新型电力系统仿真工具研究初探

董雪涛，冯长有，朱子民，唐君毅，刘 震，徐 志，亢朋朋

（1. 国网新疆电力有限公司电力科学研究院,新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830001；2. 国家电网有限公司国家电力调度控制中心,北京市 100031；3. 新疆电力系统全过程仿真重点实验室,新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830001；4. 国网新疆电力有限公司电力调度控制中心,新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830002）

0 引言

电力系统是实现能源转型的关键支撑,构建以新能源为主体的新型电力系统是实现中国“30·60”双碳战略目标的必然途径［1-2］。2021 年3 月,中央财经委员会第九次会议明确提出了实施可再生能源替代行动、构建新型电力系统的重要部署,未来电网将在能源清洁化发展和电力技术革新的共同推动下,实现新能源和跨区域电网的高质量、跨越式发展［3］。伴随这一过程中系统高比例可再生能源和高比例电力电子设备接入的“双高”特征凸显,电网特性的复杂程度和运行难度骤升。当前,针对复杂大电网稳定特性的认知与规划方案、运行控制策略的制定仍高度依赖仿真分析,现有仿真软件难以满足新型电力系统各项分析需求,函须理清仿真工具发展趋势,构建完善的仿真技术框架体系并针对新型电力系统开展深入分析研究,从而全面掌握电网安全稳定特性［4-5］。

在电力系统向深度低碳、零碳转变过程中,电网动态特性随基础支撑电源的清洁能源化与火电机组由电量供应主体转换为电力供应主体的定位变化而发生深刻转变［6-7］；规模化新能源接入、柔性输电技术的广泛应用使得电网逐步呈现高度电力电子化、扁平化和分布化的特点［8］。电力电子元件较低的故障耐受能力和复杂的控制逻辑对系统仿真与安全稳定特性的分析提出新的挑战,其快速暂态过程对电网局部电磁暂态精细化模型、等效聚合模型的建立和快速求解算法提出更高要求［9-10］；在新型电力系统中,可再生能源经由特高压直流跨大区输送成为重要的电能传输方式,交流互联、直流组网局面的逐步形成使得区域电网间的耦合特性日趋紧密,对大电网仿真分析的时空尺度和全国范围内电网数据统一管理、分析过程智能化、仿真计算平台化均提出了新的需求。配电网中不同类型的海量小型、微型分布式电源（DG）的接入、用户侧多能综合能源系统构建和电网跨区域互联等大电网发展带来的海量运行数据,函须建立完备的、基于全景信息的电网多元数据驱动分析、运行控制体系。探究面向新型电力系统的先进仿真工具发展路径与解决方案具有重要战略意义［11-12］。

本文着眼于“双高”背景下新型电力系统特征与发展趋势,梳理并归纳“双高”特征对新型电力系统仿真分析带来的挑战,分析仿真工具发展趋势,提出新型电力系统仿真技术框架,展望了目前仿真工具需要关注的潜在技术发展要点。

1 新型电力系统对仿真分析带来的挑战

结合“30·60”双碳目标的实现时序,可将新型电力系统发展建设过程以2030 年为关键节点,划分为转型期和成型-成熟期两大阶段,最终形成以新能源为主体,火电结合碳捕获、利用与封存（carbon capture,utilization and storage,CCUS）技术作保障,抽水蓄能、新型储能和燃氢电站等作调节以及负荷侧协同互动为辅助的坚强、智能、数字化新型电力系统。各发展阶段电网主要特征和电网发展、仿真软件带来的挑战如图1 所示。

图1 新型电力系统各发展阶段特征与仿真分析主要面临的挑战Fig.1 Characteristics and main challenges of simulation analysis in each development stage of new power system

新型电力系统不同发展阶段对仿真工具带来的挑战主要可归纳为3 个层面:系统动力学特性改变背景下电网稳定特性重塑,运行风险增大,跨区域大电网耦合特性增强；综合能源体系构建背景下,仿真分析应对的时空尺度、跨度增大；电网数字化发展过程中基于全景信息的数字驱动电网分析和运行控制体系重构。

1.1 电网稳定特性重塑，运行风险增大

电网稳定特性的重塑贯穿新型电力系统转型、成型和成熟的全过程。高比例新能源和高比例电力电子设备接入电力系统,既给系统带来灵活快速的调控手段,同时也深刻改变了电力系统稳定形态和运行特性。随着新能源占比提升,起到调节及惯性支撑作用的传统火电机组被新能源机组替代,电网调节能力和稳定裕度逐步降低,系统运行风险增大,安全稳定问题愈加突显［13］。

新能源机组独有的快速动态响应与低转动惯量特性将“重塑”系统整体的动态行为。系统整体动力学特性由机电过程主导逐步转化为切换控制主导,电网响应更加快速、动态特性更加复杂,一、二次宽频带耦合特征凸显,故障连锁演化过程愈加复杂,精细化的电力系统建模及仿真分析技术需求随之日益增长［14］。中低压电网中,综合能源系统与电网的高耦合度所带来的负荷侧多种影响因素和不同接入、汇集方式下新能源机组出力的强波动性、高随机性、难预测性共同影响下,系统各电压层级潮流分布、运行方式多变,仿真计算边界难以确定,影响电网经典稳定性的各个方面［15-16］。

文献［17-18］针对“双高”背景下系统在不同时间尺度上经典稳定性和宽频带电磁谐振/振荡等新型稳定性问题进行分析,指出电力系统在逐步转变为以新能源为主体电源的过程中,需要革新大扰动稳定性分析的基础理论与方法,形成弱中心化甚至去中心化的稳定性快速分析与调控体系；待系统完全转变为“双高”特征主导时,原有的稳定性定义与分类等基础概念可能不再适用,建立全新的稳定性定义与分类是需要解决的首要问题。进一步,需要针对大扰动异构设备机电-电磁暂态的交互影响及多时间尺度暂态分析过程中电磁暂态过程影响的刻画展开更为深入的研究与分析［19］。

1.2 仿真分析应对的时空尺度、跨度增大

新型电力系统发展和完善过程中,跨大区电网间多条特高压直流同送同受现象的存在,以及未来直流组网的发展趋势将使得电网间耦合特性日趋紧密,极大地增大了仿真分析时空尺度上的跨度和范围；局部电网中热、冷、氢、气等能源深度耦合的综合能源体系构建过程中,负荷特征的柔性、生产和消费兼具特性的转变,以及电网运行过程中源网荷储协同互动的非完全实时平衡模式转变对系统仿真在多时间尺度的综合分析上提出了新的挑战。

当前,电力系统仿真分析主要聚焦于区域电网范围内新能源机组与传统同步机组间交织交互因素影响下的电磁暂态、机电暂态和中长期动态过程特性分析,但在跨大区强耦合电网特性和多形态能源综合接入影响下,系统大范围长时间尺度的慢过程、长过程分析仍是解耦的［20］,当前及未来仿真在计算时各过程交互进行,整体情况如图2 所示。新能源电量主导场景下,数倍于负荷的新能源装机容量所造成的功率波动和热、冷、氢、气等大规模多类型能源转换系统的接入,将使得电网在小时乃至更长时间尺度上的功率平衡和运行控制难度激增,新能源消纳与安全矛盾突出,给电网发展规划、生产运行带来了极大挑战［21-22］。

图2 不同阶段仿真分析聚焦的时间尺度Fig.2 Time scale adopted by simulation analysis in different stages

另一方面,随着对精确模拟电网集群化电力电子设备快速动态过程和交织交互因素影响下电网慢过程、长过程等多时空尺度上仿真需求的日益增长,系统稳定分析对电磁暂态仿真、数模混合仿真等精细化仿真技术的依赖度也越来越高［12,23］。系统分析过程中,所需模型参数和建模复杂度成倍增加,如何使大规模风电、光伏基地、储能场站和综合能源系统等元件的机电、电磁暂态等值模型准确性达到实际研究、应用需求的标准,对电力系统仿真软件提出了更高要求；跨区域大电网层级仿真需基于超级计算资源开展,以电磁暂态和数模混合仿真为主的精细化仿真质效面临巨大挑战［24］,如何实现机电暂态仿真过程中电磁与机电参数的融合、超高维异构系统稳定性快速分析、广域互联大电网的电磁参数平台化统一建模与统一管理,以及实现大电网机电、电磁等不同仿真引擎的云端调用,已经成为适应大电网电力电子化仿真计算的关键环节［25］。

1.3 数字驱动的电网分析、运行控制体系重构

新型电力系统发展成型-成熟过程中,社会-物理-信息的高度耦合,对数字驱动的电网全景信息分析、运行控制体系重构提出了新的挑战。

现有仿真体系下,模型驱动的电网静态/暂态分析基于设备物理模型,并利用严格的数学公式推导关联各维度之间的数据,但其分析过程需做大量相关信息的预处理工作,存在复杂电力系统的交织问题,并缺乏有效的机制来应对模型等效、系统固有误差、不确定度在不同电网层级上的传递和有效评估,更难以有效利用新型电力系统运行过程中产生的海量数据,发挥大数据带来的数据优势［26］。构建基于电网运行数据的电力系统数字孪生模型,进而建立实时态势感知、超时虚拟推演的分析、运行控制体系,可有效解决以上问题［27］。基于随机矩阵理论对电力系统数字孪生模型进行分析挖掘,结合时间序列分析、建立相应量化评价指标,能够实现对大电网扰动的影响程度分析和影响范围评估,一定程度上可实现仿真模型与交织问题的解耦［28］。

数字驱动的电网全景信息分析和运行控制体系典型架构如图3 所示。

图3 数字驱动的电网全景信息运行控制体系典型架构Fig.3 Typical architecture of digital-driven power grid operation control system with panoramic information

通过对系统宏观层面上全景信息和电网物理设备层面上实时运行信息的广域智能感知及全面实时连接,构建电网完整映射的数字孪生体［29］；建立并完善新型电力系统大数据和人工智能支撑下的运行分析控制平台,结合云端协同、物理-数字孪生技术支撑的物理系统分析管控等手段,实现调控运行的智能决策和电网各层级资源的友好、协同互动；通过互联互动、数字赋能,形成新型电力系统各层级不同类型要素之间的高效协同与资源优化匹配；在数字层面上,完善机理与数据融合的建模方法、自主智能控制策略等关键技术,并闭环作用于物理系统,使得安全稳定特性分析过程中获取的信息更为多元化,系统运行控制体系和电网数字模型实现完善、灵活的自寻优、自校正、自愈能力,全面支撑高比例可再生能源并网与消纳,促进电网低碳高效运行,从而进一步提升新型电力系统安全稳定水平［30］。

2 当前主要仿真工具存在的不足

当前,电网数字孪生模型和智能分析运行控制体系的构建尚处于起步状态,相应仿真软件、系统和平台较为欠缺；针对传统电力系统开展仿真分析的主流软件从时间尺度层面,可划分为电力系统中长期生产模拟仿真技术、机电暂态仿真技术、电磁暂态仿真技术、机电-电磁混合仿真技术和数模混合仿真技术五大类,每种仿真技术在应对新型电力系统仿真分析时均有各自的优缺点。

1）电力系统中长期生产模拟仿真技术

新型电力系统“双高”特征突显背景下,电力系统中长期生产模拟仿真技术的重要性进一步突显。由于新能源和冷、热等多种能源资源具有波动性和不可储存性,高比例新能源机组和综合能源系统的接入使得电力系统实时平衡难度骤增,而实时电力平衡是导致新能源弃风弃光的直接原因［31］。采用时序生产模拟的方法逐时段模拟高比例新能源接入情况下电网的运行情况,是分析新型电力系统中新能源消纳能力的重要手段［32］。代表性的模拟仿真工具主要有源网荷一体化生产模拟软件PSDPEBL、REPS、LPSP_ProS、SPER_ProS、MAPS、BALMOREL、EnergyPLAN、WILMAR Planning Tool 和DIgSILENT 等［33］。

新型电力系统背景下,考虑综合能源系统接入的大电网长时间尺度生产模拟仿真分析需进一步完善多类型储能电站、燃氢机组、光热机组等新设备的精细化仿真模型,并打通与机电、电磁暂态仿真模型间的模型参数壁垒,实现不同仿真软件精细化模型参数、等效模型参数间的互通互用与平台化管理；精益化新能源机组功率预测和电力用户侧综合能源系统用能分析预测,支撑电源、柔性负荷和多种储能间非实时电力电量平衡模式的重构,实现新型电力系统的全过程仿真分析,助力系统新能源承载能力的全面评估［34-35］。

2）机电暂态仿真技术

机电暂态仿真主要针对同步发电机机械、电磁转矩之间不平衡引起的转子运动变化过程进行分析,仿真步长通常为半个周期或一个周期,主要应用于电力系统功角、电压和频率等的机电暂态过程稳定性研究、交直流混联大电网规划和运行分析,代表性的仿真工具有国外仿真软件 PSS/E、DIgSILENT、BPA 和国产仿真软件PSASP 等［36-37］。

该类型仿真软件采用准稳态相量模型,通常忽略元件的电磁暂态过程和非基波分量,对跨区大电网中发生的同送同受多直流同时换相失败等典型故障特性的模拟存在局限性,且无法对电力电子设备的开关动态准确模拟,集中、分布式新能源机组和综合能源系统等值建模仿真精度也有待完善和提高。此外,当前机电暂态仿真软件中基于动态同调的多机等值模型无法描述多机设备的序贯动作及时空耦合特性,更难以分析由此导致的多机连锁反应的问题［38］。

新型电力系统背景下,机电暂态仿真技术应对的电网规模骤增,系统功角、电压和频率稳定分析间的特性耦合也更为紧密,此时系统中的失稳可能表现为所有变量的失稳［39］。现有传统仿真分析理论和求解算法难以应对新型电力系统成型-成熟期的稳定分析需求,且软件中主流求解算法的收敛性易受到电力电子器件快速、大功率波动的冲击影响,函需基于分布式稳定性分析等新型稳定性分析方法,实现仿真分析体系的重构,以适应新型电力系统中海量元件组成的特点,并满足快速稳定性分析的需求［40］。

3）电磁暂态仿真技术

电磁暂态仿真技术综合考虑设备元件中电场-磁场耦合关系及相应电压、电流的变化过程,仿真步长可达微秒或纳秒级,主要应用于局部电网及大功率电力电子设备的快速暂态过程和事故反演分析［41-42］。代表性仿真工具有国外仿真软件PSCAD/EMTDC、EMTPE、HYPERSIM、RTDS、PSModel和 国 产 仿 真 软 件CloudPSS、ADPSS/ETSDAC［43］等。电磁暂态仿真技术具有高仿真精度的特点,但计算速度慢、仿真规模小,存在常规发电机控制器模型不完备、现有网络元件模型参数准确度不高、直流控保模型与实际物理装置特性存在差距、与机电仿真数据尚未实现有效融合等缺点；对于多机集群,电磁暂态仿真的详细建模将导致维数灾问题［44］。此外,新型电力系统因“双高”特征而呈现的多种宽频带振荡现象对电磁暂态仿真技术也提出了新的需求,函须建立兼顾仿真精度与速度、适用于电磁暂态同步稳定分析的标准化仿真模型［45］。

4）机电-电磁混合仿真技术

机电-电磁混合仿真将机电暂态仿真技术与电磁暂态仿真技术的优点相结合,针对大电网机电暂态分析过程中电力电子设备密集区域或重点关注区域电网开展电磁暂态建模分析［46］。代表工具包括PSS/E、PSCAD/EMTDC、PSMODEL 和ADPSS等,主要存在的问题是机电/电磁暂态部分软件各自维护,通用性差；模型间参数转换复杂,模型完备度、精细化仿真质效仍待提高；计算过程中存在初始化过程烦琐、硬件配置要求高等问题。

5）数模混合仿真技术

数模混合仿真技术在数字仿真基础上,通过物理接口与设备实物实现混合仿真,可用于大电网稳定性专题研究、设备制造、事故反演及控保策略优化等 研 究［47］。 常 见 仿 真 工 具 包 括 RT-LAB、HYPERSIM、RTDS、DDRTS 和ADPSS,其兼顾了数字仿真灵活与物理设备准确的优点,但其实时性、稳定性和试验规模等方面技术瓶颈和核心仿真能力仍待进一步突破与提升［48］。此外,数模混合仿真硬件设备要求较高、价格昂贵,甚至需要专门定制,部分底层硬件仍依赖国外技术［49］。

3 先进仿真工具发展趋势

为进一步提升新型电力系统安全稳定特性认知能力,完善自主仿真工具体系和标准化模型库,增强算法求解能力和仿真建模精细化水平,建立完善的电网多元数字驱动智能分析运行控制体系,建议主要从3 个层面来提升仿真工具能力。

3.1 理论研究深入化、仿真工具精细化与国产化

从以下3 个方面进一步提升电网运行特性理论研究深度、仿真建模精细化程度,逐步实现仿真软件国产化,全面掌握新型电力系统运行特性。

1）提升电网运行特性理论研究深度

新型电力系统中源、网、荷三侧电力电子设备比例高,呈现出低抗干扰能力、低惯量和低过载能力等特性,在传统的稳定性问题上将产生诸如宽频带振荡、锁相振荡等新型稳定性问题,需要基于“分解应对规模”的去中心化分析思路,结合负荷特性、电网形态在新型电力系统发展不同阶段的变化特征,综合考虑电网特性分析过程中的保守性程度,建立适用于分布式和集中式稳定性分析的综合分析方法［50］。在此基础上,基于大规模电磁暂态分网并行计算技术,突破数模混合仿真技术在实时性和仿真效率方面的瓶颈,在计算规模和仿真精度上实现全网全场景实时数模综合仿真,结合新的稳定性定义与分类和电力电子设备的建模与仿真,验证大扰动稳定性分析结论,最终形成适应未来“双高”电力系统的大扰动稳定性分析理论与方法［51］。

2）提升仿真精细化水平和算法求解能力

在仿真模型方面,结合设备应用场景和所研究问题的特征,明确模型简化条件和适用范围,进而建立细节度与保真度得到有效控制和评估的精细化仿真模型。

针对机电暂态仿真软件,深入研究电力电子设备的等效建模技术,构建适用于跨区域大电网的直流输电（含柔性直流）、柔性交流输电系统（FACTS）设备、新能源设备（含集中式和分布式）、综合能源系统中新型电力负荷的精细化模型；改进求解算法,消除大功率快速冲击下系统因高度电力电子化而产生收敛性能恶化的问题,提升仿真工具对电力电子化电力系统的精细化仿真能力。

针对电磁暂态仿真软件,实现基于机电数据的电磁暂态仿真数据转换与自动建模；针对直流输电系统电磁模型参数多、初始方式调整困难的问题,研究方式智能调整、快速初始化、初值偏差自适应调整和快速进入稳态的电磁暂态仿真平稳启动策略,提出基于电力电子设备端口量约束的仿真模型状态变量初值求解方法；设计多时间尺度解耦、网络分区解耦、元件解耦的多层级并行仿真框架；提出兼顾计算负载和通信负载均衡性的自动分网优化算法和电力电子设备宽频带动态特性建模方法,并研发了高比例电力电子设备电力系统宽频带振荡特性分析软件。

3）提升仿真分析工具国产化水平

当前中国自主研发的电磁暂态仿真、数模混合仿真等工具在模型完备性、软件认可度、实时仿真性能、用户生态等方面与国际领先水平均存在一定差距,电网全电磁暂态仿真能力、精细化模型建立、数据管理和综合仿真计算平台的搭建方面仍面临巨大挑战［52］。

在掌握基于机电数据的电磁暂态仿真建模方法的基础上,进一步研发实用化工具,实现模型构建与求解方法、启动策略、仿真框架和优化算法上的国产化,进而在仿真模型、仿真算法、软件稳定性上达到国际水平,实现对国外产品的替代。针对目前仿真软件中底层技术的国外引进情况,及时跟踪国产芯片、通信技术和国产操作系统的进展情况,评估国产技术在仿真工具中应用的可行性,最终实现仿真工具全面国产化的目标。

3.2 仿真平台一体化、体系智能化

实现电力系统生产模拟、电磁与机电暂态仿真模型参数的融合,电磁暂态仿真模型参数的平台化统一建模、统一管理,以及机电、电磁等不同仿真引擎的云端调用,是适应跨区域大电网仿真分析和电网电力电子化仿真计算的关键环节；构建统一的数据管理应用、通用仿真计算的一体化智能化仿真工作平台,是减少仿真分析过程中衔接环节工作量、提升整体工作效率的重要途径［53］。通过仿真计算数据统一建模和稳定分析计算过程的平台化、智能化实现仿真工作的一体化平台建设。

1）大电网仿真计算数据统一建模和仿真平台

研究电力系统生产模拟、机电暂态、电磁暂态仿真计算数据统一建模技术和大电网计算数据处理技术来实现仿真计算数据平台化,达到计算数据一源多用,满足不同目标、不同时间尺度以及不同仿真程序的计算需求。通过提升不同算法之间数据流转效率,将平台功能拓宽至涵盖不同类型仿真计算,以实现机电、电磁等不同仿真引擎的云端调用,进一步提升仿真分析效率。

2）稳定分析计算全过程平台智能化水平提升

针对海量电网实时运行数据的处理和应用,利用大数据技术实现高效管理、智能筛选与处理,同时对输电断面稳定裕度评估、电网安全稳定控制策略生成和大电网薄弱环节快速定位等智能自动化技术进行探索,为潮流计算调整和方式报告生成的智能化和高效化提供技术支撑［54］。

通过构建领域知识图谱,以人工智能方法实现对电网运行方式进行高精度和高效率的分析计算；通过仿真工具实现人机混合态势判断、多通道人机混合交互环境和知识交互的新型电网调控支撑系统,为应对大规模新能源接入对电网调控带来的挑战做好充分准备。进一步,将人工智能分析技术与超算电磁暂态云仿真平台相结合,在系统稳定特性分析、稳定极限求取和稳定策略生成方面具备结果可视化和方式报告自动化生成入库能力,提升电网运行方式分析速度和精度。以此为基础,进一步实现人机知识交互、多智能体协同分析和混合智能持续进化能力,大幅提升仿真工具、仿真平台的自动化仿真分析处理能力。

3.3 多元数据驱动综合防御仿真体系

在前两部分工作基础上,结合电网数字孪生技术,构建多元数据驱动下的电网综合仿真防御体系,进一步提升新型电力系统复杂电网运行背景下系统分析计算能力,为电力系统运行风险预警、风险评估、降风险措施的制定提供数据支撑,最终形成的新型电力系统多元数据驱动全场景综合防御仿真体系架构如图4 所示。

图4 多元数据驱动的新型电力系统综合防御仿真体系Fig.4 Multivariate-data-driven comprehensive defense simulation system for new power system

1）电网数字孪生体系构建:研究新型电力系统在数据、知识双重驱动下的相关性模型、因果性模型构建方法和有机融合技术；研究电网数字模型在多物理场景下的场路耦合优化方法和高效求解技术；研究面向综合能源系统和集中、分布式新能源大规模接入背景下配电网分布式资源的多颗粒度数字孪生建模与特征信息提取、聚合方法；研究基于系统实时运行数据和多电压等级层面间信息灵活交互的“源-网-荷-储”精细化动态特性辨识和在线建模方法。进一步,构建能够全面模拟新型电力系统复杂动态特性的电网智能化数字孪生模型和仿真分析体系,探究数据驱动建模的理论精度边界,优化仿真建模精度,提升模型求解算法的求解能力和速度［55］。

2）新型电力系统规划设计-发展建设-调度运行全过程、多时间尺度数字化仿真分析平台与仿真分析体系构建:研究新型电力系统发展和完善过程中电网复杂行为关联分析方法和复杂故障下系统多机设备序贯动作的时空耦合特性分析方法；结合新型电力系统全过程、多时间尺度上稳定分析评估与控制策略优化需求,开展人工智能技术能力提升研究,实现人工智能技术的“可信、可解释、可迁移”。在此基础上,研究多类型综合能源系统接入背景下基于电力物联网的配电网动态规划方法、自适应协同控制策略和云计算-边缘计算协同下的配电网运行、调控技术,使得电网运行过程中分析和决策能够在“信息-物理-人”各层面充分交互条件下实现进一步优化,全面支撑新型电力系统在不同发展阶段的安全、低碳、高效运行［56］。

3）新型电力系统全场景信息实时感知:研究电网外部环境中电场、磁场和温度、光等多元信息与电网内部各类型元件、设备间的全景信息映射关系,掌握系统全景特征信息的监测、监控方法；研究系统设备不同运行条件下环境能量的分布特性,基于微机械和微结构等新技术,构建电网全景信息分布式实时监测网络；研究系统多源时空信息间的耦合关系及二者的融合理论和方法,进而建立完备的系统设备健康状态评估和诊断体系。通过开展上述研究,进一步增强了新型电力系统的可观性,实现对电网全景信息中有效特征值的辨识和充分利用［57］。

4）新型电力系统实时运行信息集成和安全防控:研究新型电力系统发展过程中从信息化到数字化的提升方法；研究社会物理信息系统数据多样性、混杂性特征下的新型电力系统数据自洽融合、质量提升和高效利用；研究新型电力系统信息传递体系针对网络攻击的智能识别与安全防控能力提升方法；研究满足新型电力系统安全、可靠需求的5G 通信组网和高速通信技术。通过开展上述研究,解决信息-物理耦合下复杂广域系统数据质量与数据安全问题［58-59］。

5）构建基于稳控装置反馈和气象信息预警预测环节的电网防御:针对当前的仿真软件在数据互通与风险预警方面存在的脱节现象和直流控保等稳控装置方面存在的盲区导致仿真分析难以真实、准确地体现电网的实际运行情况,通过增设稳控装置反馈环节以提高模拟仿真的真实性,进一步打通模型互通间的障碍,为模拟故障演化提供更为科学的依据。

新能源机组由于其固有属性导致出力波动性较大,致使气象信息预警预测成为机组出力特性分析的关键。现有仿真工具在气象数据分析方面存在短板,将导致新能源并网系统运行风险预警方面存在延迟,在机组出力预测方面精度偏低,给大规模新能源并网系统的稳定运行留下隐患。将适用于新能源机组的气象信息监测、信息处理与存储技术、多源自我优化和智能互动等新兴技术应用于新型电力系统仿真、调控体系,构建气象信息预测、预警环节,进一步提升新能源机组的出力预测精度,为仿真平台在系统运行风险评估和故障预警方面提供基础数据支撑。同时,融合大数据挖掘与信息共享平台,对海量资源监测数据进行高效管理和统计分析,实现全网新能源中长期、短期、超短期一体化功率预测功能,最终形成集气象信息监控、多源自我优化和智能互动于一体的仿真、控制体系。

4 结语

新兴技术的发展和应用,将给电力系统仿真工具的发展提供动力来源,电网仿真分析工具正逐步向数字驱动的多元综合性仿真体系发展,但未来较长一段时期内模型驱动的机电、电磁和混合仿真、数模仿真技术仍是电网分析的重要手段；在新型电力系统仿真体系发展的高级阶段,模型驱动的仿真技术将与多元数据驱动综合防御仿真体系更为紧密地结合,最终实现多维度数据空间和多场景下真实物理空间和虚拟数字空间“信息-物理-人”的充分交互和有机结合。

本文首先分析了新型电力系统的主要特征,梳理了“双高”特征对新型电力系统安全稳定带来3 个层面上的挑战,分析了当前主流仿真工具的不足。在此基础上,结合电网稳定特性研究深入化、仿真建模精细化、仿真软件智能化与国产化、平台一体化及电网数字化发展方面的发展趋势,分析了未来先进仿真工具的发展前景,构建了新型电力系统下多元数据驱动综合防御仿真体系,以期为低碳发展目标下的电网仿真分析工具发展提供参考。