导语：
随着我国碳达峰、碳中和目标的提出，新能源在一次能源消费中的比重不断增加，这对新型电力系统建设提出了更高要求。那么应该如何建设新型电力系统，并使其安全运行？仿真分析技术就显得尤为关键。
在第一届中国科技青年论坛上，由北京水力发电工程学会推荐的中国电力科学研究院有限公司青年员工吴倩红博士在国家重大需求专题分论坛演讲环节表现优异，荣获三等奖。她从模型、算法、应用三方面论述新型电力系统下仿真分析的研究对策，并对其前沿发展提出建议。
“张北的风点亮北京的灯”，2022年北京成功举办冬奥会，三大赛区26个场馆历史性地首次实现100%绿色电能供应，实现碳中和。张北通过世界上电压等级最高的柔性直流输电线路为冬奥会输送源源不断的绿色电力，使北京冬奥会永载史册。张北风电不仅点亮一座座奥运场馆，也点亮了北京的万家灯火。而2019年，英国发生大规模停电事故，影响人口约100万，新能源接入比例高达30%，风电场脱网导致大幅功率缺额，成为事故主要原因。
由此可见，大规模新能源并网，能够带来绿色冬奥的浪漫，也可能带来停电黑暗，需要强有力手段保障电网安全运行。互联电网是最复杂的人造系统，覆盖数百万平方公里，接入设备数以百亿计，电能以光速传播，具有能量瞬时平衡、故障快速传播的特点。仿真技术是掌握电网特性的唯一有效手段，是电网安全的“尺”与“秤”，尺、秤不准安全就无从谈起。仿真技术守护电网的“魂”，助力民生和经济发展，保障了张北柔性直流工程对冬奥的安全供电，支撑了我国三峡输电、西电东送、特高压交直流等重大工程的建设运行，守护了我国世界规模最大、结构最复杂、控制难度最大电网的安全运行。
仿真技术一直是国内外电力领域研究热点。我国于2015年建立国家电网仿真中心；国内众多专家对含新能源的电网仿真进行了广泛研究。美国能源部于2021年发布先进清洁能源技术研发计划，其中也包括仿真模型、算法及控制技术。
在碳中和的重大需求下，我国提出构建适应新能源占比逐渐提高的新型电力系统。截至2021年，我国风光发电量占比约10%，预计到2030年，将增长到25%以上，到2060年，将进一步提升到约60%，仿真技术研究也将逐步进入无人区。
新型电力系统下仿真分析的挑战及形成原因
近几年，随着直流输电和新能源的发展，原有仿真手段不再适用，电网面临“仿不了、仿不准、仿不快”三大难题。我们团队依托在仿真领域近半个世纪的自主研发技术积累，集中力量开展了两年多的技术攻关，2017年底全面建成世界上仿真规模最大、模拟精度最准、计算效率最高的新一代仿真平台，解决了“仿不了、仿不准、仿不快”的难题。
新型电力系统新能源占比更高、设备构成更复杂、运行方式变化更频繁，对仿真技术提出了更高的要求。
一是“仿得更准”。原来对旋转电机、交直流混联电网中的直流进行建模实现机电暂态与电磁暂态仿真；现在需对海量电力电子设备、新能源建模，尺度由毫秒级变为1～2微秒，相当于以纳米级精度来建造整个摩天大楼。因此，需进一步提高模型精度，更好地反映新型电力系统物理特性。
二是“仿得更广”。原来仿真涉及发电机、变压器、线路，现在还需考虑新能源、储能、电动汽车等，且相互耦合性高；原来仿真在工频50Hz，现在需仿真零至数千Hz范围；原来仿真在万节点级，现在需十万节点级。因此，需进一步提高算法求解能力，实现对数十万维复杂非线性系统求解。
三是“仿得更快”。原来提前24小时制定电网运行计划，次日按计划执行；现在新能源“靠天吃饭”，发电存在不确定性、随机性，使电网运行方式呈随机化与多元化特点，造成发电在短时间内急剧变化，提前制定的计划失效。因此，需进一步提高仿真速度，实时跟随新型电力系统的变化。
新型电力系统下，仿真技术要考虑可行性与经济性，应以近期充分利用成熟技术并深入挖掘潜力，远期与颠覆性技术相结合为原则，持续深入对模型、算法、应用的探索。
我国电网仿真计算的开拓者之一周孝信院士，70年代主持研发我国电力系统分析综合程序软件，率领团队突破国外封锁，开辟了自主研发模型的先河。模型就像万丈高楼的地基，我们要在前辈基础上，建立新型电力系统模型库，实现“仿得更准”。
近期，要结合工程实际、采用多种手段建立模型。紧跟大规模风电、光伏、储能的发展，深化研究新能源设备的精细化建模；考虑工程实用性、模型精度和计算效率，对新能源场站进行等值建模；争取所有模型采用实测参数，一方面由科研人员进行现场实测，另一方面基于人工智能等技术进行参数在线辨识。
远期，要实现模块化和标准化的各类元件模型。使系统建模可在任一仿真软件下进行，具备即插即用功能。
基于新一代仿真平台，我们团队对张北柔性直流工程进行了5800个工况、8万余次仿真计算，成功支撑了绿色冬奥。算法就像万丈墙体，研究人员要基于模型，深化研究算法，实现新型电力系统“仿得更广、更快”。
近期，一是要进行大规模电网全电磁仿真计算，实现“仿得更广”。突破仿真技术瓶颈，优化电力电子装备数值求解方法。二是要应用新一代计算技术，实现“仿得更快”。利用并行计算、分布式计算等，实现并行求解；利用超大规模仿真专用芯片，提升仿真速度。
远期，要与颠覆性技术相结合。在未来量子计算等技术发展到较为成熟阶段时，与算法相结合，使计算速度进一步飞跃。
20世纪80年代美国PTI电力公司到我国推销其仿真软件。我们展示了自主研发的程序，对方看后发现，电网复杂故障我们可以算，他们算不了，就放弃了。从这以后，国外不断有人试图在我国推广电网仿真软件，但始终没有成功。面向新型电力系统，我们更要主抓应用产品，实现“仿得更准、更广、更快”，防止卡脖子，保障我国民生经济。
近期，要结合跨领域先进技术实现创新颠覆的工程应用。推动互联网、数字化、智能化技术与新型电力系统融合发展，建设电网数字孪生，实现毫秒级延时电网镜像，构建数字调控中心，提升在线定量决策准确性。利用云计算，实现全国电网远程异地云仿真服务，为疫情等特殊时期电网的安全运行提供有力保障。
远期，要积极形成具有自主知识产权的仿真分析软件。在掌握模型算法后，继续积极开发独立自主的仿真软件，应用于新型电力系统各场景，在满足国内应用需求的同时向国际推广。
仿真分析技术将有力支撑我国新型电力系统构建，但不能止步于此，我们有能力在该技术领域引领全球、具有更高的话语权，为实现这一目标，建议从以下几方面发力。
一是积极促进新能源产业链模型体系建立。目前新能源模型属于厂商核心技术，数量大、种类多，科研人员无法获取详细参数以提高仿真精度。因此，可在机制上，建立新能源行业联合会，推进新能源产业链相关的设备、系统的统一建模工作；在技术上，建立公益性质的建模平台，方便各相关单位建立对应模型，应用于行业分析。
二是分散突破与集中力量突破相结合，着力解决非国产化专业软件卡脖子问题。目前国外电力领域软件PSCAD、基础工业领域软件MATLAB在我国广泛应用，存在禁用风险。要利用国内的优势自有技术，如ADPSS，在各单位分散突破基础上，发挥制度和体制优势，集中力量突破仿真软件的关键技术。
三是加强对基础领域和工程领域跨行业科研投入。如基础数学领域与电力领域的跨行业研究等，利用先进数学理论解决电力工程上超高维非线性系统求解问题。
四是依托一带一路倡议，为世界提供新型电力系统中国方案。积极组织制定新型电力系统相关标准，依托一带一路倡议，将我们突破的技术推向世界，在世界范围内建立源自中国的新型电力系统技术体系，提高我国在相关领域的话语权和主导权。
