什么是电力系统仿真？
电力系统仿真是指利用数学模型、计算机软件和硬件，对电力系统的物理过程、运行状态和动态行为进行模仿、复现和预测的技术。
（图片来源网络，侵删）
就是在计算机里搭建一个和真实电力系统一模一样的虚拟系统，在这个虚拟系统中，我们可以进行各种“实验”，
- 模拟电网在正常运行时的潮流分布。
- 模拟电网突然发生短路故障时的动态响应。
- 模拟一个大型风电场并网后对电网稳定性的影响。
- 测试一种新的继电保护方案是否有效。
这些实验在真实系统中往往是危险、昂贵、甚至无法进行的，而仿真技术则提供了安全、经济、高效的解决方案。
为什么电力系统需要仿真？
电力系统是一个极其庞大、复杂且动态变化的系统，其核心要求是安全、稳定、可靠、经济，仿真技术是实现这些目标的关键支撑，具体作用如下：
-
规划与设计阶段：
（图片来源网络，侵删）- 电网扩展规划： 预测未来负荷增长和新能源接入需求，仿真评估新建线路、变电站或电源点的布局是否合理，技术是否可行。
- 设备选型： 通过仿真分析不同设备（如变压器、断路器）在特定工况下的性能，选择最优型号。
- 稳定性评估： 在规划设计阶段就评估电网在各种运行方式下的稳定性，避免建成后再出现“卡脖子”问题。
-
运行与控制阶段：
- 调度员培训仿真： 为电网调度员提供一个逼真的虚拟操作环境，培训他们在正常操作、事故处理和应急响应下的决策能力，提高实际工作水平。
- 运行方式安排： 仿真电网在不同季节、不同天气（如夏季高峰、冬季用电高峰）下的运行状态，制定最优的发电计划和潮流方案，确保电网安全并降低运行成本。
- 事故预想与预案制定： 模拟各种可能发生的故障（如线路跳闸、发电机停机、电压崩溃等），分析其后果，并提前制定好应对预案，缩短事故处理时间。
-
保护与控制策略验证：
- 继电保护整定： 电网的继电保护装置（如距离保护、差动保护）的定值需要根据电网结构精确计算，仿真可以模拟各种故障，验证保护装置能否正确、快速地动作，避免误动或拒动。
- 安全自动装置测试： 如低频减载、低压减载等装置，用于在电网发生大扰动时自动切除部分负荷，防止系统崩溃，仿真可以验证这些装置的定值和逻辑是否正确。
-
科学研究与技术革新：
- 新能源并网研究： 随着风电、光伏等新能源的大规模接入，其随机性、波动性给电网带来巨大挑战，仿真技术是研究如何解决这些挑战（如高比例可再生能源电网的稳定性、控制策略）的核心工具。
- 新技术应用验证： 如柔性直流输电、虚拟电厂、储能系统、智能电网等新技术的引入，都需要通过大量的仿真分析来评估其对现有电网的影响和效益。
电力系统仿真的主要类型
根据仿真目的和关注的时间尺度,电力系统仿真通常可以分为以下几类：
（图片来源网络，侵删）
| 仿真类型 | 关注时间尺度 | 主要研究内容 | 关键技术/软件 |
|---|---|---|---|
| 潮流计算 | 稳态（分钟至小时级） | 分析电网在稳态下的电压、功率分布，判断是否满足运行约束（如电压在允许范围内）。 | 牛顿-拉夫逊法、P-Q分解法；PSASP, PSS®E, PowerWorld |
| 短路电流计算 | 瞬时（毫秒至秒级） | 计算电网发生三相短路、单相接地等故障时的最大短路电流，为设备选型和继电保护整定提供依据。 | 对称分量法、相分量法；DIgSILENT PowerFactory |
| 电磁暂态仿真 | 极快（微秒至毫秒级） | 精确模拟开关操作、雷击、故障切除等过程中的电压、电流的快速暂态过程，关注电力电子设备的快速动态。 | 状态变量法、时域数值积分；PSCAD/EMTDC, MATLAB/Simulink (SimPowerSystems) |
| 机电暂态仿真 | 中等（秒至分钟级） | 分析电网受到大扰动（如线路跳闸、发电机失步）后，发电机转子间的相对摇摆、频率和电压的变化过程，核心是研究系统的功角稳定、频率稳定、电压稳定。 | 数值积分法（如隐式梯形法）；PSS®E, DSATools, PowerFactory |
| 中长期动态仿真 | 长期（分钟至小时级） | 关注系统在较长时间尺度上的动态，如负荷的恢复、锅炉/汽轮机的热力过程、自动控制装置（如AGC、AVC）的调节作用。 | 分时段仿真；与机电暂态仿真软件结合使用。 |
电力系统仿真的核心要素
一个完整的电力系统仿真系统通常包含以下几个部分：
-
数学模型：
- 网络元件模型： 输电线路、变压器、电缆等，用电阻、电感、电容等参数表示。
- 电源模型： 同步发电机（详细模型包括转子运动方程、励磁系统、原动机模型）、异步发电机、光伏逆变器、变流器等。
- 负荷模型： 静态负荷（恒阻抗、恒电流、恒功率）、动态负荷（感应电动机等），负荷模型的准确性对仿真结果影响巨大。
- 控制与保护模型： 励励系统、调速器、继电保护逻辑、安全自动装置等。
-
仿真算法：
针对不同类型的仿真,采用不同的数值计算方法，如牛顿法、隐式梯形法、龙格-库塔法等，用于求解描述电力系统动态行为的微分代数方程组。
-
仿真软件/平台：
- 专业商业软件： PSS®E (GE), PowerFactory (DIgSILENT), PSASP (中国电科院), DSATools (Nexans) 等，功能强大，在工业界广泛应用。
- 开源软件： MATPOWER (基于MATLAB), Pandapower (Python), OpenIPSL (MATLAB) 等，在学术界和研究领域非常流行，灵活且免费。
- 通用工具： MATLAB/Simulink, PSCAD/EMTDC，常用于电磁暂态和特定控制策略的研究。
-
仿真数据：
包括电网的拓扑结构、设备参数、负荷数据、发电机参数、故障信息等，数据的准确性和完整性是仿真结果可信度的根本保证。
面临的挑战与未来趋势
-
挑战：
- 高比例可再生能源接入： 风电、光伏的随机性和波动性给传统基于确定性模型的仿真带来巨大挑战。
- 电力电子化： 电力电子设备（如逆变器、柔性直流）在电网中的比例越来越高，其动态特性复杂，传统机电暂态模型难以精确描述，需要更精细的电磁-机电暂态协同仿真。
- 数据驱动与模型融合： 如何将PMU（相量测量单元）等实时监测数据与物理模型相结合，提升仿真的精度和实时性，是一个重要课题。
- “源网荷储”互动： 分布式能源、储能、电动汽车、柔性负荷等大量“源网荷储”主体的互动，使得系统动态更加复杂，仿真维度急剧增加。
-
未来趋势：
- “数字孪生”电网： 建立与物理电网实时映射、虚实交互的数字孪生系统，实现全生命周期的仿真、监测、诊断和优化。
- 人工智能与大数据融合： 利用AI技术进行负荷预测、故障诊断、控制策略优化，并结合大数据分析，提升仿知的智能化水平。
- 云计算与分布式仿真： 利用云计算平台的强大算力，进行超大规模电网的并行仿真，提高仿真效率。
- 多时间尺度/多物理场协同仿真： 将电磁暂态、机电暂态、中长期动态甚至经济调度等不同时间尺度的仿真进行无缝耦合，实现对电力系统全过程、全方位的精准模拟。
电力系统仿真是现代电力系统的“中枢神经系统”和“虚拟试验场”，它贯穿了电力系统从规划、建设到运行、退役的全生命周期，是保障
