方法自主探索高危連鎖故障場(chǎng)景；（3）針對(duì)復(fù)雜故障場(chǎng)景結(jié)果的不確定性評(píng)估需求,提出了基于k 核分解的系統(tǒng)安全相關(guān)性特征分析方法,并利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從仿真結(jié)果中提取多類型穩(wěn)定特征,加速系統(tǒng)穩(wěn)定性判定、提升故障場(chǎng)景生成效率和針對(duì)性。

5）“接口開放”理念的實(shí)踐

在接口開放方面,CloudPSS 平臺(tái)提供了自定義模型開發(fā)工具,方便用戶采用MATLAB、Python、C等編程語(yǔ)言開發(fā)自定義仿真模型。同時(shí),CloudPSS平臺(tái)還開放了完備的仿真功能調(diào)用應(yīng)用程序接口（application programming interface,API）,用戶可通過(guò)這些API 構(gòu)建算例、修改設(shè)備參數(shù)、設(shè)置故障場(chǎng)景、啟動(dòng)仿真任務(wù)和訪問仿真結(jié)果,還可以編寫腳本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的批量計(jì)算,以及基于仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)等創(chuàng)新功能。綜上,CloudPSS 平臺(tái)在開放性方面開展了新技術(shù)探索,支撐了面向新型電力系統(tǒng)的仿真分析應(yīng)用構(gòu)建。同時(shí),CloudPSS 還支持與其他仿真平臺(tái)的聯(lián)合仿真。例如,CloudPSS 可與RT-LAB 進(jìn)行聯(lián)合實(shí)時(shí)仿真,既可以滿足對(duì)超大規(guī)模系統(tǒng)的計(jì)算能力要求,又可以解決使用多臺(tái)仿真器時(shí)面臨的預(yù)算和空間限制問題。另外,CloudPSS 還可以通過(guò)配套的數(shù)據(jù)接口盒,構(gòu)建包含真實(shí)控制器的半實(shí)物仿真平臺(tái),應(yīng)用于真實(shí)控制保護(hù)系統(tǒng)的在環(huán)測(cè)試。

6）“服務(wù)靈活”理念的實(shí)踐

在服務(wù)靈活方面,CloudPSS 采用了云計(jì)算架構(gòu),設(shè)計(jì)了云邊協(xié)同仿真服務(wù),實(shí)現(xiàn)了離線和實(shí)時(shí)仿真模型統(tǒng)一管理和算力動(dòng)態(tài)部署,形成了較為完整的云端高性能仿真技術(shù)解決方案,可以兼顧云端和本地?cái)?shù)據(jù)和應(yīng)用需求［21］。同時(shí),CloudPSS 提出了快速構(gòu)建數(shù)字孿生體的關(guān)鍵步驟,即構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、在環(huán)境中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、利用數(shù)據(jù)中臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、將數(shù)據(jù)用于智能引擎的訓(xùn)練、將訓(xùn)練好的智能決策應(yīng)用接入系統(tǒng)等步驟。基于上述步驟,可快速靈活地構(gòu)建電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生體。

4.2 發(fā)展路徑的踐行

在筆者團(tuán)隊(duì)進(jìn)行開發(fā)之初,CloudPSS 被定位成一款傳統(tǒng)的仿真軟件,主要實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真功能,即根據(jù)系統(tǒng)的模型、參數(shù)、邊界條件等計(jì)算出系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過(guò)程。隨著軟件仿真功能的逐步成熟并推向市場(chǎng),研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)單純依靠軟件計(jì)算性能的提升很難打破用戶對(duì)現(xiàn)有軟件的依賴。能夠促使用戶下定決心改變多年形成的使用習(xí)慣的原因?yàn)?一是新軟件提供了舊軟件無(wú)法提供的新功能,而且這些新功能是業(yè)務(wù)必須的；二是新軟件極大地提升了現(xiàn)有業(yè)務(wù)完成的效率。打動(dòng)用戶最有效的方法是圍繞仿真幫助用戶將現(xiàn)有業(yè)務(wù)數(shù)字化、自動(dòng)化。為此,仿真工具自身需要改變功能定位,要將自身功能從單純仿真擴(kuò)展到圍繞仿真構(gòu)建數(shù)字化業(yè)務(wù),即成為仿真應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境。

為此,團(tuán)隊(duì)修正了CloudPSS 的設(shè)計(jì)理念,調(diào)整了軟件架構(gòu)。經(jīng)過(guò)努力,CloudPSS 目前已經(jīng)發(fā)展成為面向能源電力系統(tǒng)、以仿真為核心的高級(jí)應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)和應(yīng)用環(huán)境。如圖2 所示,CloudPSS 包含5 個(gè)重要的組成部分,基礎(chǔ)硬件平臺(tái)、基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境、功能模塊、開發(fā)者套件XStudio 和面向最終用戶的高級(jí)應(yīng)用。目前,CloudPSS 團(tuán)隊(duì)發(fā)布了2 款基于CloudPSS 開發(fā)的面向最終用戶的產(chǎn)品,分別是高性能電磁暫態(tài)仿真應(yīng)用——CloudPSS-EMTLab 和綜合能源系統(tǒng)數(shù)字孿生應(yīng)用平臺(tái)——CloudPSSIESLab。

圖2 能源電力系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境——CloudPSS 架構(gòu)Fig.2 Architecture of CloudPSS — an advanced power-energy-system-oriented application software development platform and operation environment

CloudPSS-XStudio 是CloudPSS 高級(jí)應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境的重要組件,正是XStudio 的加入,才使得CloudPSS 從最初的僅面向電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真的軟件工具,發(fā)展成為一個(gè)高級(jí)應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境,具備了面向能源電力系統(tǒng)（包括新能源電力系統(tǒng)）、以仿真為核心構(gòu)建包括數(shù)字孿生在內(nèi)的各種能源電力系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用的能力。

XStudio 采用低代碼、快捷應(yīng)用構(gòu)建的設(shè)計(jì)理念,具備跨平臺(tái)、易部署的特性,可大大降低應(yīng)用軟件的開發(fā)門檻。 XStudio 包含3 個(gè)套件,即SimStudio 模型工坊、FuncStudio 函數(shù)工坊、AppStudio 應(yīng)用工坊。SimStudio 主要提供能源電力系統(tǒng)建模、模型管理、仿真計(jì)算等功能；FuncStudio主要為CloudPSS 團(tuán)隊(duì)和第三方開發(fā)的程序模塊提供函數(shù)式微服務(wù)接入、調(diào)試、管理和調(diào)度等功能；AppStudio 主要為最終應(yīng)用提供交互界面低代碼構(gòu)建、數(shù)據(jù)可視化、應(yīng)用發(fā)布等功能。

為方便快捷部署基于XStudio 開發(fā)的軟件應(yīng)用,XStudio 設(shè)計(jì)了面向云邊融合部署的數(shù)字孿生應(yīng)用體系。其中,“云端”是集中部署的CloudPSS,“邊端”是在安裝了FuncStudio 的第三方物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上部署的計(jì)算和分析內(nèi)核,二者一起支持云邊融合的應(yīng)用構(gòu)建。

4.3 基于CloudPSS 的電網(wǎng)自適應(yīng)解列控制決策軟件開發(fā)

相比傳統(tǒng)電網(wǎng),新型電力系統(tǒng)中各區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)將更加緊密。為了防止大停電事故的發(fā)生,確保大規(guī)模電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,需要加強(qiáng)電力系統(tǒng)的“三道防線”建設(shè)。尤其是在第一道防線和第二道防線無(wú)法使電網(wǎng)恢復(fù)、同時(shí)電網(wǎng)中出現(xiàn)失步振蕩的時(shí)候,第三道防線（即解列）將是防止系統(tǒng)大停電的最后希望。為此,研究了電力系統(tǒng)的自適應(yīng)解列控制方法,并基于該控制方法和CloudPSS 開發(fā)了電網(wǎng)自適應(yīng)解列控制決策軟件。自適應(yīng)解列控制方法［22-23］能夠協(xié)調(diào)全局,集中決策,靈活多變,可適應(yīng)電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化。 本節(jié)重點(diǎn)介紹基于CloudPSS 的自適應(yīng)解列控制決策軟件的構(gòu)建與運(yùn)行流程。

該自適應(yīng)解列控制決策軟件基于CloudPSS 的潮流計(jì)算內(nèi)核和電磁暫態(tài)仿真內(nèi)核,可用于生成安全、穩(wěn)定的解列策略,并加以驗(yàn)證。其構(gòu)建過(guò)程主要包含4 個(gè)步驟:

步驟1:在CloudPSS SimStudio 中構(gòu)建待研究的電力系統(tǒng)的仿真模型。

步驟2:利用CloudPSS FuncStudio 封裝自適應(yīng)解列控制決策算法程序,其中將多次調(diào)用SimStudio中構(gòu)建的仿真模型。

步驟3:在CloudPSS AppStudio 中設(shè)計(jì)用戶界面（user interface,UI）和 可 視 化 界 面,展 示FuncStudio 中解列控制決策程序輸出的結(jié)果。

步驟4:進(jìn)行軟件的調(diào)試、運(yùn)行及發(fā)布。

圖3 所示為該軟件的運(yùn)行步驟。流程中各功能模塊均被著以不同顏色,代表采用不同的開發(fā)者套件類型。具體地,黃色代表AppStudio、藍(lán)色代表SimStudio、綠色代表FuncStudio。表1 進(jìn)一步給出了各模塊的功能和編制使用的開發(fā)者套件類型。

圖3 自適應(yīng)解列控制決策軟件運(yùn)行步驟Fig.3 Operation steps of adaptive splitting control and decision-making software

表1 自適應(yīng)解列控制決策軟件偽代碼Table 1 Pseudo-code of adaptive splitting control and decision-making software

首先,利用算例管理模塊指定需要解列的系統(tǒng)；然后,利用初始節(jié)點(diǎn)選擇模塊指定分群數(shù)和分群的初始節(jié)點(diǎn),再利用指標(biāo)計(jì)算模塊對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)得分進(jìn)行計(jì)算；接著,利用節(jié)點(diǎn)分群模塊對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分群,在得到分群結(jié)果后通過(guò)解列線路判斷模塊獲取需要斷開的線路；然后,利用指標(biāo)校驗(yàn)?zāi)K對(duì)解列方案的靜態(tài)工作點(diǎn)、暫態(tài)穩(wěn)定性及其他約束條件進(jìn)行校驗(yàn),若校驗(yàn)通過(guò),則說(shuō)明該解列方式可行,若未通過(guò)校驗(yàn),則重新選擇初始節(jié)點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算,直到得到滿足條件的解列方案；最后,調(diào)用結(jié)果展示模塊展示解列方案與校核結(jié)果。

該解列系統(tǒng)界面如圖4 所示,系統(tǒng)可以展示包括開斷線路表、多饋入短路比表、孤島功率情況表和平衡節(jié)點(diǎn)信息表等在內(nèi)的解列計(jì)算結(jié)果。該電網(wǎng)自適應(yīng)解列控制決策軟件目前已公開發(fā)布［24］。

圖4 自適應(yīng)解列控制決策軟件圖形界面Fig.4 Graphical interface of adaptive splitting control and decision-making software

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)新型電力系統(tǒng)背景下電力系統(tǒng)仿真軟件的設(shè)計(jì)理念和發(fā)展路徑進(jìn)行了探討,介紹了筆者團(tuán)隊(duì)在研發(fā)面向新型電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件平臺(tái)和運(yùn)行環(huán)境——CloudPSS 過(guò)程中的探索與實(shí)踐,以期為中國(guó)電力系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展提供借鑒。