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效用,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 20~200s。

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。