动态交互仿真平台与电力市场、电力系统混合仿真

摘要

电力系统是一个典型的具有强时变性、强非线性的复杂大系统。数值仿真对电力系统中许多复杂问题的解决发挥了重要作用。一些结合数值仿真轨迹的动力学分析方法发现并解释了复杂系统中独有的各种现象，这些现象用基于静态（几何学）理论的解析方法都难以解释。
　　 同样，电力市场中也存在类似现象和问题。电力系统受物理规律制约，电力市场受经济规律制约，各自由不同领域知识描述，但两者又密不可分，存在紧密的交互影响。市场成员（以下简称参与者）主观行为直接影响经济系统，继而影响物理系统;物理系统的各种约束又反作用于经济系统，乃至参与者决策。如何在仿真中真实反映两者的交互关系，如何直观、定量的展示参与者与市场规则、物理规律互动所造成的交互影响，是摆在电力市场仿真研究面前的基础性课题。
　　 实际电力市场与电力系统一样，并非孤立或封闭系统，电力与周边系统相互依存。但是不同系统采用不同概念和描述体系，沟通困难。当外部因素（如CO2排放管理的引入、极端气候灾难的影响）上升为主要因素，需要纳入电力仿真视野时，却遭遇时空尺度、模型参数等领域仿真系统扩展、集成的难题，缺少根本性的指导跨系统研究的框架、平台及工具。
　　 作为电力市场、电力系统、外部环境系统、政策监管等多领域交互的混合仿真研究工具，不仅要考虑各自系统内部各种非线性、时变性环节的仿真建模问题，同时还要考虑多个在时间、空间及目标参数（如物理量、环境量等）上存在诸多差异的研究领域之间的协同仿真问题，最后还须计及参与者因素，即博弈问题。应该借鉴分布式交互仿真、面向对象仿真、仿真建模等新技术、新概念，设计实现可扩展的智能仿真平台。考虑这些因素的仿真工具被初步命名为“电力市场与电力系统动态交互仿真平台”(thedynamicsimulationplatformforpowermarketandpowersystem,DSPMPS)。在智能电网发展的背景下研制该仿真工具，应该充分利用各种信息技术成果，整合已有算法数据资源，并使自身更加灵活、开放，以适应工作域的不断扩大、自由缩放甚至重新组织。这并非简单的量变过程，而进一步带来电力仿真技术领域在框架、平台、算法及接口上的变革。
　　 设计实现上述仿真工具的主要难点仍在于工作域的扩大及开放性，包括仿真目标系统结构的不稳定性和未知性、仿真实验目的与需求的不确定性和差异性。
　　 在前期研究中，本课题组就该问题提出了两个重要观点:
　　 1、动态的观点:认为上述问题本质是一个时域动态仿真问题，应建立合理的数学模型，正确的反映利润积累、投资行为、可用发电容量和可用输电容量的动态行为，仿真分析应建立在详细时域仿真轨迹的基础上;
　　 2、交互的观点:包括两层含义，一个是物理-经济模型之间的交互，一个是借鉴实验经济学方法，让真实实验参与者在计算机终端参与动态仿真过程，输入自己的博弈策略，实现人与数学模型的交互。
　　 本文在前期研究的基础上，应用广义阻塞和广义市场力的观点，提出按统一、抽象的动力学模型建构灵活、开放的动态交互仿真平台的观点:
　　 1、灵活的观点:智能电网的“大舞台”使许多以往无法感知、控制的设备或环境变得可访问，随之带来电网分析与控制的参数、模型在种类和数量方面以指数级增长，仅建立开放的数据平台已不足够，还应建立灵活的试验仿真平台，实现信息获取、知识提取和决策支持功能的可定制、可扩展。传统仿真工具无法做到这一点，需要一个上升到广义阻塞和广义市场力概念层面的动态交互仿真的基础平台，为可靠、快速的开发、运行、测试、部署各种智能电网分析与控制技术提供服务，为电网分析与控制研究提供广泛支撑;
　　 2、开放的观点:在实现自适应时、空及目标参数尺度的前提下，采用标准协议建立平台与外部软件资源之间的信息通道，实现对广域资源的连接和再利用，避免重复开发;实现仿真应用的组件级标准化接口，使应用之间可通过组件互操作实现更大程度的资源共享;提高平台对不同数据、模型、用户界面、软硬件平台、计算方式及运行方式的兼容能力。
　　 本文为实现上述具备动态、交互、灵活、开放特点的仿真平台做了如下工作:
　　 1、分析了现有动态交互仿真工具的不足，运用广义阻塞、广义市场力概念对多领域、多角色仿真问题的本质特征进行了分析，提出设计混合仿真系统应寻求抽象性与灵活性的平衡，故结合组件技术采用“支撑层-应用层”分层软件结构;
　　 2、采用微内核设计方法设计实现仿真平台的支撑层，围绕抽象的时序控制模型建立各内核模块，抽象设计有利于打破领域知识的局限、实现仿真接口标准化、增强互操作性;创新设计的仿真标记语言，大大简化了仿真程序的图形、通讯和逻辑设计;
　　 3、仿真平台应用层以仿真组件库为核心内容，组件库设计以可重用性和灵活性为目标，设计方法从单一层次扩展到多层次，以体现多领域仿真内容的复杂、广泛、相互渗透与交错。配合典型应用搭建，集成大量已有算法或软件，综合运用继承、抽象等软件方法，搭建起平台与多种应用间的桥梁;
　　 4、在建成的DSPMPS仿真平台上设计多种仿真应用并基于这些应用进行多人参与的仿真实验，如短期发电报价及其监管、长期发输电投资及其监管，验证了DSPMPS对不同应用和实验的适用性，说明其具备良好的可扩展性、运行性能和参与者体验;
　　 5、在广泛分析大规模可再生能源接入下系统充裕性及其控制的研究现状、核心要素基础上，提出问题的形式化模型，建立了决策框架的模型，并提出多层解耦-协调的求解思路，包括备用等级间、预防与紧急控制间的解耦以及两层迭代协调。运用该框架可求取动态充裕控制问题的全局优化解;
　　 6、在建成的DSPMPS仿真平台上设计实现了包含发电侧、需求侧控制对象的充裕控制仿真模型和基于风险的优化算法，并开展了与传统优化算法的比较实验。实验过程表明，平台对未知应用具有良好支撑作用，特别体现在动态时序拼接、组件资源运用、多时间尺度仿真等方面。仿真结果显示，多等级风险优化结果优于单一等级确定性备用配置方式，符合理论预期。

目录

声明

摘要

符号与缩略词

第一章 绪论

1．1 电力市场、电力系统混合仿真研究的背景和意义

1．2 动态交互仿真研究现状

1．2．1 交互仿真问题的出现

1．2．2 交互的狭义和广义内涵

1．2．3 分布式交互仿真

1．2．4 面向对象的仿真

1．2．5 小结

1．3 电力工业仿真研究现状

1．3．1 物理系统仿真

1．3．2 经济系统仿真

1．4 智能电网的仿真研究

1．4．1 智能电网的内涵

1．4．2 智能电网的仿真内容

1．4．3 智能电网仿真的特点

1．5 计算机建模技术

1．5．1 表达方法

1．5．2 组织方法

1．5．3 模型的扩展原理

1．5．4 用于模型扩展的技术

1．6 本文工作的立足点

1．7 论文研究思路及主要工作

1．7．1 论文研究思路

1．7．2 主要研究工作及创新点

第二章 对智能电网的框架性讨论

2．1 引言

2．2 认识的基础

2．2．1 电力市场的特殊性

2．2．2 广义阻塞提出的背景

2．3 概念的内涵

2．3．1 阻塞与广义阻塞

2．3．2 广义阻塞的分类

2．3．3 广义阻塞对电力市场运营的影响

2．3．4 电力市场中的市场力

2．3．5 市场力的分类

2．3．6 影响社会福利的广义市场力

2．4 对系统交互关系的认识

2．4．1 ICE与广义阻塞

2．4．2 广义阻塞之间的相互影响

2．4．3 广义阻塞、市场力与广义市场力的关系

2．4．4 市场力与博弈

2．4．5 交互稳定性

2．4．6 阻塞及市场力的风险控制

2．5 对交互系统的控制

2．5．1 监管的三道防线

2．5．2 预防控制

2．5．3 紧急控制

2．5．4 校正控制

2．5．5 控制代价

2．6 本章小结

第三章 仿真平台的功能及结构设计

3．1 引言

3．2 设计目标

3．3 需求分析

3．3．1 电力市场、电力系统混合仿真的动力学框架模型

3．3．2 功能设计要点

3．4 功能设计

3．4．1 信息获取功能

3．4．2 知识提取功能

3．4．3 决策支持功能

3．4．4 仿真应用想定

3．4．5 设计难点

3．5 软件结构设计

3．5．1 “平台+应用”的仿真系统

3．5．2 对平台的需求矛盾

3．5．3 “支撑层+应用层”的分层设计

3．6 本章小结

第四章 仿真平台的支撑层设计与实现

4．1 引言

4．2 设计难点和思路

4．2．1 建立跨领域的多系统仿真模型

4．2．2 多时间尺度仿真进程的同步

4．2．3 智能化的显示

4．2．4 接口环境

4．2．5 设计思路

4．3 支撑层的结构设计

4．3．1 时序控制模型

4．3．2 所需模块

4．3．3 模块的开放性设计

4．4 支撑层的实现

4．4．1 驱动内核

4．4．2 调度内核

4．4．3 显示内核

4．4．4 消息内核

4．4．5 对象内核

4．4．6 其它内核组件

4．4．7 仿真平台的软件结构

4．5 对交互功能的支撑

4．5．1 与参与者的交互

4．5．2 与外部系统的交互

4．6 对动态场景的支撑

4．6．1 实验设计时的动态场景

4．6．2 实验进行时的动态场景

4．7 本章小结

第五章 仿真平台的应用层设计与实现

5．1 引言

5．2 应用层设计的回顾

5．2．1 提高可重用性

5．2．2 分类管理

5．2．3 增量扩展

5．3 主要的仿真组件

5．3．1 按对象加以组织

5．3．2 信息获取

5．3．3 知识提取

5．3．4 决策支持

5．4 外部应用软件的接入

5．4．1 接入方法

5．4．2 FASTEST

5．5 组件库的结构设计

5．5．1 域的分割

5．5．2 组件库的体系

5．5．3 组件库的设计流程

5．5．4 电力市场、电力系统混合仿真组件库的设计结果

5．5．5 尺度可调节的电力市场、电力系统仿真算法

5．5．6 组件库的设计特点

5．6 应用场景的配置

5．6．1 拼接及配置接口

5．6．2 配置流程

5．7 仿真实验的典型过程

5．7．1 准备阶段

5．7．2 运行阶段

5．7．3 结果分析阶段

5．7．4 辅助决策支持

5．7．5 仿真体验

5．8 本章小结

第六章 典型电力市场、电力系统混合仿真应用

6．1 引言

6．2 输电动态阻塞风险的管理

6．2．1 研究背景

6．2．2 理论分析

6．2．3 实验设计

6．2．4 ISO的仿真结果

6．2．5 发电商的仿真结果

6．3 发、输电投资的管理

6．3．1 研究背景

6．3．2 理论分析

6．3．3 实验设计

6．3．4 输电商的仿真结果

6．3．5 发电商的仿真结果

6．3．6 电力监管的仿真结果

6．4 本章小结

第七章 智能电网发电运行充裕性的研究框架

7．1 引言

7．2 可靠性研究的两个侧面

7．2．1 充裕性与安全性

7．2．2 数学问题

7．2．3 研究方法

7．3 问题的突显

7．3．1 节能减排

7．3．2 RES的大规模接入

7．3．3 用电模式的转变

7．3．4 对电能质量的更高要求

7．3．5 装机充裕性和运行充裕性问题

7．3．6 传统研究方法的不足

7．4 视野的扩大

7．4．1 从发电侧到发、输、配、用

7．4．2 从确定性到风险性

7．4．3 从单一等级到多等级

7．4．4 从离线到在线

7．4．5 从孤立到协调

7．5 问题的要素

7．5．1 目标函数

7．5．2 约束条件

7．5．3 控制对象

7．5．4 控制变量

7．6 形式化描述

7．6．1 问题的内涵

7．6．2 问题的数学模型

7．7 决策的框架模型

7．7．1 信息采集

7．7．2 充裕性知识的提取

7．7．3 充裕控制决策优化框架

7．8 建议的优化框架

7．8．1 时间尺度上备用等级的解耦

7．8．2 各级备用内部的优化

7．8．3 备用等级之间的协调

7．9 本章小结

第八章 智能电网发电运行充裕控制的仿真

8．1 引言

8．2 仿真工具和场景

8．2．1 基础开发及运行平台

8．2．2 充裕控制的动力学模型

8．2．3 充裕控制的算法

8．2．4 仿真模型的筛选

8．2．5 动态时序的拼接

8．3 仿真结果

8．3．1 仿真场景

8．3．2 实验目的

8．3．3 调整快速备用容量的实验

8．3．4 调整快速备用价格的实验

8．4 本章小结

第九章 总结与展望

附录A：DSPMPS中XML格式的相互转换

附录B：外部程序与DSPMPS交互的XML接口协议

附录C：仿真标记语言简介

附录D：仿真组件库的简介

附录E：仿真算例的系统数据

附录F：充裕控制仿真实验数据

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

参考文献