电力系统无法离开仿真这个工具已是不争的事实。电力系统规划的方案是靠仿真得到的；新元件的接入、运行方式的确定是用仿真结果作为依据的；新方法研究、新装置设计、参数确定是用仿真来确认的。但是，这样一个权威性工具的准确度如何，不同的参数和模型对结果的影响如何却知之甚少，这方面的研究成果发表得也不多。究其原因，是因为这类研究对现场的依赖性很大，如果不是现场需要，研究人员一般是很难得到电力系统的动态数据的。然而，由于模型和参数的分离，方法和数据的脱节，很多从事仿真的人并不相信得出的结果。电力系统动态仿真需要新的支撑点——仿真准确度的评价和研究。

1　从电力系统动态计算到动态仿真

　　电力系统动态仿真的出现是依赖于计算机技术的发展。在此之前，电网计算只能是定性的。有了计算机，为了实现快速的机器计算来代替了手工计算，研究人员在模型建立和方法研究上投入了大量精力。在国外这是六七十年代进行的，国内则落后了10到15年。这个时期的发电机组、线路、变压器模型是通过理论推导，并且与实际装置进行过对照的。也就是说，模型是经过验证的，但当时只是提暂态稳定计算，没有提出仿真这个概念，因此仿真的验证也没有被提出。80年代，发达国家电网上安装的动态测量装置还不多，我国电网上这类装置还尚未见到，因此仿真验证的问题也不可能提出。
　　随着大规模集成电路和计算机软硬件技术的飞速发展，国内电网上安装了各种以计算机为基础的测量装置，发达国家的电网更是安装了大系统动态测量装置。这些装置测量的数据经过各种通信网络记录下来，成为仿真验证的基础。电力系统仿真计算开始于20世纪60年代，但直到1999年8月才发表了第一篇真正意义上的关于仿真验证的文章^［1］。该文中用WSCC系统动态数据库重现了1996年8月10日的故障，并与现场记录的曲线进行了比较。结论是否定的。即现有的模型和参数不能正确地仿真出电力系统发生故障时的动态行为。而且，这些只是整个故障过程中极小的一部分结果，整个故障过程是一“复合暂态和动态物理过程”^［2］，对其进行全面描述，尤其是对控制器动作的描述，至今尚无可能。
　　文献［1］是划时代的文章，它标志着准确仿真时代的到来。该文只提到模型的有效性，实际上仿真更应该考虑有效性的问题。

2　动态仿真及其准确度指标

　　如果以前称暂态稳定性计算，现在叫动态仿真，其中最大的区别在于：计算可以不提验证，仿真则必须考虑准确度，必须进行验证。
    仿真的定义可以用图1来表示。

　　根据图1，当系统与仿真具有相同输入时，应该具有相同的输出，或两者之差应小于ε，ε表示仿真的准确度。离开了一定的准确度，仿真就失去了意义。
　　对于动态仿真，Δ、ε应该怎样表示和选择还需要研究。在文［1］中，作者采用了Prony算法分析了现场实测和仿真得到的振荡曲线，分别得到了几个对应时窗的阻尼系数和振荡频率，并进行了比较。这类的算法和指标应该广泛研究，并推广到电压、频率随时间变化的曲线上来。这是研究动态仿真准确度的基础。

3　影响动态仿真准确度的主要因素

　　根据过去二三十年的仿真经验，目前所知的影响动态仿真准确度的主要因素有2个：发电机组控制系统的参数和负荷模型；动态等值。但是，由于计算机硬软件技术的飞速发展带来了足够大的内存和足够快的计算速度，因而一般来说，系统可以仿真得足够大而且不需要等值。
　　这个认识得到最近发表的有关仿真验证的文章的支持^［1］。当WSCC的动态数据库仿真的结果与现场记录的结果不符（即系统发生了低频振荡，仿真结果却没有振荡）时，研究人员将功率送出端的负荷模型由静态的指数模型改为电动机模型后，仿真结果就得到了振荡。经分析（见下文），这是负荷模型和发电机组稳定器（PSS）参数整定相互影响引起的。由此可以看出负荷模型和发电机控制系统参数的重要性。
3．1　模型参数问题
　　目前有一种误解，总觉得方法研究、模型类的确定很重要，至于参数则是很容易得到的，它的对错也无关大局。这种不正确的认识大大地阻碍了模型和仿真的研究与发展，因为模型结构和参数是不可分的，无论哪一个不对，整个模型就不会对，用这样的模型仿真出的结果也就不会与实际相符。其实，模型类的确定是从物理到数学的重要一步，参数的取得也是从物理到数学的重要环节。但是，由于长期的误解，目前对获取准确参数的研究大大落后于对模型和方法的研究。因此必须在获取准确参数上下大力气。
　　在经过了WSCC1996年2次大事故后，美国电力研究院（EPRI）Adapa博士在关于加强电力系统可靠性措施的建议中的第七条提到：“研究确定仿真模型用设备参数的标准方法和手段^［2］”。这是从事故重现不准的教训中得出的宝贵认识。
　　在具体做法上，WSCC要求所有安装在其电网上的容量超过6 MW的发电机组的控制系统参数全部实测。这项工作正在全面展开。
3．2　控制系统参数十分重要
　　当WSCC动态数据库不能重现1996年8月10日的故障时^［1］，研究人员修改了仿真中使用的模型，在加入了AGC模型和直流输电控制模型，修改了汽轮机调速器模型和电压控制模型后，仿真得到的系统频率和电压变化曲线与实测曲线便比较接近了，但仍不能从仿真中得到系统振荡。最后修改了功率送出端（加拿大侧）的负荷模型，即从静态指数模型改为动态电动机模型^［1］，或从指数模型改为恒功率模型^［3］后，振荡就可以从仿真中得到了。负荷模型何以能起到这么大的作用？这是在控制系统的帮助下实现的。
　　本来在功率送出端负荷模型从指数模型改为恒功率模型时应该是有利于稳定的，因为恒功率模型比指数模型能吸收更多的功率。但事故分析中的结论却正好相反，这是由于通过PSS参数整定错误造成的。PSS参数整定要依靠仿真，仿真中功率送出端使用了指数模型（比实际情况恶劣），使得送出端的Δδ、Δω大于实际情况，所以机组PSS的参数整定得比较小，系统是稳定的而不会发生振荡。实际上，当出故障时送出功率端是恒功率负荷（或电动机负荷在平衡点附近也基本上为恒功率），因而实际的Δδ、Δω小于确定PSS参数的仿真情况，这时的PSS参数就嫌小了，系统稳不住便发生了振荡。故障重现时，当功率送出端采用指数模型，送出端发电机组的Δδ、Δω比实际的大，配上较小的PSS参数，因而系统仿真结果是稳定的，仿真不出振荡现象，这就回到了确定PSS参数的情况。当把负荷模型改为恒功率模型时系统就振荡了，这就是发生事故时的实际情况。
　　通过上述实例分析，可以清楚地看到，负荷模型和控制系统参数是如何交织在一起的，它在电力系统动态仿真和实际控制中扮演了重要的角色：如果在确定PSS参数时采用正确的负荷模型，将PSS参数整定得较为合适，则系统就很可能不会轻易地发生振荡。
3．3　动态负荷模型是有规律的
　　负荷模型在WSCC系统1996年7月2日和8月10日发生的2次大事故的事故重现中都扮演了重要角色。7月2日的电压崩溃只有在采用了恒功率模型后才能在仿真中重现出来，但比实际电压崩溃曲线要恶劣；8月10日的振荡只有将功率送出端的负荷模型由指数模型改为电动机模型时才能从仿真中得到，振荡频率和阻尼系数在某些时段与实测的振荡曲线比较接近。
　　其实，负荷模型的作用尤其是在电压稳定中的作用已经被大多数人所认识，只不过被认为建模难度大而常被绕开而已。负荷动态建模真的是不可能的吗？笔者的课题组研制了负荷动态测辨装置，从1995年开始至今在河北沧州安装运行了5年，取到了4年的数据，这些数据都是当系统电压波动较大时装置自动记录的，季节时间也均随机分布。但是，根据我们的分类规则，只需分成3类就可以覆盖所有的数据^［4］。这充分说明，沧州的农业负荷是相当有规律的，用总体测辨法就可以建立负荷动态模型。目前我们又在广东省的工业负荷点、福建省的居民和商业负荷点安装了测辨装置，大量数据表明，用实测数据建立负荷动态模型是可行的。
　　目前存在的困难是难以在系统上得到低于临界电压的负荷动特性模型及参数（这时参数将改变符号，成为不稳定的非线性模型）。笔者认为，重要的是找到临界电压值，这需要现场观测与理论分析相结合。至于低于临界电压的负荷模型，可以用理论分析的结果将其补上。
　　总之，鉴于负荷难以仿真，而基于计算机的现场观测装置目前已相当成熟，因此无论采用哪种负荷建模方法，负荷参数的取得都必须建立在实测数据的基础上。

4　仿真验证是推动仿真发展的动力

　　1996年夏季，北美WSCC系统2次特大事故重现未果，使人们深感电力系统动态仿真在近20年中进展太慢。究其原因，最重要的是缺乏验证和评价仿真结果的数据和手段。少了评价和监督手段，对各种仿真结果就提不出问题和质疑，这对于仿真研究是非常不利的。
　　IEEE的各种实验网络曾对验证和评价仿真算法以及仿真软件的正确性起过重要作用，但它们只能用来验证算法和软件的正确性，而无法评价仿真结果。对于仿真结果的评价同样需要类似的验证手段。
4．1　用GPS同步采样装置建立电网主架构的动态实时监测系统
　　长期以来，用电力系统的在线数据进行分析始终受制于缺乏准确的全网统一时钟，GPS技术的出现成功地解决了这一问题。选择一个较小的独立电网（如尚未联网的福建网或山东网），在其主力发电厂和枢纽变电站安装GPS同步采样的动态记录装置，当系统发生动态事故时，将这些节点的电压、电流、频率随时间变化的情况全部记录下来。配以SCADA系统测量、记录的故障前稳态，事后分析的故障点、故障形态（故障类型、短路容量），就可以得到一套完整的验证仿真准确度的数据。由于每个记录装置采集的数据都具有对时精度可达到微秒级的同步时标，所测数据是同一时刻的数据，因而可以正确地用来进行事故重现。这就是一套验证仿真是否正确的最好的考题，即如果仿真结果和这套数据不符（不符合的程度就是仿真的准确度），就说明仿真模型或参数有问题，需要改进模型和参数。只有当结果与实测曲线相吻合的仿真才能被用作系统研究的工具。
　　动态记录系统的数据可以通过信道由远方传输到管理单位，随着安装时间加长，会积累越来越多的数据，这将成为研究动态电力系统的宝贵财富。
4．2　对动态过程的观测是电力系统发展的必需
　　电力系统发展虽然已有上百年历史，但是对电力系统动态行为的认识只是近30年的事。以往安装在电力系统上的仪表只能读到其稳态参数，只有以计算机为基础的动态仪表才可能把电力系统的动态行为真实地记录并展示出来。应该承认，对电力系统动态方面问题的认识才刚刚开始，电压崩溃和低频振荡的起因和机理尚属未知，电力系统动态仿真、电力系统协调控制还有大量工作要做。
　　1996年WSCC2次大事故的整个发生、发展的过程，事后经过很多人分析仍不清晰，更不用说事故发生的当时就要了然于心了。这充分说明了对于一个庞大的电力系统，要了解动态事故的发生发展过程，分析原因、找到对策是十分不易的。这种情况在不同国家的很多电力系统上均发生过：当系统发生了严重的事故后要进行故障分析时现场记录的数据不能支持这种分析，然而系统管理人员总以为发生这种大事故的概率很小，因而不愿意为预防下一次事故而投资，在系统上大量安装动态测量装置（即动态仪表）。
　　对于目前越来越大的互联电力系统，正在发展的电力市场，以及更多的控制系统将在电力系统中安装，因而对动态电力系统的模糊认识是不可能长期被容忍的。尽早充分了解电力系统的动态本质，将为电力系统的正常发展打下坚实的基础。这种了解只能通过在系统上安装观测装置来实现。因此，参与WSCC事故分析的专家们多次强调了对系统监测的重要性。美国电力研究院的Adapa博士在他列出的12条加强可靠性的措施中，2次提到“开发并应用广域通信网和系统的监控手段”，“开发并应用广域测量和控制系统”。

5　结论

　　（1）电力系统动态仿真一定要用准确度来考核；
    （2）仿真的准确度只有通过验证才能确信；
　　（3）通过在电力系统上安装同步采样装置可以得到验证仿真所需的数据；
　　（4）验证电力系统动态仿真还需要在算法和对比指标等方面做大量工作。

参考文献：

［1］　Kosterev D N，Tylor CW，et al．Modelvalidation for the august10，1996 WSCC system outage［J］．IEEE Trans on Power Sys－tems，1999，14（3）．
［2］　何大愚．对美国西部系统1996年两次大事故的后续认识［J］．中国电力，1998，（5）．
［3］　Morison K，et al．System disturbance stability studies for westsystem coordinating council（WSCC）［R］．EPRITR－108256 Fi－nalReport Sep，1997．
［4］　贺仁睦，周文．电力系统负荷模型的分类与综合［J］．电力系统自动化，1999，19：12－16．