新型电力系统仿真应用软件设计理念与发展路径

新型电力系统仿真应用软件设计理念与发展路径摘要：总结了新型电力系统新能源发电高渗透、电力电子设备高渗透的特性给电力系统仿真带来的挑战，提出了电力系统仿真应用软件的设计理念，即模型完备、建模准确、计算高效、场景全面、接口开放、服务灵活这6个方面；基于仿真是认识和改造新型电力系统的工具而非目的，以及仿真应适应新型电力系统背景下电力企业数字化转型需求的认知，指出了国产电力系统仿真应用软件的功能定位要从单纯的仿真工具向电力系统仿真应用软件开发平台和运行环境过渡，并提出了一条助力用户业务自动化、平台使用便捷化、应用开发生态化的发展路径。最后，通过介绍所研发的面向新型电力系统的仿真应用软件开发平台和运行环境——CloudPSS，展示了上述设计理念与发展路径对软件研发和推广的指导作用。关键词：新型电力系统；电力系统建模；电力系统仿真引言随着电力系统规模的不断发展扩大，人们主要通过仿真实验来获得对系统特性机理真实、完整而深刻的认知。尤其近十几年以来，随着交直流输电多区域互联、各类电力电子设备的广泛接入，电力系统呈现出多装备动态交互耦合、机-电效应解耦、非惯性响应、随机概率等诸多复杂特性，给电力系统仿真技术提出了更高的要求。1仿真技术现状和改进方案电力系统时域仿真包括机电暂态仿真、机电-电磁暂态混合仿真和全电磁暂态仿真。由于电磁暂态仿真能够更详细地刻画基波及更宽范围频率的物理过程，可以更好地适应“双高”特征新型电力系统的分析计算需求，因此逐渐成为电力系统仿真的主要手段。根据仿真进程与物理过程之间同步与否，可以分为实时仿真和非实时仿真两大模式。实时仿真主要应用于硬件在环场景；非实时仿真可分为离线仿真（算例与实际运行数据没有交互，例如电网方式计算等）和在线仿真（算例与实际运行数据有交互，例如在线安全校核等）。实时仿真要求每个步长的计算、通信、延迟时间相加后小于现实时间，并在每个步长结束时进行硬件时钟同步，相比于非实时仿真，在计算效率方面更为严苛，需要额外优化。非实时仿真便于快速开发模型进行拓扑、控制器的初步验证，在配电网、输电网、大型复杂网络中都有广泛的应用。实时仿真分为硬件在环和功率在环仿真两种，二者的区别在于硬件在环控制器为实物、一次系统为数字模型，功率在环则相反。实时仿真可以较低的成本还原工程场景，使用现场控制器或一次设备提高仿真结果的精确性和可靠性。同时，实时仿真还广泛地用于检验控制器性能，在一些新型控制设备验证、控制策略验证中发挥着重要作用。在某些场合下，仿真模型的计算速度可以比现实世界的物理过程快，实现“超实时”。超实时仿真不需要严格同步时钟和硬件设备配合，其技术难度主要来自实现大规模网络的超快速计算求解。在拓扑遍历验证等需要大量仿真的研究场景下，超实时仿真可以有效提高研究效率。在数字孪生系统的研究中，超实时仿真可以提前感知电网的运行状态，提供控制策略指导和故障预警。然而，大规模网络的超实时仿真对算法和硬件性能的要求非常高，目前很难被广泛应用。使用多计算设备互联的高性能云计算或超级计算技术将有可能解决这一问题，目前尚在探索中。2新型电力系统仿真应用软件设计发展路径2.1建模精准只有保证模型精准，仿真结果才有可能是正确的。为此，有必要持续提升仿真模型精度，取得3个层面技术进步：（1）多时间尺度融合暂态精确建模，即在统一建模框架下精确刻画微秒到数十秒的系统动态，适用于不同步长参数，消除由于建模假设引发的仿真结果失真；（2）高稳定和高精度的数值积分模型，即适用于连续和离散动态过程积分，无数值振荡问题，保持高阶精度；（3）知识和数据融合的自适应仿真建模，即能够根据电气设备和局部网络的实测运行数据，通过深度学习等方法，辨识设备和系统的动态模型及关键参数，实现自动化、可解释和高精度的仿真建模。为了提高建模精度，已有仿真软件在模型参数校准、开关动作动态拟合、数值振荡抑制等方面开展了大量研究工作，并发展了动态平均化、动态相量和移频分析等建模方法，尝试解决多时间尺度暂态精确建模难题。然而，从理论成果到仿真工具实践，道路险阻且漫长。PSCAD/EMTDC、RTDS、ADPSS等工具采用隐式梯形差分格式和节点分析法构建仿真模型；MATLAB/Simulink和RTLAB等工具在状态方程建模基础上发展了高效差分格式和计算模型。在多时间尺度建模方面，现有仿真工具支持较少，大多停留在提供可测试的仿真模型阶段。在高精度建模第3层面研究中，现有的仿真分析软件都还处在摸索和起步阶段，还未见到成熟的知识和数据融合建模工具。相比对传统建模方法进行修正和改进，通过知识和数据融合建模更具应用价值，有可能解决新能源控制模型测辨、新能源场站聚合建模、负荷聚合动态建模和复杂网络动态等值等学术和工程难题，提升新能源电力系统仿真建模整体准确性。2.2可接入多异构数据模型的灵活架构技术系统结构决定系统功能。现有电力系统HILS系统主要是在计及通信网传输特性基础上，构建机电、电磁等多尺度仿真平台，能够支持各类风光储直等设备集中接入，但尚未实现设备广泛接入、对仿真实验过程中的多类数据进行实时集中监控、关联分析和智能诊断等功能。美国可再生能源国家实验室研究设计了基于通用可控电网接口的HILS系统架构，将各类风光储设备及控制系统通过通用可控电网接口与实时数字仿真器集群相连。该架构还可以将远程分布在不同地理位置的新能源装置及设备灵活接入。同时，结合智能交互、大数据等技术，依托国家(美国)风能技术中心建立实时监测、智能评估与控制中心，对一次电网、接入硬件装置与设备以及可控网格接口进行监控，为在电力系统HILS系统中实现广泛接入分布式现场装置与设备、实时输入电网实际运行数据、在线监控仿真状态等功能提供借鉴。2.3仿真平台一体化、体系智能化实现电力系统生产模拟、电磁与机电暂态仿真模型参数的融合，电磁暂态仿真模型参数的平台化统一建模、统一管理，以及机电、电磁等不同仿真引擎的云端调用，是适应跨区域大电网仿真分析和电网电力电子化仿真计算的关键环节；构建统一的数据管理应用、通用仿真计算的一体化智能化仿真工作平台，是减少仿真分析过程中衔接环节工作量、提升整体工作效率的重要途径。通过仿真计算数据统一建模和稳定分析计算过程的平台化、智能化实现仿真工作的一体化平台建设。结语本文对新型电力系统背景下电力系统仿真软件的设计理念和发展路径进行了探讨，介绍了笔者团队在研发面向新型电力系统仿真应用软件平台和运行环境——CloudPSS过程中的探索与实践，以期为中国电力系统仿真软件的发展提供借鉴。参考文献［1］许德操，韩民晓，丁辉，等.基于PSASP的直流系统用户自定义建模［J］.电力系统自动化，2007，31（6）：71-76.［2］舒印彪，陈国平，贺静波，等.构建以新能源为主体的新型电力系统框架研究［J］.中国工程科学，2021，23