基于模擬仿真技術的新型電力系統性能評估與優化

［摘 要］ 模擬仿真技術作為關鍵的電力系統應用策略，以其卓越的能力在電力設計、運營、管理及性能提升上發揮著無可替代的作用，為電力系統的穩固運行、高效能運作及一貫可靠性提供了強大的技術支持。文章分析了基于模擬仿真技術的新型電力系統性能評估，介紹了電力系統模擬仿真技術，以及基于模擬仿真技術的新型電力系統性能的優化算法，并研究了模擬仿真技術在電力系統中的具體應用，以供參考。

［關鍵詞］模擬仿真技術；電力系統；評估與優化

［中圖分類號］TM743 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0086–03

1 基于模擬仿真技術的新型電力系統性能評估

傳統的電力系統仿真策略分為基于理論構建的數學解析法及依托實踐操作的物理模擬法。解析仿真通過構造精密的電力系統數學模型，運用復雜的數學運算和解析技術，精準預測系統的運行狀態和性能參數。而物理仿真則傾向于實際操作，利用實驗室設備或直接對真實電力網絡進行實時數據采集和觀察，并深入剖析和評估這些數據。這兩種方法在理論準確度和理論框架上表現出色，但受限于電力系統固有的復雜動態和對即時響應的需求。

電力系統中的數字模擬技術融合了計算機科學和工程原理，通過構建詳盡的電力系統數學模型，并借助高級軟件平臺，進行深度的數值模擬和分析。這種技術的核心在于精細刻畫電力元件的特性參數、實時運行狀況及操作策略，從而得以深入洞察電力系統的動態響應和效能表現，進行精確的性能評估和優化設計。這種基于計算機的模擬方法，以其顯著的靈活性、高度的適應性及強大的大規模模擬處理能力而著稱，可有效應對電力系統所面臨的復雜性、實時挑戰及難以預測的變數，為確保電力系統的穩定運行提供了不可或缺的技術支撐。通過這種方式，得以在虛擬環境中進行反復測試，降低了實際操作的風險，提高了決策的精準度。

決策支持的電力系統仿真融合了仿真理論及實際電力系統的運營管理，通過構建精細的電力系統模型，實時捕捉并分析數據，并利用模擬計算手段為決策者揭示電力系統的行為模式、可行的操作路徑及潛在的風險預警。通過模擬不同情境下的決策影響，引導決策者制訂出明智的戰略決策。決策支持仿真提升了決策效率，優化了系統的運行效率，降低了風險，從而顯著提升了電力系統的效能、經濟效益及社會的可持續性。

在電力系統模擬領域，存在眾多可供選擇的仿真工具。這些工具中，PSS/E、PSIM 及MATLAB/Simulink 尤為常用。挑選適宜的仿真工具需綜合考量多方面因素，如功能的全面性、操作簡便性、計算效能及對不同場景的適應程度。PSS/E 專精于電力系統仿真，能處理復雜的系統模型并執行多樣化的分析任務。PSIM 在電力電子系統的模擬方面表現出色。而MATLAB/Simulink 則以其豐富的仿真和建模功能，適用于廣泛的電氣系統。因此，根據實際需求及各工具的獨特特性和優點進行選擇，對于科研和實踐工作具有決定性意義。

2 電力系統模擬仿真技術

2.1 動態模擬仿真技術

電力系統動態模擬仿真技術依托于模擬試驗，其策略是通過構建簡化版的物理模型來模擬原系統的運行特性，這種方法在20 世紀60 年代前占據主導地位。其核心優勢在于能生動再現研究對象的全面動態演變，現象清晰易懂，且具有明確的物理概念解讀。然而，這種方法存在明顯的局限：受限于當時的實驗室資源和空間條件，大型模擬難以實現，每次試驗都需要重新配置復雜的電氣連接，耗費大量時間和精力。此外，其擴展性和兼容性方面的局限性也十分明顯，無法輕易適應新的研究需求或整合不同類型的系統數據。

2.2 數模混合仿真技術

隨著信息技術的迅猛演進，電力系統數字化模擬技術呈現出前所未有的活力。電力系統模擬方法主要分為全數字仿真與數字– 物理混合仿真（以下簡稱“數模混合仿真”）兩大類別。數模混合仿真是一種高度精準的時間同步策略，即實時同步于真實的物理時序，實現了虛擬世界與實體系統的無縫對接。這種混合方式將純粹的軟件模擬嵌入現實環境，形成了運行于實時模擬平臺上的“虛擬電力網絡”。混合仿真的核心優勢在于融合了數字與物理模擬的優勢，能夠精確復制系統中電氣元件的行為，真實反映出系統的動態演變。然而，其挑戰也不容忽視，如接口設計復雜、試驗接線繁瑣及受制于一定的模擬規模。盡管如此，混合仿真的實用價值仍得到了廣泛認可。

2.3 全數字仿真技術

隨著電力體系的演進，其規模的擴大和結構的繁復使得數模混合仿真在實際系統模擬中的應用逐漸受限。相反，全數字仿真技術則脫穎而出，其中每個組件都構建于高度數字化的模擬模型。這一策略的優勢顯著，不僅突破了傳統方法對系統復雜度和規模的局限，而且確保了研究和實驗環境的安全性，經濟效益和操作便捷性也得以顯著提升。全數字仿真主要依賴各種離線數字仿真軟件，同時也可通過電力系統實時仿真器的純數值計算路徑來實施，兩者共同驅動了電力系統仿真技術的進步。

3 基于模擬仿真技術的新型電力系統性能優化算法

3.1 遺傳算法

基于自然選擇、基因重組及突變機制的遺傳算法實質上是生物啟發式算法，是一種卓越的優化算法。其并非直接模擬物理環境，而是通過構建虛擬種群，經歷多次迭代，逐步優化每個個體的表現，以期找到最優化的解決方案。在電力系統的廣闊應用領域，如負載均衡管理、發電設備控制策略及電力市場決策，遺傳算法展現出了其獨特的優勢。尤其在處理高維、非線性及動態復雜的電力系統優化問題時，其強大的全局搜索能力使其在眾多方法中脫穎而出，成為推動電力系統效率提升的關鍵工具。因此，遺傳算法在電力系統優化技術的工具箱中占據著不可或缺的地位。

3.2 模擬退火算法

模擬退火算法實質上是熱力學啟發式算法，是全局優化方法的典范。其即借鑒了物質冷卻過程中的動態平衡機制，巧妙地接納隨機解，并以特有的概率機制逃離暫時的最優區域，逐步冷卻搜索空間的熱度，直至鎖定真正的全局最佳解決方案。模擬退火算法被廣泛應用于電力調度的精細調度、輸電網絡的高效配置及能源資源的動態調配等復雜問題求解。其獨特的逃避局部最優陷阱的能力，以及對解空間的深度挖掘，使其在提升電力系統整體性能上起著至關重要的作用。

3.3 粒子群算法

粒子群算法的靈感源自鳥群覓食行為。此算法通過復制粒子在解決方案空間中的探索和信息共享機制，旨在發掘最佳解決方案。在電力系統領域，該算法被廣泛應用于系統規劃、經濟調度及容量配置等挑戰性問題的解決。其優勢在于具備出色的全局搜尋效能、快速的運算速度及簡單的實現方式。在面對多目標優化任務及復雜約束條件下的非線性問題時，粒子群算法能有效找出最優解集合，因而對于電力系統的優化操作具有顯著的實際意義。

4 模擬仿真技術在電力系統中的應用

4.1 穩定性分析

電力系統的動態平衡能力，即其在遭遇各種突發情況時維持穩定運行的特性，構成了穩定性研究的核心議題。這一領域涵蓋了電力系統動態/ 暫態穩定性和靜態/ 穩態穩定性兩個關鍵維度。借助現代科技手段，特別是數學模擬仿真技術，運用精密的數學工具，如偏微分方程、矩陣理論及隨機控制原理，對電力系統的穩定性進行深入探究和虛擬實驗。通過這種方式，可以預判系統在面對各類故障時的反應，從而優化電力系統的穩定性能，顯著提升其信賴度和效能。

4.2 負荷預測

負荷預測依賴于深入挖掘歷史記錄和外部影響因素，以洞察電力系統潛在的未來需求趨勢。其核心目標在于通過精準預測，優化能源生產和分配策略，從而提升整個電力系統的效能。借助先進的模擬仿真手段，運用多元的算法和技術手段（如人工智能和大數據分析）對過往的負荷數據進行深度剖析和模型構建，以此揭示未來的可能負荷情況。這種方法顯著提升了預測的精確度，使得電力負荷的規劃更為科學且高效。

4.3 運行優化

電力體系的動態優化策略著重于在確保系統穩固和可靠的前提下，提升其整體效能，涉及成本效益、綠色能源利用率等多個關鍵領域。仿真與模擬平臺巧妙地融合了先進的優化策略和智能管控技術，對電力運營的全鏈條進行深度優化探索。通過多維度優化策略的精細設計和全面分析，可提升電力系統性能，削減運行開支，減少能源浪費，推動可持續發展的電力模式。

4.4 運營維護

虛擬模擬仿真技術通過構造電力系統的數字化映射，輔以實時數據的動態模擬，賦予工程師前瞻性的洞察力，能夠預見系統的動態行為，提前預警可能遇到的問題，并據此設計預防性策略。

4.5 故障診斷

模擬仿真技術構建的虛擬平臺有助于在無風險的環境下復現實際電力系統的故障模式。通過這種方式，能夠深入剖析故障的根源，預測其潛在后果，從而設計出更為精確的解決策略。例如，在對變電站進行維護時，借助模擬仿真能夠預演各種可能的故障場景，以此優化應對措施并預先準備應急計劃，極大地提升了問題解決的效率和準確性。

5 應用前景

未來，電力系統對模擬仿真技術的需求將展現出前所未有的深度、細膩度及廣度。電力行業的持續創新與進步促使電力設備和系統模型的構造日趨繁復精密，這亟需模擬仿真技術的革新升級，以提升模擬仿真精準度和效能。未來的仿真服務應具備高度的效率和精確性，以匹配這一領域日新月異的發展需求。隨著時代邁進智能化和網絡化的嶄新階段，電力系統已成為這一變革的領軍行業。未來的電力系統將深度融入模擬仿真技術，其不僅將推動電力運營的自動化進程，還將極大地提升電力系統智能水平和運行可靠性，成為不可或缺的技術支撐基石。

6 結束語

電力系統模擬仿真技術在體系規劃、運作管理及應對突發狀況等環節發揮著堅實的輔助作用，顯著拓寬了電力系統的操作邊界，同時增強了系統的穩定性和可信度。隨著電力系統的持續演進和優化，模擬仿真技術在未來電力行業的應用潛力將不斷顯現，展現出更為廣闊的實用價值和光明的發展前景。

參考文獻

[1] 陳國平，李明節，董昱等. 構建新型電力系統仿真體系研究[J]. 中國電機工程學報，2023，43（17）：6535-6551.

[2] 郭琦，盧遠宏. 新型電力系統的建模仿真關鍵技術及展望[J]. 電力系統自動化，2022，46（10）：18-32.

[3] 沈沉，陳穎，黃少偉，等. 新型電力系統仿真應用軟件設計理念與發展路徑[J]. 電力系統自動化，2022，46（10）：75-86.

[4] 董雪濤，馮長有，朱子民，等. 新型電力系統仿真工具研究初探[J]. 電力系統自動化，2022，46（10）：53-63.