董雪濤，馮長(zhǎng)有，朱子民，唐君毅，劉 震，徐 志，亢朋朋

（1. 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830001；2. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830001；4. 國(guó)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(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐,構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)中國(guó)“30·60”雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的必然途徑［1-2］。2021 年3 月,中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議明確提出了實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)、構(gòu)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(shù)革新的共同推動(dòng)下,實(shí)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(shè)備接入的“雙高”特征凸顯,電網(wǎng)特性的復(fù)雜程度和運(yùn)行難度驟升。當(dāng)前,針對(duì)復(fù)雜大電網(wǎng)穩(wěn)定特性的認(rèn)知與規(guī)劃方案、運(yùn)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(xiàng)分析需求,函須理清仿真工具發(fā)展趨勢(shì),構(gòu)建完善的仿真技術(shù)框架體系并針對(duì)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(zhuǎn)變過程中,電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性隨基礎(chǔ)支撐電源的清潔能源化與火電機(jī)組由電量供應(yīng)主體轉(zhuǎn)換為電力供應(yīng)主體的定位變化而發(fā)生深刻轉(zhuǎn)變［6-7］；規(guī)模化新能源接入、柔性輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)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(diǎn)［8］。電力電子元件較低的故障耐受能力和復(fù)雜的控制邏輯對(duì)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(duì)電網(wǎng)局部電磁暫態(tài)精細(xì)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(duì)大電網(wǎng)仿真分析的時(shí)空尺度和全國(guó)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(jì)算平臺(tái)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(cè)多能綜合能源系統(tǒng)構(gòu)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(yùn)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(dòng)分析、運(yùn)行控制體系。探究面向新型電力系統(tǒng)的先進(jìn)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(shì),梳理并歸納“雙高”特征對(duì)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(shì),提出新型電力系統(tǒng)仿真技術(shù)框架,展望了目前仿真工具需要關(guān)注的潛在技術(shù)發(fā)展要點(diǎn)。

1 新型電力系統(tǒng)對(duì)仿真分析帶來的挑戰(zhàn)

結(jié)合“30·60”雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)時(shí)序,可將新型電力系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)過程以2030 年為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),劃分為轉(zhuǎn)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(jié)合碳捕獲、利用與封存（carbon capture,utilization and storage,CCUS）技術(shù)作保障,抽水蓄能、新型儲(chǔ)能和燃?xì)潆娬镜茸髡{(diào)節(jié)以及負(fù)荷側(cè)協(xié)同互動(dòng)為輔助的堅(jiān)強(qiáng)、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(duì)仿真工具帶來的挑戰(zhàn)主要可歸納為3 個(gè)層面:系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性改變背景下電網(wǎng)穩(wěn)定特性重塑,運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大,跨區(qū)域大電網(wǎng)耦合特性增強(qiáng)；綜合能源體系構(gòu)建背景下,仿真分析應(yīng)對(duì)的時(shí)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(dòng)電網(wǎng)分析和運(yùn)行控制體系重構(gòu)。

1.1 電網(wǎng)穩(wěn)定特性重塑，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大

電網(wǎng)穩(wěn)定特性的重塑貫穿新型電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(shè)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(shí)也深刻改變了電力系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)和運(yùn)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(jī)組被新能源機(jī)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(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大,安全穩(wěn)定問題愈加突顯［13］。

新能源機(jī)組獨(dú)有的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)與低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量特性將“重塑”系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)行為。系統(tǒng)整體動(dòng)力學(xué)特性由機(jī)電過程主導(dǎo)逐步轉(zhuǎn)化為切換控制主導(dǎo),電網(wǎng)響應(yīng)更加快速、動(dòng)態(tài)特性更加復(fù)雜,一、二次寬頻帶耦合特征凸顯,故障連鎖演化過程愈加復(fù)雜,精細(xì)化的電力系統(tǒng)建模及仿真分析技術(shù)需求隨之日益增長(zhǎng)［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(fù)荷側(cè)多種影響因素和不同接入、匯集方式下新能源機(jī)組出力的強(qiáng)波動(dòng)性、高隨機(jī)性、難預(yù)測(cè)性共同影響下,系統(tǒng)各電壓層級(jí)潮流分布、運(yùn)行方式多變,仿真計(jì)算邊界難以確定,影響電網(wǎng)經(jīng)典穩(wěn)定性的各個(gè)方面［15-16］。

文獻(xiàn)［17-18］針對(duì)“雙高”背景下系統(tǒng)在不同時(shí)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(jìn)行分析,指出電力系統(tǒng)在逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕履茉礊橹黧w電源的過程中,需要革新大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)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(zhuǎn)變?yōu)椤半p高”特征主導(dǎo)時(shí),原有的穩(wěn)定性定義與分類等基礎(chǔ)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(jìn)一步,需要針對(duì)大擾動(dòng)異構(gòu)設(shè)備機(jī)電-電磁暫態(tài)的交互影響及多時(shí)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(yīng)對(duì)的時(shí)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(shì)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(shí)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(gòu)建過程中,負(fù)荷特征的柔性、生產(chǎn)和消費(fèi)兼具特性的轉(zhuǎn)變,以及電網(wǎng)運(yùn)行過程中源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)的非完全實(shí)時(shí)平衡模式轉(zhuǎn)變對(duì)系統(tǒng)仿真在多時(shí)間尺度的綜合分析上提出了新的挑戰(zhàn)。

當(dāng)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(jī)組與傳統(tǒng)同步機(jī)組間交織交互因素影響下的電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過程特性分析,但在跨大區(qū)強(qiáng)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(zhǎng)時(shí)間尺度的慢過程、長(zhǎng)過程分析仍是解耦的［20］,當(dāng)前及未來仿真在計(jì)算時(shí)各過程交互進(jìn)行,整體情況如圖2 所示。新能源電量主導(dǎo)場(chǎng)景下,數(shù)倍于負(fù)荷的新能源裝機(jī)容量所造成的功率波動(dòng)和熱、冷、氫、氣等大規(guī)模多類型能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的接入,將使得電網(wǎng)在小時(shí)乃至更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的功率平衡和運(yùn)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(yùn)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(shí)間尺度Fig.2 Time scale adopted by simulation analysis in different stages

另一方面,隨著對(duì)精確模擬電網(wǎng)集群化電力電子設(shè)備快速動(dòng)態(tài)過程和交織交互因素影響下電網(wǎng)慢過程、長(zhǎng)過程等多時(shí)空尺度上仿真需求的日益增長(zhǎng),系統(tǒng)穩(wěn)定分析對(duì)電磁暫態(tài)仿真、數(shù)?；旌戏抡娴染?xì)化仿真技術(shù)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(fù)雜度成倍增加,如何使大規(guī)模風(fēng)電、光伏基地、儲(chǔ)能場(chǎng)站和綜合能源系統(tǒng)等元件的機(jī)電、電磁暫態(tài)等值模型準(zhǔn)確性達(dá)到實(shí)際研究、應(yīng)用需求的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)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(jí)仿真需基于超級(jí)計(jì)算資源開展,以電磁暫態(tài)和數(shù)?；旌戏抡鏋橹鞯木?xì)化仿真質(zhì)效面臨巨大挑戰(zhàn)［24］,如何實(shí)現(xiàn)機(jī)電暫態(tài)仿真過程中電磁與機(jī)電參數(shù)的融合、超高維異構(gòu)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(tái)化統(tǒng)一建模與統(tǒng)一管理,以及實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)機(jī)電、電磁等不同仿真引擎的云端調(diào)用,已經(jīng)成為適應(yīng)大電網(wǎng)電力電子化仿真計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［25］。

1.3 數(shù)字驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)分析、運(yùn)行控制體系重構(gòu)

新型電力系統(tǒng)發(fā)展成型-成熟過程中,社會(huì)-物理-信息的高度耦合,對(duì)數(shù)字驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)全景信息分析、運(yùn)行控制體系重構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有仿真體系下,模型驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)靜態(tài)/暫態(tài)分析基于設(shè)備物理模型,并利用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)關(guān)聯(lián)各維度之間的數(shù)據(jù),但其分析過程需做大量相關(guān)信息的預(yù)處理工作,存在復(fù)雜電力系統(tǒng)的交織問題,并缺乏有效的機(jī)制來應(yīng)對(duì)模型等效、系統(tǒng)固有誤差、不確定度在不同電網(wǎng)層級(jí)上的傳遞和有效評(píng)估,更難以有效利用新型電力系統(tǒng)運(yùn)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(shì)［26］。構(gòu)建基于電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的電力系統(tǒng)數(shù)字孿生模型,進(jìn)而建立實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知、超時(shí)虛擬推演的分析、運(yùn)行控制體系,可有效解決以上問題［27］?；陔S機(jī)矩陣?yán)碚搶?duì)電力系統(tǒng)數(shù)字孿生模型進(jìn)行分析挖掘,結(jié)合時(shí)間序列分析、建立相應(yīng)量化評(píng)價(jià)指標(biāo),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大電網(wǎng)擾動(dòng)的影響程度分析和影響范圍評(píng)估,一定程度上可實(shí)現(xiàn)仿真模型與交織問題的解耦［28］。

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

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

通過對(duì)系統(tǒng)宏觀層面上全景信息和電網(wǎng)物理設(shè)備層面上實(shí)時(shí)運(yùn)行信息的廣域智能感知及全面實(shí)時(shí)連接,構(gòu)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(yùn)行分析控制平臺(tái),結(jié)合云端協(xié)同、物理-數(shù)字孿生技術(shù)支撐的物理系統(tǒng)分析管控等手段,實(shí)現(xiàn)調(diào)控運(yùn)行的智能決策和電網(wǎng)各層級(jí)資源的友好、協(xié)同互動(dòng)；通過互聯(lián)互動(dòng)、數(shù)字賦能,形成新型電力系統(tǒng)各層級(jí)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(jī)理與數(shù)據(jù)融合的建模方法、自主智能控制策略等關(guān)鍵技術(shù),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(yùn)行控制體系和電網(wǎng)數(shù)字模型實(shí)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(jìn)電網(wǎng)低碳高效運(yùn)行,從而進(jìn)一步提升新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平［30］。

2 當(dāng)前主要仿真工具存在的不足

當(dāng)前,電網(wǎng)數(shù)字孿生模型和智能分析運(yùn)行控制體系的構(gòu)建尚處于起步狀態(tài),相應(yīng)仿真軟件、系統(tǒng)和平臺(tái)較為欠缺；針對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)開展仿真分析的主流軟件從時(shí)間尺度層面,可劃分為電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期生產(chǎn)模擬仿真技術(shù)、機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)、電磁暫態(tài)仿真技術(shù)、機(jī)電-電磁混合仿真技術(shù)和數(shù)模混合仿真技術(shù)五大類,每種仿真技術(shù)在應(yīng)對(duì)新型電力系統(tǒng)仿真分析時(shí)均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1）電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期生產(chǎn)模擬仿真技術(shù)

新型電力系統(tǒng)“雙高”特征突顯背景下,電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期生產(chǎn)模擬仿真技術(shù)的重要性進(jìn)一步突顯。由于新能源和冷、熱等多種能源資源具有波動(dòng)性和不可儲(chǔ)存性,高比例新能源機(jī)組和綜合能源系統(tǒng)的接入使得電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)平衡難度驟增,而實(shí)時(shí)電力平衡是導(dǎo)致新能源棄風(fēng)棄光的直接原因［31］。采用時(shí)序生產(chǎn)模擬的方法逐時(shí)段模擬高比例新能源接入情況下電網(wǎng)的運(yùn)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(zhǎng)時(shí)間尺度生產(chǎn)模擬仿真分析需進(jìn)一步完善多類型儲(chǔ)能電站、燃?xì)錂C(jī)組、光熱機(jī)組等新設(shè)備的精細(xì)化仿真模型,并打通與機(jī)電、電磁暫態(tài)仿真模型間的模型參數(shù)壁壘,實(shí)現(xiàn)不同仿真軟件精細(xì)化模型參數(shù)、等效模型參數(shù)間的互通互用與平臺(tái)化管理；精益化新能源機(jī)組功率預(yù)測(cè)和電力用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)用能分析預(yù)測(cè),支撐電源、柔性負(fù)荷和多種儲(chǔ)能間非實(shí)時(shí)電力電量平衡模式的重構(gòu),實(shí)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(píng)估［34-35］。

2）機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)

機(jī)電暫態(tài)仿真主要針對(duì)同步發(fā)電機(jī)機(jī)械、電磁轉(zhuǎn)矩之間不平衡引起的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)變化過程進(jìn)行分析,仿真步長(zhǎng)通常為半個(gè)周期或一個(gè)周期,主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)功角、電壓和頻率等的機(jī)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(yùn)行分析,代表性的仿真工具有國(guó)外仿真軟件 PSS/E、DIgSILENT、BPA 和國(guó)產(chǎn)仿真軟件PSASP 等［36-37］。

該類型仿真軟件采用準(zhǔn)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(duì)跨區(qū)大電網(wǎng)中發(fā)生的同送同受多直流同時(shí)換相失敗等典型故障特性的模擬存在局限性,且無法對(duì)電力電子設(shè)備的開關(guān)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確模擬,集中、分布式新能源機(jī)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(dāng)前機(jī)電暫態(tài)仿真軟件中基于動(dòng)態(tài)同調(diào)的多機(jī)等值模型無法描述多機(jī)設(shè)備的序貫動(dòng)作及時(shí)空耦合特性,更難以分析由此導(dǎo)致的多機(jī)連鎖反應(yīng)的問題［38］。

新型電力系統(tǒng)背景下,機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)應(yīng)對(duì)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(shí)系統(tǒng)中的失穩(wěn)可能表現(xiàn)為所有變量的失穩(wěn)［39］。現(xiàn)有傳統(tǒng)仿真分析理論和求解算法難以應(yīng)對(duì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)仿真分析體系的重構(gòu),以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)中海量元件組成的特點(diǎn),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(shù)

電磁暫態(tài)仿真技術(shù)綜合考慮設(shè)備元件中電場(chǎng)-磁場(chǎng)耦合關(guān)系及相應(yīng)電壓、電流的變化過程,仿真步長(zhǎng)可達(dá)微秒或納秒級(jí),主要應(yīng)用于局部電網(wǎng)及大功率電力電子設(shè)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(guó)外仿真軟件PSCAD/EMTDC、EMTPE、HYPERSIM、RTDS、PSModel和 國(guó) 產(chǎn) 仿 真 軟 件CloudPSS、ADPSS/ETSDAC［43］等。電磁暫態(tài)仿真技術(shù)具有高仿真精度的特點(diǎn),但計(jì)算速度慢、仿真規(guī)模小,存在常規(guī)發(fā)電機(jī)控制器模型不完備、現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)元件模型參數(shù)準(zhǔn)確度不高、直流控保模型與實(shí)際物理裝置特性存在差距、與機(jī)電仿真數(shù)據(jù)尚未實(shí)現(xiàn)有效融合等缺點(diǎn)；對(duì)于多機(jī)集群,電磁暫態(tài)仿真的詳細(xì)建模將導(dǎo)致維數(shù)災(zāi)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(duì)電磁暫態(tài)仿真技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)化仿真模型［45］。

4）機(jī)電-電磁混合仿真技術(shù)

機(jī)電-電磁混合仿真將機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)與電磁暫態(tài)仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合,針對(duì)大電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)分析過程中電力電子設(shè)備密集區(qū)域或重點(diǎn)關(guān)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(jī)電/電磁暫態(tài)部分軟件各自維護(hù),通用性差；模型間參數(shù)轉(zhuǎn)換復(fù)雜,模型完備度、精細(xì)化仿真質(zhì)效仍待提高；計(jì)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)模混合仿真技術(shù)

數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)在數(shù)字仿真基礎(chǔ)上,通過物理接口與設(shè)備實(shí)物實(shí)現(xiàn)混合仿真,可用于大電網(wǎng)穩(wěn)定性專題研究、設(shè)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(shè)備準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn),但其實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和試驗(yàn)規(guī)模等方面技術(shù)瓶頸和核心仿真能力仍待進(jìn)一步突破與提升［48］。此外,數(shù)模混合仿真硬件設(shè)備要求較高、價(jià)格昂貴,甚至需要專門定制,部分底層硬件仍依賴國(guó)外技術(shù)［49］。

3 先進(jìn)仿真工具發(fā)展趨勢(shì)

為進(jìn)一步提升新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定特性認(rèn)知能力,完善自主仿真工具體系和標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù),增強(qiáng)算法求解能力和仿真建模精細(xì)化水平,建立完善的電網(wǎng)多元數(shù)字驅(qū)動(dòng)智能分析運(yùn)行控制體系,建議主要從3 個(gè)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(xì)化與國(guó)產(chǎn)化

從以下3 個(gè)方面進(jìn)一步提升電網(wǎng)運(yùn)行特性理論研究深度、仿真建模精細(xì)化程度,逐步實(shí)現(xiàn)仿真軟件國(guó)產(chǎn)化,全面掌握新型電力系統(tǒng)運(yùn)行特性。

1）提升電網(wǎng)運(yùn)行特性理論研究深度

新型電力系統(tǒng)中源、網(wǎng)、荷三側(cè)電力電子設(shè)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(yīng)對(duì)規(guī)模”的去中心化分析思路,結(jié)合負(fù)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(chǔ)上,基于大規(guī)模電磁暫態(tài)分網(wǎng)并行計(jì)算技術(shù),突破數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)在實(shí)時(shí)性和仿真效率方面的瓶頸,在計(jì)算規(guī)模和仿真精度上實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)全場(chǎng)景實(shí)時(shí)數(shù)模綜合仿真,結(jié)合新的穩(wěn)定性定義與分類和電力電子設(shè)備的建模與仿真,驗(yàn)證大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析結(jié)論,最終形成適應(yīng)未來“雙高”電力系統(tǒng)的大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析理論與方法［51］。

2）提升仿真精細(xì)化水平和算法求解能力

在仿真模型方面,結(jié)合設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景和所研究問題的特征,明確模型簡(jiǎn)化條件和適用范圍,進(jìn)而建立細(xì)節(jié)度與保真度得到有效控制和評(píng)估的精細(xì)化仿真模型。

針對(duì)機(jī)電暫態(tài)仿真軟件,深入研究電力電子設(shè)備的等效建模技術(shù),構(gòu)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(shè)備、新能源設(shè)備（含集中式和分布式）、綜合能源系統(tǒng)中新型電力負(fù)荷的精細(xì)化模型；改進(jìn)求解算法,消除大功率快速?zèng)_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(duì)電力電子化電力系統(tǒng)的精細(xì)化仿真能力。

針對(duì)電磁暫態(tài)仿真軟件,實(shí)現(xiàn)基于機(jī)電數(shù)據(jù)的電磁暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與自動(dòng)建模；針對(duì)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(yīng)調(diào)整和快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的電磁暫態(tài)仿真平穩(wěn)啟動(dòng)策略,提出基于電力電子設(shè)備端口量約束的仿真模型狀態(tài)變量初值求解方法；設(shè)計(jì)多時(shí)間尺度解耦、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)解耦、元件解耦的多層級(jí)并行仿真框架；提出兼顧計(jì)算負(fù)載和通信負(fù)載均衡性的自動(dòng)分網(wǎng)優(yōu)化算法和電力電子設(shè)備寬頻帶動(dòng)態(tài)特性建模方法,并研發(fā)了高比例電力電子設(shè)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(guó)產(chǎn)化水平

當(dāng)前中國(guó)自主研發(fā)的電磁暫態(tài)仿真、數(shù)?；旌戏抡娴裙ぞ咴谀Ｐ屯陚湫浴④浖J(rèn)可度、實(shí)時(shí)仿真性能、用戶生態(tài)等方面與國(guó)際領(lǐng)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(xì)化模型建立、數(shù)據(jù)管理和綜合仿真計(jì)算平臺(tái)的搭建方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)［52］。

在掌握基于機(jī)電數(shù)據(jù)的電磁暫態(tài)仿真建模方法的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研發(fā)實(shí)用化工具,實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建與求解方法、啟動(dòng)策略、仿真框架和優(yōu)化算法上的國(guó)產(chǎn)化,進(jìn)而在仿真模型、仿真算法、軟件穩(wěn)定性上達(dá)到國(guó)際水平,實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的替代。針對(duì)目前仿真軟件中底層技術(shù)的國(guó)外引進(jìn)情況,及時(shí)跟蹤國(guó)產(chǎn)芯片、通信技術(shù)和國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的進(jìn)展情況,評(píng)估國(guó)產(chǎn)技術(shù)在仿真工具中應(yīng)用的可行性,最終實(shí)現(xiàn)仿真工具全面國(guó)產(chǎn)化的目標(biāo)。

3.2 仿真平臺(tái)一體化、體系智能化

實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬、電磁與機(jī)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(tái)化統(tǒng)一建模、統(tǒng)一管理,以及機(jī)電、電磁等不同仿真引擎的云端調(diào)用,是適應(yīng)跨區(qū)域大電網(wǎng)仿真分析和電網(wǎng)電力電子化仿真計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理應(yīng)用、通用仿真計(jì)算的一體化智能化仿真工作平臺(tái),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(jì)算數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模和穩(wěn)定分析計(jì)算過程的平臺(tái)化、智能化實(shí)現(xiàn)仿真工作的一體化平臺(tái)建設(shè)。

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

研究電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬、機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模技術(shù)和大電網(wǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)平臺(tái)化,達(dá)到計(jì)算數(shù)據(jù)一源多用,滿足不同目標(biāo)、不同時(shí)間尺度以及不同仿真程序的計(jì)算需求。通過提升不同算法之間數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)效率,將平臺(tái)功能拓寬至涵蓋不同類型仿真計(jì)算,以實(shí)現(xiàn)機(jī)電、電磁等不同仿真引擎的云端調(diào)用,進(jìn)一步提升仿真分析效率。

2）穩(wěn)定分析計(jì)算全過程平臺(tái)智能化水平提升

針對(duì)海量電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用,利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效管理、智能篩選與處理,同時(shí)對(duì)輸電斷面穩(wěn)定裕度評(píng)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(dòng)化技術(shù)進(jìn)行探索,為潮流計(jì)算調(diào)整和方式報(bào)告生成的智能化和高效化提供技術(shù)支撐［54］。

通過構(gòu)建領(lǐng)域知識(shí)圖譜,以人工智能方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行高精度和高效率的分析計(jì)算；通過仿真工具實(shí)現(xiàn)人機(jī)混合態(tài)勢(shì)判斷、多通道人機(jī)混合交互環(huán)境和知識(shí)交互的新型電網(wǎng)調(diào)控支撐系統(tǒng),為應(yīng)對(duì)大規(guī)模新能源接入對(duì)電網(wǎng)調(diào)控帶來的挑戰(zhàn)做好充分準(zhǔn)備。進(jìn)一步,將人工智能分析技術(shù)與超算電磁暫態(tài)云仿真平臺(tái)相結(jié)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(jié)果可視化和方式報(bào)告自動(dòng)化生成入庫(kù)能力,提升電網(wǎng)運(yùn)行方式分析速度和精度。以此為基礎(chǔ),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人機(jī)知識(shí)交互、多智能體協(xié)同分析和混合智能持續(xù)進(jìn)化能力,大幅提升仿真工具、仿真平臺(tái)的自動(dòng)化仿真分析處理能力。

3.3 多元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)綜合防御仿真體系

在前兩部分工作基礎(chǔ)上,結(jié)合電網(wǎng)數(shù)字孿生技術(shù),構(gòu)建多元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的電網(wǎng)綜合仿真防御體系,進(jìn)一步提升新型電力系統(tǒng)復(fù)雜電網(wǎng)運(yùn)行背景下系統(tǒng)分析計(jì)算能力,為電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、降風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)全場(chǎng)景綜合防御仿真體系架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 多元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(gòu)建:研究新型電力系統(tǒng)在數(shù)據(jù)、知識(shí)雙重驅(qū)動(dòng)下的相關(guān)性模型、因果性模型構(gòu)建方法和有機(jī)融合技術(shù)；研究電網(wǎng)數(shù)字模型在多物理場(chǎng)景下的場(chǎng)路耦合優(yōu)化方法和高效求解技術(shù)；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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和多電壓等級(jí)層面間信息靈活交互的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”精細(xì)化動(dòng)態(tài)特性辨識(shí)和在線建模方法。進(jìn)一步,構(gòu)建能夠全面模擬新型電力系統(tǒng)復(fù)雜動(dòng)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(dòng)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(shè)計(jì)-發(fā)展建設(shè)-調(diào)度運(yùn)行全過程、多時(shí)間尺度數(shù)字化仿真分析平臺(tái)與仿真分析體系構(gòu)建:研究新型電力系統(tǒng)發(fā)展和完善過程中電網(wǎng)復(fù)雜行為關(guān)聯(lián)分析方法和復(fù)雜故障下系統(tǒng)多機(jī)設(shè)備序貫動(dòng)作的時(shí)空耦合特性分析方法；結(jié)合新型電力系統(tǒng)全過程、多時(shí)間尺度上穩(wěn)定分析評(píng)估與控制策略優(yōu)化需求,開展人工智能技術(shù)能力提升研究,實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)的“可信、可解釋、可遷移”。在此基礎(chǔ)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(dòng)態(tài)規(guī)劃方法、自適應(yīng)協(xié)同控制策略和云計(jì)算-邊緣計(jì)算協(xié)同下的配電網(wǎng)運(yùn)行、調(diào)控技術(shù),使得電網(wǎng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)進(jìn)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(yùn)行［56］。

3）新型電力系統(tǒng)全場(chǎng)景信息實(shí)時(shí)感知:研究電網(wǎng)外部環(huán)境中電場(chǎng)、磁場(chǎng)和溫度、光等多元信息與電網(wǎng)內(nèi)部各類型元件、設(shè)備間的全景信息映射關(guān)系,掌握系統(tǒng)全景特征信息的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控方法；研究系統(tǒng)設(shè)備不同運(yùn)行條件下環(huán)境能量的分布特性,基于微機(jī)械和微結(jié)構(gòu)等新技術(shù),構(gòu)建電網(wǎng)全景信息分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；研究系統(tǒng)多源時(shí)空信息間的耦合關(guān)系及二者的融合理論和方法,進(jìn)而建立完備的系統(tǒng)設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估和診斷體系。通過開展上述研究,進(jìn)一步增強(qiáng)了新型電力系統(tǒng)的可觀性,實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)全景信息中有效特征值的辨識(shí)和充分利用［57］。

4）新型電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)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(huì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊的智能識(shí)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(shù)。通過開展上述研究,解決信息-物理耦合下復(fù)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(gòu)建基于穩(wěn)控裝置反饋和氣象信息預(yù)警預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的電網(wǎng)防御:針對(duì)當(dāng)前的仿真軟件在數(shù)據(jù)互通與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)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(dǎo)致仿真分析難以真實(shí)、準(zhǔn)確地體現(xiàn)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況,通過增設(shè)穩(wěn)控裝置反饋環(huán)節(jié)以提高模擬仿真的真實(shí)性,進(jìn)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(xué)的依據(jù)。

新能源機(jī)組由于其固有屬性導(dǎo)致出力波動(dòng)性較大,致使氣象信息預(yù)警預(yù)測(cè)成為機(jī)組出力特性分析的關(guān)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(dǎo)致新能源并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方面存在延遲,在機(jī)組出力預(yù)測(cè)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(yùn)行留下隱患。將適用于新能源機(jī)組的氣象信息監(jiān)測(cè)、信息處理與存儲(chǔ)技術(shù)、多源自我優(yōu)化和智能互動(dòng)等新興技術(shù)應(yīng)用于新型電力系統(tǒng)仿真、調(diào)控體系,構(gòu)建氣象信息預(yù)測(cè)、預(yù)警環(huán)節(jié),進(jìn)一步提升新能源機(jī)組的出力預(yù)測(cè)精度,為仿真平臺(tái)在系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和故障預(yù)警方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。同時(shí),融合大數(shù)據(jù)挖掘與信息共享平臺(tái),對(duì)海量資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理和統(tǒng)計(jì)分析,實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)新能源中長(zhǎng)期、短期、超短期一體化功率預(yù)測(cè)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(dòng)于一體的仿真、控制體系。

4 結(jié)語(yǔ)

新興技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,將給電力系統(tǒng)仿真工具的發(fā)展提供動(dòng)力來源,電網(wǎng)仿真分析工具正逐步向數(shù)字驅(qū)動(dòng)的多元綜合性仿真體系發(fā)展,但未來較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)模型驅(qū)動(dòng)的機(jī)電、電磁和混合仿真、數(shù)模仿真技術(shù)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(jí)階段,模型驅(qū)動(dòng)的仿真技術(shù)將與多元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)綜合防御仿真體系更為緊密地結(jié)合,最終實(shí)現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)空間和多場(chǎng)景下真實(shí)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(jī)結(jié)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(duì)新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定帶來3 個(gè)層面上的挑戰(zhàn),分析了當(dāng)前主流仿真工具的不足。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合電網(wǎng)穩(wěn)定特性研究深入化、仿真建模精細(xì)化、仿真軟件智能化與國(guó)產(chǎn)化、平臺(tái)一體化及電網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展方面的發(fā)展趨勢(shì),分析了未來先進(jìn)仿真工具的發(fā)展前景,構(gòu)建了新型電力系統(tǒng)下多元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)綜合防御仿真體系,以期為低碳發(fā)展目標(biāo)下的電網(wǎng)仿真分析工具發(fā)展提供參考。