电力系统仿真分析技术的发展趋势
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第34卷第13期中国电机工程学报V ol.34 No.13 May 5, 20142014年5月5日Proceedings of the CSEE ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 2151 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.13.017 文章编号：0258-8013 (2014) 13-2151-13 中图分类号：TM 73电力系统仿真分析技术的发展趋势田芳，黄彦浩，史东宇，夏天，裘微江，胡晓波，李亚楼，汤涌，周孝信(电网安全与节能国家重点实验室(中国电力科学研究院)，北京市海淀区 100192)Developing Trend of Power System Simulation and Analysis TechnologyTIAN Fang, HUANG Yanhao, SHI Dongyu, XIA Tian, QIU Weijiang, HU Xiaobo,LI Yalou, TANG Yong, ZHOU Xiaoxin(State Key Laboratory of Power Grid Security and Energy Conservation (China Electric Power Research Institute),Haidian District, Beijing 100192, China)ABSTRACT: According to current and possible future developments of computer, network and communication technology, new advanced computing technologies, e.g., cloud computing, and their application in power system simulation and analysis are explored and predicted, from 3 aspects as computer and network, related computational mathematics and computing mode. In situation of new energy revolution, power system simulation and analysis technology in the future will be greatly improved in accuracy, rapidity and flexibility, in order to adapt to the development of smart grid.KEYWORDS: new energy revolution; smart grid; power system; simulation and analysis; developing trend摘要：依据计算机、网络、通信等技术当前和未来可能的发展，从计算机及网络、相关计算数学和计算模式这3个方面，探讨和预测了新的先进计算技术（如云计算等）及其在电力系统仿真分析中的应用。
新能源变革形势下，为适应智能电网的发展，未来的电力系统仿真分析技术在准确性、快速性、灵活性等方面将得到极大提升。
关键词：新能源变革；智能电网；电力系统；仿真分析；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，包括2003年美国–加拿大“8.14”大停电[1]、2003年意大利“9.28”大停电、2011年巴西“2.4”大停电、印度“7.30”、“7.31”大停电事故等[2]，以及国内的海南电网2005年“9.26”大停电、河南电网2006年“7.1”事故等等。
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[3]。
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2152 中国电机工程学报第34卷系，可分为非实时仿真和实时仿真[4]；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功能，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 Fig. 1 Classification of power system simulation and analysis, and advanced computing technology1.2 先进计算技术1）计算机及网络。
计算机的发展日新月异，超高速计算机采用平行处理技术，计算能力不断提高，同时具备了更多的智能成分，在一定程度上已具有多种感知、思考、判定及一定的自然语言能力。
计算机网络已发展为以Internet为代表的互联网，综合利用光纤、卫星、微波等多种先进通信技术，带宽不断提高，网络管理进一步自动化和智能化。
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。
电力系统仿真分析的数值计算主要涉及线性/非线性方程组求解、数值积分、特征方程求解、非线性规划等多个数学领域，分别用于解决潮流计算、暂态稳定计算、小干扰计算、最优潮流计算等各种计算问题。
其中，线性方程组求解最常见的是三角分解法，非线性方程组的求解最常用的是迭代法，特别是牛顿–拉夫逊方法；此外，也可将非线性方程求解转化为非线性规划问题，使用由数学规划方法衍生而来的各种算法求解。
数值积分方法包括显式数值积分算法、隐式数值积分和刚性系统的数值积分算法。
其中：显式积分算法有欧拉法、改进欧拉法和龙格–库塔法等；隐式数值积分算法主要是隐式梯形积分法，其具有良好的数值稳定性，并可采用较大的积分步长，因此目前应用较为广第13期田芳等：电力系统仿真分析技术的发展趋势 2153泛。
特征值的求法主要包括QR法和全维特征值分析法。
QR法在应用上受系统规模限制。
全维特征值分析法包括逆迭代法、Rayleigh商迭代法、同时迭代法、Arnoldi法等，可只求出所关心的特征值，应用较为广泛。
人工智能(artificial intelligence，AI)，是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。
目前在电网仿真分析中已有部分应用，主要涉及系统设计运行的优化、运行状态分析、设备设计、开具操作票等方面。
概率类算法是一类考虑了输入信息随机性的计算分析方法，主要有蒙特卡罗算法、拉斯维加斯算法和舍伍德算法，以及它们的衍生方法。
这些算法适用于不同的方面，通过与电力系统的常规计算相结合，开辟了许多新的领域，例如概率潮流研究和电网可靠性分析等。
模糊数学主要用于研究和处理模糊现象。
其所研究的事物的概念本身是模糊的，即一个对象是否符合某个概念是难以确定的。
在模糊数学中，通过在[0,1]上取值的隶属函数来描述这种模糊性。
模糊数学在聚类分析、图象识别、自动控制、故障诊断等方面得到了广泛应用。
自20世纪90年代以来，众多专家学者也将其引入到了电力系统设计、运行的诸多领域。
3）计算模式。
现代计算对计算性能的要求越来越高，使计算模式逐渐从单机向并行计算、分布式计算、网格计算发展，近期开始向云计算模式发展。
