引言

2022年10月12日下午，中国电机工程学会线上组织召开了由清华四川能源互联网研究院牵头完成的“百万节点级新型电力系统电磁暂态高性能超算云仿真平台”成果技术鉴定会。鉴定委员会专家一致认为该项目成果处于国际领先水平。现就项目的成果特色及技术指标进行介绍。

研制背景

2020年9月，中国在联合国大会上向世界宣布了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。在碳中和政策的驱动下，我国能源结构将逐渐转型，促进含高比例可再生能源和高比例电力电子装备的新型电力系统发展。新型电力系统的物理形态和运行特性发生显著变化，微秒级电力电子开关过程与毫秒、秒级的交流电机过渡过程相互影响，非线性、不确定性增加，导致新型电力系统的科研、建设和运行更加依赖全电磁暂态仿真分析。

简单测算即可发现，考虑新能源场站详细模型的大规模交直流混联电力系统，其电磁暂态模型的电气节点和控制节点总数将急剧增长，区域级电网的仿真规模即可轻松达到百万量级。因此，亟需发展百万节点级新型电力系统全电磁暂态仿真工具。

新型电力系统仿真计算规模估计

面对新型电力系统不断增长的高性能全电磁暂态仿真需求，目前商用仿真工具遭遇计算规模受限、仿真效率过低和依赖进口计算芯片等方面技术瓶颈，难以实现百万节点级新型电力系统全电磁暂态仿真。为此，本项目研究百万节点级新型电力系统电磁暂态建模仿真理论、计算方法和仿真平台，开展交直流电网全电磁暂态多尺度建模、高效并行仿真算法以及基于国产超算的高性能云仿真平台等三方面研究工作，建成了完全自主可控的、适用于超大规模新型电力系统的高性能超算云仿真平台，形成了开放、共享、灵活的电力系统云仿真模型和应用生态体系。研究成果将应用于新型电力系统多时间尺度动态准确、快速仿真和安全分析，对于保障新型电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

成果特色

项目成果实现了超大规模电磁暂态仿真软硬件平台的完全国产化替代和性能超越。该平台最为关键的差异化优势技术参数为：

（1）仿真规模大：支持百万计算节点规模的超大规模电磁暂态仿真；

（2）建模方法新：采用多时间尺度电磁暂态建模和多速率仿真方法，同等仿真精度下，大规模新型电力系统仿真步长可提高40~100倍；

（3）仿真效率高：兼容x86、ARM、申威众核、国产c86、GPU等架构处理器，采用多层次混合并行仿真算法，适用于异构处理器和国产超算平台。百万节点系统2000场景2s过程全电磁暂态仿真（50μs步长），采用64000核并发仿真，耗时<15min，满足在线动态安全分析需求（验证于成都超算中心）。

（4）平台扩展能力强：采用原生云计算架构，提供模型、算法和应用全维度二次开发工具，建成开放、共享、灵活、高效的应用生态体系。

成果应用

截至目前，项目成果已在多家电网公司、科研院所和高校得到应用，实现了对国外仿真设备的替代，减少了设备购置费用，同时提升了工作效率，节约了人力成本。云仿真平台还入选清华大学校园公共软件，应用于华南理工大学、北京交通大学、中国农业大学、上海交通大学、华北电力大学等单位电气工程教学工作，显著提升教学效果。

此外，项目团队完成了平台对国产处理器的适配，并进行了功能验证和性能测试，基于成都超算建成了大规模电磁暂态超算云仿真平台，满足了百万节点新型电力系统的在线动态安全分析需求。

项目研究成果具有广阔的应用前景，具体包括：

（1）应用于区域交直流电网，支撑系统优化规划和安全评估、大规模新能源并网设计和优化调控、海量电力电子设备互动和稳定机理分析等研究工作，构建新型电力系统规划设计、实验检测、安全评估、优化调控等关键应用，提升我国新型电力系统低碳、经济和安全运行水平；

（2）应用于电气设备创新研制企业，发展数字化产品仿真驱动研发工具链，提升交直流电气设备优化设计和制造能力，加速新型电力系统关键电气设备研制流程，减少并网调试成本，支撑智能运维业务；

（3）应用于电力和能源相关高校和科研机构，支撑新型电力系统数字仿真实验室建设，形成理论分析、仿真模拟和闭环验证的全数字科研加速器解决方案，提升我国电力和能源领域基础科研和技术创新能力。

附：成果主要技术规格参数和技术水平

（1）基础仿真功能：

1）电磁暂态建模和仿真；

2）交直流电网三相对称和不对称潮流分析；

3）交直流电网短路电流分析；

4）电气设备和网络单/多端口扫频和阻抗特性分析；

5）新能源和电力电子设备厂家控制保护模型封装和闭环测试；

6）模型转换功能，支持从PSASP、BPA和PSCAD等仿真软件生成算例文件导入仿真算例；

7）暂态仿真潮流初始化和仿真断面保存；

8）具有工控数据交换接口，可通过485、DNP和61850等协议输出仿真结果和模拟系统闭环调控；

9）支持SCADA/GIS之间的接口的数据转换；

10）图形化仿真建模和数据分析。

图为电磁暂态建模及仿真功能

图为三相对称潮流分析功能

图为三相不对称建模及不对称潮流分析

图为基于BPA的区域电网大规模系统模型转换功能

（2）高级仿真功能：

1）移频电磁暂态建模和仿真；

2）多分区移频和常规电磁暂态建模和混合仿真；

3）“设备-分区-系统-场景”多层次混合并行仿真，支持单机多核分网并行、单机多核自动并行和多机多核组网并行，提供自动分网和负载均衡、手动配置负载均衡表、并行代码自动生成等功能；

4）实时仿真和硬件在环测试；

5）基于高速数据交换的多仿真器联合仿真，可同RTDS、RT-Lab和ADPSS开展联合仿真应用；

6）事件驱动的电力信息物理系统仿真和在环测试。

图为多层次混合并行仿真内核配置界面

图为联合实时仿真接口功能

（3）仿真计算规模：

1）仿真案例中各类元件数目没有上限；

2）已投入实用的工程案例中，最大仿真计算节点数可达到120万以上，其中可包括20万以上电气类计算节点和100万以上控制计算节点；最大可仿真新能源设备数量不少于5000台（详细电磁暂态仿真模型）；最大可仿真常规直流和柔性直流输电系统数量不少于50个；

3）仿真步长10ns~10ms。支持多分区多速率仿真，交流系统分区最大支持步长＞5ms，直流系统分区最大支持步长＞100us；

（4）仿真计算效率：

1）基准仿真效率，以4.3GHz主频处理器为基准计算设备，考虑单核和多核并发场景，所得不同规模和复杂度交直流和新能源系统仿真效率，如下图所示。

图为部分基础仿真效率结果

2）超大规模系统电磁暂态仿真效率，十万节点级电磁暂态仿真10s过程仿真（50us步长）在512核（4.3GHz主频）并发情况下耗时<18s；百万节点系统2000场景2s过程仿真（50us步长），采用64000核（2GHz主频）并发仿真，耗时<15min；

3）仿真潮流初始化效率，百万节点级系统电磁暂态仿真初始化耗时<30s；

4）仿真算例解析和可执行（并行）程序生成，百万节点级系统电磁暂态仿真初始化耗时<2min。

（5）仿真分析精度：

1）仿真模型精度，所提供所有设备模型经过单元测试（独立设备外加激励源测试），对比国外商业仿真器，同等设置下仿真精度相当；

2）长时间仿真保持数值稳定，任意系统连续仿真3600s，无数值稳定性破坏，累计相对误差不超过0.1%。

（6）二次开发功能：

1）支持用户及第三方自定义模型，可采用Python、C、C++、Matlab、Octave等语言自定义仿真模型；

2）可接入厂家提供的黑箱模型元件；

3）提供各种仿真功能API接口，支持Python、Java等语言编写自定义仿真流程和开展仿真结果分析；

4）提供函数式微服务封装工具，可将基础仿真功能、自定义仿真流程、仿真结果转换和分析等功能封装为分布式执行的微服务；

5）提供可视化、低代码仿真应用开发工具，支持可视化仿真应用交互界面设计和应用发布。

图为用户自定义模型（C/C++、Matlab/Octave、Python等接口）

图为厂家黑箱模型接入（直接导入Simulink s-function黑箱模型）

图为CloudPSS仿真功能API（SDK）

图为函数式微服务开发、封装及分布式部署

图为可视化、低代码仿真应用开发及发布平台

图为基于仿真应用开发平台开发的应用示例