電力系統(tǒng)全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

宋新立，王皓懷，蘇志達(dá)，劉文焯，吳國(guó)旸，蘇毅

(1．中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192;2．中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州市510623;3．福建電力調(diào)度控制中心，福州市350003)

0 引言

我國(guó)由于發(fā)電資源和電力負(fù)荷在地理位置上呈逆向分布的特點(diǎn)，建設(shè)大規(guī)模發(fā)電基地和遠(yuǎn)距離大容量的超/特高壓輸電工程，實(shí)施跨區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)，形成大規(guī)模交直流混聯(lián)電網(wǎng)是必然趨勢(shì)。目前我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量位居世界第一，已構(gòu)成世界上規(guī)模最大、電壓等級(jí)最高、控制復(fù)雜的特大規(guī)模交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)［1］。大容量直流輸電線路的集中饋入、電力電子設(shè)備的快速電磁暫態(tài)響應(yīng)、大規(guī)模新能源發(fā)電不可控的隨機(jī)波動(dòng)與脫網(wǎng)等對(duì)電網(wǎng)特性產(chǎn)生了巨大影響。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為變得更加復(fù)雜，電網(wǎng)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)加劇。大停電事故將對(duì)國(guó)家造成空前的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電和用電的連續(xù)性及復(fù)雜性決定了其動(dòng)態(tài)特性分析需要依靠數(shù)字仿真軟件。由于快速電力電子設(shè)備和電網(wǎng)嚴(yán)重故障等仿真需求，電網(wǎng)受擾動(dòng)后的電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程獨(dú)立仿真的技術(shù)已無(wú)法滿足我國(guó)電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的需求。近些年，我國(guó)自主研發(fā)的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真程序已經(jīng)能夠?qū)㈦娏ο到y(tǒng)電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期過(guò)程有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行仿真，能夠描述系統(tǒng)受到擾動(dòng)之后整個(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程［2-3］。在全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真能力方面該程序超越了國(guó)外的常用軟件包，例如:美國(guó)的PSS/E、法國(guó)的EUROSTAG等。

電力系統(tǒng)全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真不僅是分析電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、制定安全穩(wěn)定措施和保障電網(wǎng)安全高效運(yùn)行的重要支撐技術(shù)，也是未來(lái)電網(wǎng)智能調(diào)度和廣域防護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，這在國(guó)內(nèi)外關(guān)于未來(lái)智能電網(wǎng)的論述中得到一致認(rèn)可［4-5］。雖然國(guó)內(nèi)近些年取得一定成果，但是隨著我國(guó)電力工業(yè)快速發(fā)展，及新技術(shù)和新設(shè)備不斷涌現(xiàn)，仿真技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)將越來(lái)越大?，F(xiàn)有仿真技術(shù)本身還有一系列關(guān)鍵技術(shù)有待突破。

本文結(jié)合我國(guó)當(dāng)前電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和大規(guī)模電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究對(duì)仿真軟件的要求，探討電力系統(tǒng)全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真研發(fā)和應(yīng)用中的若干關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)有技術(shù)的仿真能力、提高計(jì)算的準(zhǔn)確度、提升軟件開(kāi)放性和研發(fā)效率等方面提出一些建議。

1 研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1.1 發(fā)展歷程回顧

電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大規(guī)模非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，具有多時(shí)間尺度特性。受到擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過(guò)程可分為3個(gè)典型階段:電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)。三者是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，不是截然分開(kāi)的。

機(jī)電暫態(tài)仿真程序已經(jīng)很成熟，例如，國(guó)內(nèi)使用廣泛的PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序和PSASP軟件包中的穩(wěn)定程序。為實(shí)現(xiàn)電磁暫態(tài)—機(jī)電暫態(tài)—中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程的一體化仿真，現(xiàn)有仿真技術(shù)分為2個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn):(1)擴(kuò)展機(jī)電暫態(tài)仿真時(shí)間尺度，實(shí)現(xiàn)機(jī)電暫態(tài)與中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)的統(tǒng)一仿真。(2)突破電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)混合仿真技術(shù)，在(1)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電磁暫態(tài)—機(jī)電暫態(tài)—中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程的一體化仿真。以下主要介紹這2個(gè)階段的發(fā)展過(guò)程。

(1)機(jī)電暫態(tài)及中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)。

由于電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程緊密耦合，20世紀(jì)80年代之后，考慮機(jī)電暫態(tài)與中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真程序發(fā)展較快［6］，逐漸克服了以往暫態(tài)與中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程交替計(jì)算的缺陷，適于中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真的建模技術(shù)也得到了較快發(fā)展。目前，國(guó)際上具有代表性的機(jī)電暫態(tài)及中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真程序有:1)法國(guó)電力公司(EDF)和比利時(shí)TRACTEBEL 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 EUROSTAG［7-8］。2)日本東京電力公司研發(fā)的EXSTAB程序［9］。3)美國(guó)EPRI的 ETMSP程序［10-11］和PTI公司的 PSS/E軟件包中的擴(kuò)展穩(wěn)定仿真程序［12-13］。

國(guó)內(nèi)具有代表性的機(jī)電暫態(tài)及中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真程序主要由中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)發(fā):

1)1989年，開(kāi)發(fā)了中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真程序［14-15］。主要用于大亞灣核電站的機(jī)電暫態(tài)及中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程分析，由于積分算法的收斂性和模型不完善等原因，后來(lái)停止了程序開(kāi)發(fā)。

2)1999年，為滿足我國(guó)西電東送和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性計(jì)算需求，開(kāi)發(fā)了全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真程序PSDFDS。該程序采用組合數(shù)值積分算法［16］，克服了EUROSTAG等程序存在數(shù)值求解的迭代收斂性差而導(dǎo)致計(jì)算速度過(guò)低，甚至計(jì)算中斷的問(wèn)題。

(2)電磁—機(jī)電暫態(tài)混合仿真技術(shù)。

在電磁暫態(tài)程序與機(jī)電暫態(tài)仿真相結(jié)合方面，德國(guó)西門(mén)子(NETOMAC程序)、加拿大直流輸電研究中心(EMTDC程序)都曾經(jīng)做了長(zhǎng)時(shí)間的探索和研究［17-20］;ABB 公 司 的 SIMPOW 程 序、新 西 蘭Canternury大學(xué)和加拿大Waterloo大學(xué)也做了一些研究［21-22］。我國(guó)的香港大學(xué)、清華大學(xué)以及天津大學(xué)也開(kāi)展了一些混合仿真的研究［23-25］。以上所做的研究工作僅屬于探索階段，開(kāi)發(fā)的計(jì)算程序不成熟，還沒(méi)有真正用于實(shí)際電網(wǎng)。

中國(guó)電力科學(xué)研究院從2003年依托國(guó)家科技公關(guān)計(jì)劃和國(guó)家電網(wǎng)公司項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了大規(guī)模交直流系統(tǒng)的電磁和機(jī)電暫態(tài)混合仿真軟件，已在我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行方式計(jì)算中得到大量實(shí)際應(yīng)用［26-27］。

(3)電磁暫態(tài)—機(jī)電暫態(tài)—中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程的統(tǒng)一仿真。

2008年在“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“大電網(wǎng)安全控制技術(shù)研究”支持下，中國(guó)電力科學(xué)研究院研究開(kāi)發(fā)了電磁暫態(tài)—機(jī)電暫態(tài)—中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程的統(tǒng)一仿真程序PSD-FDS。實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)電磁暫態(tài)與機(jī)電暫態(tài)及中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真程序的接口，首次具備了大規(guī)模電力系統(tǒng)多時(shí)間尺度全過(guò)程仿真中直流輸電等局部子系統(tǒng)精確化的電磁暫態(tài)仿真能力，可模擬50 000節(jié)點(diǎn)以上的大規(guī)模電力系統(tǒng)從數(shù)秒、數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)的動(dòng)態(tài)全過(guò)程。

1.2 已取得的關(guān)鍵技術(shù)突破

仿真算法和模型是電力系統(tǒng)全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的兩大核心技術(shù)。仿真程序的整體架構(gòu)需要圍繞仿真算法的需求而設(shè)計(jì)，仿真程序的計(jì)算功能則本質(zhì)上由仿真模型來(lái)體現(xiàn)。

(1)仿真算法。

由于全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真的時(shí)間尺度大，不僅算法復(fù)雜，而且對(duì)數(shù)值算法本身提出了更高的要求。目前已攻克的關(guān)鍵算法主要有以下幾種。

1)大規(guī)模剛性微分代數(shù)方程的數(shù)值積分算法。

針對(duì)非線性剛性系統(tǒng)求解的特點(diǎn)和電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真中現(xiàn)有數(shù)值積分算法存在的主要問(wèn)題，重點(diǎn)提出一種新的適合全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真的組合數(shù)值積分算法。該算法有機(jī)結(jié)合了固定步長(zhǎng)隱式梯形積分法和變步長(zhǎng)吉爾(Gear)法的優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有變步長(zhǎng)Gear法計(jì)算效率低下和間斷處理復(fù)雜的問(wèn)題［28］。

2)電磁暫態(tài)仿真中新的事件處理算法。為避免現(xiàn)有的電磁暫態(tài)仿真處理數(shù)值振蕩以及連續(xù)事件發(fā)生時(shí)計(jì)算不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提出了基于多步變步長(zhǎng)后退歐拉法結(jié)合重算策略的事件處理算法，既能精確模擬電力電子元件微秒級(jí)的快速開(kāi)斷特性，又能準(zhǔn)確處理連續(xù)事件和控制系統(tǒng)中的非線性環(huán)節(jié)，提高了電磁暫態(tài)仿真精度以及對(duì)大步長(zhǎng)的適應(yīng)性［29］。

3)大規(guī)模電網(wǎng)的機(jī)電—電磁等值接口算法。提出了一種適應(yīng)于大規(guī)模電網(wǎng)發(fā)生任意類型的故障、考慮基波正負(fù)零三序戴維南等值和注入電流的機(jī)電暫態(tài)—電磁暫態(tài)混合仿真接口算法;提出一種用于解決交流系統(tǒng)戴維南等值過(guò)程中正序負(fù)序參數(shù)不相等的基波負(fù)序電流補(bǔ)償法，解決因三相導(dǎo)納陣不對(duì)稱而與電磁暫態(tài)仿真基本算法相矛盾的問(wèn)題［30］。

金融結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程一般是有一定的規(guī)律可循的，也就是在一開(kāi)始的債務(wù)融資占據(jù)主要地位到后來(lái)權(quán)益融資占據(jù)主要地位，最終該模式保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)之下。根據(jù)其概念一般他的演化可以從多個(gè)方面進(jìn)行分析。

4)復(fù)故障求解算法。提出采用基于故障支路導(dǎo)納陣處理的電力網(wǎng)絡(luò)支路復(fù)故障計(jì)算方法，可對(duì)任意重故障進(jìn)行處理，適于中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真。該算法克服了處理復(fù)故障常用的電流補(bǔ)償算法需要按照事先預(yù)想的故障類型以及位置增加新節(jié)點(diǎn)這一不足，提高了仿真效率和使用的方便性［31］。

5)大型方程組的求解算法。提出了適合電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真中雅可比矩陣特點(diǎn)的LU分塊分解算法，該算法在求解數(shù)萬(wàn)階以上方程組時(shí)的計(jì)算效率比不分塊求解方法高很多［32］。

(2)數(shù)學(xué)模型。

在現(xiàn)有全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真中，電磁暫態(tài)模型主要為大功率電力電子設(shè)備模型，例如，直流輸電和柔性交流設(shè)備等;機(jī)電暫態(tài)及中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真可采用統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)元件模型，機(jī)電暫態(tài)和中長(zhǎng)期計(jì)算不需要進(jìn)行模型切換。中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模型多為原有機(jī)電暫態(tài)模型基礎(chǔ)上的擴(kuò)展。2000年之前，我國(guó)電網(wǎng)計(jì)算主要以獨(dú)立的區(qū)域電網(wǎng)為對(duì)象，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過(guò)5 000個(gè)，簡(jiǎn)單動(dòng)態(tài)元件模型即可滿足要求，例如，機(jī)電暫態(tài)計(jì)算中發(fā)電機(jī)模型為E'q恒定模型。隨著“跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)”、“西電東送”和特高壓輸電工程的不斷推進(jìn)，動(dòng)態(tài)模型對(duì)計(jì)算精度影響越來(lái)越大，簡(jiǎn)單模型已不能適應(yīng)大規(guī)模電網(wǎng)計(jì)算，建模技術(shù)得到了迅速發(fā)展，主要包括以下幾個(gè)方面。

1)傳統(tǒng)的“四大參數(shù)”——發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)和負(fù)荷的機(jī)電暫態(tài)模型已建立了較為完備的實(shí)測(cè)建模技術(shù)體系。目前已形成制定了《大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)建模導(dǎo)則》、《同步發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)建模導(dǎo)則》等規(guī)范化建模方法。建立了四大參數(shù)系統(tǒng)化建模的有效工作模式，包括分環(huán)節(jié)實(shí)測(cè)、實(shí)際電網(wǎng)人工擾動(dòng)、實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真對(duì)比等工作流程。日常計(jì)算分析已由采用典型模型參數(shù)過(guò)渡到實(shí)測(cè)模型的階段，計(jì)算精度大大提高。

2)電力電子設(shè)備建模。在直流輸電系統(tǒng)建模方面，我國(guó)原來(lái)采用基于美國(guó)太平洋直流聯(lián)絡(luò)線和基于我國(guó)葛南直流20世紀(jì)80年代建成投運(yùn)時(shí)的控制系統(tǒng)模型，已不適應(yīng)計(jì)算需求，為此提出了基于我國(guó)實(shí)際工程的高壓直流輸電系統(tǒng)建模方法，分別建立了適于暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型和電磁暫態(tài)仿真計(jì)算的詳細(xì)模型，這些新模型已廣泛應(yīng)用于我國(guó)交直流電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行和規(guī)劃設(shè)計(jì)中的計(jì)算分析，在特高壓直流輸電、多饋入直流和孤島直流送電等的系統(tǒng)控制策略和安全穩(wěn)定措施中發(fā)揮了重要作用。此外，對(duì)于逐步得到實(shí)際應(yīng)用的柔性交直流輸電工程，也提出了相應(yīng)的建模方法和仿真模型。

3)新能源發(fā)電模型。近年來(lái)大規(guī)模風(fēng)光發(fā)電接入電網(wǎng)后，給我國(guó)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰、調(diào)壓等控制和安全運(yùn)行帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真技術(shù)是分析和掌握風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電特性，提高源網(wǎng)協(xié)調(diào)性能的重要技術(shù)手段，為此，在引進(jìn)和消化美國(guó)GE公司風(fēng)電模型的基礎(chǔ)上，逐步提出并完善了大規(guī)模風(fēng)光儲(chǔ)的全過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，克服了國(guó)內(nèi)原有模型不能準(zhǔn)確模擬低電壓穿越、風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子暫態(tài)過(guò)程和分鐘級(jí)波動(dòng)等問(wèn)題。

4)中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)元件模型。隨著我國(guó)電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)連鎖性反應(yīng)故障和慢速動(dòng)態(tài)變化過(guò)程對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響越來(lái)越大，而中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)建模技術(shù)起步晚，模型種類和數(shù)量都比較少，且多為典型模型，不能滿足需求。經(jīng)過(guò)十多年研究，已提出了發(fā)電機(jī)伏/赫茲限制、過(guò)勵(lì)磁限制和低勵(lì)磁限制建模方法;建立了機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型和含汽包鍋爐的火電廠動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型;提出了虛擬繼電器等保護(hù)和安全自動(dòng)裝置模型的閉環(huán)式穩(wěn)定仿真建模方法，建立和開(kāi)發(fā)了適于大規(guī)模電網(wǎng)全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真的保護(hù)和安全自動(dòng)裝置模型;建立了電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制模型和自動(dòng)電壓控制模型。這些中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)元件模型給連鎖事故分析和網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制提供了有效的仿真手段。

1.3 全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的工程應(yīng)用

2 技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)分析

2.1 仿真算法

(1)數(shù)值積分算法。

作為整個(gè)時(shí)域動(dòng)態(tài)仿真程序的基礎(chǔ)，數(shù)值積分算法還需要重大的突破。現(xiàn)有積分算法源于數(shù)學(xué)界40多年前的傳統(tǒng)成果，盡管對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)和完善，但是并沒(méi)有針對(duì)電力系統(tǒng)計(jì)算特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，目前采用最高階數(shù)為2階，精度低，而且電力系統(tǒng)微分代數(shù)方程組的解在時(shí)域通常具有振蕩特點(diǎn)(或頻域表現(xiàn)為復(fù)特征值)，本質(zhì)上現(xiàn)有剛性系統(tǒng)算法對(duì)此特點(diǎn)的適應(yīng)性不理想。因此，現(xiàn)有算法還存在計(jì)算速度慢、精度不高等問(wèn)題，期待更新?lián)Q代的新算法克服這些缺陷。

(2)大型方程組求解算法。

對(duì)于全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真來(lái)說(shuō)，聯(lián)立求解微分方程差分化和電力網(wǎng)絡(luò)形成的代數(shù)方程組是計(jì)算收斂性的重要保證。聯(lián)立求解方程組規(guī)模較大，對(duì)于大規(guī)模電力系統(tǒng)全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真來(lái)說(shuō)，求解難點(diǎn)主要體現(xiàn)在:1)不對(duì)稱矩陣的階數(shù)很高(一般在數(shù)萬(wàn)階以上)。以我國(guó)華北—華中—華東互聯(lián)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定仿真為例，節(jié)點(diǎn)(母線)數(shù)大約為20 000，發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)約為2 000，方程組高達(dá)15萬(wàn)階;對(duì)于中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)仿真，模型增加后階數(shù)更高。2)對(duì)算法求解效率要求高。由于反復(fù)計(jì)算求解的次數(shù)非常多，其所占計(jì)算時(shí)間一般約為總計(jì)算時(shí)間的30% ～40%，故要求每次的求解速度盡量快。由于方程組求解一直是數(shù)學(xué)界的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，因此若與數(shù)學(xué)界專業(yè)人員密切合作，則可以大幅提高求解計(jì)算的速度。

(3)電力電子元件初始化計(jì)算方法。

電磁暫態(tài)仿真中電力電子元件動(dòng)作速度為μs級(jí)，且影響閥觸發(fā)導(dǎo)通的因素眾多，因此，模型初始化計(jì)算與常規(guī)發(fā)電機(jī)組模型相比非常復(fù)雜，現(xiàn)有的處理方法一般都為零初值啟動(dòng)計(jì)算，逐步過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)，由此得到其初始化狀態(tài)。無(wú)論是著名的電磁暫態(tài)程序PSCAD/EMTDC或 EMTP，或是 MATLAB中的SIMULINK工具箱都是采用這種方法。對(duì)于機(jī)電—電磁混合仿真而言，直流輸電模型初始化時(shí)常面臨需花費(fèi)大量精力人工調(diào)節(jié)直流運(yùn)行參數(shù)才能順利初始化，初始化計(jì)算時(shí)間需要數(shù)分鐘以上，而且當(dāng)運(yùn)行方式變化時(shí)還需要重新進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，給批量化方式計(jì)算帶來(lái)了巨大工作量，因此，亟需研究直流電磁暫態(tài)模型初始工況構(gòu)建及自動(dòng)調(diào)整技術(shù)。

2.2 建模技術(shù)

為提高仿真精度，以下幾方面的建模技術(shù)仍然存在一系列的難點(diǎn)，需要深化研究。

(1)直流輸電模型。

盡管已基于我國(guó)電網(wǎng)實(shí)際建立了直流輸電模型，但現(xiàn)有模型存在的主要問(wèn)題是在電網(wǎng)嚴(yán)重故障期間和故障切除后電壓恢復(fù)期間的計(jì)算不夠準(zhǔn)確，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致積分求解的迭代過(guò)程不收斂，給分析交直流電網(wǎng)相互影響機(jī)理、制定穩(wěn)定措施等帶來(lái)影響。鑒于電力電子設(shè)備建模的復(fù)雜性，模型對(duì)于不同工況和不同故障類型的適應(yīng)性依然需要大量的實(shí)際系統(tǒng)故障錄波或試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。此外，直流輸電設(shè)備建模的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)為換流閥及其控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確模擬，現(xiàn)有的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法過(guò)于粗略，不適于不對(duì)稱短路分析，而電磁暫態(tài)模型雖然詳細(xì)，但存在計(jì)算步長(zhǎng)過(guò)小(μs級(jí))，因此，改進(jìn)電網(wǎng)故障期間模型計(jì)算的收斂性，發(fā)展?jié)M足穩(wěn)定性分析精度需求的簡(jiǎn)化建模方法是解決準(zhǔn)確性和計(jì)算效率矛盾的重要途徑。

(2)常規(guī)發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力系統(tǒng)模型。

目前電網(wǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中頻率計(jì)算的準(zhǔn)確度明顯低于電壓，這與發(fā)電機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)模型精度密切相關(guān)。不同于勵(lì)磁系統(tǒng)，機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)涉及設(shè)備眾多，準(zhǔn)確而又靈活高效的建模難度很大。以火電機(jī)組為例，其動(dòng)力系統(tǒng)模型主要由鍋爐、機(jī)爐協(xié)調(diào)控制和汽輪機(jī)及其調(diào)速器3部分構(gòu)成。僅僅鍋爐本體建模就拆分為10個(gè)左右的子系統(tǒng)，包括燃燒、尾部受熱面、水冷壁傳熱、風(fēng)煙、脫硫和除塵系統(tǒng)等系統(tǒng)模型。在詳細(xì)的火電機(jī)組仿真系統(tǒng)中，對(duì)于1臺(tái)600 MW機(jī)組，該系統(tǒng)模型中微分方程組約為3 000階，代數(shù)方程組階數(shù)更多，約為30 000。該模型過(guò)于詳細(xì)，并不適合于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析計(jì)算。因此，發(fā)電機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)模型是有待突破的建模的難點(diǎn)。

(3)中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模型。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得模擬電網(wǎng)數(shù)小時(shí)以上連續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程的計(jì)算能力已不存在硬件和數(shù)值算法方面的障礙，影響中長(zhǎng)時(shí)間尺度仿真技術(shù)發(fā)展的主要制約因素是建模技術(shù)，特別是實(shí)測(cè)建模方法。中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)涉及具有大時(shí)間常數(shù)設(shè)備，其實(shí)測(cè)建模方法有別于傳統(tǒng)“四大參數(shù)”中的模型，需要對(duì)其等效實(shí)測(cè)建模方法進(jìn)行探索研究。

(4)直流輸電的電磁暫態(tài)模型與準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型在計(jì)算中的交互轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

在慢變的電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程中，計(jì)算變量變化速度較慢，此時(shí)直流輸電設(shè)備的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型不但具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度，而且計(jì)算速度快，完全不必要采用詳細(xì)而計(jì)算速度非常慢的電磁暫態(tài)仿真。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生新的故障或操作時(shí)，為了保證仿真精度，直流輸電系統(tǒng)的計(jì)算需要立刻轉(zhuǎn)入詳細(xì)的電磁暫態(tài)模型仿真，因此，研究電磁暫態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型之間的相互轉(zhuǎn)換是一個(gè)重要的研究課題。另外，機(jī)電—電磁暫態(tài)混合仿真中由于機(jī)電暫態(tài)只能接收電磁暫態(tài)側(cè)的基波分量，且目前沒(méi)有考慮對(duì)負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)的影響，對(duì)計(jì)算精度難免產(chǎn)生影響。這種影響的程度與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、故障類型和計(jì)算目的等眾多因素密切相關(guān)，需要對(duì)此進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)，對(duì)穩(wěn)定計(jì)算分析給出指導(dǎo)原則。

此外，其他設(shè)備建模技術(shù)研究也都需要長(zhǎng)期、持續(xù)地進(jìn)行改進(jìn)與完善。例如，風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)模型、負(fù)荷模型、核電機(jī)組模型等。

3 技術(shù)展望

3.1 建模和模型校核技術(shù)

電力系統(tǒng)是一個(gè)由無(wú)數(shù)設(shè)備組合而成的復(fù)雜大系統(tǒng)，具有高維數(shù)、非線性、隨機(jī)性、多尺度、時(shí)變性等特點(diǎn)?，F(xiàn)有的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型以元件或設(shè)備模型為基礎(chǔ)，通過(guò)搭積木方式連接成為一個(gè)完整的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型。這些元件模型采用機(jī)理建模方法建立，通過(guò)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測(cè)試方法進(jìn)行校核驗(yàn)證。未來(lái)在進(jìn)一步改進(jìn)和完善傳統(tǒng)機(jī)理建模方法的同時(shí)，發(fā)展非機(jī)理建模方法(直接相似法、概率統(tǒng)計(jì)法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等)，同時(shí)兼顧非確定性等多種建模方法將是提高大規(guī)模復(fù)雜電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真精度的一種解決方案，尤其對(duì)于發(fā)電機(jī)機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)等這種涉及眾多物理設(shè)備的復(fù)雜模型。

當(dāng)前電網(wǎng)中能夠在線實(shí)時(shí)監(jiān)視的電氣量越來(lái)越多，為元件模型的校核提供了重要的基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如何利用這些海量的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校核和發(fā)展非機(jī)理建模方法是一個(gè)有待研究的重要課題。

3.2 并行仿真算法

目前計(jì)算機(jī)硬件制造水平發(fā)展很快，設(shè)施更新?lián)Q代頻繁。體現(xiàn)為兩點(diǎn):一是計(jì)算機(jī)硬件制造水平使得CPU體積越來(lái)越小，功耗越來(lái)越低;二是單個(gè)CPU的計(jì)算能力的提升很快，多核、眾核以及單核計(jì)算能力的提高使得現(xiàn)有CPU的計(jì)算能力一般在1.5年翻倍，而圖形處理器(graphic processing unit，GPU)的計(jì)算能力一般1年左右翻倍。通過(guò)研究基于CPU多核處理器和GPU的并行仿真技術(shù)，可以大幅提高現(xiàn)有電網(wǎng)仿真軟件的離線、在線分析仿真能力，增強(qiáng)對(duì)繼保設(shè)備、安穩(wěn)裝置、勵(lì)磁裝置等的仿真試驗(yàn)手段，加強(qiáng)對(duì)直流輸電、FACTS、新能源等新設(shè)備的仿真計(jì)算能力，為電網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展和安全穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和服務(wù)。

3.3 模塊化與智能化計(jì)算

現(xiàn)有全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真程序應(yīng)用方法與常規(guī)暫態(tài)穩(wěn)定類似，計(jì)算過(guò)程分為建立數(shù)據(jù)、填寫(xiě)故障、執(zhí)行計(jì)算和分析結(jié)果等主要步驟。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真程序的功能強(qiáng)大，支持電網(wǎng)“N－1”校核、輸電穩(wěn)定極限、源網(wǎng)協(xié)調(diào)分析、穩(wěn)控策略與第三道防線分析校核、受端電網(wǎng)動(dòng)態(tài)電壓穩(wěn)定性分析、連鎖性事故分析等多種應(yīng)用功能。每一種應(yīng)用功能重點(diǎn)關(guān)注的模型和結(jié)果都不相同，而現(xiàn)有程序?qū)@些應(yīng)用沒(méi)有進(jìn)行專業(yè)化的模塊區(qū)分，給用戶帶來(lái)很大的工作量。此外，計(jì)算結(jié)果分析以人工查看輸出的文本和曲線信息為主。這些信息主要是母線電壓、頻率和發(fā)電機(jī)功角等設(shè)備模型變量的計(jì)算值，屬于沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何“加工”的、比較原始的計(jì)算結(jié)果，因而需要智能化分析方法給出系統(tǒng)穩(wěn)定性結(jié)論、原因和穩(wěn)定措施。

3.4 開(kāi)放式和交互式仿真技術(shù)

為了滿足新型設(shè)備和控制裝置的建模需求，目前軟件在程序內(nèi)部開(kāi)發(fā)大量設(shè)備模型供用戶根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要選用。然而，現(xiàn)代電力系統(tǒng)是不斷發(fā)展和進(jìn)步的，勢(shì)必要求對(duì)各種新型設(shè)備進(jìn)行建模和仿真，在程序內(nèi)部預(yù)設(shè)模型和算法的做法，一方面難以緊跟電網(wǎng)發(fā)展的步伐，無(wú)法滿足不斷出現(xiàn)的新型設(shè)備進(jìn)行仿真分析的要求，另一方面，限制了計(jì)算程序的應(yīng)用，不便于研究人員開(kāi)展新模型、新算法、新理論的驗(yàn)證。雖然，部分電力系統(tǒng)仿真軟件也提供了用戶自定義功能，在面向用戶開(kāi)放的仿真建模方面取得了一定的成績(jī)，但這些軟件在開(kāi)放建模的靈活性和仿真效率方面仍嚴(yán)重不足，難以滿足計(jì)算速度和仿真規(guī)模的雙方面要求。

在用戶與程序的交互式仿真方面，國(guó)內(nèi)程序落后于國(guó)外的PSS/E等程序。對(duì)全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真程序而言，由于仿真時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)以上，為模擬實(shí)際電力系統(tǒng)的人工干預(yù)調(diào)節(jié)，用戶緊密參與仿真過(guò)程，因此修改仿真模型和運(yùn)行參數(shù)是十分必要的。

4 結(jié)論

(1)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)全過(guò)程仿真是當(dāng)今和未來(lái)智能電網(wǎng)中研究大規(guī)模電網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能機(jī)理和制定安全穩(wěn)定措施的重要技術(shù)。為解決大規(guī)模交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)所特有的安全穩(wěn)定問(wèn)題，我國(guó)已在全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真的數(shù)值算法、建模技術(shù)和軟件應(yīng)用等方面取得了大量的創(chuàng)新性研究成果，給我國(guó)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的技術(shù)支撐。

(2)以現(xiàn)有的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，研究新型數(shù)值積分方法、大規(guī)模方程組求解方法、大功率電力電子設(shè)備(特別是直流輸電系統(tǒng))的初始化計(jì)算方法等不僅具有很高的實(shí)用價(jià)值而且具有重要的理論意義。建立適于多時(shí)間尺度計(jì)算的直流輸電模型、發(fā)電機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)模型和中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)模型實(shí)測(cè)方法是提升仿真準(zhǔn)確度的重要技術(shù)保障。

(3)為大規(guī)模交直流互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用研究等提供強(qiáng)有力的仿真工具，發(fā)展非機(jī)理建模方法和并行計(jì)算技術(shù)，開(kāi)發(fā)模塊化計(jì)算分析程序，研究智能化計(jì)算結(jié)果分析功能，并實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式和交互式的全過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)等是今后的重要技術(shù)研究方向。

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