陈国平，李明节，董昱，郭强，贺静波，张放

（国家电网有限公司；中国电力科学研究院有限公司）

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.230296

        仿真是掌握电力系统特性的关键技术手段。在我国电力系统发展的每一个关键时期，仿真技术都做出了突出贡献，保障了众多开创性重大输电工程和全国电网互联的顺利实施。

        我国长期以来的电力系统建设与运行实践表明，对电力系统的研究不能滞后于工程实际，仿真技术的进步不能滞后于电网发展。“双碳”目标背景下，我国新型电力系统建设全面加速，电力系统将发生广泛而深刻的变化。新型电力系统建设将高度依赖仿真技术，为仿真技术带来了全新挑战与机遇，有必要对新型电力系统仿真技术体系开展顶层设计的系统性研究。

        本文分析了传统电力系统仿真体系在新型电力系统场景下存在的不适应性，提出构建以全维度、全场景、全要素、全过程为特征的新型电力系统仿真体系，分析了需要突破的关键技术方向，并研究了加快构建新型电力系统仿真体系的相关措施。

        经过长期的发展，我国已经形成了较为成熟的电力系统仿真体系，满足了电力系统快速发展和特高压交直流大电网安全稳定运行的需要。目前，我国正在全力开展新型电力系统建设，高比例新能源、高比例电力电子装置并网的“双高”特征日益显著，电力系统生产结构、运行机理与控制基础发生深刻变化，对电力系统仿真技术提出了更高要求。

        传统仿真体系重点关注电力系统本身，新型电力系统与自然资源、人类社会耦合更加紧密，客观上要求将气象、能源、信息、社会等外部系统纳入电力系统仿真。在电源侧，化石能源、水电、新能源等各类电源发电能力的仿真评估需要考虑一二次能源深度耦合。在电网侧，电力系统安全稳定分析需要充分研究极端天气等气象因素。在负荷侧，第三产业和居民用电受人类活动和气象等外部因素影响显著，需要在仿真分析中予以考虑。

        电力系统的仿真分析基于典型运行方式数据开展，传统电力系统运行方式呈现明显的季节性、时段性特征，采用少数潮流组合即可较好地覆盖一年中可能出现的运行场景。在新型电力系统中，新能源出力随机波动，电力市场化改革不断深入，系统运行方式呈现去典型化的特征，仿真分析必须考虑海量的潮流组合。

        传统电力系统仿真对象主要为高度标准化、同质化的电源和电网设备，系统建模主要针对220kV以上主网开展。新型电力系统对仿真的广度提出了更高要求。在仿真对象方面，新能源机组单机容量小，数量呈指数级增长，不同厂家的控制器设计存在较大差异；在仿真颗粒度方面，分布式电源、电动汽车等互动式负荷大量接入配网，配网对主网平衡和稳定特性的影响不断加剧，要求将仿真分析推向低电压等级。

        传统电力系统以同步发电机为基本元件，毫秒～秒级机电暂态过程是主导动态。基波相量法可以较好地刻画同步发电机转子的周期性旋转，以此为基础发展起来的机电暂态仿真技术可以较好满足电网动态仿真需要。在新型电力系统中，电力电子类电源大量替代同步发电机，其原理是控制主导的开关切换过程，动态时间尺度在微秒级；其工作基于所在单相的电气量瞬时值，三相电气量通过Park逆变换等人为控制实现对称，相量法失去了物理基础。

        在面临上述挑战的同时，电力系统仿真技术也面临着前所未有的发展机遇。“大云物移智链”等信息通信新技术的出现大大增强了计算能力，为电力系统仿真技术进步带来了新的思路和技术支撑。仿真技术应当抓住发展机遇，积极应对挑战，不断拓展内涵，适应新型电力系统建设需求，与电力系统同步进化，构建新型电力系统仿真体系。

        新型电力系统仿真体系以电力系统仿真为核心，并与外部系统紧密交互，由硬件、数据、引擎、应用与接口共5个领域构成，总体架构见图1。

图 1 新型电力系统仿真体系架构

        硬件领域提供新型电力系统仿真依托的硬件资源。其中，存储硬件具备海量数据快速、并发存储与访问能力，支撑大规模计算和模型数据的存储和调用；计算硬件提供数字仿真需要的硬件计算资源，包括基于通用硬件架构的超级计算机云平台，以及实时数字仿真器等专用计算硬件；实物器件包括控保装置、功率元件等真实器件和物理模型等。

        数据领域提供新型电力系统仿真需要的基础数据。其中，静态模型数据覆盖多重时间尺度和颗粒度，既包括基于电路的外特性等值模型，也包括基于内部物理场特性的精细模型；既包括基于物理知识构建的结构化模型，也包含基于数据构建的相关性模型。动态数据包括系统状态变量，以及需要通过在线辨识手段获取的可变负荷参数等。

        引擎领域提供新型电力系统仿真所需的多品种、多时间尺度仿真工具。其中，生产模拟可进一步分为时序生产模拟与随机生产模拟等，暂态仿真工具可进一步分为数字仿真（机电暂态、机电–电磁混合、电磁暂态）、数模混合仿真和动态模拟仿真等。此外，通过场路耦合、多物理场耦合等仿真引擎，对电力设备的热、力等非电气特性进行仿真。

        应用领域根据仿真应用场景，综合运用电力系统仿真引擎，对仿真结果进行综合分析，以可视化形式展示并与用户交互，支撑电力系统各环节业务开展。具体应用包括电力电量平衡分析、规划方案评估比选、装备设计试验验证、系统特性分析、运行控制策略制定、运行方式校核、在线安全分析、电网故障反演等。在上述基础应用之外，数字孪生将成为新型电力系统仿真体系的一项重要应用。

        接口领域支撑新型电力系统仿真体系与外部系统频繁密切交互需求。其中，通过硬件接口，可以利用外部的计算、存储资源开展仿真，或将外部实物器件接入仿真系统；通过数据接口，可以将气象、水文、燃料等外部系统的数据接入仿真数据系统，将电动汽车充电网、建筑微电网等新型并网主体纳入仿真模型；通过应用接口，科学研究、教学培训、市场分析、碳计量等外部应用可以提出仿真需求，并获取相应仿真结果。

        上述新型电力系统仿真体系是在传统电力系统仿真体系基础上的迭代升级，适应新型电力系统的深刻变化与仿真需求，具有全维度、全场景、全要素、全过程的特征，可以满足新型电力系统科学建设与运行的需要。

图2 新型电力系统仿真体系特征

        适应新型电力系统与外部系统耦合更加紧密的特征，将仿真范畴从电力系统扩展至上下游系统，准确反映外部系统与电力系统的交互。需要突破的关键技术主要属于数据领域与接口领域。

        开展气象系统与电力系统联合仿真，准确研判电力供需形势，提升电力系统应对极端天气的韧性。

        开展燃料系统与电力系统联合仿真，量化分析电煤、天然气等发电燃料的供应对化石燃料电源发电能力与安全运行的影响。

        开展交通系统与电力系统联合仿真，考虑电动汽车、电气化铁路等对电力系统运行的影响。            开展包含信息通信系统的电力系统仿真，将保护、稳控、通信等二次设备纳入仿真，开展信息-物理-社会系统仿真。

        开展包含电力系统的综合能源系统仿真，综合考虑多种能源传输网络和能源转换装置，以实时性最强的电力系统为核心，开展综合能源系统仿真。

        不同的仿真技术的适用场景各不相同，针对各种应用场景突破相适应的仿真技术，全方位满足新型电力系统建设需求。需要突破的关键技术主要属于引擎领域与应用领域。

        对于科技攻关场景，依托数字仿真、动模仿真等技术为科研人员搭建“试验台”，助力新理论、新技术的小范围试验验证。

        对于设备制造场景，依托电力系统数模混合仿真能力开展硬件在环试验，强化场路耦合和多物理场仿真技术，满足装备设计阶段仿真评估需求。

        对于规划建设场景，开展考虑新能源和储能的生产模拟，强化局部深度电力电子化系统的电磁暂态仿真能力，指导规划设计方案科学制定。

        对于运行控制场景，加快研发高性能、智能化仿真技术，推广应用在线仿真和数字孪生技术，实现安全、经济、优质的电力系统运行。

        积极服务新型电力系统源网荷储各侧海量异构资源接入需求，建立从稳态到电磁暂态各种时间尺度，从单机到场站各种规模的电力电子设备模型参数库，准确反映并网设备特性和交互影响。需要突破的关键技术主要属于数据领域与硬件领域。

        在电源侧，建立新能源单机和场站多时间尺度详细模型及分布式电源模型，研究模型聚合等值技术。

        在电网侧，研究柔性直流和各类柔性交流输电(FACTS)设备建模技术，逐步建立有源配电网及微电网模型。

        在负荷侧，开展负荷模型参数辨识，建立含分布式电源、电动汽车等的广义综合负荷模型，重点刻画其在控制系统主导下与电网之间能量与信息的复杂交互行为。

        在储能侧，建立电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能、重力储能、氢能等各类新型储能仿真模型。

        适应新型电力系统动态时间尺度缩短、多种时间尺度动态相互耦合的特征，综合使用各种仿真工具，高效、精确反映电力系统各时间尺度行为。需要突破的关键技术主要属于硬件领域与引擎领域。

        生产模拟是长周期系统平衡分析的基础性工具，其中随机生产模拟技术在处理新能源出力随机性方面具有原理性优势，将进一步深化应用。

        稳态潮流计算仍是电力系统仿真体系的重要基础，同时加快向含电、热、气等多种能源综合网络的广义潮流计算拓展。

        在未来较长时间内，电力系统将继续以交流电技术为基础，大电网仍以交直流互联电网为主干、同步发电机为基本元件，毫秒级机电暂态过程仍是主导动态，机电暂态仿真将继续发挥重要作用，重点提升计算效率、规模和宽频带分析能力。同时，必须大力发展电磁暂态仿真，用于深度电力电子化系统和宽频振荡等新型稳定问题的研究。电磁暂态仿真在原理上可替代机电暂态仿真，但当前计算能力难以满足大电网工程化应用需求，近期可采用机电-电磁混合仿真作为过渡技术。

        多措并举加快构建新型电力系统仿真体系，以全面准确的仿真结论引领新型电力系统科学发展。一是加快仿真关键技术攻关，针对新型电力系统不同发展阶段的需求，有针对性地开展仿真技术研发。二是持续强化仿真数据积累与挖掘，开展全电压等级电力系统数据收资，实施规范化、标准化的仿真模型参数管理，利用先进技术挖掘仿真数据内在规律与价值。三是在新型电力系统建设中广泛实践仿真技术，在准确认知系统特性的基础上，遵循电力系统的技术规律和技术要求开展科技攻关、规划设计、装备研发、运行控制等各项工作，并在应用实践中不断强化仿真体系自身建设。

        构建新型电力系统是一项复杂的系统性工程，需要遵循技术规律、坚持技术原则，在电力系统规划、建设、运行等各个环节中全面深入开展仿真分析。有必要依托先进信息通信技术，建设以全维度、全场景、全要素、全过程为特征的新型电力系统仿真体系，全方位满足新型电力系统各环节、各阶段的仿真需求。为加快构建新型电力系统仿真体系，应当根据新型电力系统不同发展阶段的特征与需求，有针对性地开展关键仿真技术攻关，持续开展仿真数据积累与挖掘，充分发挥仿真分析对于新型电力系统科学发展的引领和指导作用，通过广泛深入的应用实践反哺仿真体系建设。

陈国平,李明节,董昱等.构建新型电力系统仿真体系研究[J].中国电机工程学报,2023,43(17):6535-6550.

CHEN Guoping, LI Mingjie, DONG Yu, et al. Research on the Simulation Technology Architecture for the New-Type Power System[J]. Proceedings of the CSEE, 2023, 43(17): 6535-6550.

陈国平(1965)，男，教授级高级工程师，研究方向为电力系统调度运行与控制等；

李明节(1963)，男，教授级高级工程师，研究方向为电力系统调度运行与控制等；

董昱(1974)，男，教授级高级工程师，研究方向为电力系统调度运行控制与管理等；

郭强(1972)，男，教授级高级工程师，研究方向为电力系统规划技术等；

贺静波(1983)，男，教授级高级工程师，研究方向为电力系统稳定与控制等；

通信作者：张放(1987)，男，高级工程师，研究方向为电力系统调度运行与控制等。