新型电力系统仿真应用软件设计理念与发展路径

2022-06-09黄少伟于智同宋炎侃高仕林

电力系统自动化 2022年10期

沈沉，陈颖，黄少伟，于智同，宋炎侃，高仕林

（1. 清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市 100084；2. 清华四川能源互联网研究院,四川省成都市 610042；3. 清鸾科技（成都）有限公司,四川省成都市 610042）

0 引言

当前,中国电力系统正在快速向“新能源为主体的新型电力系统”演进［1］,具体表现为3 个趋势:

1）电源结构发生了改变,电能供给不确定性增大。以风力发电和光伏发电为代表的新能源发电装机规模和发电量将保持高速增长,并呈现集中式和分布式开发并重的态势,电源结构将出现根本性、不可逆的调整。受到气象条件影响,风光等电源出力具有显著的间歇性和波动性,增大了电网运行的不确定性,系统运行工况更加复杂多变［2］。

2）电网中电力电子设备的占比不断提高。多形态直流输电应用于区域电网互联、新能源集中送出以及配电网灵活转供等场景,输配电网中交直流混联区域不断增多。与此同时,大量新能源发电和新型负载通过变流器接入电网。电力电子设备占比的不断提高改变了电网的基本形态,在提升系统经济性和灵活性的同时,也深刻改变了系统稳定机理,宽频振荡、频率失稳、暂态电压失稳等安全威胁不断增大。

3）电力信息物理技术深度融合,电网调控形态逐渐演变。一方面,第5 代移动通信技术（5G）、大数据和人工智能等技术将被广泛应用,这就要求全面升级设备监控和系统调度系统,推动信息网络和电力网络融合；另一方面,处于电网末端的海量电气设备和微网系统将具备智能分析和决策能力,集中式和分布式电力调控策略将有机融合,形成电力信息物理“云边协同”的运行机制。

多年来,由于电力系统的复杂性,人们依赖仿真工具认识电力系统的动静态特性,推演电力系统的发展趋势,验证人们设计的保护控制规律。可以说,没有各种仿真工具的帮助,现代电力系统的规划设计和控制保护都难以实施。新型电力系统的建设和运行更离不开高性能数字仿真技术支撑。

电力系统仿真根据复现的电力系统动静态特性可分为静态潮流计算和时域暂态仿真2 种。时域暂态仿真根据仿真对象的时间尺度又可以分为中长期动态仿真、机电暂态仿真和电磁暂态仿真［3］。目前,电力系统静态潮流计算、机电暂态仿真技术非常成熟,相关国内软件,如中国电力科学研究院有限公司（以下简称电科院）开发的PSD-BPA［4］、PSASP［5］仿真软件已被大量应用于电力系统各种业务。随着新型电力系统的发展,电磁暂态过程显著影响系统的稳定性,电磁暂态仿真工具的应用场合越来越多。具有代表性的国内外电磁暂态仿真软件有PSCAD/EMTDC［6］、EMTPE［7］、全数字实时仿真软件Hypersim［8］；支持硬件在环的实时数字仿真系统RTDS、RT-LAB［9］；电科院产品PSModel 和电力系统全数字仿真装置ADPSS/ETSDAC）［10］等。客观地讲,目前,国外电磁暂态仿真软件在中国占据主要市场,尤其是用于设备研发的电磁暂态硬件在环实时仿真软件更是处于垄断地位。

然而,现代电力系统仿真软件和平台开发大多始于20 世纪90 年代,其核心设计理念成型于21 世纪之初,并在2005 至2015 年间的大电网互联和智能电网发展浪潮中逐步成熟。随着电力系统迈向以新能源为主体的低碳时代,传统仿真工具的设计理念与新型电力系统发展趋势存在显著的偏差,函待升级理念、调整路线并积极实践。

另一方面,在新型电力系统对仿真提出新的需求的同时,也为中国电力系统仿真软件的发展带来机遇。在面对这些新需求时,国内外的仿真软件都站到了同一起跑线上。这就为国内软件打破用户对国外软件的使用黏性,在性能的先进性、功能的全面性,以及用户体验的友好性等方面赶超国外软件提供了一个很好的契机。

为此,本文首先分析了新型电力系统背景下电力行业对仿真的新需求；然后,提出了面向新型电力系统的仿真应用软件的设计理念,介绍了全球各仿真研究团队在新型电力系统仿真应用软件研发方面的实践；接着,从促进自主研发工业软件健康发展的角度出发,探讨了国产电力系统仿真应用软件的发展路径,即电力系统仿真软件的功能定位需要从单纯的仿真工具向电力企业数字化业务核心环节过渡,不仅要是一款优秀的仿真工具,还应成为电力系统仿真应用软件的开发平台和运行环境,并按一条助力用户业务自动化、平台使用便捷化、应用开发生态化路径发展。最后,通过介绍作者团队所研发的新型电力系统仿真应用软件开发平台和运行环境——CloudPSS 的实践,进一步阐释了上述设计理念和发展路径。

1 新型电力系统背景下电力行业对仿真的新需求

新型电力系统在结构上呈现出明显的“双高”特征,即新能源发电高渗透和电力电子设备高渗透。“双高”特征带来了电力系统动态特性的一系列变化。

首先,以电力电子为接口的新能源发电设备替代传统旋转同步发电机后,系统惯量减小,加上电力电子设备控制和电力电子开关动作的快速性,系统中不同动态的时间常数跨度增大。传统电力系统的动态受同步发电机的机电过程主导,时间常数一般在毫秒到秒的时间范围,而“双高”电力系统的动态时间常数范围可以扩展到微秒量级。

其次,“双高”电力系统相比传统电力系统具有更加复杂多样的动态特性,原因主要存在于2 个方面:一方面,电力电子设备的外特性主要由其内置控制策略决定,而电力电子设备的控制设计更加灵活,不同厂家的控制参数设计不尽相同；另一方面,为保证电力电子设备的自身安全而设置的很多控制（如高低电压穿越控制、输出限幅等）本身就呈现出很强的非线性、非连续特性。

再次,新能源发电的动态特性易受外界扰动影响,具有较强的不确定性。例如,风机在故障穿越后表现出的动态特性既与机端电压动态变化过程有关,也与故障发生时风机的出力水平有关。

最后,新型电力系统的状态时空耦合性强,不同时间常数的动态可能相互影响,不同地域的状态量也可能发生相互影响。例如,微秒级的电力电子开关过程可能影响电力电子设备的能量转换过程,从而影响系统的实时功率平衡。而系统功率的不平衡又会导致不同时间尺度动态的变化。不同地域的状态量发生相互影响更是显而易见的,直流输电系统已经将送受端的电气量紧密联系在了一起。

上述特性的变化给电力系统建模与仿真技术本身带来了一系列新的挑战。同时,仿真作为支撑电力企业生产业务的重要计算工具,其研发不可能脱离电力企业的业务需求。因此,在讨论仿真工具的设计理念与发展路径时,不得不审视企业的业务模式,进而了解这些业务模式对仿真工具的功能需求以及性能要求。传统电力系统动态的时空耦合性不强,基于此特性形成了相对独立的业务流程,并分配给不同的业务部门处理。即使系统的动态行为有交互影响,也可以通过不同业务部门之间的简单信息沟通和业务迭代加以考虑。上述的业务处理模式极大地化解了电力系统各种业务的交叉耦合性,降低了业务复杂性,多年的生产实践证明了上述业务处理模式的有效性。与之相适应,不同业务部门使用的仿真工具在建模时间尺度、求解算法等方面都有明显的差异。规划和运行部门大量使用静态的潮流计算工具；方式和控制保护设计部门大量使用各种时域暂态仿真工具。

新型电力系统的发展给电力企业的传统业务模式带来了新的挑战。由于新型电力系统状态时空耦合性增强,电力系统各种业务之间的联系也越发紧密。以大规模海上风电接入点规划为例,除了要考虑接入变电站的容量和通道疏散能力等约束以外,还要考虑是否会导致系统发生宽频振荡等问题。同样的例子还有“三道防线”的设计。由于新能源发电高渗透带来的运行方式多样性,预防控制和校正控制设计需要更多协调,以减少可能带来的控制失配,进而威胁系统的安全稳定。从上述例子可以看出,不同部门的业务之间出现了交叉耦合,业务量也大幅增加。

为了应对新型电力系统给电力企业传统业务模式带来的冲击,企业数字化转型成为重要的应对措施。所谓企业数字化转型就是通过应用数字化技术重塑企业的信息化环境和业务过程,实现无须人工介入的经营生产过程自动化,大幅提升企业的生产效率。仿真作为电力企业众多业务的支撑手段,其功能定位、性能设计都需要考虑如何适应企业的数字化转型,服务于企业业务流程的自动化。

综上,从新型电力系统本身的特点出发,结合电力企业应对新型电力系统发展的业务要求,考虑仿真分析平台自身的发展需要,可以总结出新型电力系统背景下行业对仿真的三方面需求。

一是性能方面的需求。新型电力系统构成的复杂性,动态行为的多时间尺度特性、强非线性和随机性,要求仿真工具在模型的完备性、建模的准确性方面有所保证。此外,新型电力系统状态的大范围时空耦合特性还要求仿真工具能够支持对大规模系统采用小步长进行高效计算。考虑到新型电力系统受新能源发电不确定性的影响,运行场景复杂多样、运行方式灵活多变,仿真分析平台还必须具有处理大量场景的能力。

二是业务方面的需求。如前所述,面对新型电力系统,电力企业的业务呈现出更强的耦合性。企业数字化转型要求仿真工具能够嵌入多种数字化业务、支持多人/多部门协同,具有仿真结果自动分析功能以实现业务流程的自动化；为了快速构建新业务或者实现业务重塑或再造,还需支持功能模块化,具备模块拼接与嵌套功能；为了实现不同业务间的协同,需要能够支持电磁场路联合仿真、云边协同仿真、仿真与优化协同,甚至需要支持跨行业与跨领域仿真。例如,风机制造企业在设计风机电气部分控制时,除了要考虑风机自身动态特性,还需要考虑风电场内多台风机之间的相互作用,这就要求对风电场的数字模拟与对控制器的硬件在环仿真实现一体化计算。

三是仿真应用软件自身发展的需求。相较于技术层面的提升,不断吸引用户、扩大用户群,并在新老用户持续的使用过程中不断获得用户反馈才是软件的生命力所在。为满足大量用户的业务需求和性能需求,仿真应用软件需要改变自身的功能定位,需要从单纯的仿真工具向电力企业仿真应用软件开发平台过渡。该平台需要具有开放的架构,强大的中台,包括用户管理、数据/算例管理、应用管理等,支持云边协同计算,注重隐私保护,具有灵活的接口等,也只有如此,才能形成一个良好的软件应用生态。

2 面向新型电力系统的仿真应用软件设计理念

如图1 所示,为满足新型电力系统发展需求,电力系统仿真分析平台需要在模型完备性、建模准确性、计算高效性、场景覆盖全面性、接口开放性、服务灵活性等方面获得显著提升,才能支撑新型电力系统规划设计、测试验证、安全分析和优化决策等关键业务。

图1 面向新型电力系统的仿真应用软件设计理念Fig.1 Design concepts of simulation-based application software for new power system

以下从6 个维度描述新型电力系统仿真分析平台设计理念。

1）模型完备

新型电力系统中电气动态时间尺度更加宽泛,从开关器件动作的微秒级暂态到发电机原动机的秒级动态都有可能影响系统稳定特性。同时,新型电力系统中技术更迭频繁,高效发电和储能、信息物理融合、多能耦合互补等技术催生新的电气设备。相应地,构建完备的新型电力系统设备仿真模型极具挑战,其中涉及3 个层面能力提升。一是设备类型全覆盖,即提供“源-网-荷-储”各环节所涉及电气设备及其控制保护的仿真模型；二是时空尺度全覆盖,即所构建仿真模型能够同时支撑稳态潮流、机电暂态和电磁暂态分析,并适用于“器件-设备-微网-配电网-输电网”所需仿真场景；三是实测数据全覆盖,即能够与完整的设备静态参数、系统运行的实测数据相关联,与实体物理设备建立有效映射,形成物理-数字孪生系统。

目前,各类电力仿真分析工具均在努力提升前2 个层次的模型完备性,其中,中国ADPSS 和徳国PowerFactory 等软件,建立了支撑多类型暂态分析的设备模型；加拿大OPAL-RT 公司则通过整合RT-LAB 和Hypersim 等多款软件,提供从输电网到电力电子设备的详细电磁暂态仿真；PSCAD/EMTDC、EMTP-RV 和MATLAB/Simulink 等软件提供了较为灵活的模型构建方法,适用于设备级和小规模电网离线电磁暂态分析。

需要指出的是,在模型完备性第3 个层面,现有仿真分析工具大都只管理静态参数,缺乏对模型参数的校核和与动态实测数据的关联,影响了模型准确性提升和灵活交换。

2）建模精准

只有保证模型精准,仿真结果才有可能是正确的。为此,有必要持续提升仿真模型精度,取得3 个层面技术进步:（1）多时间尺度融合暂态精确建模,即在统一建模框架下精确刻画微秒到数十秒的系统动态,适用于不同步长参数,消除由于建模假设引发的仿真结果失真；（2）高稳定和高精度的数值积分模型,即适用于连续和离散动态过程积分,无数值振荡问题,保持高阶精度；（3）知识和数据融合的自适应仿真建模,即能够根据电气设备和局部网络的实测运行数据,通过深度学习等方法,辨识设备和系统的动态模型及关键参数,实现自动化、可解释和高精度的仿真建模。

为了提高建模精度,已有仿真软件在模型参数校准、开关动作动态拟合、数值振荡抑制等方面开展了大量研究工作,并发展了动态平均化、动态相量和移频分析等建模方法,尝试解决多时间尺度暂态精确建模难题。然而,从理论成果到仿真工具实践,道路险阻且漫长。PSCAD/EMTDC、RTDS、ADPSS等工具采用隐式梯形差分格式和节点分析法构建仿真模型；MATLAB/Simulink 和RTLAB 等工具在状态方程建模基础上发展了高效差分格式和计算模型。在多时间尺度建模方面,现有仿真工具支持较少,大多停留在提供可测试的仿真模型阶段。

在高精度建模第3 层面研究中,现有的仿真分析软件都还处在摸索和起步阶段,还未见到成熟的知识和数据融合建模工具。相比对传统建模方法进行修正和改进,通过知识和数据融合建模更具应用价值,有可能解决新能源控制模型测辨、新能源场站聚合建模、负荷聚合动态建模和复杂网络动态等值等学术和工程难题,提升新能源电力系统仿真建模整体准确性。

3）计算高效

数值计算效率是影响电力仿真分析工具实用性的关键指标。为了准确分析新型电力系统故障后稳定特性,需要开展含有高比例新能源发电的交直流电网详细电磁暂态仿真研究。相比传统机电暂态仿真,此类电磁暂态仿真步长显著减小、仿真模型复杂度和系统规模大幅提升,导致仿真计算量大、计算效率低。为了提升新型电力系统电磁暂态仿真效率,达到实时或超实时水平,满足闭环测试和在线安全分析需求,需要从3 个层面寻求技术突破:（1）面向异构计算芯片的细粒度并行仿真,即突破传统X86架构的约束,采用图形处理器（graphics processing unit,GPU）、现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array,FPGA）、ARM 等异构计算芯片,建立电力仿真流水线式计算图模型,实现高性能的细粒度并行仿真；（2）面向超算的海量场景并行仿真,即针对云端超算环境,设计批量仿真并行处理方法,优化调度计算和数据资源,实现海量复杂场景的高效分析；（3）融合深度学习的加速仿真,即在同一套软硬件架构中同时开展仿真分析和深度学习,提取系统稳定特征,并自适应调整仿真参数,加速获得稳定分析结论。

为了提高实用性和争夺市场,已有的电力系统仿真分析工具都在不断提高自身仿真效率。尤其是大规模电网电磁暂态实时仿真,一直是国内外仿真工具争夺的技术高地。目前,RTDS、RT-LAB、上海交通大学等团队积极研究基于FPGA 的小步长实时仿真解决方案,以提升电力电子设备实时闭环仿真和测试性能；Hypersim 和ADPSS 等仿真平台以多中央处理器（central processing unit,CPU）高性能计算服务器为基础硬件,通过分网并行加速仿真。

在融合深度学习的加速仿真方面,国内外电力系统仿真工具均处于探索阶段,还未见到较为成熟的产品。相比之下,深度学习技术已被广泛应用于对物理过程的加速仿真,在生物分子学、光学、流体力学、传热和电磁场等领域取得了丰富成果,推动了高性能数值模拟技术发展。因此,借鉴这些领域的成功经验,研发融合深度学习的加速仿真功能,是提升新型电力系统仿真分析效率的重要举措。

4）场景全覆盖

区别于传统电力系统,新型电力系统运行环境不确定因素更多,运行场景更加复杂多变。相应地,仿真分析工具应该具备复杂场景生成和随机动态模拟的能力,方可准确量化分析设备和系统安全风险。为此,仿真软件需要努力获得3 个层面提升:（1）复杂运行和故障场景生成,即考虑环境因素和用能需求不确定性,生成极大似然、考虑风险偏好的潮流方式,并合理设置初始故障；（2）复杂随机动态过程模拟,即模拟多种不确定性因素干扰下电力系统随机动态,准确刻画连锁故障发生和发展过程；（3）系统运行不确定性量化分析,即开展统计学习和数据挖掘,从海量仿真结果中辨识系统稳定特征,并量化分析系统安全风险。

虽然,科学构建仿真场景对于系统动态特性分析至关重要,但现有电力仿真分析软件很少提供相关功能模块,更多地是将场景生成的任务交给软件使用者。尤其是对一些受随机因素影响的场景,如连锁故障发展,难以在现有仿真分析工具中实现。一方面,是因为电气设备和控制保护逻辑中缺乏不确定性模型；另一方面,则是因为仿真软件大多采用单进程模式,难以根据随机事件动态触发新的仿真进程。近年来,国家电网有限公司积极建设高性能电力系统仿真超算平台,以PSASP 和ADPSS 等国产仿真软件为计算引擎,开展批量化仿真分析作业,积累了复杂仿真场景构建和分析的实践经验。

在系统不确定评估分析方面,现有电力仿真分析工具还未给出成熟方案,甚至很少有仿真软件能够提供完备的仿真结果大数据管理功能。究其根本,现有仿真分析工具均围绕高效计算设计,缺乏对高效数据存储、转换和挖掘等功能的支持。这一局面必须在新型电力系统仿真分析平台中彻底加以改变。

5）接口开放

新型电力系统仿真分析工具应具备较高的开放性,能够以多种形式更新和拓展设备模型、仿真算法和应用功能,并对接设备和系统运行数据,支撑跨行业、跨领域、跨部门的知识分享和协同分析业务。提升仿真分析工具开放性的关键在于设计和实现较为合理的接口,具体可包括3 个层次:（1）支持多编程语言的自定义模型接口,即通过编写代码定义新的仿真模型、改进仿真算法,实现仿真内核升级和功能扩展；（2）支持多源数据融通的可扩展数据接口,即从设备和系统实际数据中抽取有用信息,初始化仿真模型和场景,实现仿真模型和结果的导出和灵活转换,支撑多仿真器联合仿真；（3）支持业务逻辑定制的功能接口,即围绕新型电力系统多样化分析需求,设计仿真分析和数据处理流程、仿真驱动的优化决策。

开放的接口是仿真工具持久生命力的重要来源之一,也是工程实用的基础。现有电力仿真分析软件都或多或少提供了用户自定义的开发接口。其中,最有代表性的当属MATLAB/Simulink 软件,不仅全面开放代码层面的模型和算法开发接口,更提供模型编译导出、多物理场混合仿真、数据后处理等功能接口。与之类似,PowerFacotry 软件采用面向对象思想设计,也提供了丰富的模型和功能接口,支撑多种形态的系统暂态分析。相比之下,其他电磁暂态仿真工具,如PSCAD/EMTDC、RTDS、RTLAB、ADPSS 等,开放性略显不足,基本都停留在支持图形化或特定编程语言开发仿真模型、跨软件导入模型和算例层面,数据接口和功能接口还不够完善。

为了支撑新型电力系统安全分析和优化决策,迫切需要电力仿真分析工具具有丰富和强健的数据和功能接口。在这个方面,现有的仿真工具都还有很大的提升空间,函须发展仿真数据中台和仿真应用可视化设计等关键技术。

6）服务灵活

面向新型电力系统的仿真分析需求广泛存在,形式多样,不仅要支撑常规设计、测试和分析任务,还需集成于数字孪生之中,应用于不同电力设施的场景分析和模拟推演,更要融入云边调控体系,服务于人工智能和优化决策。换言之,无论是真实用户、数字孪生还是人工智能体,真正需要的是稳定和高效的仿真计算和数据服务,而非仿真工具软硬件本体。可见,提高电力仿真分析服务的灵活性至关重要。为了让仿真计算服务在云边端环境中可用且有用,还要完成3 个层次的技术提升:（1）安全的云边协同仿真服务,即研发可灵活部署的虚拟化仿真引擎,面向云计算设施设计统一的模型、算力和结果管理机制,实现一体化的高性能云仿真服务和边缘侧在环仿真服务；（2）高效的数字孪生推演分析服务,即将仿真引擎嵌入到数字孪生应用,根据设备和系统运行数据,快速推演复杂场景中孪生体运行特性和安全态势；（3）多形态的仿真驱动优化服务,即接入强化学习、鲁棒优化等多形态优化决策应用,支持设备和系统层面的优化调控策略自动生成。

从软件到应用,再到服务,是电力仿真分析工具重要发展趋势,得到了软件厂商和研究机构的普遍认同并达成了共识。徳国亚琛工业大学发起了分布式实时仿真项目,将分散在不同高校和机构的RTDS 和RT-LAB 装置互联,提供大规模交直流电网实时仿真和闭环测试服务；基于仿真超算平台,中国电科院仿真中心为多个省网公司提供高性能的故障扫描和安全评估分析服务。

3 面向新型电力系统的国产仿真软件发展路径

面向新型电力系统的国产仿真软件作为工业软件,其生命力来自用户。只有吸引大量的用户,并建立软件开发者与用户之间的良性互动,才能在使用过程中不断发现软件自身的问题,使软件不断完善,进而获得更多的用户。因此,如何吸引更多的用户,是面向新型电力系统的国产仿真软件想要发展壮大必须考虑的问题,其实也是所有国产工业软件发展必须思考的问题。

一般而言,工业软件的用户数量是有限的。当市场上存在大量同质软件且大家都瞄准同一客户群时,一款国产工业软件必须思考其能吸引用户的优势到底是什么。特别是当市场上存在成熟的国外商业仿真软件并在市场上处于优势地位时,国产软件想要生存必然要和国外软件争夺用户,必须打破国外软件凭借先发优势建立的用户黏性。为此,国产软件需要从提升用户体验的角度提供国外软件并不具有的功能。具体的途径有3 个。

1）助力用户业务自动化

考虑到仿真是手段而不是目的,服务于用户业务才是仿真的最终目的,因此,辅助用户高效完成其业务才是仿真应该追求的终极用户体验。仿真工具只有嵌入到用户的数字化业务中去,提升用户业务的自动化水平,才是仿真工具具有用户黏性的根本原因。

其实,每一位仿真工具的使用者都有自己的核心业务。以调控中心运行方式调整业务为例,常规的业务流程可以概括为以下步骤:

步骤1:基础运行方式设定。

步骤2:N-1 安全仿真校核。

步骤3:若校核不通过进行出力方式调整。

步骤4:设计校正控制方式。

步骤5:返回步骤4 重复整个流程直至校核通过。

从上述业务流程可以看出,仅步骤4 用到了仿真工具。可以设想,如果存在一个软件工具,可以围绕仿真实现整个业务流程的自动化,必将极大地提高整个业务的完成效率,该软件工具也一定能获得用户的青睐。本文把这条途径称为助力用户业务自动化。

2）平台使用便捷化

面向新能源电力系统的仿真主要涉及大电网的全电磁暂态仿真,无论是算例的准备、仿真参数的设定,还是计算结果的分析,其使用难度都较机电暂态仿真大大增加,仿真软件使用的学习曲线大为延长。以高校电气工程学科研究生使用仿真分析平台开展科研为例,其科研过程也可以看作是一个业务过程,该业务的目的就是要通过和已有成果的仿真对比,验证自己的成果在某些指标上比现有成果更具先进性,具体流程可以概括为以下步骤:

步骤1:构造基础算例。

步骤2:通过仿真复现前人成果。

步骤3:通过仿真验证自己的成果。

步骤4:仿真结果对比。

步骤5:改进自己的成果并返回步骤3。

上述流程中步骤1 和2 其实都属于准备性工作,虽然并无创新性,但是必不可少。遗憾的是,这2 步工作量大、难度高。可以设想,如果存在一个软件工具,可以积累前人的算例和成果,必将为科研工作提供极大的便利,为科研人员节省大量的仿真实验准备时间,降低平台使用难度,从而赢得用户。本文把这条途径称为平台使用便捷化。

3）应用开发生态化

考虑到新型电力系统存在大量分布式电源和微电网,柔性负荷的种类也多种多样,电力系统的组成元件不再仅有大容量的发电机和变压器,还有大量特性各异、容量较小的设备,完全依靠一家软件开发企业为电力系统所有的元件建模将不再具有可操作性。因此,设备模型的开发应该大众化和众筹化。同时,以电力系统为核心的能源互联网不断发展,仿真的对象不再局限于电力系统本身,而是在电力系统仿真的基础上增加对冷、热、天然气系统的仿真,仿真的范畴不断扩大,仿真服务的业务种类也大大增加。这对新型电力系统仿真软件的发展既是机遇也是挑战。从扩大用户群的角度来看这是仿真软件发展的机遇,从仿真软件研发的难度来看这是挑战。为此,可以通过构建软件应用生态,由不同专业开发人员开发面向不同专业的核心仿真内核程序,并在此基础上通过拼接内核程序快速构建面向不同专业的应用程序。本文把这条途径称为应用开发生态化。

上述3 条途径分别通过围绕仿真帮助用户打造自动化的业务链,降低用户使用仿真工具所需准备工作的难度,扩大平台核心仿真内核数量,进而助力用户打造新的数字化业务来提升用户体验,扩大用户群,从而为仿真分析平台创造源源不断的生命力。

4 面向新型电力系统的仿真应用软件开发平台和运行环境CloudPSS 研发实践

上文从6 个维度介绍了新型电力系统仿真软件的设计理念,又从3 个方面介绍了仿真软件发展路径。以下通过介绍笔者团队所研发的面向新型电力系统仿真应用软件开发平台和运行环境——CloudPSS 的实践,进一步阐释上述设计理念和发展路径,详细介绍如下。

4.1 设计理念的践行

1）“模型完备”理念的实践

在模型完备方面,CloudPSS 提供了超过150 种电气元件模型,包括300 余种子模型。尤其是,该平台还提供了部分中国电力系统专有元件的模型。其次,该平台提供的电力系统元件模型动态覆盖稳态潮流至纳秒级电磁暂态仿真过程,能够同时支撑稳态潮流、机电暂态和电磁暂态的全时间尺度分析。最后,针对大规模电网仿真模型的构建和参数获取困难、不合理参数导致仿真结果错误的问题,CloudPSS 提出了基于机电暂态仿真算例的大规模电网暂态仿真算例的快速生成方法［11］。同时,提出了基于高斯混合模型的电磁暂态仿真参数校正方法,利用现场运行数据对仿真模型的参数进行动态辨识和校正［12］。

2）“建模精准”理念的实践

在建模精准方面,CloudPSS 实现了基于移频分析和多速率异步协调算法的多时间尺度电磁暂态仿真建模［13-14］,采用了根匹配和三阶段单对角隐式龙格库塔等具有L 稳定特性的数值积分方法［15-16］,提升了大步长下新能源和交直流系统的仿真精度和数值稳定性,将先进的建模理论付诸工程实践。针对新型电力系统的“双高”特性,该平台为设备级和系统级研究定制了新能源和电力电子网络仿真模型,满足了大规模电力系统精细化多尺度暂态分析需求。同时,针对新型电力系统中存在的部分设备机理模型难获取的问题,该仿真分析平台提出了基于微分神经网络的机理与数据融合驱动建模方法［17］,可将数据驱动的设备动态模型融入新型电力系统数字仿真软件,实现全系统的动态过程模拟。

3）“计算高效”理念的实践

在计算高效方面,CloudPSS 设计了基于CPU和GPU 的多层次高性能电磁暂态并行仿真方法［18-19］,从GPU 细粒度并行算法、并行任务切分、批量化并行仿真加速等多个角度展开研究,实现了大规模电网实时电磁暂态仿真,并将算法推广应用于国产申威处理器,提升了仿真器核心技术自主可控性。同时,由于基于云计算技术研发,CloudPSS 方便部署于超算平台。具体地,CloudPSS 与神威超算开展了合作,针对云端超算环境,设计了批量仿真并行处理方法,优化了调度计算和数据资源,实现了海量场景的高效计算,验证了纯国产超算平台中批量化电磁暂态仿真技术的可行性和成熟度。

4）“场景全覆盖”理念的实践

在场景全覆盖方面,CloudPSS 发展了多元化复杂场景生成方法和技术,具体包括:（1）针对新型电力系统运行工况多变、潮流调整困难等问题,提出了基于生成式对抗网络的电力系统运行工况生成和自动调整方法［20］,采用高斯混合模型描述多源相关不确定性因素,训练生成网络获得安全稳定且可靠收敛的系统潮流断面,获得目标指向性强的多样化初始运行点族群；（2）针对故障后系统随机动态模拟难题,提出了事件驱动的故障场景生成方法,考虑交直流设备动态时间尺度差异,通过马尔可夫树搜索方法自主探索高危连锁故障场景；（3）针对复杂故障场景结果的不确定性评估需求,提出了基于k 核分解的系统安全相关性特征分析方法,并利用深度神经网络从仿真结果中提取多类型稳定特征,加速系统稳定性判定、提升故障场景生成效率和针对性。

5）“接口开放”理念的实践

在接口开放方面,CloudPSS 平台提供了自定义模型开发工具,方便用户采用MATLAB、Python、C等编程语言开发自定义仿真模型。同时,CloudPSS平台还开放了完备的仿真功能调用应用程序接口（application programming interface,API）,用户可通过这些API 构建算例、修改设备参数、设置故障场景、启动仿真任务和访问仿真结果,还可以编写脚本实现复杂的批量计算,以及基于仿真结果的数据挖掘和深度学习等创新功能。综上,CloudPSS 平台在开放性方面开展了新技术探索,支撑了面向新型电力系统的仿真分析应用构建。同时,CloudPSS 还支持与其他仿真平台的联合仿真。例如,CloudPSS 可与RT-LAB 进行联合实时仿真,既可以满足对超大规模系统的计算能力要求,又可以解决使用多台仿真器时面临的预算和空间限制问题。另外,CloudPSS 还可以通过配套的数据接口盒,构建包含真实控制器的半实物仿真平台,应用于真实控制保护系统的在环测试。

6）“服务灵活”理念的实践

在服务灵活方面,CloudPSS 采用了云计算架构,设计了云边协同仿真服务,实现了离线和实时仿真模型统一管理和算力动态部署,形成了较为完整的云端高性能仿真技术解决方案,可以兼顾云端和本地数据和应用需求［21］。同时,CloudPSS 提出了快速构建数字孪生体的关键步骤,即构建虚拟实验环境、在环境中设计实验、利用数据中台对数据进行汇集、将数据用于智能引擎的训练、将训练好的智能决策应用接入系统等步骤。基于上述步骤,可快速灵活地构建电力系统的数字孪生体。

4.2 发展路径的践行

在笔者团队进行开发之初,CloudPSS 被定位成一款传统的仿真软件,主要实现电力系统电磁暂态仿真功能,即根据系统的模型、参数、边界条件等计算出系统的电磁暂态过程。随着软件仿真功能的逐步成熟并推向市场,研发团队发现单纯依靠软件计算性能的提升很难打破用户对现有软件的依赖。能够促使用户下定决心改变多年形成的使用习惯的原因为:一是新软件提供了旧软件无法提供的新功能,而且这些新功能是业务必须的；二是新软件极大地提升了现有业务完成的效率。打动用户最有效的方法是围绕仿真帮助用户将现有业务数字化、自动化。为此,仿真工具自身需要改变功能定位,要将自身功能从单纯仿真扩展到围绕仿真构建数字化业务,即成为仿真应用软件的开发平台和运行环境。

为此,团队修正了CloudPSS 的设计理念,调整了软件架构。经过努力,CloudPSS 目前已经发展成为面向能源电力系统、以仿真为核心的高级应用软件开发平台和应用环境。如图2 所示,CloudPSS 包含5 个重要的组成部分,基础硬件平台、基础运行环境、功能模块、开发者套件XStudio 和面向最终用户的高级应用。目前,CloudPSS 团队发布了2 款基于CloudPSS 开发的面向最终用户的产品,分别是高性能电磁暂态仿真应用——CloudPSS-EMTLab 和综合能源系统数字孪生应用平台——CloudPSSIESLab。

图2 能源电力系统高级应用软件开发平台和运行环境——CloudPSS 架构Fig.2 Architecture of CloudPSS — an advanced power-energy-system-oriented application software development platform and operation environment

CloudPSS-XStudio 是CloudPSS 高级应用软件开发平台和运行环境的重要组件,正是XStudio 的加入,才使得CloudPSS 从最初的仅面向电力系统进行电磁暂态仿真的软件工具,发展成为一个高级应用软件开发平台和运行环境,具备了面向能源电力系统（包括新能源电力系统）、以仿真为核心构建包括数字孪生在内的各种能源电力系统高级应用的能力。

XStudio 采用低代码、快捷应用构建的设计理念,具备跨平台、易部署的特性,可大大降低应用软件的开发门槛。 XStudio 包含3 个套件,即SimStudio 模型工坊、FuncStudio 函数工坊、AppStudio 应用工坊。SimStudio 主要提供能源电力系统建模、模型管理、仿真计算等功能；FuncStudio主要为CloudPSS 团队和第三方开发的程序模块提供函数式微服务接入、调试、管理和调度等功能；AppStudio 主要为最终应用提供交互界面低代码构建、数据可视化、应用发布等功能。

为方便快捷部署基于XStudio 开发的软件应用,XStudio 设计了面向云边融合部署的数字孪生应用体系。其中,“云端”是集中部署的CloudPSS,“边端”是在安装了FuncStudio 的第三方物联网设备上部署的计算和分析内核,二者一起支持云边融合的应用构建。

4.3 基于CloudPSS 的电网自适应解列控制决策软件开发

相比传统电网,新型电力系统中各区域电网的互联将更加紧密。为了防止大停电事故的发生,确保大规模电网的安全稳定运行,需要加强电力系统的“三道防线”建设。尤其是在第一道防线和第二道防线无法使电网恢复、同时电网中出现失步振荡的时候,第三道防线（即解列）将是防止系统大停电的最后希望。为此,研究了电力系统的自适应解列控制方法,并基于该控制方法和CloudPSS 开发了电网自适应解列控制决策软件。自适应解列控制方法［22-23］能够协调全局,集中决策,灵活多变,可适应电网运行方式的变化。本节重点介绍基于CloudPSS 的自适应解列控制决策软件的构建与运行流程。

该自适应解列控制决策软件基于CloudPSS 的潮流计算内核和电磁暂态仿真内核,可用于生成安全、稳定的解列策略,并加以验证。其构建过程主要包含4 个步骤:

步骤1:在CloudPSS SimStudio 中构建待研究的电力系统的仿真模型。

步骤2:利用CloudPSS FuncStudio 封装自适应解列控制决策算法程序,其中将多次调用SimStudio中构建的仿真模型。

步骤3:在CloudPSS AppStudio 中设计用户界面（user interface,UI）和可视化界面,展示FuncStudio 中解列控制决策程序输出的结果。

步骤4:进行软件的调试、运行及发布。

图3 所示为该软件的运行步骤。流程中各功能模块均被着以不同颜色,代表采用不同的开发者套件类型。具体地,黄色代表AppStudio、蓝色代表SimStudio、绿色代表FuncStudio。表1 进一步给出了各模块的功能和编制使用的开发者套件类型。

图3 自适应解列控制决策软件运行步骤Fig.3 Operation steps of adaptive splitting control and decision-making software

表1 自适应解列控制决策软件伪代码Table 1 Pseudo-code of adaptive splitting control and decision-making software

首先,利用算例管理模块指定需要解列的系统；然后,利用初始节点选择模块指定分群数和分群的初始节点,再利用指标计算模块对各个节点的指标得分进行计算；接着,利用节点分群模块对各个节点进行分群,在得到分群结果后通过解列线路判断模块获取需要断开的线路；然后,利用指标校验模块对解列方案的静态工作点、暂态稳定性及其他约束条件进行校验,若校验通过,则说明该解列方式可行,若未通过校验,则重新选择初始节点进行后续计算,直到得到满足条件的解列方案；最后,调用结果展示模块展示解列方案与校核结果。

该解列系统界面如图4 所示,系统可以展示包括开断线路表、多馈入短路比表、孤岛功率情况表和平衡节点信息表等在内的解列计算结果。该电网自适应解列控制决策软件目前已公开发布［24］。