沈 沉，陳 穎，黃少偉，于智同，宋炎侃，高仕林

（1. 清華大學電機工程與應用電子技術(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

當前,中國電力系統(tǒng)正在快速向“新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”演進［1］,具體表現(xiàn)為3 個趨勢:

1）電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變,電能供給不確定性增大。以風力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電裝機規(guī)模和發(fā)電量將保持高速增長,并呈現(xiàn)集中式和分布式開發(fā)并重的態(tài)勢,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,風光等電源出力具有顯著的間歇性和波動性,增大了電網(wǎng)運行的不確定性,系統(tǒng)運行工況更加復雜多變［2］。

2）電網(wǎng)中電力電子設備的占比不斷提高。多形態(tài)直流輸電應用于區(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)供等場景,輸配電網(wǎng)中交直流混聯(lián)區(qū)域不斷增多。與此同時,大量新能源發(fā)電和新型負載通過變流器接入電網(wǎng)。電力電子設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)濟性和靈活性的同時,也深刻改變了系統(tǒng)穩(wěn)定機理,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)將被廣泛應用,這就要求全面升級設備監(jiān)控和系統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng),推動信息網(wǎng)絡和電力網(wǎng)絡融合；另一方面,處于電網(wǎng)末端的海量電氣設備和微網(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)控策略將有機融合,形成電力信息物理“云邊協(xié)同”的運行機制。

多年來,由于電力系統(tǒng)的復雜性,人們依賴仿真工具認識電力系統(tǒng)的動靜態(tài)特性,推演電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,驗證人們設計的保護控制規(guī)律?？梢哉f,沒有各種仿真工具的幫助,現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)劃設計和控制保護都難以實施。新型電力系統(tǒng)的建設和運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)復現(xiàn)的電力系統(tǒng)動靜態(tài)特性可分為靜態(tài)潮流計算和時域暫態(tài)仿真2 種。時域暫態(tài)仿真根據(jù)仿真對象的時間尺度又可以分為中長期動態(tài)仿真、機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真［3］。目前,電力系統(tǒng)靜態(tài)潮流計算、機電暫態(tài)仿真技術(shù)非常成熟,相關國內(nèi)軟件,如中國電力科學研究院有限公司（以下簡稱電科院）開發(fā)的PSD-BPA［4］、PSASP［5］仿真軟件已被大量應用于電力系統(tǒng)各種業(yè)務。隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展,電磁暫態(tài)過程顯著影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,電磁暫態(tài)仿真工具的應用場合越來越多。具有代表性的國內(nèi)外電磁暫態(tài)仿真軟件有PSCAD/EMTDC［6］、EMTPE［7］、全數(shù)字實時仿真軟件Hypersim［8］；支持硬件在環(huán)的實時數(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?？陀^地講,目前,國外電磁暫態(tài)仿真軟件在中國占據(jù)主要市場,尤其是用于設備研發(fā)的電磁暫態(tài)硬件在環(huán)實時仿真軟件更是處于壟斷地位。

然而,現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真軟件和平臺開發(fā)大多始于20 世紀90 年代,其核心設計理念成型于21 世紀之初,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代,傳統(tǒng)仿真工具的設計理念與新型電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢存在顯著的偏差,函待升級理念、調(diào)整路線并積極實踐。

另一方面,在新型電力系統(tǒng)對仿真提出新的需求的同時,也為中國電力系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展帶來機遇。在面對這些新需求時,國內(nèi)外的仿真軟件都站到了同一起跑線上。這就為國內(nèi)軟件打破用戶對國外軟件的使用黏性,在性能的先進性、功能的全面性,以及用戶體驗的友好性等方面趕超國外軟件提供了一個很好的契機。

為此,本文首先分析了新型電力系統(tǒng)背景下電力行業(yè)對仿真的新需求；然后,提出了面向新型電力系統(tǒng)的仿真應用軟件的設計理念,介紹了全球各仿真研究團隊在新型電力系統(tǒng)仿真應用軟件研發(fā)方面的實踐；接著,從促進自主研發(fā)工業(yè)軟件健康發(fā)展的角度出發(fā),探討了國產(chǎn)電力系統(tǒng)仿真應用軟件的發(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)務核心環(huán)節(jié)過渡,不僅要是一款優(yōu)秀的仿真工具,還應成為電力系統(tǒng)仿真應用軟件的開發(fā)平臺和運行環(huán)境,并按一條助力用戶業(yè)務自動化、平臺使用便捷化、應用開發(fā)生態(tài)化路徑發(fā)展。最后,通過介紹作者團隊所研發(fā)的新型電力系統(tǒng)仿真應用軟件開發(fā)平臺和運行環(huán)境——CloudPSS 的實踐,進一步闡釋了上述設計理念和發(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備高滲透?！半p高”特征帶來了電力系統(tǒng)動態(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)電設備替代傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機后,系統(tǒng)慣量減小,加上電力電子設備控制和電力電子開關動作的快速性,系統(tǒng)中不同動態(tài)的時間常數(shù)跨度增大。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的動態(tài)受同步發(fā)電機的機電過程主導,時間常數(shù)一般在毫秒到秒的時間范圍,而“雙高”電力系統(tǒng)的動態(tài)時間常數(shù)范圍可以擴展到微秒量級。

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

再次,新能源發(fā)電的動態(tài)特性易受外界擾動影響,具有較強的不確定性。例如,風機在故障穿越后表現(xiàn)出的動態(tài)特性既與機端電壓動態(tài)變化過程有關,也與故障發(fā)生時風機的出力水平有關。

最后,新型電力系統(tǒng)的狀態(tài)時空耦合性強,不同時間常數(shù)的動態(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,微秒級的電力電子開關過程可能影響電力電子設備的能量轉(zhuǎn)換過程,從而影響系統(tǒng)的實時功率平衡。而系統(tǒng)功率的不平衡又會導致不同時間尺度動態(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)本身帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。同時,仿真作為支撐電力企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務的重要計算工具,其研發(fā)不可能脫離電力企業(yè)的業(yè)務需求。因此,在討論仿真工具的設計理念與發(fā)展路徑時,不得不審視企業(yè)的業(yè)務模式,進而了解這些業(yè)務模式對仿真工具的功能需求以及性能要求。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)動態(tài)的時空耦合性不強,基于此特性形成了相對獨立的業(yè)務流程,并分配給不同的業(yè)務部門處理。即使系統(tǒng)的動態(tài)行為有交互影響,也可以通過不同業(yè)務部門之間的簡單信息溝通和業(yè)務迭代加以考慮。上述的業(yè)務處理模式極大地化解了電力系統(tǒng)各種業(yè)務的交叉耦合性,降低了業(yè)務復雜性,多年的生產(chǎn)實踐證明了上述業(yè)務處理模式的有效性。與之相適應,不同業(yè)務部門使用的仿真工具在建模時間尺度、求解算法等方面都有明顯的差異。規(guī)劃和運行部門大量使用靜態(tài)的潮流計算工具；方式和控制保護設計部門大量使用各種時域暫態(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)務模式帶來了新的挑戰(zhàn)。由于新型電力系統(tǒng)狀態(tài)時空耦合性增強,電力系統(tǒng)各種業(yè)務之間的聯(lián)系也越發(fā)緊密。以大規(guī)模海上風電接入點規(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,還要考慮是否會導致系統(tǒng)發(fā)生寬頻振蕩等問題。同樣的例子還有“三道防線”的設計。由于新能源發(fā)電高滲透帶來的運行方式多樣性,預防控制和校正控制設計需要更多協(xié)調(diào),以減少可能帶來的控制失配,進而威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。從上述例子可以看出,不同部門的業(yè)務之間出現(xiàn)了交叉耦合,業(yè)務量也大幅增加。

為了應對新型電力系統(tǒng)給電力企業(yè)傳統(tǒng)業(yè)務模式帶來的沖擊,企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為重要的應對措施。所謂企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型就是通過應用數(shù)字化技術(shù)重塑企業(yè)的信息化環(huán)境和業(yè)務過程,實現(xiàn)無須人工介入的經(jīng)營生產(chǎn)過程自動化,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)務的支撐手段,其功能定位、性能設計都需要考慮如何適應企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,服務于企業(yè)業(yè)務流程的自動化。

綜上,從新型電力系統(tǒng)本身的特點出發(fā),結(jié)合電力企業(yè)應對新型電力系統(tǒng)發(fā)展的業(yè)務要求,考慮仿真分析平臺自身的發(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)成的復雜性,動態(tài)行為的多時間尺度特性、強非線性和隨機性,要求仿真工具在模型的完備性、建模的準確性方面有所保證。此外,新型電力系統(tǒng)狀態(tài)的大范圍時空耦合特性還要求仿真工具能夠支持對大規(guī)模系統(tǒng)采用小步長進行高效計算?？紤]到新型電力系統(tǒng)受新能源發(fā)電不確定性的影響,運行場景復雜多樣、運行方式靈活多變,仿真分析平臺還必須具有處理大量場景的能力。

二是業(yè)務方面的需求。如前所述,面對新型電力系統(tǒng),電力企業(yè)的業(yè)務呈現(xiàn)出更強的耦合性。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、支持多人/多部門協(xié)同,具有仿真結(jié)果自動分析功能以實現(xiàn)業(yè)務流程的自動化；為了快速構(gòu)建新業(yè)務或者實現(xiàn)業(yè)務重塑或再造,還需支持功能模塊化,具備模塊拼接與嵌套功能；為了實現(xiàn)不同業(yè)務間的協(xié)同,需要能夠支持電磁場路聯(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)與跨領域仿真。例如,風機制造企業(yè)在設計風機電氣部分控制時,除了要考慮風機自身動態(tài)特性,還需要考慮風電場內(nèi)多臺風機之間的相互作用,這就要求對風電場的數(shù)字模擬與對控制器的硬件在環(huán)仿真實現(xiàn)一體化計算。

三是仿真應用軟件自身發(fā)展的需求。相較于技術(shù)層面的提升,不斷吸引用戶、擴大用戶群,并在新老用戶持續(xù)的使用過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)務需求和性能需求,仿真應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)仿真應用軟件開發(fā)平臺過渡。該平臺需要具有開放的架構(gòu),強大的中臺,包括用戶管理、數(shù)據(jù)/算例管理、應用管理等,支持云邊協(xié)同計算,注重隱私保護,具有靈活的接口等,也只有如此,才能形成一個良好的軟件應用生態(tài)。

2 面向新型電力系統(tǒng)的仿真應用軟件設計理念

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)仿真分析平臺需要在模型完備性、建模準確性、計算高效性、場景覆蓋全面性、接口開放性、服務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)劃設計、測試驗證、安全分析和優(yōu)化決策等關鍵業(yè)務。

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

以下從6 個維度描述新型電力系統(tǒng)仿真分析平臺設計理念。

1）模型完備

新型電力系統(tǒng)中電氣動態(tài)時間尺度更加寬泛,從開關器件動作的微秒級暫態(tài)到發(fā)電機原動機的秒級動態(tài)都有可能影響系統(tǒng)穩(wěn)定特性。同時,新型電力系統(tǒng)中技術(shù)更迭頻繁,高效發(fā)電和儲能、信息物理融合、多能耦合互補等技術(shù)催生新的電氣設備。相應地,構(gòu)建完備的新型電力系統(tǒng)設備仿真模型極具挑戰(zhàn),其中涉及3 個層面能力提升。一是設備類型全覆蓋,即提供“源-網(wǎng)-荷-儲”各環(huán)節(jié)所涉及電氣設備及其控制保護的仿真模型；二是時空尺度全覆蓋,即所構(gòu)建仿真模型能夠同時支撐穩(wěn)態(tài)潮流、機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)分析,并適用于“器件-設備-微網(wǎng)-配電網(wǎng)-輸電網(wǎng)”所需仿真場景；三是實測數(shù)據(jù)全覆蓋,即能夠與完整的設備靜態(tài)參數(shù)、系統(tǒng)運行的實測數(shù)據(jù)相關聯(lián),與實體物理設備建立有效映射,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 個層次的模型完備性,其中,中國ADPSS 和徳國PowerFactory 等軟件,建立了支撐多類型暫態(tài)分析的設備模型；加拿大OPAL-RT 公司則通過整合RT-LAB 和Hypersim 等多款軟件,提供從輸電網(wǎng)到電力電子設備的詳細電磁暫態(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,適用于設備級和小規(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),缺乏對模型參數(shù)的校核和與動態(tài)實測數(shù)據(jù)的關聯(lián),影響了模型準確性提升和靈活交換。

2）建模精準

只有保證模型精準,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 個層面技術(shù)進步:（1）多時間尺度融合暫態(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)動態(tài),適用于不同步長參數(shù),消除由于建模假設引發(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)和離散動態(tài)過程積分,無數(shù)值振蕩問題,保持高階精度；（3）知識和數(shù)據(jù)融合的自適應仿真建模,即能夠根據(jù)電氣設備和局部網(wǎng)絡的實測運行數(shù)據(jù),通過深度學習等方法,辨識設備和系統(tǒng)的動態(tài)模型及關鍵參數(shù),實現(xiàn)自動化、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、開關動作動態(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)展了動態(tài)平均化、動態(tài)相量和移頻分析等建模方法,嘗試解決多時間尺度暫態(tài)精確建模難題。然而,從理論成果到仿真工具實踐,道路險阻且漫長。PSCAD/EMTDC、RTDS、ADPSS等工具采用隱式梯形差分格式和節(jié)點分析法構(gòu)建仿真 模 型；MATLAB/Simulink 和RTLAB 等 工 具 在狀態(tài)方程建?；A上發(fā)展了高效差分格式和計算模型。在多時間尺度建模方面,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和數(shù)據(jù)融合建模工具。相比對傳統(tǒng)建模方法進行修正和改進,通過知識和數(shù)據(jù)融合建模更具應用價值,有可能解決新能源控制模型測辨、新能源場站聚合建模、負荷聚合動態(tài)建模和復雜網(wǎng)絡動態(tài)等值等學術(shù)和工程難題,提升新能源電力系統(tǒng)仿真建模整體準確性。

3）計算高效

數(shù)值計算效率是影響電力仿真分析工具實用性的關鍵指標。為了準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)詳細電磁暫態(tài)仿真研究。相比傳統(tǒng)機電暫態(tài)仿真,此類電磁暫態(tài)仿真步長顯著減小、仿真模型復雜度和系統(tǒng)規(guī)模大幅提升,導致仿真計算量大、計算效率低。為了提升新型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真效率,達到實時或超實時水平,滿足閉環(huán)測試和在線安全分析需求,需要從3 個層面尋求技術(shù)突破:（1）面向異構(gòu)計算芯片的細粒度并行仿真,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)場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array,FPGA）、ARM 等異構(gòu)計算芯片,建立電力仿真流水線式計算圖模型,實現(xiàn)高性能的細粒度并行仿真；（2）面向超算的海量場景并行仿真,即針對云端超算環(huán)境,設計批量仿真并行處理方法,優(yōu)化調(diào)度計算和數(shù)據(jù)資源,實現(xiàn)海量復雜場景的高效分析；（3）融合深度學習的加速仿真,即在同一套軟硬件架構(gòu)中同時開展仿真分析和深度學習,提取系統(tǒng)穩(wěn)定特征,并自適應調(diào)整仿真參數(shù),加速獲得穩(wěn)定分析結(jié)論。

為了提高實用性和爭奪市場,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)實時仿真,一直是國內(nèi)外仿真工具爭奪的技術(shù)高地。目前,RTDS、RT-LAB、上海交通大學等團隊積極研究基于FPGA 的小步長實時仿真解決方案,以提升電力電子設備實時閉環(huán)仿真和測試性能；Hypersim 和ADPSS 等仿真平臺以多中央處理器（central processing unit,CPU）高性能計算服務器為基礎硬件,通過分網(wǎng)并行加速仿真。

在融合深度學習的加速仿真方面,國內(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,深度學習技術(shù)已被廣泛應用于對物理過程的加速仿真,在生物分子學、光學、流體力學、傳熱和電磁場等領域取得了豐富成果,推動了高性能數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展。因此,借鑒這些領域的成功經(jīng)驗,研發(fā)融合深度學習的加速仿真功能,是提升新型電力系統(tǒng)仿真分析效率的重要舉措。

4）場景全覆蓋

區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng),新型電力系統(tǒng)運行環(huán)境不確定因素更多,運行場景更加復雜多變。相應地,仿真分析工具應該具備復雜場景生成和隨機動態(tài)模擬的能力,方可準確量化分析設備和系統(tǒng)安全風險。為此,仿真軟件需要努力獲得3 個層面提升:（1）復雜運行和故障場景生成,即考慮環(huán)境因素和用能需求不確定性,生成極大似然、考慮風險偏好的潮流方式,并合理設置初始故障；（2）復雜隨機動態(tài)過程模擬,即模擬多種不確定性因素干擾下電力系統(tǒng)隨機動態(tài),準確刻畫連鎖故障發(fā)生和發(fā)展過程；（3）系統(tǒng)運行不確定性量化分析,即開展統(tǒng)計學習和數(shù)據(jù)挖掘,從海量仿真結(jié)果中辨識系統(tǒng)穩(wěn)定特征,并量化分析系統(tǒng)安全風險。

雖然,科學構(gòu)建仿真場景對于系統(tǒng)動態(tài)特性分析至關重要,但現(xiàn)有電力仿真分析軟件很少提供相關功能模塊,更多地是將場景生成的任務交給軟件使用者。尤其是對一些受隨機因素影響的場景,如連鎖故障發(fā)展,難以在現(xiàn)有仿真分析工具中實現(xiàn)。一方面,是因為電氣設備和控制保護邏輯中缺乏不確定性模型；另一方面,則是因為仿真軟件大多采用單進程模式,難以根據(jù)隨機事件動態(tài)觸發(fā)新的仿真進程。近年來,國家電網(wǎng)有限公司積極建設高性能電力系統(tǒng)仿真超算平臺,以PSASP 和ADPSS 等國產(chǎn)仿真軟件為計算引擎,開展批量化仿真分析作業(yè),積累了復雜仿真場景構(gòu)建和分析的實踐經(jīng)驗。

在系統(tǒng)不確定評估分析方面,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算設計,缺乏對高效數(shù)據(jù)存儲、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)仿真分析工具應具備較高的開放性,能夠以多種形式更新和拓展設備模型、仿真算法和應用功能,并對接設備和系統(tǒng)運行數(shù)據(jù),支撐跨行業(yè)、跨領域、跨部門的知識分享和協(xié)同分析業(yè)務。提升仿真分析工具開放性的關鍵在于設計和實現(xiàn)較為合理的接口,具體可包括3 個層次:（1）支持多編程語言的自定義模型接口,即通過編寫代碼定義新的仿真模型、改進仿真算法,實現(xiàn)仿真內(nèi)核升級和功能擴展；（2）支持多源數(shù)據(jù)融通的可擴展數(shù)據(jù)接口,即從設備和系統(tǒng)實際數(shù)據(jù)中抽取有用信息,初始化仿真模型和場景,實現(xiàn)仿真模型和結(jié)果的導出和靈活轉(zhuǎn)換,支撐多仿真器聯(lián)合仿真；（3）支持業(yè)務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,設計仿真分析和數(shù)據(jù)處理流程、仿真驅(qū)動的優(yōu)化決策。

開放的接口是仿真工具持久生命力的重要來源之一,也是工程實用的基礎?，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,最有代表性的當屬MATLAB/Simulink 軟件,不僅全面開放代碼層面的模型和算法開發(fā)接口,更提供模型編譯導出、多物理場混合仿真、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計,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言開發(fā)仿真模型、跨軟件導入模型和算例層面,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健的數(shù)據(jù)和功能接口。在這個方面,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)中臺和仿真應用可視化設計等關鍵技術(shù)。

6）服務靈活

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)設計、測試和分析任務,還需集成于數(shù)字孿生之中,應用于不同電力設施的場景分析和模擬推演,更要融入云邊調(diào)控體系,服務于人工智能和優(yōu)化決策。換言之,無論是真實用戶、數(shù)字孿生還是人工智能體,真正需要的是穩(wěn)定和高效的仿真計算和數(shù)據(jù)服務,而非仿真工具軟硬件本體?？梢?提高電力仿真分析服務的靈活性至關重要。為了讓仿真計算服務在云邊端環(huán)境中可用且有用,還要完成3 個層次的技術(shù)提升:（1）安全的云邊協(xié)同仿真服務,即研發(fā)可靈活部署的虛擬化仿真引擎,面向云計算設施設計統(tǒng)一的模型、算力和結(jié)果管理機制,實現(xiàn)一體化的高性能云仿真服務和邊緣側(cè)在環(huán)仿真服務；（2）高效的數(shù)字孿生推演分析服務,即將仿真引擎嵌入到數(shù)字孿生應用,根據(jù)設備和系統(tǒng)運行數(shù)據(jù),快速推演復雜場景中孿生體運行特性和安全態(tài)勢；（3）多形態(tài)的仿真驅(qū)動優(yōu)化服務,即接入強化學習、魯棒優(yōu)化等多形態(tài)優(yōu)化決策應用,支持設備和系統(tǒng)層面的優(yōu)化調(diào)控策略自動生成。

從軟件到應用,再到服務,是電力仿真分析工具重要發(fā)展趨勢,得到了軟件廠商和研究機構(gòu)的普遍認同并達成了共識。徳國亞琛工業(yè)大學發(fā)起了分布式實時仿真項目,將分散在不同高校和機構(gòu)的RTDS 和RT-LAB 裝置互聯(lián),提供大規(guī)模交直流電網(wǎng)實時仿真和閉環(huán)測試服務；基于仿真超算平臺,中國電科院仿真中心為多個省網(wǎng)公司提供高性能的故障掃描和安全評估分析服務。

3 面向新型電力系統(tǒng)的國產(chǎn)仿真軟件發(fā)展路徑

面向新型電力系統(tǒng)的國產(chǎn)仿真軟件作為工業(yè)軟件,其生命力來自用戶。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,才能在使用過程中不斷發(fā)現(xiàn)軟件自身的問題,使軟件不斷完善,進而獲得更多的用戶。因此,如何吸引更多的用戶,是面向新型電力系統(tǒng)的國產(chǎn)仿真軟件想要發(fā)展壯大必須考慮的問題,其實也是所有國產(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。當市場上存在大量同質(zhì)軟件且大家都瞄準同一客戶群時,一款國產(chǎn)工業(yè)軟件必須思考其能吸引用戶的優(yōu)勢到底是什么。特別是當市場上存在成熟的國外商業(yè)仿真軟件并在市場上處于優(yōu)勢地位時,國產(chǎn)軟件想要生存必然要和國外軟件爭奪用戶,必須打破國外軟件憑借先發(fā)優(yōu)勢建立的用戶黏性。為此,國產(chǎn)軟件需要從提升用戶體驗的角度提供國外軟件并不具有的功能。具體的途徑有3 個。

1）助力用戶業(yè)務自動化

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

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

步驟1:基礎運行方式設定。

步驟2:N-1 安全仿真校核。

步驟3:若校核不通過進行出力方式調(diào)整。

步驟4:設計校正控制方式。

步驟5:返回步驟4 重復整個流程直至校核通過。

從上述業(yè)務流程可以看出,僅步驟4 用到了仿真工具?？梢栽O想,如果存在一個軟件工具,可以圍繞仿真實現(xiàn)整個業(yè)務流程的自動化,必將極大地提高整個業(yè)務的完成效率,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)務自動化。

2）平臺使用便捷化

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,無論是算例的準備、仿真參數(shù)的設定,還是計算結(jié)果的分析,其使用難度都較機電暫態(tài)仿真大大增加,仿真軟件使用的學習曲線大為延長。以高校電氣工程學科研究生使用仿真分析平臺開展科研為例,其科研過程也可以看作是一個業(yè)務過程,該業(yè)務的目的就是要通過和已有成果的仿真對比,驗證自己的成果在某些指標上比現(xiàn)有成果更具先進性,具體流程可以概括為以下步驟:

步驟1:構(gòu)造基礎算例。

步驟2:通過仿真復現(xiàn)前人成果。

步驟3:通過仿真驗證自己的成果。

步驟4:仿真結(jié)果對比。

步驟5:改進自己的成果并返回步驟3。

上述流程中步驟1 和2 其實都屬于準備性工作,雖然并無創(chuàng)新性,但是必不可少。遺憾的是,這2 步工作量大、難度高?？梢栽O想,如果存在一個軟件工具,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)省大量的仿真實驗準備時間,降低平臺使用難度,從而贏得用戶。本文把這條途徑稱為平臺使用便捷化。

3）應用開發(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)電機和變壓器,還有大量特性各異、容量較小的設備,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,設備模型的開發(fā)應該大眾化和眾籌化。同時,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)仿真的基礎上增加對冷、熱、天然氣系統(tǒng)的仿真,仿真的范疇不斷擴大,仿真服務的業(yè)務種類也大大增加。這對新型電力系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展既是機遇也是挑戰(zhàn)。從擴大用戶群的角度來看這是仿真軟件發(fā)展的機遇,從仿真軟件研發(fā)的難度來看這是挑戰(zhàn)。為此,可以通過構(gòu)建軟件應用生態(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,并在此基礎上通過拼接內(nèi)核程序快速構(gòu)建面向不同專業(yè)的應用程序。本文把這條途徑稱為應用開發(fā)生態(tài)化。

上述3 條途徑分別通過圍繞仿真幫助用戶打造自動化的業(yè)務鏈,降低用戶使用仿真工具所需準備工作的難度,擴大平臺核心仿真內(nèi)核數(shù)量,進而助力用戶打造新的數(shù)字化業(yè)務來提升用戶體驗,擴大用戶群,從而為仿真分析平臺創(chuàng)造源源不斷的生命力。

4 面向新型電力系統(tǒng)的仿真應用軟件開發(fā)平臺和運行環(huán)境CloudPSS 研發(fā)實踐

上文從6 個維度介紹了新型電力系統(tǒng)仿真軟件的設計理念,又從3 個方面介紹了仿真軟件發(fā)展路徑。以下通過介紹筆者團隊所研發(fā)的面向新型電力系統(tǒng)仿真應用軟件開發(fā)平臺和運行環(huán)境——CloudPSS 的實踐,進一步闡釋上述設計理念和發(fā)展路徑,詳細介紹如下。

4.1 設計理念的踐行

1）“模型完備”理念的實踐

在模型完備方面,CloudPSS 提供了超過150 種電氣元件模型,包括300 余種子模型。尤其是,該平臺還提供了部分中國電力系統(tǒng)專有元件的模型。其次,該平臺提供的電力系統(tǒng)元件模型動態(tài)覆蓋穩(wěn)態(tài)潮流至納秒級電磁暫態(tài)仿真過程,能夠同時支撐穩(wěn)態(tài)潮流、機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的全時間尺度分析。最后,針對大規(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)導致仿真結(jié)果錯誤的問題,CloudPSS 提出了基于機電暫態(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,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)場運行數(shù)據(jù)對仿真模型的參數(shù)進行動態(tài)辨識和校正［12］。

2）“建模精準”理念的實踐

在建模精準方面,CloudPSS 實現(xiàn)了基于移頻分析和多速率異步協(xié)調(diào)算法的多時間尺度電磁暫態(tài)仿真建模［13-14］,采用了根匹配和三階段單對角隱式龍格庫塔等具有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,將先進的建模理論付諸工程實踐。針對新型電力系統(tǒng)的“雙高”特性,該平臺為設備級和系統(tǒng)級研究定制了新能源和電力電子網(wǎng)絡仿真模型,滿足了大規(guī)模電力系統(tǒng)精細化多尺度暫態(tài)分析需求。同時,針對新型電力系統(tǒng)中存在的部分設備機理模型難獲取的問題,該仿真分析平臺提出了基于微分神經(jīng)網(wǎng)絡的機理與數(shù)據(jù)融合驅(qū)動建模方法［17］,可將數(shù)據(jù)驅(qū)動的設備動態(tài)模型融入新型電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件,實現(xiàn)全系統(tǒng)的動態(tài)過程模擬。

3）“計算高效”理念的實踐

在計算高效方面,CloudPSS 設計了基于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 細粒度并行算法、并行任務切分、批量化并行仿真加速等多個角度展開研究,實現(xiàn)了大規(guī)模電網(wǎng)實時電磁暫態(tài)仿真,并將算法推廣應用于國產(chǎn)申威處理器,提升了仿真器核心技術(shù)自主可控性。同時,由于基于云計算技術(shù)研發(fā),CloudPSS 方便部署于超算平臺。具體地,CloudPSS 與神威超算開展了合作,針對云端超算環(huán)境,設計了批量仿真并行處理方法,優(yōu)化了調(diào)度計算和數(shù)據(jù)資源,實現(xiàn)了海量場景的高效計算,驗證了純國產(chǎn)超算平臺中批量化電磁暫態(tài)仿真技術(shù)的可行性和成熟度。

4）“場景全覆蓋”理念的實踐

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

5）“接口開放”理念的實踐

在接口開放方面,CloudPSS 平臺提供了自定義模型開發(fā)工具,方便用戶采用MATLAB、Python、C等編程語言開發(fā)自定義仿真模型。同時,CloudPSS平臺還開放了完備的仿真功能調(diào)用應用程序接口（application programming interface,API）,用戶可通過這些API 構(gòu)建算例、修改設備參數(shù)、設置故障場景、啟動仿真任務和訪問仿真結(jié)果,還可以編寫腳本實現(xiàn)復雜的批量計算,以及基于仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)挖掘和深度學習等創(chuàng)新功能。綜上,CloudPSS 平臺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)的仿真分析應用構(gòu)建。同時,CloudPSS 還支持與其他仿真平臺的聯(lián)合仿真。例如,CloudPSS 可與RT-LAB 進行聯(lián)合實時仿真,既可以滿足對超大規(guī)模系統(tǒng)的計算能力要求,又可以解決使用多臺仿真器時面臨的預算和空間限制問題。另外,CloudPSS 還可以通過配套的數(shù)據(jù)接口盒,構(gòu)建包含真實控制器的半實物仿真平臺,應用于真實控制保護系統(tǒng)的在環(huán)測試。

6）“服務靈活”理念的實踐

在服務靈活方面,CloudPSS 采用了云計算架構(gòu),設計了云邊協(xié)同仿真服務,實現(xiàn)了離線和實時仿真模型統(tǒng)一管理和算力動態(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數(shù)據(jù)和應用需求［21］。同時,CloudPSS 提出了快速構(gòu)建數(shù)字孿生體的關鍵步驟,即構(gòu)建虛擬實驗環(huán)境、在環(huán)境中設計實驗、利用數(shù)據(jù)中臺對數(shù)據(jù)進行匯集、將數(shù)據(jù)用于智能引擎的訓練、將訓練好的智能決策應用接入系統(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

在筆者團隊進行開發(fā)之初,CloudPSS 被定位成一款傳統(tǒng)的仿真軟件,主要實現(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)、邊界條件等計算出系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程。隨著軟件仿真功能的逐步成熟并推向市場,研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)單純依靠軟件計算性能的提升很難打破用戶對現(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慣的原因為:一是新軟件提供了舊軟件無法提供的新功能,而且這些新功能是業(yè)務必須的；二是新軟件極大地提升了現(xiàn)有業(yè)務完成的效率。打動用戶最有效的方法是圍繞仿真幫助用戶將現(xiàn)有業(yè)務數(shù)字化、自動化。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展到圍繞仿真構(gòu)建數(shù)字化業(yè)務,即成為仿真應用軟件的開發(fā)平臺和運行環(huán)境。

為此,團隊修正了CloudPSS 的設計理念,調(diào)整了軟件架構(gòu)。經(jīng)過努力,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應用軟件開發(fā)平臺和應用環(huán)境。如圖2 所示,CloudPSS 包含5 個重要的組成部分,基礎硬件平臺、基礎運行環(huán)境、功能模塊、開發(fā)者套件XStudio 和面向最終用戶的高級應用。目前,CloudPSS 團隊發(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)仿真應用——CloudPSS-EMTLab 和綜合能源系統(tǒng)數(shù)字孿生應用平臺——CloudPSSIESLab。

圖2 能源電力系統(tǒng)高級應用軟件開發(fā)平臺和運行環(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 高級應用軟件開發(fā)平臺和運行環(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)進行電磁暫態(tài)仿真的軟件工具,發(fā)展成為一個高級應用軟件開發(fā)平臺和運行環(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)高級應用的能力。

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

為方便快捷部署基于XStudio 開發(fā)的軟件應用,XStudio 設計了面向云邊融合部署的數(shù)字孿生應用體系。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)設備上部署的計算和分析內(nèi)核,二者一起支持云邊融合的應用構(gòu)建。

4.3 基于CloudPSS 的電網(wǎng)自適應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)定運行,需要加強電力系統(tǒng)的“三道防線”建設。尤其是在第一道防線和第二道防線無法使電網(wǎng)恢復、同時電網(wǎng)中出現(xiàn)失步振蕩的時候,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)自適應解列控制決策軟件。自適應解列控制方法［22-23］能夠協(xié)調(diào)全局,集中決策,靈活多變,可適應電網(wǎng)運行方式的變化。 本節(jié)重點介紹基于CloudPSS 的自適應解列控制決策軟件的構(gòu)建與運行流程。

該自適應解列控制決策軟件基于CloudPSS 的潮流計算內(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,并加以驗證。其構(gòu)建過程主要包含4 個步驟:

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 中設計用戶界面（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:進行軟件的調(diào)試、運行及發(fā)布。

圖3 所示為該軟件的運行步驟。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、藍色代表SimStudio、綠色代表FuncStudio。表1 進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 自適應解列控制決策軟件運行步驟Fig.3 Operation steps of adaptive splitting control and decision-making software

表1 自適應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)點選擇模塊指定分群數(shù)和分群的初始節(jié)點,再利用指標計算模塊對各個節(jié)點的指標得分進行計算；接著,利用節(jié)點分群模塊對各個節(jié)點進行分群,在得到分群結(jié)果后通過解列線路判斷模塊獲取需要斷開的線路；然后,利用指標校驗模塊對解列方案的靜態(tài)工作點、暫態(tài)穩(wěn)定性及其他約束條件進行校驗,若校驗通過,則說明該解列方式可行,若未通過校驗,則重新選擇初始節(jié)點進行后續(xù)計算,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)點信息表等在內(nèi)的解列計算結(jié)果。該電網(wǎng)自適應解列控制決策軟件目前已公開發(fā)布［24］。

圖4 自適應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

本文對新型電力系統(tǒng)背景下電力系統(tǒng)仿真軟件的設計理念和發(fā)展路徑進行了探討,介紹了筆者團隊在研發(fā)面向新型電力系統(tǒng)仿真應用軟件平臺和運行環(huán)境——CloudPSS 過程中的探索與實踐,以期為中國電力系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展提供借鑒。