超大規(guī)模的新型電力系統(tǒng)精細(xì)仿真面臨哪些挑戰(zhàn)

新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。在新型電力系統(tǒng)中，風(fēng)電、光伏等新能源將成為主要電源；同時，為實現(xiàn)大規(guī)模新能源的并網(wǎng)和消納，各種電力電子技術(shù)將在各電壓等級電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。這兩大特點將使新型電力系統(tǒng)的物理形態(tài)和運(yùn)行特性發(fā)生顯著變化。新型電力系統(tǒng)中，微秒級電力電子開關(guān)過程與毫秒、秒級的交流電機(jī)過渡過程相互影響，相較于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)的非線性、不確定性增加，規(guī)模和復(fù)雜度驟增。 ? 因此，大規(guī)模新型電力系統(tǒng)的研究和建設(shè)需要借助更加精細(xì)化的仿真技術(shù)，且這種需求變得愈發(fā)迫切。本文首先對什么是電力系統(tǒng)仿真、精細(xì)仿真對大規(guī)模新型電力系統(tǒng)有何重要性、新型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型的規(guī)模到底有多大、超大規(guī)模的新型電力系統(tǒng)精細(xì)仿真面臨哪些挑戰(zhàn)進(jìn)行了簡要介紹，進(jìn)一步從新型電力系統(tǒng)全電磁暫態(tài)多尺度融合建模和仿真方法、面向異構(gòu)處理器和超算的大規(guī)模電磁暫態(tài)并行仿真算法、開放式高性能超算云仿真平臺實現(xiàn)和應(yīng)用支撐技術(shù)等方面介紹了筆者團(tuán)隊提出的面向新型電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)云仿真平臺CloudPSS，以及其應(yīng)用情況。

什么是電力系統(tǒng)仿真

在對電力系統(tǒng)進(jìn)行研究和開展工程實踐的過程中，我們往往不能直接對實際電力系統(tǒng)進(jìn)行試驗。常規(guī)的做法是建立電力系統(tǒng)的模型，盡可能準(zhǔn)確地反映電力系統(tǒng)的特性，通過在該模型上進(jìn)行實驗，間接地研究實際電力系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。這就是電力系統(tǒng)仿真技術(shù)。

一般來說，仿真包含物理仿真（又稱實物仿真）和數(shù)字仿真。物理仿真以相似性原理為理論基礎(chǔ)，需要搭建實際系統(tǒng)的實物模型。數(shù)字仿真是用數(shù)學(xué)模型在數(shù)字計算機(jī)上進(jìn)行實驗和研究的過程。對于復(fù)雜的電力系統(tǒng)來說，搭建實物模型極其困難。因此，對于電力系統(tǒng)研究而言，數(shù)字仿真具有非常關(guān)鍵的作用和意義（若無特殊說明，文中提及的仿真均指數(shù)字仿真）。

根據(jù)復(fù)現(xiàn)的電力系統(tǒng)動/靜態(tài)特性，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真可分為穩(wěn)態(tài)仿真和時域暫態(tài)仿真。根據(jù)所描述的動態(tài)過程的時間尺度不同，時域仿真又可分為3類，即中長期動態(tài)過程仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真、電磁暫態(tài)仿真。中長期動態(tài)過程仿真主要模擬秒級以上的慢動態(tài)過程，機(jī)電暫態(tài)仿真主要模擬毫秒級動態(tài)過程，而電磁暫態(tài)仿真則可以模擬微秒級動態(tài)過程。

精細(xì)仿真對大規(guī)模

新型電力系統(tǒng)有何重要性

隨著關(guān)注的動態(tài)時間尺度縮小，仿真模型越來越精細(xì)、結(jié)果反映的系統(tǒng)特性越來越豐富。對于新型電力系統(tǒng)，精細(xì)仿真是不可缺少的研究工具。

新型電力系統(tǒng)中新能源發(fā)電設(shè)備正逐步替代傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)。這些新能源發(fā)電通過電力電子設(shè)備并網(wǎng)，并通過交直流電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送電能。新型電力系統(tǒng)的動態(tài)特性受到電力電子裝置快速控制和開關(guān)離散動作過程的影響，無法采用傳統(tǒng)中長期動態(tài)仿真和機(jī)電暫態(tài)仿真準(zhǔn)確刻畫。因此，研究新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定性機(jī)理和故障防御策略，需要采用精細(xì)的微秒級電磁暫態(tài)模型和仿真工具。

新型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)

仿真模型的規(guī)模到底有多大

新型電力系統(tǒng)的狀態(tài)時空耦合性強(qiáng)，除了不同時間常數(shù)的動態(tài)可能相互影響，不同地域的狀態(tài)量也可能相互影響，因為送受端的電氣量已由直流輸電系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)。因此，我們在進(jìn)行新型電力系統(tǒng)分析時，需要對分布在廣大地域范圍內(nèi)的大規(guī)模電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)建模和仿真。在仿真領(lǐng)域，人們常將仿真工具能夠處理的模型規(guī)模作為衡量仿真工具性能的重要指標(biāo)之一。

在電力系統(tǒng)仿真中，一般用節(jié)點數(shù)來刻畫仿真模型的規(guī)模。準(zhǔn)確地估計仿真模型的規(guī)模對于計算資源配置、計算效率預(yù)估具有重要意義，同時也是評估仿真工具計算能力的重要依據(jù)。在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真中，節(jié)點指電流的匯聚點或支路的匯集點，并將三相母線定義為一個節(jié)點（即三相節(jié)點）。由此可見，機(jī)電暫態(tài)仿真的規(guī)模是一個空間的概念。機(jī)電暫態(tài)仿真模型一般通過微分-代數(shù)方程組來描述，其中微分方程用于描述發(fā)電機(jī)動態(tài)，代數(shù)方程則主要為節(jié)點電壓方程；同時，傳統(tǒng)交流系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)容量較大，系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)數(shù)量較少。因此，用節(jié)點電壓方程的維數(shù)可以大致衡量電力系統(tǒng)模型的計算規(guī)模，即可以用三相節(jié)點數(shù)來大致衡量系統(tǒng)的規(guī)模。

然而，對于新型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真，以三相電氣節(jié)點數(shù)衡量系統(tǒng)規(guī)模會出現(xiàn)很大偏差。從模型來看，新型電力系統(tǒng)中包含大量的電力電子設(shè)備。電力電子設(shè)備具有復(fù)雜的內(nèi)部電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，眾多的內(nèi)部支路形成了大量新的連接點，即新的節(jié)點。另外，電力電子設(shè)備的動態(tài)特性主要由其復(fù)雜的控制系統(tǒng)決定，而控制系統(tǒng)中的節(jié)點是各個控制環(huán)節(jié)的連接點?？紤]到新型電力系統(tǒng)中電力電子設(shè)備的數(shù)量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的數(shù)量，且電力電子設(shè)備的控制也遠(yuǎn)比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的勵磁和調(diào)速控制復(fù)雜，控制系統(tǒng)對計算資源的消耗甚至要遠(yuǎn)超電氣網(wǎng)絡(luò)計算所需的計算資源。特別是，連接在不同三相母線的電力電子設(shè)備及其控制系統(tǒng)的差別可能非常大，進(jìn)而導(dǎo)致各個三相母線對應(yīng)的方程數(shù)量差距非常大?？紤]到三相電氣節(jié)點數(shù)與仿真工具實際處理的方程數(shù)可能存在數(shù)量級差距，在電磁暫態(tài)仿真中不能再用三相電氣節(jié)點數(shù)來衡量系統(tǒng)的計算規(guī)模。

為此，我們將新型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真中的節(jié)點概念一般化，將其定義為電氣拓?fù)浠蚩刂仆負(fù)渲械倪呄嘟坏狞c。這種節(jié)點定義方式更加接近系統(tǒng)中方程的個數(shù)。在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真節(jié)點的一般定義下，中國電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真模型規(guī)?？蛇_(dá)百萬節(jié)點級別。以中國西北新能源發(fā)電送出基地為例，西北交直流輸電網(wǎng)網(wǎng)架全電磁暫態(tài)仿真模型電氣節(jié)點數(shù)約為10萬單相節(jié)點；一個典型風(fēng)力發(fā)電單元的平均化模型所含單相電氣節(jié)點數(shù)量在50～100之間，控制節(jié)點數(shù)量在300～500之間；若用2000臺風(fēng)機(jī)等值接入我國西北電網(wǎng)的所有風(fēng)電場，其整體電磁暫態(tài)仿真模型的電氣節(jié)點總數(shù)可達(dá)20萬～30萬，控制節(jié)點總數(shù)可達(dá)60萬～100萬，總節(jié)點數(shù)將在80萬～130萬之間。若考慮全部新能源機(jī)組詳細(xì)模型接入仿真，同時考慮受端華北、華中及華東電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)的計算規(guī)模，其模型節(jié)點總數(shù)可達(dá)600萬以上。

超大規(guī)模的新型電力系統(tǒng)

精細(xì)仿真面臨哪些挑戰(zhàn)

為滿足新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求，大規(guī)模電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真技術(shù)需要不斷突破技術(shù)瓶頸。新型電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真在模型、算法、平臺等方面都存在需要突破的技術(shù)難點（見圖1）。在模型方面，傳統(tǒng)全系統(tǒng)統(tǒng)一小步長建模難以平衡系統(tǒng)的仿真精度和計算規(guī)模。在算法方面，現(xiàn)有仿真工具都采用了定制化并行加速技術(shù)，但由于缺乏適配多類型異構(gòu)處理器的能力，無法靈活高效地部署于超算平臺，失去了快速提升算力和仿真效率的機(jī)會。在平臺構(gòu)建方面，現(xiàn)有仿真軟件架構(gòu)大多較為陳舊，與當(dāng)前主流云計算和人工智能主導(dǎo)的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)相去甚遠(yuǎn)，難以適應(yīng)不斷增長和演化的仿真應(yīng)用需求。

? 針對上述挑戰(zhàn)，需要在以下3個方面提升現(xiàn)有電磁暫態(tài)仿真軟件的能力：其一，發(fā)展先進(jìn)的電磁暫態(tài)仿真建模理論，在保證精度的前提下，最大化消減超大規(guī)模新型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真計算規(guī)模；其二，突破電磁暫態(tài)并行仿真技術(shù)，提出新的并行仿真建模理論、算法設(shè)計和自動代碼生成方法，實現(xiàn)并行仿真軟件高效適配多類型異構(gòu)處理器和國產(chǎn)超算平臺；其三，建設(shè)高性能超算云仿真平臺，不僅要研發(fā)云原生架構(gòu)的仿真引擎和管理工具，還要發(fā)展完善的仿真應(yīng)用開發(fā)工具鏈，支持基于高性能仿真的智能決策應(yīng)用敏捷開發(fā)和彈性部署。

面向新型電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)云

仿真平臺CloudPSS研發(fā)實踐

CloudPSS是面向新型電力系統(tǒng)的高性能電磁暫態(tài)云仿真平臺，是筆者團(tuán)隊為突破超大規(guī)模新型電力系統(tǒng)精細(xì)仿真所進(jìn)行的探索。

1.新型電力系統(tǒng)全電磁暫態(tài)多尺度融合建模和仿真方法

為充分考慮系統(tǒng)的多時間尺度特性，應(yīng)針對交直流電網(wǎng)中各區(qū)域暫態(tài)過程時間尺度的差異，對各分區(qū)采用不同的建模方法和不同仿真步長（多速率）進(jìn)行計算。為此，CloudPSS采用了全電磁暫態(tài)多尺度融合建模和仿真方法。首先，引入解析信號移頻分析原理以改進(jìn)傳統(tǒng)電磁暫態(tài)建模理論，通過移頻變換將系統(tǒng)中的高頻信號轉(zhuǎn)化為低頻信號，從而實現(xiàn)大步長精確仿真。進(jìn)一步，提出了多分區(qū)交直流電網(wǎng)混雜移頻建模和多速率協(xié)同仿真方法，對多分區(qū)電網(wǎng)采用差異化移頻參數(shù)和仿真步長，減少了全網(wǎng)仿真計算量；通過邊界電氣信號自適應(yīng)移頻變換和“內(nèi)插值”同步，消除接口信號延時和高頻能量損失。全電磁暫態(tài)多尺度融合建模和仿真的技術(shù)路線和分區(qū)建模示例如圖2所示。與現(xiàn)有國際主流的電磁暫態(tài)仿真平臺相比，CloudPSS在建模仿真方法方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢（見表1）。

2.面向異構(gòu)處理器和超算的大規(guī)模電磁暫態(tài)并行仿真算法

一方面，現(xiàn)有仿真工具雖都采用并行加速技術(shù)，但因缺乏適配多類型異構(gòu)處理器的能力，無法靈活高效地部署于超算平臺，難以快速提升算力和仿真效率。另一方面，現(xiàn)有仿真軟件基本都基于x86架構(gòu)的處理器開展系統(tǒng)級電磁暫態(tài)并行仿真，部分實時仿真軟件采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設(shè)備級并行仿真，而這些仿真軟件底層硬件平臺長期依賴進(jìn)口芯片，無形之中進(jìn)一步強(qiáng)化了國外技術(shù)裝備的壟斷地位。由此可見，突破電磁暫態(tài)并行仿真的自動代碼生成、計算資源優(yōu)化映射和調(diào)度技術(shù)，在國產(chǎn)處理器和超算平臺上實現(xiàn)高性能仿真，是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)自主可控發(fā)展的必由之路。為此，CloudPSS提出了適用于多類型處理器的電磁暫態(tài)仿真算法。

CloudPSS設(shè)計了兼容不同架構(gòu)計算設(shè)備（例如x86、ARM、CUDA等）的通用電磁暫態(tài)仿真算法，并針對國產(chǎn)超算平臺（如海光、神威等）做了深度優(yōu)化適配（見圖3）。為自動兼容不同架構(gòu)的處理器，CloudPSS通過構(gòu)建自動代碼生成器，將用戶搭建的仿真模型自動轉(zhuǎn)換為用基本計算單元描述的計算圖模型，再結(jié)合不同類型處理器的并行計算特性，自動配置計算資源，采用合適的并行計算策略加速大規(guī)模電磁暫態(tài)仿真計算，最終自動生成相應(yīng)平臺上的計算程序并執(zhí)行。與現(xiàn)有國際主流的電磁暫態(tài)仿真平臺相比，CloudPSS在并行仿真方法方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢（見表2）。

3.開放式高性能超算云仿真平臺實現(xiàn)和應(yīng)用支撐技術(shù)

在電磁暫態(tài)仿真平臺建設(shè)方面，現(xiàn)有仿真軟件體系架構(gòu)較為陳舊，與當(dāng)前主流云計算和人工智能主導(dǎo)的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)相去甚遠(yuǎn)，難以適應(yīng)不斷增長和快速演化的仿真應(yīng)用需求。現(xiàn)有電磁暫態(tài)仿真軟件大多起步于20世紀(jì)90年代，主要面向個人用戶，在通用個人計算機(jī)（PC）或特定的計算服務(wù)器上運(yùn)行，以假想案例研究為主要形式，是一種高級的個人研究工具。然而，當(dāng)今世界的主流軟件，大多已遷移到云計算基礎(chǔ)設(shè)施，按照原生云架構(gòu)設(shè)計，提供多形態(tài)數(shù)字化服務(wù)形式，通過不斷衍生高價值的App來滿足海量、多樣的用戶需求。雖然，也有一些仿真工具被移植到云計算環(huán)境中，但其計算內(nèi)核存在大量的遺留代碼，在計算任務(wù)調(diào)度、資源管理、應(yīng)用開發(fā)和部署等環(huán)節(jié)中暴露出不兼容、不適應(yīng)、不敏捷等弱點，限制了高性能仿真及其應(yīng)用水平的提升。為了將高性能仿真模型、算法和軟件轉(zhuǎn)化為對新型電力系統(tǒng)的分析決策能力，還需要面向云計算架構(gòu)，設(shè)計和研發(fā)超算云仿真平臺，實現(xiàn)仿真驅(qū)動應(yīng)用的敏捷開發(fā)和彈性部署。為此，CloudPSS提出了開放式高性能超算云仿真平臺實現(xiàn)和應(yīng)用支撐技術(shù)。

CloudPSS的開放式高性能超算云仿真平臺，包括建模仿真平臺、仿真應(yīng)用調(diào)度平臺和硬件計算資源三大部分（見圖4）。其中，前端建模仿真平臺為Web應(yīng)用，提供了圖形化的模型構(gòu)建、仿真設(shè)置和結(jié)果分析等功能。用戶可在瀏覽器中直接使用，不需要安裝其他軟件。當(dāng)用戶發(fā)送仿真任務(wù)后，仿真任務(wù)會被發(fā)送至仿真應(yīng)用調(diào)度平臺進(jìn)行解析。根據(jù)仿真任務(wù)的不同，調(diào)度平臺會選擇合適的計算資源，自動調(diào)用自動代碼生成器生成仿真程序，并發(fā)送至具體的計算服務(wù)器完成計算。計算結(jié)果也會實時傳回建模仿真平臺，并以可視化的形式呈現(xiàn)給用戶進(jìn)行分析。與現(xiàn)有國際主流的電磁暫態(tài)仿真平臺相比，CloudPSS在云仿真平臺實現(xiàn)和應(yīng)用支撐方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢（見表3）。

CloudPSS平臺的應(yīng)用情況

目前，CloudPSS平臺已在電網(wǎng)企業(yè)、國防科研單位、高校和科研院所等機(jī)構(gòu)得到應(yīng)用：應(yīng)用于國網(wǎng)四川省電力有限公司、國網(wǎng)西藏電力有限公司、廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司、國家電網(wǎng)有限公司華北分部調(diào)度控制中心、國家電網(wǎng)公司西北分部、廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心等電網(wǎng)公司，以及國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院、國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院、廣州供電局電力試驗研究院等電力研究機(jī)構(gòu)，提升了相關(guān)單位對交直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析和評估的能力；應(yīng)用于中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所等單位，支撐了大型艦船綜合電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計和控制策略閉環(huán)測試，改進(jìn)了綜合電力系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行能力，滿足了國防建設(shè)需求；應(yīng)用于清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京交通大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、華北電力大學(xué)等高校，推動了國產(chǎn)仿真平臺在教育行業(yè)的應(yīng)用，支撐了交直流互聯(lián)系統(tǒng)基礎(chǔ)教學(xué)體系建設(shè)。超大規(guī)模電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真測試如圖5所示。

? 總體來看，CloudPSS平臺具有三大應(yīng)用方向（見圖6）：其一，應(yīng)用于交直流電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃和安全評估、大規(guī)模新能源并網(wǎng)設(shè)計和優(yōu)化調(diào)控，以及海量電力電子設(shè)備互動和穩(wěn)定機(jī)理研究等領(lǐng)域，支撐新型電力系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、實驗檢測、安全評估、優(yōu)化調(diào)控等關(guān)鍵業(yè)務(wù)，提升我國新型電力系統(tǒng)低碳、經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行水平；其二，應(yīng)用于電氣設(shè)備創(chuàng)新研發(fā)和制造企業(yè)，發(fā)展數(shù)字化產(chǎn)品仿真驅(qū)動研發(fā)工具鏈，提升交直流電氣設(shè)備優(yōu)化設(shè)計和制造能力，加速新型電力系統(tǒng)關(guān)鍵電氣設(shè)備研制流程，減少并網(wǎng)調(diào)試成本，支撐智能運(yùn)維業(yè)務(wù)；其三，應(yīng)用于電力和能源相關(guān)高校和科研機(jī)構(gòu)，支撐新型電力系統(tǒng)數(shù)字仿真實驗室建設(shè)，形成理論分析、仿真模擬和閉環(huán)驗證的全數(shù)字科研加速器解決方案，提升我國電力和能源領(lǐng)域基礎(chǔ)科研和技術(shù)創(chuàng)新能力。