电力系统仿真分析技术的发展趋势
0 引言
随着化石能源逐渐枯竭，发展利用清洁能源和可再生能源成为世界各国的必然选择，也是新能源变革的主要内容。中国新能源变革的目标可以归纳为：以可再生能源逐步替代化石能源，提高化石能源的清洁高效利用水平，实现可再生能源(水能、风能、太阳能、地热能、生物质能)和核能利用在一次能源消耗占较大份额。在新能源变革形势下，电网的使命也将发生变化，智能电网是适应新能源变革和承担电网新使命的新一代电网。
中国自 21 世纪初就提出了建设特高压电网的设想，并逐步加以实施，近两年根据国际电力系统发展的最新动向，又进一步提出了建设智能电网的宏伟蓝图。中国的智能电网是以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节的现代电网。 与此同时，随着电网规模的不断扩大，新能源、新设备的不断加入，当今电力系统已经日益变得复杂，这使得运行人员更加难于对其进行监视、分析和控制。近些年，国内外不断发生大规模的停电事故，这些事故都造成了很大的经济损失和社会影响，不断地为人们敲响警钟，也给电网的安全稳定运行提出了更高的要求。
在上述的大停电事故中，电力系统从第一次元件故障，到整个系统崩溃，一般会有一个较长的过程，如果这期间运行人员能够进行正确的处理，大停电是可以避免的。换言之，电网缺乏有效的在线监测和预警系统，不能及时掌握实时电网稳定情况并采取有效的控制措施是导致大停电事故发生的重要原因。
电力系统仿真分析是电力系统规划设计和调度运行的基础，涵盖的范围非常广泛，包括从稳态分析、动态分析到暂态分析的各个方面。根据实时电力系统动态过程响应时间与系统仿真时间的关系，可分为非实时仿真和实时仿真；根据仿真的数据来源，又可分为离线仿真、在线仿真。其中在线仿真是实现在线预警和决策支持的必要手段。
电力系统仿真分析涵盖电力系统、数学、计算机、通信等多学科技术领域，面对智能电网建设提出的要求，需要不断地引入先进的计算机和通信技术以及数学方法等，推动仿真分析技术在仿真的准确性、快速性、灵活性等方面的发展。
具体体现在以下几个方面：
1）可实现更大规模电网的仿真计算，同时仿真数据的粗细程度可根据需要自动调整。
2）仿真计算应具有更快的速度及更高的准 确性。
3）仿真计算应具备更多的功能，并与环境、经济等相关领域相结合。 4）仿真建模应具备更大的灵活性，以适应智能电网中层出不穷的新元件、新设备建模的需要。
5）需加强对电力系统智能建模方法的应用以及仿真结果的智能化分析。 6）电网自愈对实时决策控制的要求。要求能实时跟踪评价电力系统行为，一旦发生故障，立即进行快速仿真并提供决策控制支持，防止大面积停电，并快速从紧急状态恢复到正常状态。
7）仿真试验应具备更大的灵活性。未来的仿真试验将可实现对多个异地试验设备的同步测试。
8）仿真计算应适应新的计算模式，如云计算、协同计算等。
9）可实现智能人机交互仿真，显著提高用户操作的便捷性和仿真系统的使用效率。
10）数据融合技术在仿真分析中应用，提高对仿真分析中对多源海量数据的整合能力。
本文将依据计算机、网络、通信等技术当前和未来可能的发展，探讨和预测新的先进计算技术(如云计算等)及其在电力系统仿真分析中的应用。
1 发展现状
1.1 电力系统仿真分析技术概述
如图 1 所示，电力系统仿真分析技术可分为电力系统建模、电力系统数字仿真分析方法、电力系统在线仿真分析和电力系统实时仿真等4项技术，其中电力系统建模技术包括建模方法和模型研究技术，电力系统数字仿真分析方法主要指针对各类仿真应用的基础方法，后2种技术则分别针对在线应用和实时应用。其中先进计算技术包括计算机及网络、与电力系统仿真分析相关的计算数学和计算模式这3项技术。下文分别描述上述各项技术的发展现状。
图1 电力系统仿真分析和先进计算技术分类
2）相关计算数学。
与电网仿真分析相关的计算数学领域既有传统的数值计算方法，也包括新兴的人工智能、模糊数学和概率类等方法。
1.2 电力系统建模技术
1）建模方法。
目前，电力系统建模方法研究以机理分析法为主，结合统计学、运筹学及人工智能等理论，又发展了数据分析法、层次分析法、智能建模法等方法。 作为机理分析法的重要补充，模型实测是指导建模、进行模型校验及修正的主要手段。目前，模型实测主要在发电机及其调节系统建模、负荷建模、新能源发电建模等方面有所应用。数据分析法主要用于建立电力系统可靠性分析模型及功率预测模型、电力市场分析模型等。层次分析法主要用于负荷预测建模等。
近年来，随着人工智能技术的发展，智能建模方法如专家系统法、神经网络系统法、模糊辨识法以及基于遗传算法的非线性系统辨识法等，在同步机建模、负荷建模、电网规划建模中得到应用。
电力系统模型参数的获取，主要采用取典型值和实际测量 2 种方法。 2）模型研究。
①传统发输配用电系统模型
传统发电系统模型包括同步机、励磁系统、调速系统、电力系统稳定器(power system stabilizer，PSS)等模型，均较为成熟，全国范围内绝大部分机组励磁
系统和 PSS 模型已采用实测参数，调速系统模型实测工作正在开展。
交流输电系统模型以等效电路为基础，根据仿真要求的不同进行相应处理。直流输电系统模型包括主电路模型和控制系统模型，可分为机电暂态仿真模型和电磁暂态仿真模型，前者一般为准稳态模型。直流输电系统控制系统模型目前大都采用典型结构和参数，迫切需要建立与实际工程相一致的控制系统模型和参数。
②灵活交流输电元件模型、新型电力系统元件模型。
③新能源发电系统、分布式电源及微电网模型。 3）建模技术中尚待解决的问题。
①电力系统模型的精确度有待进一步提高，特别是如何利用 WAMS、WASA 技术进行模型的校验与修正。
②风光发电系统、储能系统等各种新元件的模型有待进一步研究并实用化。
③智能建模方法有待进一步发展，或与传统方法相结合，提升模型的精确性和适应性。
④目前各类仿真软件中模型各自独立，重复建模工作时有发生，有待建立模块化、通用化、标准化程度较高的模型，实现模型的“即插即用”和共享。
1.3 电力系统数字仿真分析方法
电力系统数字仿真分析方法，包括稳态分析(潮流、网损分析、最优潮流、静态安全分析、谐波潮流)、动态和暂态分析(电磁暂态仿真、机电暂态仿真、中长期动态仿真、小干扰稳定计算、电压稳定计算等)等。 电力系统潮流计算主要是非线性方程组求解问题，现有算法有牛顿–拉夫逊法、PQ 分解法、保留非线性潮流算法和最优因子法等。其中，牛顿–拉夫逊法因其具有较好的收敛性和较快的收敛速度，应用较为广泛。为提高潮流计算的收敛性，有时将 2 种方法相结合，如 PQ 分解转牛顿法。此外，还提出了潮流计算中的自动调整方法、适合实时计算的直流潮流算法、考虑不确定性因素的随机(概率)潮流方法、适合系统参数不对称情况的三相潮流算法，以及应用于电力系统电压稳定计算的多种病态潮流算法。
电力系统最优潮流计算实质是一个非线性规划问题，主要算法有线性规划法、牛顿法、内点法以及遗传算法、人工神经网络法等智能算法。其中内点法在
可行域的内部寻优，收敛性好、收敛速度快，适用于大规模电网的优化计算。智能算法由于具有全局收敛性和擅长处理离散变量而日益得到重视，但还处在发展阶段。 研究小扰动电压稳定问题的电力系统静态电压稳定计算方法常用的有奇异值分解法、灵敏度法、崩溃点法、非线性规划法、连续潮流法、非线性动力学方法等，其中连续潮流法应用较多。电压稳定的动态分析方法，包括小干扰分析法和对大扰动电压稳定的时域仿真分析法、能量函数法等。 电力系统暂态稳定计算需要求解系统的网络方程和微分方程，一般采用数值积分方法交替迭代求解，有时也采用直接法，应用最多的直接法为扩展等面 积准则法。
电力系统小干扰稳定计算的主要方法有特征值分析法、小干扰频域响应分析、小干扰时域响应分析，其中特征值分析法应用最为广泛。
电力系统中长期动态过程仿真要计入在一般暂态稳定过程仿真中不考虑的电力系统长过程和慢速的动态特性，采用数值积分的方法，主要有隐式梯形积分法和 Gear 类方法，为避免计算时间过长，一般还采用自动变步长计算技术。 电力系统电磁暂态仿真通常采用时域瞬时值计算，多采用隐式梯形积分法，计算规模一般不超过百余条母线，计算步长通常为 20~200
s。 为提高仿真精度，有学者提出了电磁暂态与机电暂态混合仿真方法。近年来，随着分网并行算法的提出和电磁-机电接口的完善，混合仿真已实现了实用化。
综上，上述针对输电网的电力系统仿真分析方法都较为成熟，为提高仿真分析速度，近年来，并行和分布式计算方法逐渐在电力系统潮流计算、最优潮流、静态安全分析、电磁暂态仿真、机电暂态仿真、小干扰稳定计算等分析方法中得到应用。
1.4 电力系统在线仿真分析
随着电网大停电事故的不断发生，各国对电网安全愈加重视，电力系统在线仿真分析也成为了研究的重点。2005 年的调研报告表明，当时国际上已有 6 个电力系统在线软件生产厂家，可以提供不同程度的在线暂态稳定评估软件。
国内在智能电网建设的新环境下，为确保电 网安全稳定运行，建立和健全电网安全防御体系，中国电力科学研究院、国网电力科学研究院、清华大学等单位就在线仿真分析开展了研究与应用工作。
1.5 电力系统实时仿真
电力系统实时仿真的发展经历了从物理实时仿真、数模混合式实时仿真到全数字实时仿真的3个历史阶段。物理实时仿真由于其仿真规模不大和建模工作复杂，主要用于设备级的仿真和试验，如继电保护装置、安全自动装置、电力电子设备及新技术、新设备的基本原理验证和性能指标检验等。数模混合式实时仿真系统(如 HYPERSIM目前主要用于直流输电控制保护系统试验。RTDS等全数字实时仿真限于仿真算法和计算能力，只能进行小规模系统的实时仿真，主要用于继电保护装置、安全自动装置验证试验，近年来也有应用于电力电子设备验证试验、直流输电控制保护系统试验等方面，加拿大 Opal-RT 公司的 RT-LAB 全数字实时仿真软件在高频电力电子的精确仿真以及分布式并行计算等方面具有优良的性能；新近出现的全数字实时仿真装置 ADPSS，因其具有大电网实时仿真的能力，因此用途较为广泛。
2 先进计算技术发展趋势 2.1 计算机及网络
未来的计算机和网络的发展趋势将是通信技术、网络与计算机技术的进一步融合，朝着超高速、超小型、高性能、平行处理和智能化方向发展。 发展高性能计算技术有 2 条途径：一条是通过多核、多机并行计算或分布式计算技术来实现；另一条途径是发展非传统的新技术，包括超导计算、光计算、量子计算、生物计算与纳米计算等。
2.2 相关计算数学
数值计算方法未来的发展主要集中在提高算法效率、计算结果精度和非线性方程求解的收敛性等方面。 人工智能方法将与仿真环境结合得更为紧密，从而提高仿真自动化程度和仿真精度。 概率类算法在仿真计算领域的进一步发展，主要是增强各种与现有数值仿真计算方法相结合的衍生算法的实用性，降低对参数的要求，提高计算结果的质量，以及计算结果的进一步分析应用。 模糊数学将与人工智能技术的各分支进一步结合，求解用经典数值计算方法难以求解的问题，并进一步实用化。
2.3 计算模式
未来高性能计算的发展将呈现以下趋势：一是并行计算和分布式计算 2 种
形态共存并互相结合、相互补充；二是从高性能计算走向高效能计算，提高计算性能、可编程性、可移植性和鲁棒性，降低系统的开发、运行及维护成本随着中国智能电网的建设和发展，分布式计算技术在仿真分析领域的应用将不断深入，分布式计算以及网格计算的应用，可以有效解决电力系统实时、复杂的计算问题。
3 先进计算技术在电力系统仿真分析中应用预测 3.1 概述
先进计算技术(计算机及网络、计算数学、计算模式)的发展和应用，将为电力系统仿真分析技术带来巨大发展变化。本节预测 2050 年电力系统仿真分析技术的发展趋势。
3.2 电力系统建模技术
1）电力系统的建模方法和工具得到长足发展。形成完备的混合仿真建模和智能建模理论。基于WAMS 和 WASA 数据进行仿真模型的修正成为建模的重要手段。
2）建立丰富、精确、模块化和标准化的各类元件模型。模型的模块化、标准化使得系统建模可在任一仿真软件的建模环境下进行，采用通用的输入输出格式，并可在其他仿真软件中进行调用，使模型具备“即插即用”的功能。 3）未来的智能电力设备中可自带标准化的模型并具备对局部模型进行仿真的能力，其结构和参数自行维护更新，模型可以是异地分布的。
3.3 电力系统数字仿真分析方法
1）电力系统仿真计算方法在计算的收敛性和鲁棒性、结果的准确性以及对最优结果的搜索等方面都取得较大进步。
2）建立灵活的仿真数据平台和异地分布式仿真分析平台，结合智能电力设备中自带的标准化模型，模型数据的云存储和标准化技术，WAMS、WASA 等先进测量技术，云计算技术，实现仿真数据的自动调整和对电网的按需灵活仿真。根据研究目的不同，电网数据可以不同的精细程度自动组合和调整，形成计算用数据，用户无需关心具体数据的存放位置和获取方式。
3）开辟新的仿真计算领域，如与环境保护、新型电力市场运营相结合。 4）建立高度智能化的面向用户、面向问题、面向实验的建模与仿真环境，
实现智能人机交互仿真和仿真结果的智能化分析。
5）不同时间尺度的混合仿真技术逐步成熟，实现电磁暂态–机电暂态–中长期动态过程的连续仿真，可获得系统从仿真开始后微秒级到分钟级，甚至小时级时间尺度的动态特性，仿真结果更加贴近系统的实际表现。
6）协同计算将在电力系统仿真分析中逐步应用，使离线仿真分析从以往单地区单人工作的独立模式向多人联合协同计算模式转变，大幅度提高工作效率。 7）人工智能、概率和模糊数学方法将会被更多地引入和研究。人工智能算法是大规模非线性系统求解、优化的有效方法，为电力系统计算分析开辟了一条新的路径，而概率算法和模糊数学方法则可以更好地处理仿真计算中的各种随机性和模糊性问题。
8）量子计算机具有应用可能，仿真分析方法将发生重大变革。
3.4 电力系统在线仿真分析
1）建立在线仿真专家系统，挖掘在线数据与系统稳定性之间的联系，根据历史运行数据和电网运行状况找出薄弱环节。
2）将 WAMS 数据引入到数据整合、参数校核和辨识、动态仿真等各个环节，以提高在线仿真结果与实际系统响应的吻合程度。
3）构建描述电网各类不确定性特征(如天气，间歇性能源接入等)的系统模型，建立在线风险评估系统，采用统一的风险评估指标体系，将确定性安全评价拓展到风险评估。
4）应用数据融合技术，提高对调度自动化系统、广域量测系统、继电保护稳控系统、离线方式数据等多系统多信息的整合能力和利用水平。
5）实现基于超实时仿真的在线控制和云控制，利用大规模电力系统的超实时仿真技术，在故障发生后快速判别系统稳定性，并给出控制措施，解决连锁故障期间电网运行状况瞬息变化导致控制措施失效的问题。云控制是云计算技术与基于超实时仿真的在线控制技术的完美结合，是未来在线控制技术的发展方向。
3.5 电力系统实时仿真
1）采用新的并行仿真方法或对既有方法进行改进，结合计算机软硬件技术的发展，实现风力发电、太阳能发电、电压源直流输电、新型 FACTS、储能等新能源新设备的电磁暂态实时仿真。
2）实现机电暂态–电磁暂态–中长期动态一体化实时仿真，建立超大规模电力系统数模混合实时仿真平台，实现超大规模电力系统与数十条直流输电、电力电子装置、新能源新设备等的物理仿真设 备或物理设备的联合实时仿真。
3）建立电网–电厂–变电站联合实时仿真平台， 可灵活接入实际的电网二次设备、电厂和变电站监 控设备进行仿真试验分析。
4）分布式实时仿真全面应用，开展远程试验。通过异地多个实时仿真装置的配合和高速的通信网络支持，实现多个物理装置的分布式仿真试验，解决带通道保护的继电保护装置、多个 HVDC 或FACTS 控制器等异地试验设备的同步测试和控制器协调问题。远程试验是分布式实时仿真的特殊应用模式，即大电网的实时仿真在异地高性能服务器上进行，而现场仅需要配备与物理待测设备的输入输出接口，需要高速的通信网络支持。
5）建立真实电力系统的影子系统——大电网在线实时仿真系统，通过实时信息采集与传递系统，实时接受电网运行数据，使系统仿真模型能够及时跟踪大电网运行状态特别是灾害情况下的迅速变化。
4 结束语
随着化石能源逐渐枯竭，发展利用清洁能源和可再生能源成为世界各国的必然选择，也是新能源变革的主要内容。在新能源变革形势下，电网的使命也将发生变化，智能电网是适应新能源变革和承担电网新使命的新一代电网。为适应智能电网的发展，未来的电力系统仿真分析技术在准确性、快速性、灵活性等方面将得到极大发展。 本文依据计算机、网络、通信等技术当前和未来可能的发展，探讨和预测了新的先进计算技术的发展趋势，以及新的先进计算技术在电力系统仿真分析中的应用趋势。
