美国拥有 37 吉瓦 (GW) 的公用事业规模太阳能容量——足以为超过 4,070,000,000 盏 LED 灯供电——目前正在开发的额外容量为 112 GW。如此大规模的太阳能已经到位，能源系统的当前趋势清楚地表明可再生能源和电池储能系统将成为未来电网的主要参与者。但这些新技术带来了额外的复杂性和挑战。鉴于存在的障碍，我们如何理解现代化电网的行为以及电力系统运营商和政策制定者如何确保其大规模持续可靠性？ NREL 分析师与加州大学伯克利分校 (UCB) 的同事在 IEEE 电气化文章中发表了一种新颖的开源计算分析方法，有助于揭开答案。 “几十年来，用于建模的现有商业软件工具在电力系统分析方面一直运行良好。但是，我们正处于能源系统快速变化的阶段，这对建模需求提出了新的要求，”NREL 高级研究员兼特约作者 Clayton Barrows 说文章的。 “为了跟上这些新兴技术的步伐，我们需要易于修改的透明软件。更新和灵活的软件工具将使研究界能够在新技术进入市场之前解决计算问题并了解它们的影响。”可再生能源和电池储能系统的引入，以及传统旋转发电机的转变，导致了具有低物理惯性水平的陌生电力系统。过去的电力系统由同步电机主导，其中电网稳定性的一个关键来源是根据物理定律运行的物理旋转。然而，现代电力系统拥有可再生能源以及基于逆变器的发电，其中稳定性不是通过机械过程而是通过逻辑和电子控制来保持的。所有这些都从根本上改变了我们对电网稳定性和行为的理解，并为研究和预测这些系统带来了新的障碍。新的 NREL 和 UCB 开发的建模方法解决了新兴电网不断变化的能源系统造成的不足。计算工具和模拟独特地准备处理电力系统分析的复杂性和规模。科学计算使研究人员能够绘制和理解包含广泛可再生能源和电池储能系统的电力系统。计算机辅助模拟是可复制的，其结果可以得到验证，并且计算模型可以缩放以反映我们现代化网格的真实世界比例。可扩展性和灵活性以前一直是该领域研究人员面临的最大障碍。大规模实验需要专有模型和算法，这些模型和算法的建立既昂贵又耗时，并且很难（如果不是不可能的话）完全代表新兴技术。这种不可访问性最终阻碍了电力系统社区的研究和创新，从而阻碍了现代化电网系统的部署。
NREL 和 UCB 分析师看到了这种需求，并推出了一套开源模拟工具和一种可以缩小访问差距的计算方法。开发任何仿真工具都始于选择一种编程语言。最近这篇文章背后的 NREL 分析师认为 Julia——一种由 Bezanson 等人开发的动态类型编程语言。 2017——是大规模电力系统建模的最佳答案。 Julia 旨在通过弥合脚本语言和高性能计算语言之间的差距，使高性能计算更易于访问。 Julia 使编写和维护极其可靠、性能良好的软件变得容易。易于编写的软件也易于阅读和复制。 NREL 分析师认为，这些功能使 Julia 成为应对电力系统社区科学计算挑战的绝佳搭档。确定编程语言后，NREL 团队着手开发完全可访问的编程工具，以满足不断发展的现代电力系统的研究需求。结果是可扩展的集成基础设施规划框架 (SIIP)，这是同类中首创的灵活建模框架，它结合了新的解决方案算法、高级数据分析和可扩展的高性能计算。 Julia 特性和功能在 SIIP 中被广泛使用，以提供开源工具，为公用事业规模的电力系统提供一致和高性能的数据模型。 SIIP 包括三个集成建模包： PowerSystems.jl 提供了一个可重用和可定制的数据模型，该模型适用于数学模型的实现细节，适用于多种仿真策略。它还通过设计提供扩展功能，使其更容易集成到其他计划中。 PowerSimulations.jl 支持稳态电力系统建模活动，包括生产成本建模、机组承诺、经济调度、自动发电控制模拟、最佳潮流等。
PowerSimulationsDynamics.jl 通过提供广泛的模型库、访问 Julia 中的多个数值积分器以及最先进的低惯量建模方法来模拟电力系统动力学。 SIIP 中包含的软件套件现在可供电力系统研究社区免费使用。通过解决先前建模平台的不足，SIIP 有助于在打破现代可再生能源电力系统的开发和部署障碍方面又迈进了一步。 “SIIP 的目标是为电气工程师创建一个通用平台来代表新技术、计算科学家开发算法以及分析师进行应用研究。最终，我们希望 SIIP 将有助于提高国家测试和分析我们未来的能力网格，”巴罗斯说。 “这种方法提供了一种有用的、可访问的方法来克服研究低惯性系统的挑战，我们很高兴看到这些工具被应用于研究各种未来的可再生电网模型。”访问开源 SIIP 软件套件并了解更多有关 NREL 能源分析师正在开发的 SIIP 建模框架的信息。