支持信息-物理-社会系统研究的跨领域交互仿真平台

信息-物理-社会系统（CPSS）是在信息物理系统（CPS）的基础上,加入政策、行为等社会元素,将广义物理系统视作一个整体,并消除不同领域之间的壁垒。相关的研究和应用都离不开仿真工具的支持。为此,在近20年探索能源的信息-物理-社会系统（CPSSE）过程中研发了统一的仿真平台（Sim-CPSS）。Sim-CPSS支撑了异构仿真应用的互通、互动、互用,并显著降低了复杂系统仿真研究的难度,提高了分析效率。文中介绍了Sim-CPSS的研发思路、架构、功能和原创技术。通过能源领域的众多工程应用验证了其对多领域、多尺度,以及行为多种表达方式的适应能力。SimCPSS为CPSS提供了基础工具的强大支撑。     

泛在物联的配用电优化运行：信息物理社会系统的视角

泛在物联的配用电系统是智能配电网与电力物联网深度融合形成的信息物理社会系统(CPSS)。分析了泛在物联的配用电系统的参与主体及其信息、物理、社会属性,并从物理域、信息域和社会域3个层面探讨参与主体之间的交互影响,并提炼其运行特点,包括物理域中的节点、网络和功能的灵活性;信息域中的泛在感知的不确定性、计算模式的边缘化、开放交互的安全性;社会域中的角色可变性、效用个性化、商业模式多元化。在分析国内外研究动态的基础上,提炼其难点,包括复杂配用电系统的特征识别、社会行为建模与混合仿真、非完全信息的随机博弈框架与应用、融合社会属性的优化问题建模与求解、边缘计算的调度策略与驱动机制、配用电终端物联网的交互安全机制等。在理论层面为信息、物理、社会系统的多学科交叉提供分析探讨,在应用层面为泛在电力物联网和智能电网的建设提供技术支持。     

基于CPSS的电力系统规划研究

能源互联网是能源领域的信息物理社会系统(cyber physical social system,CPSS),基于CPSS的电力系统规划应综合考虑目标网络的信息、物理、社会系统的深度融合,进行能源电力流、业务信息流、社会价值流相协调统一的规划研究。本文基于CPSS提出电力规划的新思路,CPSS的网络和网元替代变电站、发电厂、储能站、输电线路等来进行规划布局,综合考虑负荷预测、用电需求、业务流向、信息需求、综合能源服务、国土空间、社会发展等因素,进行基于多维度属性的统一规划,有效避免各个系统自成体系的无序规划,以期得到更全面、更客观和更具前瞻性的规划研究成果。     

基于PSpice ABM的光伏并网系统仿真研究

为探索光伏并网系统的PSpice仿真方法,以实际课题中两级式光伏并网逆变系统为背景,根据光伏电池的物理数学模型,采用orCAD/PSpice10.5模拟行为模型(ABM)方法建立了光伏阵列仿真模型和光伏并网发电控制器模型,实现了两级式光伏并网逆变系统级仿真,并对光伏并网发电系统受温度、光照影响进行了仿真分析。仿真结果表明,采用PSpice可对大型光伏阵列并网发电系统进行较高精度的模拟仿真,基于PSpice ABM建模的光伏并网系统仿真具有实际工程意义,为光伏系统级仿真提供了一种方便有效的仿真方法和手段。     

信息–物理–社会融合的智慧能源调度机器人及其知识自动化:框架、技术与挑战

着眼于能源5.0前瞻性基础理论,重点研究基于信息–物理–社会融合系统(cyber-physical-social systems,CPSS)的智慧能源调度机器人(robot of energy control,Robo EC)群体及其知识自动化的关键理论方法。包括:构建面向下一代能源电力系统的平行CPSS理想框架及工程可行性框架体系;提出基于数据驱动及自校正引导方法的新型高精度镜像计算实验方法,实现镜像系统对真实物理系统的趋优引导;研究面向未来能源电力系统集中/分散调度模式下的知识自动化流程和平行机器学习方法,实现Robo EC群体的知识自我探索和群体智慧水平的自动提升;探讨平行系统与真实系统的交互协调收敛数学机理及实现CPSS大闭环的系统化设计方法,获得能源、信息、社会三者的深度融合方法和系统化工程设计方法。在后续研究过程中,不断完善基于平行CPSS架构的Robo EC研究平台,并提出可最终尝试将Robo EC投入到小规模实际工程进行运行测试。最后,分析了其面临的挑战,为中国在"能源4.0"到"能源5.0"的技术发展之路上先行一步提供借鉴和思考。     

CPSS视角下城市建筑与配电网高韧性协调运行：研究述评与展望

“韧性”是城市应对自然灾害、提高风险防控能力的重要属性。频发的大停电事故会造成严重的经济和民生损失，阻碍城市发展甚至威胁国家能源安全“，韧性配电网”是“韧性城市”的必然要求与基本保障。高比例建筑负荷是城市配电网的主要特征，恢复供电后的建筑负荷行为异于常态，不仅对电力供应提出了更高的要求，而且给予配电网韧性以提升潜力。城市建筑作为用户与电力系统、电力市场、大数据等深度交互的主要场所之一，其与配电网的协调运行是一个复杂的信息-物理-社会系统（CPSS）。首先，文中重点关注城市配电网负荷恢复阶段，总结了当前城市建筑与配电网高韧性协调运行在物理、社会、信息维度面临的问题；然后，分别对极端条件下城市建筑与配电网的耦合机理和建模（物理维度）、城市建筑产消者行为刻画与激励机制设计（社会维度）、配电网灾后态势感知与数据共享（信息维度）三方面的研究现状进行了述评；最后，总结了CPSS视角下城市建筑与配电网高韧性耦合运行研究所面临的四重挑战，并对未来的研究路径进行了展望。     

电力市场与电力系统动态交互仿真平台的应用

以电力系统为物理基础的电力市场运营受到物理规律与经济规律的双重制约,必须掌握电力市场与电力系统在不同时间尺度上的交互影响以保证其安全稳定。为此,基于电力市场与电力系统的动态交互仿真平台(dy-namic simulation platform for power marketspower systems,DSPMPS),通过对各参与者的市场行为与反映客观规律的数学模型之间的动态交互仿真,研究了参与者决策对电力市场与电力系统的短期和长期稳定性的影响、市场行为与输电动态阻塞的相互影响、输电阻塞对投资行为及监管行为的影响。这些初步应用反映了DSPMPS在决策支持与综合型人才培训中的重要作用。     

机电管理接口电路电力电子器件建模仿真

以试验验证为主的传统航空机电管理系统开发耗时长、成本高,为优化系统正向设计,实现仿真代替C型件(初型件)试验的目标,展开接口电路系统电力电子器件的Saber建模仿真。这里研究基于数理关系建模和基于等效电路建模两种方法,将两种建模方法所得模型、手册数据和行为描述模型进行仿真对比,得出基于等效电路建模具有较高的仿真精度;基于物理机理与数学关系建模具有较快的仿真速度,适用于国产元器件数据少,无法进行大量试验的情况。通过单线圈脉宽调制(PWM)驱动电路,进行了电路级的试验分析与仿真验证,其中MOSFET由导通至关断过程高频振荡周期相对误差为1.8%,振荡峰值相对误差为5.9%,稳态电流平均值相对误差为0.2%,验证了所提电力电子器件模型及其组成的接口电路模型仿真的准确性。     

电力市场稳定性与电力系统稳定性的相互影响(续完)

讨论了电力市场经济稳定性问题的特点、模型，及其与电力系统物理稳定性的关系。电力生产和消费必须每时每刻平衡，其流通环节在物理和技术上都具有自然垄断性，但其生产规模的扩大却需要很长的时滞。一方面，为了充分利用稳定极限输电能力，并正确地对发电和输电投资进行引导，在输电费中必须考虑物理系统失稳的风险，从而影响到电力市场经济稳定性；另一方面，电力市场通过发电竞争以及对发电和输电的投资影响到电力系统物理稳定性。经济领域现有的动态模型和稳定性研究方法都不适用于电力市场，必须重新定义状态变量，建立合理的数学模型，正确地反映利润积累、投资行为、可用发电容量和可用输电容量的动态行为，正确地反映电力市场经济动态与电力系统物理动态之间的相互影响。市场的各参与者可以在仿真系统提供的平台上，选用代数方程、微分方程、差分方程，以及知识表达式来自己定义交易结算规则或各自的博弈策略。如同虚拟作战指挥仿真系统，这些主观决策是仿真系统的输入信息，而并非由仿真算法固定。在用数值仿真得到电力市场对扰动的时间响应曲线后，就可利用轨迹保稳降维 (TSPDR) 理论，根据实际的高维轨迹来提取有界稳定性信息及结构稳定性信息。例如，计算电力系统动态阻塞的风险，求取电力市场的稳定裕度、市场崩溃的临界条件，支持控制决策，研究物理-经济稳定性的交互影响，并分析电力市场的结构稳定性。     

基于虚拟人行为的三维变电站仿真培训系统

为提高变电站仿真培训系统的真实感,对变电站虚拟场景中虚拟人的行为模型进行了研究,设计出了基于虚拟人行为的三维变电站仿真培训系统.系统框架由几何建模、行为建模和场景驱动3个部分组成.几何建模部分采用二维和三维几何模型对变电站设备和虚拟人进行了表示.行为建模部分通过动画技术对虚拟人的行为和设备的行为进行了仿真.场景驱动执行引擎负责实现虚拟人和物体的交互,以及虚拟场景的渲染和漫游.     

Generation expansion planning in electricity markets: A novel framework based on dynamic stochastic MPEC

This paper presents a novel framework for generation expansion planning (GEP) of restructured power systems under uncertainty in a multi-period horizon, which includes generation investment from a price maker perspective. The investment problem is modeled as a bi-level optimization problem. The first level problem includes decisions related to investment in order to maximize total profit in the planning horizon. The second level problem consists of maximizing social welfare where the power market is cleared. Rival uncertainties on offering and investment are modeled using sets of scenarios. The bi-level optimization problem is then converted to a dynamic stochastic MPEC and represented as a mixed integer linear program (MILP) after linearization. The proposed framework is examined on a typical six-bus power network, MAZANDARAN regional electric company (MREC) transmission network as an area of IRAN interconnected power system and IEEE RTS 24-bus network. Simulation results confirm that the proposed framework can be a useful tool for analyzing the behavior of investments in electricity markets.     

Impact of the Transformer Tap-Ratio Control on the Electricity Market Equilibrium

In this paper, the primal-dual nonlinear interior point method has been used as a basis for the derivation of a novel supply function equilibrium (SFE) algorithm for modeling the strategic interactions in the electricity market, using the ac network model, which incorporates modeling of the transformer tap-ratio control. The algorithm is used to investigate the impact of transformer tap-ratio control on the electricity market equilibrium and the effect of the interactions between network constraints and transformer tap-ratio control. The interior point social welfare optimization problem is combined with the optimization problem for maximizing the profit of each strategic generating firm in the market. The final combined single-level SFE problem is solved iteratively based on solution techniques of the interior point method. Numerical examples illustrate the effect of network constraints and especially the impact of transformer tap-ratio control on market equilibrium.     

多智能体开发系统SWARM在电力系统中的应用

针对多智能体技术在复杂电力系统领域的良好应用特性,介绍了一种能发挥多智能体方法的开发平台SWARM及SWARM的基本结构与建模,通过对多智能体技术在电力行业的实用性及运用SWARM实验了一个区域的供电、负荷动态平衡分析,讨论了SWARM在电力系统领域的应用方向,并归纳SWARM的良好特性及应用局限。结果表明,SWARM具有良好的多智能体系统开发功能,适应电力系统中许多实际问题的分析处理。     

Mixed-integer nonlinear approach for the optimal scheduling of a head-dependent hydro chain

This paper is on the problem of short-term hydro scheduling (STHS), particularly concerning a head-dependent hydro chain. We propose a novel mixed-integer nonlinear programming (MINLP) approach, considering hydroelectric power generation as a nonlinear function of water discharge and of the head. As a new contribution to earlier studies, we model the on–off behavior of the hydro plants using integer variables, in order to avoid water discharges at forbidden areas. Thus, an enhanced STHS is provided due to the more realistic modeling presented in this paper. Our approach has been applied successfully to solve a test case based on one of the Portuguese cascaded hydro systems with a negligible computational time requirement.     

A study on modeling methodology of oligopolistic virtual market and its application into resource allocation problem

Recently, manufacturing systems have become large scale and complex. The social scientific approach is one of the promising methods to facilitate effective operation for the resource allocation problems in manufacturing systems, since the approach takes an analogy of social systems which are optimal and robust in nature. In this paper, the authors first propose a modeling methodology for an oligopolistic virtual market, and develop an oligopolistic virtual market as an experimental model. Then they clarify several important characteristics of the oligopolistic virtual market by computer simulation experiments, and try to apply the proposed method into a utility computing operational problem to validate its effectiveness into resource allocation problems. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 164(1): 77–85, 2008; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20628     

基于移动社交网络平台的电动汽车充放电行为预测

大量电动汽车的自由充放电会给电力系统的安全与经济运行带来较大影响。另一方面,电动汽车向电力系统反向送电(V2G)技术的发展可支持电动汽车参与电力系统的调频等辅助服务,但采用不同充放电调度策略时,对V2G和电力系统的交互行为的效果会有不同的影响。移动社交网络(MSN)作为车联网的一个有益补充,在电动汽车用户进行充放电决策上具有一定的互动性,进而会影响电动汽车充放电的调度策略。考虑到MSN的影响力,研究了在分时电价约束下的电动汽车充放电行为预测方法,将每辆参与调度的电动汽车看成是MSN平台中的单一个体,受整体影响力的制约,其时空特征类似于交叉粒子群中的基本粒子,在保持电力系统安全运行与电动汽车用户利益最优的目标约束下,结合MSN的影响力因子,建立了电动汽车充放电行为的预测模型。仿真实验结果表明,该方法可以在不同的调度策略下,预测出电动汽车的充放电行为。     

基于CIM和SVG的电网建模技术

为了解决电力软件数据的规范化问题,在IEC-61970标准的基础上结合通用信息模型C IM和矢量图形扩展格式SVG建立电网模型,并采用图模一体化技术构建图形建模系统。系统实现了基于设备模型完成拓扑结构自动生成和完整性检查的功能,并对图形数据和模型数据分别采用SVG格式和通用信息模型的可扩展标记语言模型交换格式(C IM XM L)进行标准化存取。试验表明系统生成的电网模型能方便地用于多种电力应用软件,从而满足了不同系统数据和图形交换的需要。     

考虑静态电压安全的输电阻塞管理

在电力系统中,输电网络是电力市场的基础和载体,过负荷或违反静态电压安全指标是输电阻塞的主要表现.阻塞将降低电力市场的公平有序竞争,削弱输电系统稳定性,降低电能质量,增加能量成本.因此,研究由于违反静态电压安全标准引起的系统阻塞问题,对于保证电力市场的正常运行和提高电力系统的效率具有重要的现实意义.考虑有载调压变压器以及可投切电容器组在保证系统安全性方面的重要作用,本文把这两个控制方法引入阻塞管理的优化策略中,与发电机组再调度一起,共同优化以处理由于系统静态电压安全引起的阻塞问题.     

Binary fireworks algorithm for profit based unit commitment (PBUC) problem

The deregulation of electricity markets has transformed the unit commitment and economic dispatch problem in power systems from cost minimization approach to profit maximization approach in which generation company (GENCO)/independent power producer (IPP) would schedule the available generators to maximize the profit for the forecasted prices in day ahead market (DAM). The PBUC is a highly complex optimization problem with equal, in equal and bound constraints which allocates scheduling of thermal generators in energy and reserve markets with no obligation to load and reserve satisfaction. The quality of the solution is important in deciding the commitment status and there by affecting profit incurred by GENCO/IPPs. This paper proposes a binary coded fireworks algorithm through mimicking spectacular display of glorious fireworks explosion in sky. In deregulated market GENCO/IPP has the freedom to schedule its generators in one or more market(s) based on the profit. The proposed algorithm is tested on thermal unit system for different participation scenarios namely with and without reserve market participation. Results demonstrate the superiority of the proposed algorithm in solving PBUC compared to some existing benchmark algorithms in terms of profit and number of iterations.