引言

2022年10月12日下午，中國電機工程學會線上組織召開了由清華四川能源互聯網研究院牽頭完成的“百萬節點級新型電力系統電磁暫态高性能超算雲仿真平台”成果技術鑒定會。鑒定委員會專家一緻認為該項目成果處于國際領先水平。現就項目的成果特色及技術指标進行介紹。

研制背景

2020年9月，中國在聯合國大會上向世界宣布了2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目标。在碳中和政策的驅動下，我國能源結構将逐漸轉型，促進含高比例可再生能源和高比例電力電子裝備的新型電力系統發展。新型電力系統的物理形态和運行特性發生顯著變化，微秒級電力電子開關過程與毫秒、秒級的交流電機過渡過程相互影響，非線性、不确定性增加，導緻新型電力系統的科研、建設和運行更加依賴全電磁暫态仿真分析。

簡單測算即可發現，考慮新能源場站詳細模型的大規模交直流混聯電力系統，其電磁暫态模型的電氣節點和控制節點總數将急劇增長，區域級電網的仿真規模即可輕松達到百萬量級。因此，亟需發展百萬節點級新型電力系統全電磁暫态仿真工具。

新型電力系統仿真計算規模估計

面對新型電力系統不斷增長的高性能全電磁暫态仿真需求，目前商用仿真工具遭遇計算規模受限、仿真效率過低和依賴進口計算芯片等方面技術瓶頸，難以實現百萬節點級新型電力系統全電磁暫态仿真。為此，本項目研究百萬節點級新型電力系統電磁暫态建模仿真理論、計算方法和仿真平台，開展交直流電網全電磁暫态多尺度建模、高效并行仿真算法以及基于國産超算的高性能雲仿真平台等三方面研究工作，建成了完全自主可控的、适用于超大規模新型電力系統的高性能超算雲仿真平台，形成了開放、共享、靈活的電力系統雲仿真模型和應用生态體系。研究成果将應用于新型電力系統多時間尺度動态準确、快速仿真和安全分析，對于保障新型電力系統的安全穩定運行具有重要意義。

成果特色

項目成果實現了超大規模電磁暫态仿真軟硬件平台的完全國産化替代和性能超越。該平台最為關鍵的差異化優勢技術參數為：

（1）仿真規模大：支持百萬計算節點規模的超大規模電磁暫态仿真；

（2）建模方法新：采用多時間尺度電磁暫态建模和多速率仿真方法，同等仿真精度下，大規模新型電力系統仿真步長可提高40~100倍；

（3）仿真效率高：兼容x86、ARM、申威衆核、國産c86、GPU等架構處理器，采用多層次混合并行仿真算法，适用于異構處理器和國産超算平台。百萬節點系統2000場景2s過程全電磁暫态仿真（50μs步長），采用64000核并發仿真，耗時<15min，滿足在線動态安全分析需求（驗證于成都超算中心）。

（4）平台擴展能力強：采用原生雲計算架構，提供模型、算法和應用全維度二次開發工具，建成開放、共享、靈活、高效的應用生态體系。

成果應用

截至目前，項目成果已在多家電網公司、科研院所和高校得到應用，實現了對國外仿真設備的替代，減少了設備購置費用，同時提升了工作效率，節約了人力成本。雲仿真平台還入選bevictor伟德官网校園公共軟件，應用于華南理工大學、北京交通大學、中國農業大學、上海交通大學、華北電力大學等單位電氣工程教學工作，顯著提升教學效果。

此外，項目團隊完成了平台對國産處理器的适配，并進行了功能驗證和性能測試，基于成都超算建成了大規模電磁暫态超算雲仿真平台，滿足了百萬節點新型電力系統的在線動态安全分析需求。

項目研究成果具有廣闊的應用前景，具體包括：

（1）應用于區域交直流電網，支撐系統優化規劃和安全評估、大規模新能源并網設計和優化調控、海量電力電子設備互動和穩定機理分析等研究工作，構建新型電力系統規劃設計、實驗檢測、安全評估、優化調控等關鍵應用，提升我國新型電力系統低碳、經濟和安全運行水平；

（2）應用于電氣設備創新研制企業，發展數字化産品仿真驅動研發工具鍊，提升交直流電氣設備優化設計和制造能力，加速新型電力系統關鍵電氣設備研制流程，減少并網調試成本，支撐智能運維業務；

（3）應用于電力和能源相關高校和科研機構，支撐新型電力系統數字仿真實驗室建設，形成理論分析、仿真模拟和閉環驗證的全數字科研加速器解決方案，提升我國電力和能源領域基礎科研和技術創新能力。

附：成果主要技術規格參數和技術水平

（1）基礎仿真功能：

1）電磁暫态建模和仿真；

2）交直流電網三相對稱和不對稱潮流分析；

3）交直流電網短路電流分析；

4）電氣設備和網絡單/多端口掃頻和阻抗特性分析；

5）新能源和電力電子設備廠家控制保護模型封裝和閉環測試；

6）模型轉換功能，支持從PSASP、BPA和PSCAD等仿真軟件生成算例文件導入仿真算例；

7）暫态仿真潮流初始化和仿真斷面保存；

8）具有工控數據交換接口，可通過485、DNP和61850等協議輸出仿真結果和模拟系統閉環調控；

9）支持SCADA/GIS之間的接口的數據轉換；

10）圖形化仿真建模和數據分析。

圖為電磁暫态建模及仿真功能

圖為三相對稱潮流分析功能

圖為三相不對稱建模及不對稱潮流分析

圖為基于BPA的區域電網大規模系統模型轉換功能

（2）高級仿真功能：

1）移頻電磁暫态建模和仿真；

2）多分區移頻和常規電磁暫态建模和混合仿真；

3）“設備-分區-系統-場景”多層次混合并行仿真，支持單機多核分網并行、單機多核自動并行和多機多核組網并行，提供自動分網和負載均衡、手動配置負載均衡表、并行代碼自動生成等功能；

4）實時仿真和硬件在環測試；

5）基于高速數據交換的多仿真器聯合仿真，可同RTDS、RT-Lab和ADPSS開展聯合仿真應用；

6）事件驅動的電力信息物理系統仿真和在環測試。

圖為多層次混合并行仿真内核配置界面

圖為聯合實時仿真接口功能

（3）仿真計算規模：

1）仿真案例中各類元件數目沒有上限；

2）已投入實用的工程案例中，最大仿真計算節點數可達到120萬以上，其中可包括20萬以上電氣類計算節點和100萬以上控制計算節點；最大可仿真新能源設備數量不少于5000台（詳細電磁暫态仿真模型）；最大可仿真常規直流和柔性直流輸電系統數量不少于50個；

3）仿真步長10ns~10ms。支持多分區多速率仿真，交流系統分區最大支持步長＞5ms，直流系統分區最大支持步長＞100us；

（4）仿真計算效率：

1）基準仿真效率，以4.3GHz主頻處理器為基準計算設備，考慮單核和多核并發場景，所得不同規模和複雜度交直流和新能源系統仿真效率，如下圖所示。

圖為部分基礎仿真效率結果

2）超大規模系統電磁暫态仿真效率，十萬節點級電磁暫态仿真10s過程仿真（50us步長）在512核（4.3GHz主頻）并發情況下耗時<18s；百萬節點系統2000場景2s過程仿真（50us步長），采用64000核（2GHz主頻）并發仿真，耗時<15min；

3）仿真潮流初始化效率，百萬節點級系統電磁暫态仿真初始化耗時<30s；

4）仿真算例解析和可執行（并行）程序生成，百萬節點級系統電磁暫态仿真初始化耗時<2min。

（5）仿真分析精度：

1）仿真模型精度，所提供所有設備模型經過單元測試（獨立設備外加激勵源測試），對比國外商業仿真器，同等設置下仿真精度相當；

2）長時間仿真保持數值穩定，任意系統連續仿真3600s，無數值穩定性破壞，累計相對誤差不超過0.1%。

（6）二次開發功能：

1）支持用戶及第三方自定義模型，可采用Python、C、C++、Matlab、Octave等語言自定義仿真模型；

2）可接入廠家提供的黑箱模型元件；

3）提供各種仿真功能API接口，支持Python、Java等語言編寫自定義仿真流程和開展仿真結果分析；

4）提供函數式微服務封裝工具，可将基礎仿真功能、自定義仿真流程、仿真結果轉換和分析等功能封裝為分布式執行的微服務；

5）提供可視化、低代碼仿真應用開發工具，支持可視化仿真應用交互界面設計和應用發布。

圖為用戶自定義模型（C/C++、Matlab/Octave、Python等接口）

圖為廠家黑箱模型接入（直接導入Simulink s-function黑箱模型）

圖為CloudPSS仿真功能API（SDK）

圖為函數式微服務開發、封裝及分布式部署

圖為可視化、低代碼仿真應用開發及發布平台

圖為基于仿真應用開發平台開發的應用示例