新能源為主體的新型電力系統是未來電力系統發展的重要方向。在新型電力系統中，風電、光伏等新能源將成為主要電源；同時，為實現大規模新能源的并網和消納，各種電力電子技術將在各電壓等級電網中得到廣泛應用。這兩大特點將使新型電力系統的物理形態和運行特性發生顯著變化。新型電力系統中，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，相較于傳統電力系統，新型電力系統的非線性、不確定性增加，規模和復雜度驟增。因此，大規模新型電力系統的研究和建設需要借助更加精細化的仿真技術，且這種需求變得愈發迫切。本文首先對什么是電力系統仿真、精細仿真對大規模新型電力系統有何重要性、新型電力系統電磁暫態仿真模型的規模到底有多大、超大規模的新型電力系統精細仿真面臨哪些挑戰進行了簡要介紹，進一步從新型電力系統全電磁暫態多尺度融合建模和仿真方法、面向異構處理器和超算的大規模電磁暫態并行仿真算法、開放式高性能超算云仿真平臺實現和應用支撐技術等方面介紹了筆者團隊提出的面向新型電力系統的電磁暫態云仿真平臺CloudPSS，以及其應用情況。在對電力系統進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進行試驗。常規的做法是建立電力系統的模型，盡可能準確地反映電力系統的特性，通過在該模型上進行實驗，間接地研究實際電力系統的運行規律。這就是電力系統仿真技術。
一般來說，仿真包含物理仿真（又稱實物仿真）和數字仿真。物理仿真以相似性原理為理論基礎，需要搭建實際系統的實物模型。數字仿真是用數學模型在數字計算機上進行實驗和研究的過程。對于復雜的電力系統來說，搭建實物模型極其困難。因此，對于電力系統研究而言，數字仿真具有非常關鍵的作用和意義（若無特殊說明，文中提及的仿真均指數字仿真）。根據復現的電力系統動/靜態特性，電力系統數字仿真可分為穩態仿真和時域暫態仿真。根據所描述的動態過程的時間尺度不同，時域仿真又可分為3類，即中長期動態過程仿真、機電暫態仿真、電磁暫態仿真。中長期動態過程仿真主要模擬秒級以上的慢動態過程，機電暫態仿真主要模擬毫秒級動態過程，而電磁暫態仿真則可以模擬微秒級動態過程。隨著關注的動態時間尺度縮小，仿真模型越來越精細、結果反映的系統特性越來越豐富。對于新型電力系統，精細仿真是不可缺少的研究工具。新型電力系統中新能源發電設備正逐步替代傳統同步發電機。這些新能源發電通過電力電子設備并網，并通過交直流電網遠距離輸送電能。新型電力系統的動態特性受到電力電子裝置快速控制和開關離散動作過程的影響，無法采用傳統中長期動態仿真和機電暫態仿真準確刻畫。因此，研究新型電力系統穩定性機理和故障防御策略，需要采用精細的微秒級電磁暫態模型和仿真工具。新型電力系統的狀態時空耦合性強，除了不同時間常數的動態可能相互影響，不同地域的狀態量也可能相互影響，因為送受端的電氣量已由直流輸電系統緊密關聯。因此，我們在進行新型電力系統分析時，需要對分布在廣大地域范圍內的大規模電力系統進行電磁暫態建模和仿真。在仿真領域，人們常將仿真工具能夠處理的模型規模作為衡量仿真工具性能的重要指標之一。在電力系統仿真中，一般用節點數來刻畫仿真模型的規模。準確地估計仿真模型的規模對于計算資源配置、計算效率預估具有重要意義，同時也是評估仿真工具計算能力的重要依據。在電力系統機電暫態仿真中，節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點（即三相節點）。由此可見，機電暫態仿真的規模是一個空間的概念。機電暫態仿真模型一般通過微分-代數方程組來描述，其中微分方程用于描述發電機動態，代數方程則主要為節點電壓方程；同時，傳統交流系統中，發電機容量較大，系統中的發電機數量較少。因此，用節點電壓方程的維數可以大致衡量電力系統模型的計算規模，即可以用三相節點數來大致衡量系統的規模。然而，對于新型電力系統電磁暫態仿真，以三相電氣節點數衡量系統規模會出現很大偏差。從模型來看，新型電力系統中包含大量的電力電子設備。電力電子設備具有復雜的內部電氣拓撲結構，眾多的內部支路形成了大量新的連接點，即新的節點。另外，電力電子設備的動態特性主要由其復雜的控制系統決定，而控制系統中的節點是各個控制環節的連接點。考慮到新型電力系統中電力電子設備的數量遠超傳統發電機的數量，且電力電子設備的控制也遠比傳統發電機的勵磁和調速控制復雜，控制系統對計算資源的消耗甚至要遠超電氣網絡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備及其控制系統的差別可能非常大，進而導致各個三相母線對應的方程數量差距非常大。考慮到三相電氣節點數與仿真工具實際處理的方程數可能存在數量級差距，在電磁暫態仿真中不能再用三相電氣節點數來衡量系統的計算規模。為此，我們將新型電力系統電磁暫態仿真中的節點概念一般化，將其定義為電氣拓撲或控制拓撲中的邊相交的點。這種節點定義方式更加接近系統中方程的個數。在電力系統電磁暫態仿真節點的一般定義下，中國電網的電磁暫態仿真模型規模可達百萬節點級別。以中國西北新能源發電送出基地為例，西北交直流輸電網網架全電磁暫態仿真模型電氣節點數約為10萬單相節點；一個典型風力發電單元的平均化模型所含單相電氣節點數量在50～100之間，控制節點數量在300～500之間；若用2000臺風機等值接入我國西北電網的所有風電場，其整體電磁暫態仿真模型的電氣節點總數可達20萬～30萬，控制節點總數可達60萬～100萬，總節點數將在80萬～130萬之間。若考慮全部新能源機組詳細模型接入仿真，同時考慮受端華北、華中及華東電網聯網的計算規模，其模型節點總數可達600萬以上。為滿足新型電力系統發展需求，大規模電力系統的電磁暫態仿真技術需要不斷突破技術瓶頸。新型電力系統的電磁暫態仿真在模型、算法、平臺等方面都存在需要突破的技術難點（見圖1）。在模型方面，傳統全系統統一小步長建模難以平衡系統的仿真精度和計算規模。在算法方面，現有仿真工具都采用了定制化并行加速技術，但由于缺乏適配多類型異構處理器的能力，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會。在平臺構建方面，現有仿真軟件架構大多較為陳舊，與當前主流云計算和人工智能主導的數字化基礎設施架構相去甚遠，難以適應不斷增長和演化的仿真應用需求。針對上述挑戰，需要在以下3個方面提升現有電磁暫態仿真軟件的能力：其一，發展先進的電磁暫態仿真建模理論，在保證精度的前提下，最大化消減超大規模新型電力系統電磁暫態仿真計算規模；其二，突破電磁暫態并行仿真技術，提出新的并行仿真建模理論、算法設計和自動代碼生成方法，實現并行仿真軟件高效適配多類型異構處理器和國產超算平臺；其三，建設高性能超算云仿真平臺，不僅要研發云原生架構的仿真引擎和管理工具，還要發展完善的仿真應用開發工具鏈，支持基于高性能仿真的智能決策應用敏捷開發和彈性部署。面向新型電力系統的電磁暫態云
仿真平臺CloudPSS研發實踐
CloudPSS是面向新型電力系統的高性能電磁暫態云仿真平臺，是筆者團隊為突破超大規模新型電力系統精細仿真所進行的探索。1.新型電力系統全電磁暫態多尺度融合建模和仿真方法為充分考慮系統的多時間尺度特性，應針對交直流電網中各區域暫態過程時間尺度的差異，對各分區采用不同的建模方法和不同仿真步長（多速率）進行計算。為此，CloudPSS采用了全電磁暫態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傳統電磁暫態建模理論，通過移頻變換將系統中的高頻信號轉化為低頻信號，從而實現大步長精確仿真。進一步，提出了多分區交直流電網混雜移頻建模和多速率協同仿真方法，對多分區電網采用差異化移頻參數和仿真步長，減少了全網仿真計算量；通過邊界電氣信號自適應移頻變換和“內插值”同步，消除接口信號延時和高頻能量損失。全電磁暫態多尺度融合建模和仿真的技術路線和分區建模示例如圖2所示。與現有國際主流的電磁暫態仿真平臺相比，CloudPSS在建模仿真方法方面具有領先優勢（見表1）。
2.面向異構處理器和超算的大規模電磁暫態并行仿真算法一方面，現有仿真工具雖都采用并行加速技術，但因缺乏適配多類型異構處理器的能力，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，現有仿真軟件基本都基于x86架構的處理器開展系統級電磁暫態并行仿真，部分實時仿真軟件采用現場可編程門陣列（FPGA）設備級并行仿真，而這些仿真軟件底層硬件平臺長期依賴進口芯片，無形之中進一步強化了國外技術裝備的壟斷地位。由此可見，突破電磁暫態并行仿真的自動代碼生成、計算資源優化映射和調度技術，在國產處理器和超算平臺上實現高性能仿真，是實現新型電力系統關鍵技術自主可控發展的必由之路。為此，CloudPSS提出了適用于多類型處理器的電磁暫態仿真算法。CloudPSS設計了兼容不同架構計算設備（例如x86、ARM、CUDA等）的通用電磁暫態仿真算法，并針對國產超算平臺（如海光、神威等）做了深度優化適配（見圖3）。為自動兼容不同架構的處理器，CloudPSS通過構建自動代碼生成器，將用戶搭建的仿真模型自動轉換為用基本計算單元描述的計算圖模型，再結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模電磁暫態仿真計算，最終自動生成相應平臺上的計算程序并執行。與現有國際主流的電磁暫態仿真平臺相比，CloudPSS在并行仿真方法方面具有領先優勢（見表2）。
在電磁暫態仿真平臺建設方面，現有仿真軟件體系架構較為陳舊，與當前主流云計算和人工智能主導的數字化基礎設施架構相去甚遠，難以適應不斷增長和快速演化的仿真應用需求。現有電磁暫態仿真軟件大多起步于20世紀90年代，主要面向個人用戶，在通用個人計算機（PC）或特定的計算服務器上運行，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，當今世界的主流軟件，大多已遷移到云計算基礎設施，按照原生云架構設計，提供多形態數字化服務形式，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境中，但其計算內核存在大量的遺留代碼，在計算任務調度、資源管理、應用開發和部署等環節中暴露出不兼容、不適應、不敏捷等弱點，限制了高性能仿真及其應用水平的提升。為了將高性能仿真模型、算法和軟件轉化為對新型電力系統的分析決策能力，還需要面向云計算架構，設計和研發超算云仿真平臺，實現仿真驅動應用的敏捷開發和彈性部署。為此，CloudPSS提出了開放式高性能超算云仿真平臺實現和應用支撐技術。CloudPSS的開放式高性能超算云仿真平臺，包括建模仿真平臺、仿真應用調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應用，提供了圖形化的模型構建、仿真設置和結果分析等功能。用戶可在瀏覽器中直接使用，不需要安裝其他軟件。當用戶發送仿真任務后，仿真任務會被發送至仿真應用調度平臺進行解析。根據仿真任務的不同，調度平臺會選擇合適的計算資源，自動調用自動代碼生成器生成仿真程序，并發送至具體的計算服務器完成計算。計算結果也會實時傳回建模仿真平臺，并以可視化的形式呈現給用戶進行分析。與現有國際主流的電磁暫態仿真平臺相比，CloudPSS在云仿真平臺實現和應用支撐方面具有領先優勢（見表3）。
目前，CloudPSS平臺已在電網企業、國防科研單位、高校和科研院所等機構得到應用：應用于國網四川省電力有限公司、國網西藏電力有限公司、廣西電網有限責任公司、國家電網有限公司華北分部調度控制中心、國家電網公司西北分部、廣東電網有限責任公司電力調度控制中心等電網公司，以及國網寧夏電力有限公司電力科學研究院、國網新疆電力有限公司電力科學研究院、國網冀北電力有限公司電力科學研究院、國網江蘇省電力公司電力科學研究院、廣州供電局電力試驗研究院等電力研究機構，提升了相關單位對交直流電網安全穩定分析和評估的能力；應用于中國船舶重工集團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的規劃設計和控制策略閉環測試，改進了綜合電力系統的多目標優化運行能力，滿足了國防建設需求；應用于清華大學、華南理工大學、北京交通大學、中國農業大學、上海交通大學、華北電力大學等高校，推動了國產仿真平臺在教育行業的應用，支撐了交直流互聯系統基礎教學體系建設。超大規模電網電磁暫態仿真測試如圖5所示。總體來看，CloudPSS平臺具有三大應用方向（見圖6）：其一，應用于交直流電網優化規劃和安全評估、大規模新能源并網設計和優化調控，以及海量電力電子設備互動和穩定機理研究等領域，支撐新型電力系統的規劃設計、實驗檢測、安全評估、優化調控等關鍵業務，提升我國新型電力系統低碳、經濟和安全運行水平；其二，應用于電氣設備創新研發和制造企業，發展數字化產品仿真驅動研發工具鏈，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；其三，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、仿真模擬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。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2023年1月刊。沈沉：教授，清華大學學位委員會委員，清華大學電機系學位評定分委員會主席，清華四川能源互聯網研究院數字化研究中心主任，能源電力系統數字孿生研究所所長。陳穎：研究員，清華四川能源互聯網研究院能源電力系統數字孿生研究所副所長。黃少偉：副研究員，清華四川能源互聯網研究院能源電力系統數字孿生研究所副所長。于智同：清華四川能源互聯網研究院能源電力系統數字孿生研究所所長助理。宋炎侃：清華四川能源互聯網研究院能源電力系統數字孿生研究所總工程師。IEEE Spectrum
《科技縱覽》
官方微信公眾平臺
>>>本文為原創，轉載請回復。<<<
