構(gòu)建新型電力系統(tǒng)仿真體系研究
陳國平，李明節(jié)，董昱，郭強(qiáng)，賀靜波，張放
（國家電網(wǎng)有限公司；中國電力科學(xué)研究院有限公司）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.230296
1 研究背景
仿真是掌握電力系統(tǒng)特性的關(guān)鍵技術(shù)手段。在我國電力系統(tǒng)發(fā)展的每一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，仿真技術(shù)都做出了突出貢獻(xiàn)，保障了眾多開創(chuàng)性重大輸電工程和全國電網(wǎng)互聯(lián)的順利實(shí)施。
我國長期以來的電力系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行實(shí)踐表明，對(duì)電力系統(tǒng)的研究不能滯后于工程實(shí)際，仿真技術(shù)的進(jìn)步不能滯后于電網(wǎng)發(fā)展。“雙碳”目標(biāo)背景下，我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)全面加速，電力系統(tǒng)將發(fā)生廣泛而深刻的變化。新型電力系統(tǒng)建設(shè)將高度依賴仿真技術(shù)，為仿真技術(shù)帶來了全新挑戰(zhàn)與機(jī)遇，有必要對(duì)新型電力系統(tǒng)仿真技術(shù)體系開展頂層設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性研究。
本文分析了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真體系在新型電力系統(tǒng)場(chǎng)景下存在的不適應(yīng)性，提出構(gòu)建以全維度、全場(chǎng)景、全要素、全過程為特征的新型電力系統(tǒng)仿真體系，分析了需要突破的關(guān)鍵技術(shù)方向，并研究了加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)仿真體系的相關(guān)措施。
2 新型電力系統(tǒng)對(duì)仿真體系提出新要求
經(jīng)過長期的發(fā)展，我國已經(jīng)形成了較為成熟的電力系統(tǒng)仿真體系，滿足了電力系統(tǒng)快速發(fā)展和特高壓交直流大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。目前，我國正在全力開展新型電力系統(tǒng)建設(shè)，高比例新能源、高比例電力電子裝置并網(wǎng)的“雙高”特征日益顯著，電力系統(tǒng)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理與控制基礎(chǔ)發(fā)生深刻變化，對(duì)電力系統(tǒng)仿真技術(shù)提出了更高要求。
（1）更高的仿真維度要求
傳統(tǒng)仿真體系重點(diǎn)關(guān)注電力系統(tǒng)本身，新型電力系統(tǒng)與自然資源、人類社會(huì)耦合更加緊密，客觀上要求將氣象、能源、信息、社會(huì)等外部系統(tǒng)納入電力系統(tǒng)仿真。在電源側(cè)，化石能源、水電、新能源等各類電源發(fā)電能力的仿真評(píng)估需要考慮一二次能源深度耦合。在電網(wǎng)側(cè)，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析需要充分研究極端天氣等氣象因素。在負(fù)荷側(cè)，第三產(chǎn)業(yè)和居民用電受人類活動(dòng)和氣象等外部因素影響顯著，需要在仿真分析中予以考慮。
（2）更高的仿真深度要求
電力系統(tǒng)的仿真分析基于典型運(yùn)行方式數(shù)據(jù)開展，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性、時(shí)段性特征，采用少數(shù)潮流組合即可較好地覆蓋一年中可能出現(xiàn)的運(yùn)行場(chǎng)景。在新型電力系統(tǒng)中，新能源出力隨機(jī)波動(dòng)，電力市場(chǎng)化改革不斷深入，系統(tǒng)運(yùn)行方式呈現(xiàn)去典型化的特征，仿真分析必須考慮海量的潮流組合。
（3）更高的仿真廣度要求
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真對(duì)象主要為高度標(biāo)準(zhǔn)化、同質(zhì)化的電源和電網(wǎng)設(shè)備，系統(tǒng)建模主要針對(duì)220kV以上主網(wǎng)開展。新型電力系統(tǒng)對(duì)仿真的廣度提出了更高要求。在仿真對(duì)象方面，新能源機(jī)組單機(jī)容量小，數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長，不同廠家的控制器設(shè)計(jì)存在較大差異；在仿真顆粒度方面，分布式電源、電動(dòng)汽車等互動(dòng)式負(fù)荷大量接入配網(wǎng)，配網(wǎng)對(duì)主網(wǎng)平衡和穩(wěn)定特性的影響不斷加劇，要求將仿真分析推向低電壓等級(jí)。
（4）更高的仿真精度要求
傳統(tǒng)電力系統(tǒng)以同步發(fā)電機(jī)為基本元件，毫秒～秒級(jí)機(jī)電暫態(tài)過程是主導(dǎo)動(dòng)態(tài)。基波相量法可以較好地刻畫同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的周期性旋轉(zhuǎn)，以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來的機(jī)電暫態(tài)仿真技術(shù)可以較好滿足電網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真需要。在新型電力系統(tǒng)中，電力電子類電源大量替代同步發(fā)電機(jī)，其原理是控制主導(dǎo)的開關(guān)切換過程，動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度在微秒級(jí)；其工作基于所在單相的電氣量瞬時(shí)值，三相電氣量通過Park逆變換等人為控制實(shí)現(xiàn)對(duì)稱，相量法失去了物理基礎(chǔ)。
在面臨上述挑戰(zhàn)的同時(shí)，電力系統(tǒng)仿真技術(shù)也面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇?！按笤莆镆浦擎湣钡刃畔⑼ㄐ判录夹g(shù)的出現(xiàn)大大增強(qiáng)了計(jì)算能力，為電力系統(tǒng)仿真技術(shù)進(jìn)步帶來了新的思路和技術(shù)支撐。仿真技術(shù)應(yīng)當(dāng)抓住發(fā)展機(jī)遇，積極應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，不斷拓展內(nèi)涵，適應(yīng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)需求，與電力系統(tǒng)同步進(jìn)化，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)仿真體系。
3 新型電力系統(tǒng)仿真體系架構(gòu)
新型電力系統(tǒng)仿真體系以電力系統(tǒng)仿真為核心，并與外部系統(tǒng)緊密交互，由硬件、數(shù)據(jù)、引擎、應(yīng)用與接口共5個(gè)領(lǐng)域構(gòu)成，總體架構(gòu)見圖1。
圖1 新型電力系統(tǒng)仿真體系架構(gòu)
（1）硬件領(lǐng)域
硬件領(lǐng)域提供新型電力系統(tǒng)仿真依托的硬件資源。其中，存儲(chǔ)硬件具備海量數(shù)據(jù)快速、并發(fā)存儲(chǔ)與訪問能力，支撐大規(guī)模計(jì)算和模型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用；計(jì)算硬件提供數(shù)字仿真需要的硬件計(jì)算資源，包括基于通用硬件架構(gòu)的超級(jí)計(jì)算機(jī)云平臺(tái)，以及實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器等專用計(jì)算硬件；實(shí)物器件包括控保裝置、功率元件等真實(shí)器件和物理模型等。
（2）數(shù)據(jù)領(lǐng)域
數(shù)據(jù)領(lǐng)域提供新型電力系統(tǒng)仿真需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中，靜態(tài)模型數(shù)據(jù)覆蓋多重時(shí)間尺度和顆粒度，既包括基于電路的外特性等值模型，也包括基于內(nèi)部物理場(chǎng)特性的精細(xì)模型；既包括基于物理知識(shí)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)化模型，也包含基于數(shù)據(jù)構(gòu)建的相關(guān)性模型。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)狀態(tài)變量，以及需要通過在線辨識(shí)手段獲取的可變負(fù)荷參數(shù)等。
（3）引擎領(lǐng)域
引擎領(lǐng)域提供新型電力系統(tǒng)仿真所需的多品種、多時(shí)間尺度仿真工具。其中，生產(chǎn)模擬可進(jìn)一步分為時(shí)序生產(chǎn)模擬與隨機(jī)生產(chǎn)模擬等，暫態(tài)仿真工具可進(jìn)一步分為數(shù)字仿真（機(jī)電暫態(tài)、機(jī)電–電磁混合、電磁暫態(tài)）、數(shù)?；旌戏抡婧蛣?dòng)態(tài)模擬仿真等。此外，通過場(chǎng)路耦合、多物理場(chǎng)耦合等仿真引擎，對(duì)電力設(shè)備的熱、力等非電氣特性進(jìn)行仿真。
（4）應(yīng)用領(lǐng)域
應(yīng)用領(lǐng)域根據(jù)仿真應(yīng)用場(chǎng)景，綜合運(yùn)用電力系統(tǒng)仿真引擎，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行綜合分析，以可視化形式展示并與用戶交互，支撐電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)開展。具體應(yīng)用包括電力電量平衡分析、規(guī)劃方案評(píng)估比選、裝備設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證、系統(tǒng)特性分析、運(yùn)行控制策略制定、運(yùn)行方式校核、在線安全分析、電網(wǎng)故障反演等。在上述基礎(chǔ)應(yīng)用之外，數(shù)字孿生將成為新型電力系統(tǒng)仿真體系的一項(xiàng)重要應(yīng)用。
（5）接口領(lǐng)域
接口領(lǐng)域支撐新型電力系統(tǒng)仿真體系與外部系統(tǒng)頻繁密切交互需求。其中，通過硬件接口，可以利用外部的計(jì)算、存儲(chǔ)資源開展仿真，或?qū)⑼獠繉?shí)物器件接入仿真系統(tǒng)；通過數(shù)據(jù)接口，可以將氣象、水文、燃料等外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入仿真數(shù)據(jù)系統(tǒng)，將電動(dòng)汽車充電網(wǎng)、建筑微電網(wǎng)等新型并網(wǎng)主體納入仿真模型；通過應(yīng)用接口，科學(xué)研究、教學(xué)培訓(xùn)、市場(chǎng)分析、碳計(jì)量等外部應(yīng)用可以提出仿真需求，并獲取相應(yīng)仿真結(jié)果。
4 新型電力系統(tǒng)仿真體系的特征與關(guān)鍵技術(shù)
上述新型電力系統(tǒng)仿真體系是在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真體系基礎(chǔ)上的迭代升級(jí)，適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的深刻變化與仿真需求，具有全維度、全場(chǎng)景、全要素、全過程的特征，可以滿足新型電力系統(tǒng)科學(xué)建設(shè)與運(yùn)行的需要。
圖2 新型電力系統(tǒng)仿真體系特征
（1）全維度仿真
適應(yīng)新型電力系統(tǒng)與外部系統(tǒng)耦合更加緊密的特征，將仿真范疇從電力系統(tǒng)擴(kuò)展至上下游系統(tǒng)，準(zhǔn)確反映外部系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的交互。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要屬于數(shù)據(jù)領(lǐng)域與接口領(lǐng)域。
開展氣象系統(tǒng)與電力系統(tǒng)聯(lián)合仿真，準(zhǔn)確研判電力供需形勢(shì)，提升電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)極端天氣的韌性。
開展燃料系統(tǒng)與電力系統(tǒng)聯(lián)合仿真，量化分析電煤、天然氣等發(fā)電燃料的供應(yīng)對(duì)化石燃料電源發(fā)電能力與安全運(yùn)行的影響。
開展交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)聯(lián)合仿真，考慮電動(dòng)汽車、電氣化鐵路等對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響。
開展包含信息通信系統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真，將保護(hù)、穩(wěn)控、通信等二次設(shè)備納入仿真，開展信息-物理-社會(huì)系統(tǒng)仿真。
開展包含電力系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)仿真，綜合考慮多種能源傳輸網(wǎng)絡(luò)和能源轉(zhuǎn)換裝置，以實(shí)時(shí)性最強(qiáng)的電力系統(tǒng)為核心，開展綜合能源系統(tǒng)仿真。
（2）全場(chǎng)景仿真
不同的仿真技術(shù)的適用場(chǎng)景各不相同，針對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景突破相適應(yīng)的仿真技術(shù)，全方位滿足新型電力系統(tǒng)建設(shè)需求。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要屬于引擎領(lǐng)域與應(yīng)用領(lǐng)域。
對(duì)于科技攻關(guān)場(chǎng)景，依托數(shù)字仿真、動(dòng)模仿真等技術(shù)為科研人員搭建“試驗(yàn)臺(tái)”，助力新理論、新技術(shù)的小范圍試驗(yàn)驗(yàn)證。
對(duì)于設(shè)備制造場(chǎng)景，依托電力系統(tǒng)數(shù)?；旌戏抡婺芰﹂_展硬件在環(huán)試驗(yàn)，強(qiáng)化場(chǎng)路耦合和多物理場(chǎng)仿真技術(shù)，滿足裝備設(shè)計(jì)階段仿真評(píng)估需求。
對(duì)于規(guī)劃建設(shè)場(chǎng)景，開展考慮新能源和儲(chǔ)能的生產(chǎn)模擬，強(qiáng)化局部深度電力電子化系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真能力，指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案科學(xué)制定。
對(duì)于運(yùn)行控制場(chǎng)景，加快研發(fā)高性能、智能化仿真技術(shù)，推廣應(yīng)用在線仿真和數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的電力系統(tǒng)運(yùn)行。
（3）全要素仿真
積極服務(wù)新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)各側(cè)海量異構(gòu)資源接入需求，建立從穩(wěn)態(tài)到電磁暫態(tài)各種時(shí)間尺度，從單機(jī)到場(chǎng)站各種規(guī)模的電力電子設(shè)備模型參數(shù)庫，準(zhǔn)確反映并網(wǎng)設(shè)備特性和交互影響。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要屬于數(shù)據(jù)領(lǐng)域與硬件領(lǐng)域。
在電源側(cè)，建立新能源單機(jī)和場(chǎng)站多時(shí)間尺度詳細(xì)模型及分布式電源模型，研究模型聚合等值技術(shù)。
在電網(wǎng)側(cè)，研究柔性直流和各類柔性交流輸電(FACTS)設(shè)備建模技術(shù)，逐步建立有源配電網(wǎng)及微電網(wǎng)模型。
在負(fù)荷側(cè)，開展負(fù)荷模型參數(shù)辨識(shí)，建立含分布式電源、電動(dòng)汽車等的廣義綜合負(fù)荷模型，重點(diǎn)刻畫其在控制系統(tǒng)主導(dǎo)下與電網(wǎng)之間能量與信息的復(fù)雜交互行為。
在儲(chǔ)能側(cè)，建立電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能、氫能等各類新型儲(chǔ)能仿真模型。
（4）全過程仿真
適應(yīng)新型電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度縮短、多種時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)相互耦合的特征，綜合使用各種仿真工具，高效、精確反映電力系統(tǒng)各時(shí)間尺度行為。需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要屬于硬件領(lǐng)域與引擎領(lǐng)域。
生產(chǎn)模擬是長周期系統(tǒng)平衡分析的基礎(chǔ)性工具，其中隨機(jī)生產(chǎn)模擬技術(shù)在處理新能源出力隨機(jī)性方面具有原理性優(yōu)勢(shì)，將進(jìn)一步深化應(yīng)用。
穩(wěn)態(tài)潮流計(jì)算仍是電力系統(tǒng)仿真體系的重要基礎(chǔ)，同時(shí)加快向含電、熱、氣等多種能源綜合網(wǎng)絡(luò)的廣義潮流計(jì)算拓展。
在未來較長時(shí)間內(nèi)，電力系統(tǒng)將繼續(xù)以交流電技術(shù)為基礎(chǔ)，大電網(wǎng)仍以交直流互聯(lián)電網(wǎng)為主干、同步發(fā)電機(jī)為基本元件，毫秒級(jí)機(jī)電暫態(tài)過程仍是主導(dǎo)動(dòng)態(tài)，機(jī)電暫態(tài)仿真將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，重點(diǎn)提升計(jì)算效率、規(guī)模和寬頻帶分析能力。同時(shí)，必須大力發(fā)展電磁暫態(tài)仿真，用于深度電力電子化系統(tǒng)和寬頻振蕩等新型穩(wěn)定問題的研究。電磁暫態(tài)仿真在原理上可替代機(jī)電暫態(tài)仿真，但當(dāng)前計(jì)算能力難以滿足大電網(wǎng)工程化應(yīng)用需求，近期可采用機(jī)電-電磁混合仿真作為過渡技術(shù)。
5 構(gòu)建新型電力系統(tǒng)仿真體系的重點(diǎn)措施
多措并舉加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)仿真體系，以全面準(zhǔn)確的仿真結(jié)論引領(lǐng)新型電力系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展。一是加快仿真關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，針對(duì)新型電力系統(tǒng)不同發(fā)展階段的需求，有針對(duì)性地開展仿真技術(shù)研發(fā)。二是持續(xù)強(qiáng)化仿真數(shù)據(jù)積累與挖掘，開展全電壓等級(jí)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)收資，實(shí)施規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的仿真模型參數(shù)管理，利用先進(jìn)技術(shù)挖掘仿真數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律與價(jià)值。三是在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中廣泛實(shí)踐仿真技術(shù)，在準(zhǔn)確認(rèn)知系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，遵循電力系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)律和技術(shù)要求開展科技攻關(guān)、規(guī)劃設(shè)計(jì)、裝備研發(fā)、運(yùn)行控制等各項(xiàng)工作，并在應(yīng)用實(shí)踐中不斷強(qiáng)化仿真體系自身建設(shè)。
6 結(jié)論
構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，需要遵循技術(shù)規(guī)律、堅(jiān)持技術(shù)原則，在電力系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)中全面深入開展仿真分析。有必要依托先進(jìn)信息通信技術(shù)，建設(shè)以全維度、全場(chǎng)景、全要素、全過程為特征的新型電力系統(tǒng)仿真體系，全方位滿足新型電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)、各階段的仿真需求。為加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)仿真體系，應(yīng)當(dāng)根據(jù)新型電力系統(tǒng)不同發(fā)展階段的特征與需求，有針對(duì)性地開展關(guān)鍵仿真技術(shù)攻關(guān)，持續(xù)開展仿真數(shù)據(jù)積累與挖掘，充分發(fā)揮仿真分析對(duì)于新型電力系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展的引領(lǐng)和指導(dǎo)作用，通過廣泛深入的應(yīng)用實(shí)踐反哺仿真體系建設(shè)。
