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)展的每一個關(guān)鍵時期，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)的順利實施。
我國長期以來的電力系統(tǒng)建設(shè)與運行實踐表明，對電力系統(tǒng)的研究不能滯后于工程實際，仿真技術(shù)的進(jìn)步不能滯后于電網(wǎng)發(fā)展?！半p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，有必要對新型電力系統(tǒng)仿真技術(shù)體系開展頂層設(shè)計的系統(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)場景下存在的不適應(yīng)性，提出構(gòu)建以全維度、全場景、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)、運行機(jī)理與控制基礎(chǔ)發(fā)生深刻變化，對電力系統(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、人類社會耦合更加緊密，客觀上要求將氣象、能源、信息、社會等外部系統(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行方式數(shù)據(jù)開展，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運行方式呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性、時段性特征，采用少數(shù)潮流組合即可較好地覆蓋一年中可能出現(xiàn)的運行場景。在新型電力系統(tǒng)中，新能源出力隨機(jī)波動，電力市場化改革不斷深入，系統(tǒng)運行方式呈現(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220kV以上主網(wǎng)開展。新型電力系統(tǒng)對仿真的廣度提出了更高要求。在仿真對象方面，新能源機(jī)組單機(jī)容量小，數(shù)量呈指數(shù)級增長，不同廠家的控制器設(shè)計存在較大差異；在仿真顆粒度方面，分布式電源、電動汽車等互動式負(fù)荷大量接入配網(wǎng)，配網(wǎng)對主網(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。
（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～秒級機(jī)電暫態(tài)過程是主導(dǎo)動態(tài)?；ㄏ嗔糠梢暂^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，動態(tài)時間尺度在微秒級；其工作基于所在單相的電氣量瞬時值，三相電氣量通過Park逆變換等人為控制實現(xiàn)對稱，相量法失去了物理基礎(chǔ)。
在面臨上述挑戰(zhàn)的同時，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，存儲硬件具備海量數(shù)據(jù)快速、并發(fā)存儲與訪問能力，支撐大規(guī)模計算和模型數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用；計算硬件提供數(shù)字仿真需要的硬件計算資源，包括基于通用硬件架構(gòu)的超級計算機(jī)云平臺，以及實時數(shù)字仿真器等專用計算硬件；實物器件包括控保裝置、功率元件等真實器件和物理模型等。
（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)部物理場特性的精細(xì)模型；既包括基于物理知識構(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、多時間尺度仿真工具。其中，生產(chǎn)模擬可進(jìn)一步分為時序生產(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)?；旌戏抡婧蛣討B(tài)模擬仿真等。此外，通過場路耦合、多物理場耦合等仿真引擎，對電力設(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)用場景，綜合運用電力系統(tǒng)仿真引擎，對仿真結(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)劃方案評估比選、裝備設(shè)計試驗驗證、系統(tǒng)特性分析、運行控制策略制定、運行方式校核、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，可以利用外部的計算、存儲資源開展仿真，或?qū)⑼獠繉嵨锲骷尤敕抡嫦到y(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)、市場分析、碳計量等外部應(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，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，提升電力系統(tǒng)應(yīng)對極端天氣的韌性。
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)對化石燃料電源發(fā)電能力與安全運行的影響。
開展交通系統(tǒng)與電力系統(tǒng)聯(lián)合仿真，考慮電動汽車、電氣化鐵路等對電力系統(tǒng)運行的影響。
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，以實時性最強(qiáng)的電力系統(tǒng)為核心，開展綜合能源系統(tǒng)仿真。
（2）全場景仿真
不同的仿真技術(shù)的適用場景各不相同，針對各種應(yīng)用場景突破相適應(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。
對于科技攻關(guān)場景，依托數(shù)字仿真、動模仿真等技術(shù)為科研人員搭建“試驗臺”，助力新理論、新技術(shù)的小范圍試驗驗證。
對于設(shè)備制造場景，依托電力系統(tǒng)數(shù)模混合仿真能力開展硬件在環(huán)試驗，強(qiáng)化場路耦合和多物理場仿真技術(shù)，滿足裝備設(shè)計階段仿真評估需求。
對于規(guī)劃建設(shè)場景，開展考慮新能源和儲能的生產(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)計方案科學(xué)制定。
對于運行控制場景，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)，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的電力系統(tǒng)運行。
（3）全要素仿真
積極服務(wù)新型電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲各側(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)各種時間尺度，從單機(jī)到場站各種規(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)和場站多時間尺度詳細(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，建立含分布式電源、電動汽車等的廣義綜合負(fù)荷模型，重點刻畫其在控制系統(tǒng)主導(dǎo)下與電網(wǎng)之間能量與信息的復(fù)雜交互行為。
在儲能側(cè)，建立電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能、氫能等各類新型儲能仿真模型。
（4）全過程仿真
適應(yīng)新型電力系統(tǒng)動態(tài)時間尺度縮短、多種時間尺度動態(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，將進(jìn)一步深化應(yīng)用。
穩(wěn)態(tài)潮流計算仍是電力系統(tǒng)仿真體系的重要基礎(chǔ)，同時加快向含電、熱、氣等多種能源綜合網(wǎng)絡(luò)的廣義潮流計算拓展。
在未來較長時間內(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，毫秒級機(jī)電暫態(tài)過程仍是主導(dǎo)動態(tài)，機(jī)電暫態(tài)仿真將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，重點提升計算效率、規(guī)模和寬頻帶分析能力。同時，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)，針對新型電力系統(tǒng)不同發(fā)展階段的需求，有針對性地開展仿真技術(shù)研發(fā)。二是持續(xù)強(qiáng)化仿真數(shù)據(jù)積累與挖掘，開展全電壓等級電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)收資，實施規(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)律與價值。三是在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中廣泛實踐仿真技術(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、裝備研發(fā)、運行控制等各項工作，并在應(yīng)用實踐中不斷強(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)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，需要遵循技術(shù)規(guī)律、堅持技術(shù)原則，在電力系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、運行等各個環(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)用實踐反哺仿真體系建設(shè)。
