支持信息-物理-社會系統(tǒng)研究的跨領域交互仿真平臺

薛禹勝，謝東亮，薛 峰，黃 杰，蔡 斌，蔡林君

（南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司）,江蘇省南京市 211106）

0 引言

信息物理系統(tǒng)（cyber-physical system,CPS）概念指出了工程系統(tǒng)中物理與信息緊密耦合的特征,得到了不同學科的廣泛認同。但它忽視了政策、行為等社會因素的影響以及多領域廣泛交互的事實,導致無法對系統(tǒng)的全部行為做出準確的分析和判斷。以電力領域為例,電力市場缺陷、自然災害、極端氣象、一次能源價格暴漲等外部因素已經(jīng)引發(fā)了包括美國加州電力市場崩潰、中國南方冰災、日本福島核事故、美國得州能源災難等后續(xù)造成電力供應危機的風險事件。這說明,電力與一次能源、生態(tài)環(huán)境、社會系統(tǒng)之間的聯(lián)系比想象的更緊密,并仍在持續(xù)加深中。

文獻［1］于2010 年提出CPS 需要考慮社會元素,形成信息-物理-社會系統(tǒng)（cyber-physical-social system,CPSS）。目前,CPSS 研究已經(jīng)拓展到計算機、自動控制、公共管理、軍事作戰(zhàn)、反恐、智能交通、建筑、智慧城市、智能制造等領域［2］。文獻［3］從能源轉(zhuǎn)型的本質(zhì)特征出發(fā),提出了能源的CPSS（CPSS in energy,CPSSE）概念,為融合信息、物理、社會元素,研究跨領域、多學科的能源轉(zhuǎn)型問題提供了分析框架。對CPSS 的整體研究,不僅具有很高的理論價值,而且現(xiàn)實意義也十分突出。當研究對象拓展至包括能源、交通、城市、社會管理等在內(nèi)的CPSS 跨領域研究范疇時,由于參數(shù)、對象的擴增,層級、尺度、維度的疊加,相關信息系統(tǒng)的復雜度必然會激增。

仿真是研究復雜系統(tǒng)［4］的重要工具；CPSS 是對復雜系統(tǒng)的一個概念框架。電力系統(tǒng)因其具有強非線性與非自治性的特征,規(guī)劃與運行都強烈地依賴于數(shù)值仿真。

仿真是基于模型的活動［5-6］,CPSS 系統(tǒng)的建模離不開對涉及的各領域問題及其相互關系的理解。隨著問題、數(shù)據(jù)、經(jīng)驗的不斷積累,電網(wǎng)、交通網(wǎng)、能源網(wǎng)、物流網(wǎng)絡、碳元素流、市場經(jīng)濟、供需預測、負荷預測、運行控制、投資規(guī)劃等大量領域仿真模型日臻完善。

然而,各領域模型在計算目的、時間尺度、交互特性、支撐平臺等方面存在巨大差異,如果不能找到一個通用型仿真平臺作為紐帶,CPSS 范圍內(nèi)的跨領域仿真仍難以實現(xiàn)。MATLAB/Simulink 和高層體系結構（high level architecture,HLA）是通用型仿真平臺中的佼佼者。前者主要用于科學研究和系統(tǒng)設計,提供有多領域仿真工具箱,每個工具箱具備單一尺度仿真功能［7］；后者早期用于兵棋推演,后來也被應用于其他領域研究,提供了支撐分布式交互仿真的建模接口和運行時系統(tǒng)［6,8］。但將它們用于CPSS 研究時,均存在著跨領域多尺度仿真實現(xiàn)難度大、代價高的問題,前者還缺乏社會行為模擬的必要支撐環(huán)境［7］。

筆者所在團隊多年來在能源電力領域的復雜問題研究過程中推動了CPSS 仿真平臺（simulation platform for cyber-physical-social system, Sim-CPSS）的不斷發(fā)展,后者又反過來支撐了CPSS 的研究。

1 仿真平臺的發(fā)展歷程

1.1 研究對象的拓展

筆者團隊自1985 年至今,一直致力于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性的理論、算法、仿真、分析與控制裝備的創(chuàng)新與應用,發(fā)明了國際上至今唯一得到理論證明并實現(xiàn)工程應用的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性量化分析方法—— 擴展等面積準則（extended equal area criterion,EEAC）。以EEAC 為核心的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定量化分析與優(yōu)化決策軟件FASTEST（fast analysis of stability using the extended equal area criterion and simulation technologies）已出口到美國、加拿大等國家的29 個用戶［9］,在軟件集成商及用戶數(shù)量上,均處于國際領先地位［10］。研制了電網(wǎng)廣域監(jiān)測分析保護控制系統(tǒng)（WARMAP）并獲得廣泛工程應用［11-13］,大大推進了電力CPS 的發(fā)展。

2000 年左右,團隊開始探索物理的電力系統(tǒng)與非電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)之間的交互影響。文獻［14-15］首次探討了如何分析市場經(jīng)濟元素與物理的電力系統(tǒng)規(guī)劃與運行之間的相互影響。歷經(jīng)20 多年的量化研究,涵蓋了關于社會因素對電力安全穩(wěn)定性、充裕性及經(jīng)濟性的影響,包括:可再生能源發(fā)展［16］、電力市場［17］、政策監(jiān)管［18］、投資經(jīng)營［19］、競爭博弈［20］、信息攻擊［21］、應急處置［22］、多種極端自然災害［23］、排放污染［24］、排放權市場與代替市場的協(xié)調(diào)控制［25］等。

2016 年,撰文指出智能電網(wǎng)（smart grid,SG）將信息技術與電力系統(tǒng)深度融合以提高電力系統(tǒng)的效率與可靠性,就是電力領域的信息物理系統(tǒng)（CPS in power,CPSP）［26］。2017 年,再次撰文強調(diào)在大規(guī)模清潔能源替代及電能替代下,SG 必須融入整個能源鏈的智慧能源（CPS in energy,CPSE）建設之中,而在市場開放環(huán)境下則必須進一步拓展為CPSSE［3］,如圖1 所示。

圖1 從SG 向CPSSE 的發(fā)展過程Fig.1 Development from SG to CPSSE

1.2 仿真工具的發(fā)展

隨著研究對象不斷向外拓展,為研究提供支撐的仿真工具集也需要不斷擴大內(nèi)涵、增加功能。圖2 總結了近年來圍繞CPSS 研究,不斷研發(fā)的核心仿真工具集的發(fā)展脈絡。

圖2 支撐CPSS 研究的核心仿真工具集的發(fā)展Fig.2 Evolution of core simulation toolsets to support CPSS researches

如圖2 所示,CPSS 仿真工具有平臺型軟件系統(tǒng)的共性特征,主要分為“平臺”與“應用”2 個組成部分?！捌脚_”層用于實現(xiàn)領域-尺度-角色-對象之間的交互功能；“應用”層用于實現(xiàn)具體領域的仿真功能。

此外,圖2 同時反映出CPSS 研究中多個領域逐步走向融合的趨勢:

1）2006 年以前,仿真在孤立領域中開展,包括:改進電力系統(tǒng)（power system,PS）仿真,構建全新的電力市場（power market,PM）仿真器［27］。

2）2006—2009 年,在PM 仿真器的底層構建了PS-PM 仿真平臺［28-31］；基于這一新軟件“基座”,對PS-PM 仿真環(huán)境進行了重構,在平臺中接入了團隊自主研發(fā)的獨立軟件系統(tǒng)——FASTEST,具備了直接調(diào)用電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析（dynamic security assessment,DSA）的功能；構建了首個跨領域仿真器。

3）2010—2013 年,將PS-PM 領域特殊功能剝離出“平臺”層,構建了首個通用型仿真平臺——Sim-CPSS（部分文獻中稱為大能源系統(tǒng)動態(tài)仿真或DSMES 平臺［32］）,研發(fā)出1.0 版本,開始向應用層提供可靠服務；依托“平臺”的開放接口,構建了碳市場（carbon market,CM）仿真［33］與電力充裕度（power system adequacy,PSA）仿真［16,34-35］等2 個全新領域應用程序（Application,以下簡稱App）。

4）2014—2017 年,構 建 了PM-CM［36］、PSADSA［37］等2 個新的交互仿真環(huán)境；同時,結合能源轉(zhuǎn)型研究需求,相繼構建了“企業(yè)級能源轉(zhuǎn)型規(guī)劃”（enterprise-level energy planning,ELEP）和“區(qū)域級能源轉(zhuǎn)型規(guī)劃”（region-level energy planning,RLEP）等多個能源領域App［38-39］。

5）2018—2019 年,仿真規(guī)模和融合度持續(xù)提升,成功構建了RLEP-PSA-DSA 仿真環(huán)境,用于支撐地區(qū)級的能源-電力-環(huán)境協(xié)同優(yōu)化［40］。

6）2020 年 至 今,Sim-CPSS 平 臺 進 一 步 升 級 到2.0 版本,基于云計算技術,繼續(xù)為更多的研究人員提供更大規(guī)模、更廣泛領域的交互仿真服務。

2 融合交互仿真

2.1 跨領域仿真

跨領域仿真涉及軟件之間的動態(tài)交互,包括星型和蛛網(wǎng)型2 種拓撲構型。蛛網(wǎng)型的接口更多,復雜度更高。Sim-CPSS 采用星型拓撲,多個App 之間的動態(tài)交互在統(tǒng)一的平臺（Platform）層實現(xiàn)。

為了增加靈活性、簡化交互機制,Sim-CPSS 平臺引入了基于共享數(shù)據(jù)的“黑板”架構［41］,構建了以下數(shù)據(jù)容器和接口:

1）存儲交互數(shù)據(jù)的“黑板”:將跨領域仿真涉及的全部交互數(shù)據(jù)存儲于一個共享狀態(tài)“黑板”。仿真過程中,不同App 只能通過“黑板”進行數(shù)據(jù)交換。圖3（a）給出了2 個領域App 交互的例子:在交互的每一步,由主控App（Master-App）觸發(fā)單個領域App（如App1）的運行,在運行過程中完成“黑板”數(shù)據(jù)的存取,此步驟中其他領域App 處于休眠態(tài),如圖3（a）中步驟2、3 所示；通過重復這些步驟,實現(xiàn)對交互仿真的想定。

2）標準化調(diào)度接口:圍繞上述交互架構,Sim-CPSS 定義了3 組接口,分別為跨平臺接口（crossplatform interface,CPI）、跨 應 用 接 口（crossapplication interface,CAI）和 跨 對 象 接 口（crossobject interface,COI）,分別負責跨平臺、跨應用和跨對象的交互。CPI 幫助用戶/外部系統(tǒng)訪問平臺的數(shù)據(jù)和應用程序資源。圖3（a）步驟1、4 中,用戶運用該接口啟動了主控App,并獲取了交互仿真結果；CAI 幫助平臺中的App 訪問數(shù)據(jù)或其他程序資源:圖3（a）步驟1、2、3 中的跨App 交互由該接口實現(xiàn)。

上述交互機制在異構的仿真環(huán)境中,通過中心化的“黑板”架構,降低了交互過程的復雜度。Sim-CPSS 通過“進程驅(qū)動”的“黑板”動態(tài)更新機制,實現(xiàn)了面向“黑板”數(shù)據(jù)的交互應用開發(fā)模式,大大減少了對各領域子系統(tǒng)的修改量,且具有易調(diào)試、易并行的突出優(yōu)點。

2.2 多尺度仿真

動態(tài)仿真必須指明步長才能正確地包含積分環(huán)節(jié)?？靹討B(tài)和慢動態(tài)過程的仿真通常采用不同步長,以確保仿真效率。然而,實際復雜系統(tǒng)的動態(tài)過程總是快慢交織的,多尺度聯(lián)系成為常態(tài)。在某些領域研究中,已就多時間/空間尺度仿真進行過一些有益嘗試［42］,但均未上升至通用模型。

Sim-CPSS 按照以下思路構建通用型多尺度仿真框架:1）拓展“時步”概念,用尺度可定義的“事件”取代“時步”；2）建立“事件”驅(qū)動仿真的機制［32］,用不同事件隊列表示不同尺度仿真進程,實現(xiàn)“多尺度并存”；3）建立“多尺度同步”機制［32］,通過控制不同尺度“事件”同步觸發(fā),實現(xiàn)多尺度進程間的配合與協(xié)同；4）借助“黑板”或其他信息共享機制,實現(xiàn)“多尺度信息共享”。

2.2.1 領域內(nèi)的多尺度

根據(jù)上述思路,需要重構傳統(tǒng)的單一尺度仿真環(huán)境。Sim-CPSS 將重構后的環(huán)境稱為“混合仿真環(huán)境”；在該環(huán)境中,定義了一組COI 來組織具有多尺度、多角色交互特征的仿真［32］,如圖4 所示。

除“事件”外,圖4 的“混合仿真環(huán)境”還定義了“對象”“服務總線”“仿真腳本”等概念,分別用來描述參與仿真的個體、對象之間的互相調(diào)用,以及用戶對于仿真環(huán)境的描述。“事件”除了表示時步,還用于描述邏輯步驟、擾動等。

圖4 “混合仿真環(huán)境”的實現(xiàn)原理Fig.4 Software realization of“hybrid simulation environment”

圖3（b）揭示了利用“混合仿真環(huán)境”實現(xiàn)多尺度仿真的過程。以2 個尺度仿真進程的交互為例,當用戶希望在“月”一級仿真中嵌入“天”一級仿真時,只需連接“月”事件和“天”事件的觸發(fā)器,就能在“1 月”和“2 月”的仿真步之間插入另一尺度仿真進程（如1 月1 日—1 月31 日之間的31 個“天”級時步）。各尺度在觸發(fā)時,其他尺度仿真對象處于休眠態(tài),因此進程之間互不影響。要完成多尺度之間的互動,用戶需進一步借助COI 的“對象”和“服務”接口,實現(xiàn)跨尺度條件下的數(shù)據(jù)I/O 和服務請求傳遞。

2.2.2 跨領域中的多尺度

如果不同領域的仿真問題恰好也處于不同尺度,可以考慮運用圖3（a）的架構去實現(xiàn)。由于共享數(shù)據(jù)“黑板”隔離了不同領域的App,因此不同尺度的仿真環(huán)境只會存在于各自領域App 的內(nèi)部,而多尺度的互調(diào)用能夠借用跨領域交互機制實現(xiàn)。

圖3 融合交互仿真的實現(xiàn)原理Fig.3 Software fusions of interactive simulation

多尺度信息共享也可通過“黑板”完成,為此:1）Sim-CPSS 為“黑板”添加了多尺度數(shù)據(jù)存儲支持；2）具體領域App 也可將仿真結果經(jīng)尺度轉(zhuǎn)換后再送入“黑板”,如將小尺度結果歸總聚合為大尺度,或基于某種分布規(guī)律或分配策略將大尺度結果分解到小尺度向量。

2.3 多角色仿真

社會行為的精確模擬［43］一直是經(jīng)濟學、社會學的未解難題。多代理仿真（multi-agent simulation,MAS）［44］和 實 驗 經(jīng) 濟 學 仿 真（experimental economics simulation,EES）［28］是 近 年 涌 現(xiàn) 出 來、有代表性的2 類仿真技術。前者將社會行為的決策主體看作普通對象,每個主體根據(jù)有限的輸入計算出有限的輸出,屬于閉環(huán)決策模式；后者則通過向真實實驗者分享實驗（仿真）狀態(tài),進而采集其反應（決策）,屬于開環(huán)決策模式。由于存在大量難以數(shù)學建模的行為模式,因此前者并不能替代后者。

“混合仿真環(huán)境”支持2 種仿真模式的混合接入［30,32］:1）支持基于面向?qū)ο缶幊蹋╫bject-oriented programming,OOP）技術構建MAS 環(huán)境；2）借助化身（Avatar）對象來實現(xiàn)EES；3）支持自由選擇“代理”或“化身”對象來模擬某個（或某類）社會角色；4）支持在同一仿真環(huán)境中引入多種角色（如報價者、投資者等）,支持“代理”和“化身”對象同時參與某一仿真過程。

圖3（c）給出了用平臺實現(xiàn)“報價實驗”這一EES 仿真的例子:在“報價”時段,通過事件通知“報價者”化身對象向參與者推送仿真斷面信息（即“報價界面”）,參與者收到后可在界面中自主“修改報價”；報價修改動作會同步給“化身”；在“出清”時段,“化身”把更新后的報價報送給市場。

3 實現(xiàn)架構與功能

3.1 總體架構

融合交互仿真技術需要置于合適的信息系統(tǒng)架構中方能實現(xiàn)。Sim-CPSS 的架構設計在10 年歷程中跟隨研究對象拓展、信息技術發(fā)展不斷演進。目前的最新軟件架構如圖5（a）所示,采用了云計算服務模式,能為用戶提供“免安裝、免下載、接入即用、靈活定制”的云仿真體驗。它由“云平臺”和“多終端”2 個部分組成,符合互聯(lián)網(wǎng)平臺的典型特征:“云平臺”又分為“云服務接口層”與“混合仿真環(huán)境”,前者提供跨領域仿真（2.1 節(jié)）及其他云服務功能,后者根據(jù)圖4 原理實現(xiàn)；“多終端”包括Sim-CPSS 客戶端及與平臺存在I/O 聯(lián)系的其他外部業(yè)務系統(tǒng)。

圖5 Sim-CPSS 平臺的最新軟件架構與可視化開發(fā)流程Fig.5 Latest software architecture and visual simulation development process of Sim-CPSS

在軟硬件架構不斷演進的同時,平臺層功能持續(xù)完善、應用層組件資源不斷豐富,這為研究人員在平臺上開發(fā)更多領域的仿真App、接入更多的外部仿真軟件或者連接多個App 組建融合交互仿真環(huán)境提供了極大的便利。

3.2 平臺層的功能

3.2.1 可開發(fā)性與可編程性

Sim-CPSS 平臺定位研究工具,因此強調(diào)可開發(fā)性與可編程性,能為研究者快速定制仿真環(huán)境提供工具支持。

借鑒MATLAB、HLA、DigSILENT 等仿真工具的成功經(jīng)驗,Sim-CPSS 提供了仿真標記語言（simulation markup language,SML）接口,它綜合了可擴展標記語言（extensible markup language,XML）的結構自描述性與高級語言（如Lua、Python）的編碼簡潔性的優(yōu)點。用戶通過運用SML 語法編寫仿真腳本,實現(xiàn)對“混合仿真環(huán)境”的編程,一方面降低了編寫難度,另一方面獲得“即時編譯,隨改隨用”的便利。如圖4 所示,在“混合仿真環(huán)境”中包含“設計時”和“運行時”2 個環(huán)境。前者幫助開發(fā)人員利用SML 語言編寫仿真腳本；后者負責加載仿真腳本、根據(jù)腳本即時構建仿真環(huán)境,運行仿真并輸出結果。

SML 經(jīng)過10 年的發(fā)展,語法日益簡潔、功能日益強大。研究者/開發(fā)者不僅可通過SML 對“混合仿真環(huán)境”的方方面面（如多尺度、多角色特性）進行深度定制,還派生出“自動化腳本”引擎。通過該引擎可以定義云服務接口層的自動化流程,大大提高跨領域仿真的效率。

3.2.2 組件化與可視化

在構建跨領域仿真過程中,以SML 對仿真環(huán)境的高度抽象為基礎,采用了可視化組件技術來渲染“黑板”數(shù)據(jù)對象,開發(fā)了圖形化建模器、推演器、結果呈現(xiàn)器等易用性增強模塊,實現(xiàn)了對仿真環(huán)境的組件化、可視化表達,使仿真環(huán)境的開發(fā)更加簡單、直觀。圖5（b）演示了仿真環(huán)境的圖形化開發(fā)流程,分為以下幾步:1）創(chuàng)建代表“黑板”的數(shù)據(jù)文件；2）創(chuàng)建“元件”（對象的模板）庫；3）用“元件”創(chuàng)建“對象”,并建立“對象”之間的連接；4）編輯“元件/對象”的數(shù)據(jù)；5）運行仿真并查看結果。其中,創(chuàng)建“元件”時可添加“服務連接”的語義,并借助SML 描述特定語義下“服務連接”的復雜行為。

3.2.3 開放性與安全性

在開放性方面,外部軟件系統(tǒng)/模塊既可主動訪問平臺資源,又可被平臺訪問。前者通過CPI 實現(xiàn)；后者通過平臺接口程序?qū)崿F(xiàn)。

任何仿真程序只要不含人機交互特性,理論上均可接入Sim-CPSS 平臺作為仿真組件使用。接入前,需準備“非標準到混合仿真環(huán)境”的雙向轉(zhuǎn)換接口,如圖5（a）所示；接入后,該程序在運行期就有能力訪問由接口指定的平臺資源。文獻［31］給出了外部仿真程序FASTEST 接入平臺的示例。

在安全性方面,與其他網(wǎng)絡平臺類似,用戶/外部系統(tǒng)訪問Sim-CPSS 平臺需要經(jīng)過安全鑒權；全部仿真資源均實現(xiàn)了用戶級權限管理；非標準仿真應用需要部署在內(nèi)部安全網(wǎng)絡中,并經(jīng)由接口才能與平臺交互。

3.3 應用層的仿真組件庫

與MATLAB 的仿真工具箱［7］類似,Sim-CPSS平臺也內(nèi)置了可復用的仿真組件庫,允許用戶自由選取封裝好的仿真資源,變“一次開發(fā)”為“二次開發(fā)”,來提高領域/跨領域App 的開發(fā)效率。文獻［31］介紹了為電力系統(tǒng)-電力市場交互（PS-PM）仿真準備的組件庫。Sim-CPSS 平臺在繼承PS-PM 平臺組件庫的同時,進一步將仿真組件庫擴充至更廣領域,在平臺生態(tài)建設方面取得新的進展。

3.3.1 通用域組件1）信息采集類（包括對多源信息采集的支持）:（1）文件源:增加了從JSON/CSV/XML 等格式文件中采集數(shù)據(jù)的支持；

（2）數(shù)據(jù)庫源:增加從MySQL 等數(shù)據(jù)庫中采集數(shù)據(jù)的支持；

（3）網(wǎng)絡源:增加了從Socket.IO 等協(xié)議網(wǎng)絡中采集數(shù)據(jù)的支持；

（4）行為源:完善了通過多代理建模理性行為、通過EES 終端以人機交互方式采集非理性行為的方法。

2）知識提取類:

（1）多場景及概率分析支持:支持構建多分布函數(shù)、通用型多場景風險計算框架、支持場景隨機生成、場景削減等常用模型；

（2）網(wǎng)絡建模與分析:基于圖論思想,增加了復雜網(wǎng)絡的有向圖建模、網(wǎng)絡連通性檢測、最短路徑生成等功能組件。

3）決策支持類:

（1）基礎優(yōu)化支持:新增優(yōu)化器基類,支持通過Python 優(yōu) 化 工 具 箱、MATLAB 的m 語 言 或mdl 格式導入優(yōu)化模型；

（2）高級優(yōu)化支持:增加了一系列通用優(yōu)化組件（包括:代價性能比計算、靈敏度搜索算法、敏感度分析等）；完善了仿真斷面保存、載入、多斷點試探的自動化機制。

4）其他:

（1）模型調(diào)試支持:在“混合仿真環(huán)境”中增加了對Lua 語言代碼的斷點調(diào)試組件；

（2）多編程語言支持:增加了 Python/MATLAB 等高級語言模塊的接口；

（3）多計算節(jié)點支持:支持在領域仿真中實現(xiàn)并行計算。

3.3.2 電力域組件

主要包括電網(wǎng)基礎拓撲、電網(wǎng)充裕性、安全性等3 個組件庫:

1）電網(wǎng)基礎拓撲庫:包括源、網(wǎng)、荷、儲4 類；

2）電網(wǎng)充裕性分析庫:含運行尺度充裕性分析（包括:新能源不確定場景的生成與削減、電網(wǎng)運行控制成本評估、停電/新能源消納等充裕性風險評估、電網(wǎng)充裕度量化評估、給定場景下源-網(wǎng)-荷-儲有功調(diào)度模擬與優(yōu)化、水/火電等容量備用配置優(yōu)化、跨區(qū)備用配置優(yōu)化）、規(guī)劃尺度充裕性分析（包括:年內(nèi)綜合工況生成、年內(nèi)電網(wǎng)運行風險聚合、充裕性投資性價比分析、充裕性投資方案執(zhí)行）等模型；

3）電網(wǎng)安全性分析庫:含運行尺度安全性分析（包括:安全性分析文件自動生成、靜態(tài)潮流分析、安全穩(wěn)定量化評估、暫態(tài)穩(wěn)定極限計算、最優(yōu)穩(wěn)控策略搜索、電網(wǎng)安全風險評估）,以及規(guī)劃尺度安全性分析（包括:年內(nèi)工況篩選及擾動生成、安全性投資性價比分析、安全性投資方案執(zhí)行）等模型。

3.3.3 能源域組件

能源域主要聚焦中長期能源轉(zhuǎn)型路徑的仿真推演與優(yōu)化,包括:煤、油、氣、電等各類能源子系統(tǒng)的中長期能量平衡,一次能源生產(chǎn)與轉(zhuǎn)化,能源基礎設施全壽命周期模擬（建設、運行、節(jié)能改造、CCS 改造、退役）,能源基礎設施技術進步（能源轉(zhuǎn)換效率、新能源單位容量造價等）,能源基礎設施資產(chǎn)（債務、凈資產(chǎn)、資金積累等）,能源基礎設施收益,能源基礎設施成本（燃料、運維、折舊、財務、排放）,企業(yè)級/區(qū)域級/國家級能源轉(zhuǎn)型路徑聚類,指定轉(zhuǎn)型目標下的路徑優(yōu)選,多轉(zhuǎn)型目標-路徑的聯(lián)合優(yōu)化等模型。

3.3.4 環(huán)境域組件

環(huán)境域主要聚焦碳減排與碳增匯研究,包括:設施碳排放量評估模型、設施碳排放成本模型、企業(yè)碳排放評估模型、企業(yè)碳資產(chǎn)評估模型、碳減排/碳增匯投資的成本效益測算、碳減排/碳增匯技術進步模型等。

3.3.5 交通域組件

交通域主要聚焦電動汽車（electric vehicle,EV）出行與充電研究,包括:EV 單體/聚合模型、交通網(wǎng)模型、交通流仿真、始發(fā)地-目的地（O-D）最短路徑算法、充電可行域評估、備用容量量化評估、充/放電決策優(yōu)化等模型。

3.3.6 社會域組件

社會域組件主要包括碳市場、電力市場、政策分析等3 個組件庫:

1）碳市場庫:碳市場參與者模型、碳交易行為決策模型、碳排放/碳抵消市場出清與結算、碳減排/碳增匯投資決策優(yōu)化模型、碳排放/碳抵消市場分類監(jiān)管與當量協(xié)同模型等；

2）電力市場庫:電力市場參與者與競標者模型、負荷聚合商模型、發(fā)電投資者模型、電網(wǎng)投資者模型、電力市場出清與結算、電力現(xiàn)貨機制/輔助服務市場機制等模型；

3）政策分析庫:政策制定者模型、可再生能源促進政策/能耗雙控政策/企業(yè)政策等模型。

4 應用案例

下文將“電力轉(zhuǎn)型主動支撐能源轉(zhuǎn)型”（圖2 中稱為RLEP-PSA-TSA 仿真）作為一個能源仿真領域的實例,描述在Sim-CPSS 平臺上構建融合交互仿真的過程。其構建過程共分為以下4 步。

1）仿真組件選擇

本案例涉及區(qū)域級能源轉(zhuǎn)型規(guī)劃（RLEP）、電網(wǎng)充裕性分析（PSA）、電網(wǎng)安全性分析（DSA）等3 個仿真領域。上述領域組件的時間尺度分別為年、小時、毫秒,跨度非常大。單獨使用RLEP 組件既不能輸出電網(wǎng)轉(zhuǎn)型規(guī)劃結果,也不能詳細評估某種電源規(guī)劃所帶來的運行期風險,因此可能產(chǎn)生源-網(wǎng)規(guī)劃不協(xié)調(diào)的問題。PSA-DSA 組件庫只能開展電網(wǎng)運行風險分析,并不能直接用于規(guī)劃研究。但2 個組件庫之間有很強的互補性:與傳統(tǒng)模型相比,PSA-DSA 在仿真的基礎上增加了量化分析模塊,可以對停電或棄新能源的風險代價進行量化［45］；這剛好可與RLEP 輸出的投資成本進行對比,給出邊際投資量的優(yōu)化信號。

2）交互模型設計

根據(jù)以上對多領域協(xié)同原理的分析,提出圖6所示的跨領域交互模型。該模型負責在轉(zhuǎn)型期內(nèi)的每一年根據(jù)能源轉(zhuǎn)型路徑（左側(cè)藍線）生成電力轉(zhuǎn)型路徑（右側(cè)紅線）:（1）每個規(guī)劃水平年伊始,RLEP將年度多類型電源裝機共享于“黑板”；（2）PSADSA 綜合該信息、負荷預測信息、上一年的網(wǎng)-儲信息生成并共享該年的工況庫；（3）PSA 和DSA 同時獲取共享的工況庫,啟動風險評估,并在判斷風險越限后,從各自的方案庫中依次評估每一種投資措施的代價性能比,共享至“黑板”；（4）PSA-DSA 融合考慮充裕性、安全性2 個方面的推薦方案,給出本步投資策略（如升級電力網(wǎng)架或優(yōu)化儲、荷分布）；（5）重復上述步驟,經(jīng)多步迭代（包括在風險越限且無措施可用時回溯到前續(xù)水平年的操作）后,生成本年度的電力轉(zhuǎn)型方案。

圖6 在跨領域仿真框架下實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)型優(yōu)化的原理Fig.6 Optimization process of long-term power planning by using multi-domain and multi-time-scale simulation in Sim-CPSS

3）交互數(shù)據(jù)設計

上述流程涉及的數(shù)據(jù)包括:（1）轉(zhuǎn)型路徑數(shù)據(jù),含多類型電源在每個水平年的裝機容量；（2）當前年的工況庫數(shù)據(jù)；（3）當前年的候選電網(wǎng)投資方案及其代價性能比數(shù)據(jù)；（4）當前年的選中電網(wǎng)投資方案信息（如編號、類型、裝機容量等）；（5）全路徑電網(wǎng)投資方案（含投資成本）；（6）全路徑電網(wǎng)的剩余運行風險成本。

4）交互接口設計

除數(shù)據(jù)外,還需要新增數(shù)個CAI:

（1）關聯(lián)至RLEP 的接口,按其作用命名為:生成電源裝機路徑、獲取電網(wǎng)投資結果與剩余風險、評估路徑總風險成本。

（2）關聯(lián)至PSA-DSA 的接口:生成工況+擾動庫、充裕性風險評估+風險判斷+投資方案代價性能比更新、安全性風險評估+風險判斷+投資方案代價性能比更新、投資方案優(yōu)選、投資方案執(zhí)行。

按照上述設計,運用Sim-CPSS 平臺提供的豐富工具,完成上述數(shù)據(jù)、接口的搭建后,即可實現(xiàn)RLEP 與PSA-DSA 互通的環(huán)境,圖6 所示流程即可逐步手動點擊完成。為了獲得更高的分析效率,可進一步基于Sim-CPSS 的“自動化腳本”引擎開發(fā)如圖3（a）所示的主控App,實現(xiàn)圖6 的自動化。

5 結語

為了更準確地分析復雜自適應系統(tǒng)的行為,需要將研究范疇拓展至CPSS,同時考慮廣義物理系統(tǒng)之間的交互影響。由于問題的復雜性,仿真技術在CPSS 研究中更加不可或缺。當前,主流的仿真工具在用于支撐CPSS 跨領域、多尺度、多角色研究時實現(xiàn)難度大、代價高。Sim-CPSS 作為一款南瑞自主研發(fā)且擁有完全知識產(chǎn)權的工業(yè)仿真軟件,為CPSS 研究提供了更適配的研究工具。經(jīng)過10余年的發(fā)展,它的研究對象不斷增多、內(nèi)涵不斷擴大、功能不斷完善；它實現(xiàn)了對通用型融合交互仿真的支持,能夠?qū)⒉煌I域、不同時間尺度的仿真程序融合在一起,協(xié)同一致展開仿真推演；它還提供了社會元素建模和接入功能,支持多代理、“化身”模型的混合接入。在架構不斷演進的同時,Sim-CPSS 的平臺層功能逐漸完善、應用層組件不斷向新領域拓展?；谠撈脚_,筆者所在團隊成功構建了跨3 個領域、3 種時間尺度的融合交互仿真案例。

實踐表明,Sim-CPSS 能有效彌合多領域、多尺度、多種社會行為接入模式下仿真環(huán)境之間的巨大差異,實現(xiàn)異構仿真環(huán)境的互通、互動、互用,將融合交互仿真由“不可能”變?yōu)椤翱赡堋薄３艘酝?Sim-CPSS 還提供了研究型仿真平臺所需的大部分重要功能特性,包括:可開發(fā)性、可編程性、組件化、可視化、開放性與安全性等,大幅提升復雜系統(tǒng)交互仿真研究的效率,力圖在“能用”的基礎上做到“好用”。

作為結構和生態(tài)日趨復雜的軟件系統(tǒng),Sim-CPSS 仍存在大量的改進空間。進一步的完善方向包括:1）構建更精細、覆蓋領域更廣的CPSS 融合仿真環(huán)境；2）對標國際先進水平,持續(xù)完善圖形化、易用性功能；3）增強基礎數(shù)據(jù)處理能力,提高大數(shù)據(jù)處理性能；4）增強云計算能力,提高并行仿真性能；5）進一步簡化可編程接口,增強可開發(fā)性,為用戶提供集成開發(fā)體驗等。