電力系統(tǒng)仿真分析技術(shù)的發(fā)展趨勢

1、電力系統(tǒng)仿真分析技術(shù)的發(fā)展趨勢0 引言隨著化石能源逐漸枯竭，發(fā)展利用清潔能源和可再生能源成為世界各 國的必然選擇，也是新能源變革的主要內(nèi)容。中國新能源變革的目標可以 歸納為：以可再生能源逐步替代化石能源，提高化石能源的清潔高效利用 水平，實現(xiàn)可再生能源 （ 水能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能 ）和核能 利用在一次能源消耗占較大份額。在新能源變革形勢下，電網(wǎng)的使命也將 發(fā)生變化，智能電網(wǎng)是適應(yīng)新能源變革和承擔(dān)電網(wǎng)新使命的新一代電網(wǎng)。中國自 21 世紀初就提出了建設(shè)特高壓電網(wǎng)的設(shè)想，并逐步加以實 施，近兩年根據(jù)國際電力系統(tǒng)發(fā)展的最新動向，又進一步提出了建設(shè)智能 電網(wǎng)的宏偉藍圖。中國的智能電網(wǎng)是以

2、特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng) 協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強網(wǎng)架為基礎(chǔ)，以通信信息平臺為支撐，具有信息化、自動 化、互動化特征，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度 各個環(huán)節(jié)的現(xiàn)代電網(wǎng)。 與此同時，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，新能源、 新設(shè)備的不斷加入，當(dāng)今電力系統(tǒng)已經(jīng)日益變得復(fù)雜，這使得運行人員更 加難于對其進行監(jiān)視、分析和控制。近些年，國內(nèi)外不斷發(fā)生大規(guī)模的停 電事故，這些事故都造成了很大的經(jīng)濟損失和社會影響，不斷地為人們敲 響警鐘，也給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提出了更高的要求。在上述的大停電事故中，電力系統(tǒng)從第一次元件故障，到整個系統(tǒng)崩 潰，一般會有一個較長的過程， 如果這期間運行人員能夠進行正確的

3、處理， 大停電是可以避免的。換言之，電網(wǎng)缺乏有效的在線監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，不 能及時掌握實時電網(wǎng)穩(wěn)定情況并采取有效的控制措施是導(dǎo)致大停電事故 發(fā)生的重要原因。電力系統(tǒng)仿真分析是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和調(diào)度運行的基礎(chǔ)，涵蓋的范 圍非常廣泛，包括從穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)分析到暫態(tài)分析的各個方面。根據(jù)實 時電力系統(tǒng)動態(tài)過程響應(yīng)時間與系統(tǒng)仿真時間的關(guān)系，可分為非實時仿真 和實時仿真；根據(jù)仿真的數(shù)據(jù)來源，又可分為離線仿真、在線仿真。其中 在線仿真是實現(xiàn)在線預(yù)警和決策支持的必要手段。電力系統(tǒng)仿真分析涵蓋電力系統(tǒng)、數(shù)學(xué)、計算機、通信等多學(xué)科技術(shù) 領(lǐng)域，面對智能電網(wǎng)建設(shè)提出的要求，需要不斷地引入先進的計算機和通 信技術(shù)以及數(shù)學(xué)

4、方法等，推動仿真分析技術(shù)在仿真的準確性、快速性、靈 活性等方面的發(fā)展。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：1）可實現(xiàn)更大規(guī)模電網(wǎng)的仿真計算，同時仿真數(shù)據(jù)的粗細程度可根 據(jù)需要自動調(diào)整。2）仿真計算應(yīng)具有更快的速度及更高的準確性。3）仿真計算應(yīng)具備更多的功能，并與環(huán)境、經(jīng)濟等相關(guān)領(lǐng)域相結(jié)合。4）仿真建模應(yīng)具備更大的靈活性，以適應(yīng)智能電網(wǎng)中層出不窮的新 元件、新設(shè)備建模的需要。5）需加強對電力系統(tǒng)智能建模方法的應(yīng)用以及仿真結(jié)果的智能化分6）電網(wǎng)自愈對實時決策控制的要求。要求能實時跟蹤評價電力系統(tǒng) 行為，一旦發(fā)生故障，立即進行快速仿真并提供決策控制支持，防止大面 積停電，并快速從緊急狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。7）仿真

5、試驗應(yīng)具備更大的靈活性。未來的仿真試驗將可實現(xiàn)對多個異地試驗設(shè)備的同步測試。8）仿真計算應(yīng)適應(yīng)新的計算模式，如云計算、協(xié)同計算等。9）可實現(xiàn)智能人機交互仿真，顯著提高用戶操作的便捷性和仿真系 統(tǒng)的使用效率。10）數(shù)據(jù)融合技術(shù)在仿真分析中應(yīng)用，提高對仿真分析中對多源海量 數(shù)據(jù)的整合能力。本文將依據(jù)計算機、網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)當(dāng)前和未來可能的發(fā)展，探討 和預(yù)測新的先進計算技術(shù) （如云計算等 ） 及其在電力系統(tǒng)仿真分析中的應(yīng) 用。1 發(fā)展現(xiàn)狀電力系統(tǒng)仿真分析技術(shù)概述如圖 1 所示，電力系統(tǒng)仿真分析技術(shù)可分為電力系統(tǒng)建模、電力系4項統(tǒng)數(shù)字仿真分析方法、電力系統(tǒng)在線仿真分析和電力系統(tǒng)實時仿真等技術(shù)，其中電力

6、系統(tǒng)建模技術(shù)包括建模方法和模型研究技術(shù)，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真分析方法主要指針對各類仿真應(yīng)用的基礎(chǔ)方法，后2種技術(shù)則分別針對在線應(yīng)用和實時應(yīng)用。其中先進計算技術(shù)包括計算機及網(wǎng)絡(luò)、與電力系統(tǒng)仿真分析相關(guān)的計算數(shù)學(xué)和計算模式這3項技術(shù)。下文分別描述上述 各項技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。圖1電力系統(tǒng)仿真分析和先進計算技術(shù)分類2 ）相關(guān)計算數(shù)學(xué)。與電網(wǎng)仿真分析相關(guān)的計算數(shù)學(xué)領(lǐng)域既有傳統(tǒng)的數(shù)值計算方法，也包 括新興的人工智能、模糊數(shù)學(xué)和概率類等方法。電力系統(tǒng)建模技術(shù)1）建模方法。目前，電力系統(tǒng)建模方法研究以機理分析法為主，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)、運籌學(xué)及人工智能等理論，又發(fā)展了數(shù)據(jù)分析法、層次分析法、智能建模法等 方法。 作為機理分

7、析法的重要補充，模型實測是指導(dǎo)建模、進行模型校 驗及修正的主要手段。目前，模型實測主要在發(fā)電機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模、 負荷建模、新能源發(fā)電建模等方面有所應(yīng)用。數(shù)據(jù)分析法主要用于建立電 力系統(tǒng)可靠性分析模型及功率預(yù)測模型、電力市場分析模型等。層次分析 法主要用于負荷預(yù)測建模等。近年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能建模方法如專家系統(tǒng)法、神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)法、模糊辨識法以及基于遺傳算法的非線性系統(tǒng)辨識法等，在 同步機建模、負荷建模、電網(wǎng)規(guī)劃建模中得到應(yīng)用。電力系統(tǒng)模型參數(shù)的獲取，主要采用取典型值和實際測量 2 種方法。2)模型研究。 傳統(tǒng)發(fā)輸配用電系統(tǒng)模型傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)模型包括同步機、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、電力

8、系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer , PSS)等模型，均較為成熟，全國范圍內(nèi)絕大部分機組勵磁系統(tǒng)和 PSS 模型已采用實測參數(shù)，調(diào)速系統(tǒng)模型實測工 作正在開展。交流輸電系統(tǒng)模型以等效電路為基礎(chǔ)，根據(jù)仿真要求的不同進行相應(yīng) 處理。直流輸電系統(tǒng)模型包括主電路模型和控制系統(tǒng)模型，可分為機電暫 態(tài)仿真模型和電磁暫態(tài)仿真模型，前者一般為準穩(wěn)態(tài)模型。直流輸電系統(tǒng) 控制系統(tǒng)模型目前大都采用典型結(jié)構(gòu)和參數(shù)，迫切需要建立與實際工程相 一致的控制系統(tǒng)模型和參數(shù)。 靈活交流輸電元件模型、新型電力系統(tǒng)元件模型。 新能源發(fā)電系統(tǒng)、分布式電源及微電網(wǎng)模型。3 ）建模技術(shù)中尚待解決的問題。 電力系

9、統(tǒng)模型的精確度有待進一步提高，特別是如何利用WAMSwasA技術(shù)進行模型的校驗與修正。 風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等各種新元件的模型有待進一步研究并實 用化。 智能建模方法有待進一步發(fā)展，或與傳統(tǒng)方法相結(jié)合，提升模型的 精確性和適應(yīng)性。 目前各類仿真軟件中模型各自獨立，重復(fù)建模工作時有發(fā)生，有待 建立模塊化、通用化、標準化程度較高的模型，實現(xiàn)模型的“即插即用” 和共享。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真分析方法 電力系統(tǒng)數(shù)字仿真分析方法，包括穩(wěn)態(tài)分析（潮流、網(wǎng)損分析、最優(yōu)潮流、靜態(tài)安全分析、諧波潮流 ） 、動態(tài)和暫態(tài)分析 （電磁暫態(tài)仿真、機電 暫態(tài)仿真、中長期動態(tài)仿真、小干擾穩(wěn)定計算、電壓穩(wěn)定計算等 ） 等。 電

10、力系統(tǒng)潮流計算主要是非線性方程組求解問題，現(xiàn)有算法有牛頓-拉夫遜 法、PQ分解法、保留非線性潮流算法和最優(yōu)因子法等。其中，牛頓-拉夫遜法因其具有較好的收斂性和較快的收斂速度，應(yīng)用較為廣泛。為提高 潮流計算的收斂性，有時將 2 種方法相結(jié)合，如 PQ 分解轉(zhuǎn)牛頓法。此 外，還提出了潮流計算中的自動調(diào)整方法、 適合實時計算的直流潮流算法、 考慮不確定性因素的隨機 （ 概率）潮流方法、適合系統(tǒng)參數(shù)不對稱情況的三 相潮流算法，以及應(yīng)用于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定計算的多種病態(tài)潮流算法。電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算實質(zhì)是一個非線性規(guī)劃問題，主要算法有線 性規(guī)劃法、牛頓法、內(nèi)點法以及遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等智能算法。 其

11、中內(nèi)點法在可行域的內(nèi)部尋優(yōu)，收斂性好、收斂速度快，適用于大規(guī)模 電網(wǎng)的優(yōu)化計算。智能算法由于具有全局收斂性和擅長處理離散變量而日 益得到重視，但還處在發(fā)展階段。 研究小擾動電壓穩(wěn)定問題的電力系統(tǒng) 靜態(tài)電壓穩(wěn)定計算方法常用的有奇異值分解法、靈敏度法、崩潰點法、非 線性規(guī)劃法、連續(xù)潮流法、非線性動力學(xué)方法等，其中連續(xù)潮流法應(yīng)用較 多。電壓穩(wěn)定的動態(tài)分析方法，包括小干擾分析法和對大擾動電壓穩(wěn)定的 時域仿真分析法、能量函數(shù)法等。 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算需要求解系統(tǒng) 的網(wǎng)絡(luò)方程和微分方程，一般采用數(shù)值積分方法交替迭代求解，有時也采 用直接法，應(yīng)用最多的直接法為擴展等面 積準則法。電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定計算的主

12、要方法有特征值分析法、小干擾頻域響 應(yīng)分析、小干擾時域響應(yīng)分析，其中特征值分析法應(yīng)用最為廣泛。電力系統(tǒng)中長期動態(tài)過程仿真要計入在一般暫態(tài)穩(wěn)定過程仿真中不 考慮的電力系統(tǒng)長過程和慢速的動態(tài)特性，采用數(shù)值積分的方法，主要有隱式梯形積分法和 Gear 類方法，為避免計算時間過長，一般還采用自動 變步長計算技術(shù)。 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真通常采用時域瞬時值計算，多 采用隱式梯形積分法，計算規(guī)模一般不超過百余條母線，計算步長通常為 20200?s。 為提高仿真精度，有學(xué)者提出了電磁暫態(tài)與機電暫態(tài)混合仿 真方法。近年來，隨著分網(wǎng)并行算法的提出和電磁 - 機電接口的完善，混 合仿真已實現(xiàn)了實用化。綜上，上述針對

13、輸電網(wǎng)的電力系統(tǒng)仿真分析方法都較為成熟，為提高 仿真分析速度， 近年來，并行和分布式計算方法逐漸在電力系統(tǒng)潮流計算、 最優(yōu)潮流、靜態(tài)安全分析、電磁暫態(tài)仿真、機電暫態(tài)仿真、小干擾穩(wěn)定計 算等分析方法中得到應(yīng)用。電力系統(tǒng)在線仿真分析隨著電網(wǎng)大停電事故的不斷發(fā)生，各國對電網(wǎng)安全愈加重視，電力系 統(tǒng)在線仿真分析也成為了研究的重點。 2005 年的調(diào)研報告表明，當(dāng)時國 際上已有 6 個電力系統(tǒng)在線軟件生產(chǎn)廠家，可以提供不同程度的在線暫 態(tài)穩(wěn)定評估軟件。國內(nèi)在智能電網(wǎng)建設(shè)的新環(huán)境下，為確保電 網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，建立 和健全電網(wǎng)安全防御體系，中國電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)電力科學(xué)研究院、 清華大學(xué)等單位就在線仿真分

14、析開展了研究與應(yīng)用工作。電力系統(tǒng)實時仿真電力系統(tǒng)實時仿真的發(fā)展經(jīng)歷了從物理實時仿真、數(shù)?；旌鲜綄崟r仿真到全數(shù)字實時仿真的 3 個歷史階段。物理實時仿真由于其仿真規(guī)模不大 和建模工作復(fù)雜，主要用于設(shè)備級的仿真和試驗，如繼電保護裝置、安全 自動裝置、電力電子設(shè)備及新技術(shù)、新設(shè)備的基本原理驗證和性能指標檢 驗等。數(shù)模混合式實時仿真系統(tǒng)（如HYPERSIM目前主要用于直流輸電控制 保護系統(tǒng)試驗。RTDS等全數(shù)字實時仿真限于仿真算法和計算能力，只能進行小規(guī)模系統(tǒng)的實時仿真，主要用于繼電保護裝置、安全自動裝置驗證試 驗，近年來也有應(yīng)用于電力電子設(shè)備驗證試驗、直流輸電控制保護系統(tǒng)試 驗等方面，加拿大 Opa

15、l-RT 公司的 RT-LAB 全數(shù)字實時仿真軟件在高頻 電力電子的精確仿真以及分布式并行計算等方面具有優(yōu)良的性能；新近出 現(xiàn)的全數(shù)字實時仿真裝置 ADPSS因其具有大電網(wǎng)實時仿真的能力，因此 用途較為廣泛。2 先進計算技術(shù)發(fā)展趨勢計算機及網(wǎng)絡(luò)未來的計算機和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢將是通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與計算機技術(shù) 的進一步融合，朝著超高速、超小型、高性能、平行處理和智能化方向發(fā) 展。 發(fā)展高性能計算技術(shù)有 2 條途徑：一條是通過多核、多機并行計算 或分布式計算技術(shù)來實現(xiàn)；另一條途徑是發(fā)展非傳統(tǒng)的新技術(shù)，包括超導(dǎo) 計算、光計算、量子計算、生物計算與納米計算等。相關(guān)計算數(shù)學(xué)數(shù)值計算方法未來的發(fā)展主要集中在提高

16、算法效率、計算結(jié)果精度和 非線性方程求解的收斂性等方面。 人工智能方法將與仿真環(huán)境結(jié)合得更 為緊密，從而提高仿真自動化程度和仿真精度。 概率類算法在仿真計算 領(lǐng)域的進一步發(fā)展，主要是增強各種與現(xiàn)有數(shù)值仿真計算方法相結(jié)合的衍 生算法的實用性，降低對參數(shù)的要求，提高計算結(jié)果的質(zhì)量，以及計算結(jié) 果的進一步分析應(yīng)用。 模糊數(shù)學(xué)將與人工智能技術(shù)的各分支進一步結(jié)合， 求解用經(jīng)典數(shù)值計算方法難以求解的問題，并進一步實用化。計算模式未來高性能計算的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢：一是并行計算和分布式計算2 種形態(tài)共存并互相結(jié)合、 相互補充； 二是從高性能計算走向高效能計算， 提高計算性能、可編程性、可移植性和魯棒性，降低

17、系統(tǒng)的開發(fā)、運行及 維護成本隨著中國智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，分布式計算技術(shù)在仿真分析領(lǐng) 域的應(yīng)用將不斷深入，分布式計算以及網(wǎng)格計算的應(yīng)用，可以有效解決電 力系統(tǒng)實時、復(fù)雜的計算問題。3 先進計算技術(shù)在電力系統(tǒng)仿真分析中應(yīng)用預(yù)測概述先進計算技術(shù) （計算機及網(wǎng)絡(luò)、計算數(shù)學(xué)、計算模式 ） 的發(fā)展和應(yīng)用， 將為電力系統(tǒng)仿真分析技術(shù)帶來巨大發(fā)展變化。本節(jié)預(yù)測 2050 年電力系 統(tǒng)仿真分析技術(shù)的發(fā)展趨勢。電力系統(tǒng)建模技術(shù)1 ）電力系統(tǒng)的建模方法和工具得到長足發(fā)展。形成完備的混合仿真建模和智能建模理論?；?WAM刪WASA數(shù)據(jù)進行仿真模型的修正成為 建模的重要手段。2 ）建立豐富、精確、模塊化和標準化的各

18、類元件模型。模型的模塊 化、標準化使得系統(tǒng)建?？稍谌我环抡孳浖慕－h(huán)境下進行，采用通用 的輸入輸出格式，并可在其他仿真軟件中進行調(diào)用，使模型具備“即插即 用”的功能。3 ）未來的智能電力設(shè)備中可自帶標準化的模型并具備對局部模型進 行仿真的能力，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)自行維護更新，模型可以是異地分布的。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真分析方法1 ）電力系統(tǒng)仿真計算方法在計算的收斂性和魯棒性、結(jié)果的準確性以 及對最優(yōu)結(jié)果的搜索等方面都取得較大進步。2 ）建立靈活的仿真數(shù)據(jù)平臺和異地分布式仿真分析平臺，結(jié)合智能電力設(shè)備中自帶的標準化模型，模型數(shù)據(jù)的云存儲和標準化技術(shù)，WAM、SWASA等先進測量技術(shù)，云計算技術(shù)，實現(xiàn)仿真數(shù)

19、據(jù)的自動調(diào)整和對電網(wǎng) 的按需靈活仿真。根據(jù)研究目的不同，電網(wǎng)數(shù)據(jù)可以不同的精細程度自動 組合和調(diào)整，形成計算用數(shù)據(jù)，用戶無需關(guān)心具體數(shù)據(jù)的存放位置和獲取 方式。3 ）開辟新的仿真計算領(lǐng)域，如與環(huán)境保護、新型電力市場運營相結(jié) 合。4 ）建立高度智能化的面向用戶、面向問題、面向?qū)嶒灥慕Ｅc仿真 環(huán)境，實現(xiàn)智能人機交互仿真和仿真結(jié)果的智能化分析。5 ）不同時間尺度的混合仿真技術(shù)逐步成熟，實現(xiàn)電磁暫態(tài)-機電暫 態(tài)-中長期動態(tài)過程的連續(xù)仿真，可獲得系統(tǒng)從仿真幵始后微秒級到分鐘 級，甚至小時級時間尺度的動態(tài)特性， 仿真結(jié)果更加貼近系統(tǒng)的實際表現(xiàn)6 ）協(xié)同計算將在電力系統(tǒng)仿真分析中逐步應(yīng)用，使離線仿真分析從

20、以往單地區(qū)單人工作的獨立模式向多人聯(lián)合協(xié)同計算模式轉(zhuǎn)變，大幅度提 高工作效率。7 ）人工智能、概率和模糊數(shù)學(xué)方法將會被更多地引入和研究。人工 智能算法是大規(guī)模非線性系統(tǒng)求解、優(yōu)化的有效方法，為電力系統(tǒng)計算分 析開辟了一條新的路徑，而概率算法和模糊數(shù)學(xué)方法則可以更好地處理仿 真計算中的各種隨機性和模糊性問題。8）量子計算機具有應(yīng)用可能，仿真分析方法將發(fā)生重大變革。電力系統(tǒng)在線仿真分析1 ）建立在線仿真專家系統(tǒng)，挖掘在線數(shù)據(jù)與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的聯(lián)系， 根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運行狀況找出薄弱環(huán)節(jié)。2 ）將WAMS數(shù)據(jù)引入到數(shù)據(jù)整合、參數(shù)校核和辨識、動態(tài)仿真等各個環(huán)節(jié)，以提高在線仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)響應(yīng)的

21、吻合程度3 ）構(gòu)建描述電網(wǎng)各類不確定性特征 （ 如天氣，間歇性能源接入等 ） 的 系統(tǒng)模型，建立在線風(fēng)險評估系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的風(fēng)險評估指標體系，將確 定性安全評價拓展到風(fēng)險評估。4 ）應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提高對調(diào)度自動化系統(tǒng)、廣域量測系統(tǒng)、繼 電保護穩(wěn)控系統(tǒng)、離線方式數(shù)據(jù)等多系統(tǒng)多信息的整合能力和利用水平。5）實現(xiàn)基于超實時仿真的在線控制和云控制，利用大規(guī)模電力系統(tǒng) 的超實時仿真技術(shù)， 在故障發(fā)生后快速判別系統(tǒng)穩(wěn)定性， 并給出控制措施， 解決連鎖故障期間電網(wǎng)運行狀況瞬息變化導(dǎo)致控制措施失效的問題。云控 制是云計算技術(shù)與基于超實時仿真的在線控制技術(shù)的完美結(jié)合，是未來在 線控制技術(shù)的發(fā)展方向。電力系統(tǒng)實時仿真1）采用新的并行仿真方法或?qū)扔蟹椒ㄟM行改進，結(jié)合計算機軟硬 件技術(shù)的發(fā)展， 實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電、 太陽能發(fā)電、 電壓源直流輸電、