超大规模的新型电力系统精细仿真面临哪些挑战

新能源为主体的新型电力系统是未来电力系统发展的重要方向。在新型电力系统中，风电、光伏等新能源将成为主要电源；同时，为实现大规模新能源的并网和消纳，各种电力电子技术将在各电压等级电网中得到广泛应用。这两大特点将使新型电力系统的物理形态和运行特性发生显著变化。新型电力系统中，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，相较于传统电力系统，新型电力系统的非线性、不确定性增加，规模和复杂度骤增。   因此，大规模新型电力系统的研究和建设需要借助更加精细化的仿真技术，且这种需求变得愈发迫切。本文首先对什么是电力系统仿真、精细仿真对大规模新型电力系统有何重要性、新型电力系统电磁暂态仿真模型的规模到底有多大、超大规模的新型电力系统精细仿真面临哪些挑战进行了简要介绍，进一步从新型电力系统全电磁暂态多尺度融合建模和仿真方法、面向异构处理器和超算的大规模电磁暂态并行仿真算法、开放式高性能超算云仿真平台实现和应用支撑技术等方面介绍了笔者团队提出的面向新型电力系统的电磁暂态云仿真平台CloudPSS，以及其应用情况。

什么是电力系统仿真

在对电力系统进行研究和开展工程实践的过程中，我们往往不能直接对实际电力系统进行试验。常规的做法是建立电力系统的模型，尽可能准确地反映电力系统的特性，通过在该模型上进行实验，间接地研究实际电力系统的运行规律。这就是电力系统仿真技术。

一般来说，仿真包含物理仿真（又称实物仿真）和数字仿真。物理仿真以相似性原理为理论基础，需要搭建实际系统的实物模型。数字仿真是用数学模型在数字计算机上进行实验和研究的过程。对于复杂的电力系统来说，搭建实物模型极其困难。因此，对于电力系统研究而言，数字仿真具有非常关键的作用和意义（若无特殊说明，文中提及的仿真均指数字仿真）。

根据复现的电力系统动/静态特性，电力系统数字仿真可分为稳态仿真和时域暂态仿真。根据所描述的动态过程的时间尺度不同，时域仿真又可分为3类，即中长期动态过程仿真、机电暂态仿真、电磁暂态仿真。中长期动态过程仿真主要模拟秒级以上的慢动态过程，机电暂态仿真主要模拟毫秒级动态过程，而电磁暂态仿真则可以模拟微秒级动态过程。

精细仿真对大规模

新型电力系统有何重要性

随着关注的动态时间尺度缩小，仿真模型越来越精细、结果反映的系统特性越来越丰富。对于新型电力系统，精细仿真是不可缺少的研究工具。

新型电力系统中新能源发电设备正逐步替代传统同步发电机。这些新能源发电通过电力电子设备并网，并通过交直流电网远距离输送电能。新型电力系统的动态特性受到电力电子装置快速控制和开关离散动作过程的影响，无法采用传统中长期动态仿真和机电暂态仿真准确刻画。因此，研究新型电力系统稳定性机理和故障防御策略，需要采用精细的微秒级电磁暂态模型和仿真工具。

新型电力系统电磁暂态

仿真模型的规模到底有多大

新型电力系统的状态时空耦合性强，除了不同时间常数的动态可能相互影响，不同地域的状态量也可能相互影响，因为送受端的电气量已由直流输电系统紧密关联。因此，我们在进行新型电力系统分析时，需要对分布在广大地域范围内的大规模电力系统进行电磁暂态建模和仿真。在仿真领域，人们常将仿真工具能够处理的模型规模作为衡量仿真工具性能的重要指标之一。

在电力系统仿真中，一般用节点数来刻画仿真模型的规模。准确地估计仿真模型的规模对于计算资源配置、计算效率预估具有重要意义，同时也是评估仿真工具计算能力的重要依据。在电力系统机电暂态仿真中，节点指电流的汇聚点或支路的汇集点，并将三相母线定义为一个节点（即三相节点）。由此可见，机电暂态仿真的规模是一个空间的概念。机电暂态仿真模型一般通过微分-代数方程组来描述，其中微分方程用于描述发电机动态，代数方程则主要为节点电压方程；同时，传统交流系统中，发电机容量较大，系统中的发电机数量较少。因此，用节点电压方程的维数可以大致衡量电力系统模型的计算规模，即可以用三相节点数来大致衡量系统的规模。

然而，对于新型电力系统电磁暂态仿真，以三相电气节点数衡量系统规模会出现很大偏差。从模型来看，新型电力系统中包含大量的电力电子设备。电力电子设备具有复杂的内部电气拓扑结构，众多的内部支路形成了大量新的连接点，即新的节点。另外，电力电子设备的动态特性主要由其复杂的控制系统决定，而控制系统中的节点是各个控制环节的连接点。考虑到新型电力系统中电力电子设备的数量远超传统发电机的数量，且电力电子设备的控制也远比传统发电机的励磁和调速控制复杂，控制系统对计算资源的消耗甚至要远超电气网络计算所需的计算资源。特别是，连接在不同三相母线的电力电子设备及其控制系统的差别可能非常大，进而导致各个三相母线对应的方程数量差距非常大。考虑到三相电气节点数与仿真工具实际处理的方程数可能存在数量级差距，在电磁暂态仿真中不能再用三相电气节点数来衡量系统的计算规模。

为此，我们将新型电力系统电磁暂态仿真中的节点概念一般化，将其定义为电气拓扑或控制拓扑中的边相交的点。这种节点定义方式更加接近系统中方程的个数。在电力系统电磁暂态仿真节点的一般定义下，中国电网的电磁暂态仿真模型规模可达百万节点级别。以中国西北新能源发电送出基地为例，西北交直流输电网网架全电磁暂态仿真模型电气节点数约为10万单相节点；一个典型风力发电单元的平均化模型所含单相电气节点数量在50～100之间，控制节点数量在300～500之间；若用2000台风机等值接入我国西北电网的所有风电场，其整体电磁暂态仿真模型的电气节点总数可达20万～30万，控制节点总数可达60万～100万，总节点数将在80万～130万之间。若考虑全部新能源机组详细模型接入仿真，同时考虑受端华北、华中及华东电网联网的计算规模，其模型节点总数可达600万以上。

超大规模的新型电力系统

精细仿真面临哪些挑战

为满足新型电力系统发展需求，大规模电力系统的电磁暂态仿真技术需要不断突破技术瓶颈。新型电力系统的电磁暂态仿真在模型、算法、平台等方面都存在需要突破的技术难点（见图1）。在模型方面，传统全系统统一小步长建模难以平衡系统的仿真精度和计算规模。在算法方面，现有仿真工具都采用了定制化并行加速技术，但由于缺乏适配多类型异构处理器的能力，无法灵活高效地部署于超算平台，失去了快速提升算力和仿真效率的机会。在平台构建方面，现有仿真软件架构大多较为陈旧，与当前主流云计算和人工智能主导的数字化基础设施架构相去甚远，难以适应不断增长和演化的仿真应用需求。

  针对上述挑战，需要在以下3个方面提升现有电磁暂态仿真软件的能力：其一，发展先进的电磁暂态仿真建模理论，在保证精度的前提下，最大化消减超大规模新型电力系统电磁暂态仿真计算规模；其二，突破电磁暂态并行仿真技术，提出新的并行仿真建模理论、算法设计和自动代码生成方法，实现并行仿真软件高效适配多类型异构处理器和国产超算平台；其三，建设高性能超算云仿真平台，不仅要研发云原生架构的仿真引擎和管理工具，还要发展完善的仿真应用开发工具链，支持基于高性能仿真的智能决策应用敏捷开发和弹性部署。

面向新型电力系统的电磁暂态云

仿真平台CloudPSS研发实践

CloudPSS是面向新型电力系统的高性能电磁暂态云仿真平台，是笔者团队为突破超大规模新型电力系统精细仿真所进行的探索。

1.新型电力系统全电磁暂态多尺度融合建模和仿真方法

为充分考虑系统的多时间尺度特性，应针对交直流电网中各区域暂态过程时间尺度的差异，对各分区采用不同的建模方法和不同仿真步长（多速率）进行计算。为此，CloudPSS采用了全电磁暂态多尺度融合建模和仿真方法。首先，引入解析信号移频分析原理以改进传统电磁暂态建模理论，通过移频变换将系统中的高频信号转化为低频信号，从而实现大步长精确仿真。进一步，提出了多分区交直流电网混杂移频建模和多速率协同仿真方法，对多分区电网采用差异化移频参数和仿真步长，减少了全网仿真计算量；通过边界电气信号自适应移频变换和“内插值”同步，消除接口信号延时和高频能量损失。全电磁暂态多尺度融合建模和仿真的技术路线和分区建模示例如图2所示。与现有国际主流的电磁暂态仿真平台相比，CloudPSS在建模仿真方法方面具有领先优势（见表1）。

2.面向异构处理器和超算的大规模电磁暂态并行仿真算法

一方面，现有仿真工具虽都采用并行加速技术，但因缺乏适配多类型异构处理器的能力，无法灵活高效地部署于超算平台，难以快速提升算力和仿真效率。另一方面，现有仿真软件基本都基于x86架构的处理器开展系统级电磁暂态并行仿真，部分实时仿真软件采用现场可编程门阵列（FPGA）设备级并行仿真，而这些仿真软件底层硬件平台长期依赖进口芯片，无形之中进一步强化了国外技术装备的垄断地位。由此可见，突破电磁暂态并行仿真的自动代码生成、计算资源优化映射和调度技术，在国产处理器和超算平台上实现高性能仿真，是实现新型电力系统关键技术自主可控发展的必由之路。为此，CloudPSS提出了适用于多类型处理器的电磁暂态仿真算法。

CloudPSS设计了兼容不同架构计算设备（例如x86、ARM、CUDA等）的通用电磁暂态仿真算法，并针对国产超算平台（如海光、神威等）做了深度优化适配（见图3）。为自动兼容不同架构的处理器，CloudPSS通过构建自动代码生成器，将用户搭建的仿真模型自动转换为用基本计算单元描述的计算图模型，再结合不同类型处理器的并行计算特性，自动配置计算资源，采用合适的并行计算策略加速大规模电磁暂态仿真计算，最终自动生成相应平台上的计算程序并执行。与现有国际主流的电磁暂态仿真平台相比，CloudPSS在并行仿真方法方面具有领先优势（见表2）。

3.开放式高性能超算云仿真平台实现和应用支撑技术

在电磁暂态仿真平台建设方面，现有仿真软件体系架构较为陈旧，与当前主流云计算和人工智能主导的数字化基础设施架构相去甚远，难以适应不断增长和快速演化的仿真应用需求。现有电磁暂态仿真软件大多起步于20世纪90年代，主要面向个人用户，在通用个人计算机（PC）或特定的计算服务器上运行，以假想案例研究为主要形式，是一种高级的个人研究工具。然而，当今世界的主流软件，大多已迁移到云计算基础设施，按照原生云架构设计，提供多形态数字化服务形式，通过不断衍生高价值的App来满足海量、多样的用户需求。虽然，也有一些仿真工具被移植到云计算环境中，但其计算内核存在大量的遗留代码，在计算任务调度、资源管理、应用开发和部署等环节中暴露出不兼容、不适应、不敏捷等弱点，限制了高性能仿真及其应用水平的提升。为了将高性能仿真模型、算法和软件转化为对新型电力系统的分析决策能力，还需要面向云计算架构，设计和研发超算云仿真平台，实现仿真驱动应用的敏捷开发和弹性部署。为此，CloudPSS提出了开放式高性能超算云仿真平台实现和应用支撑技术。

CloudPSS的开放式高性能超算云仿真平台，包括建模仿真平台、仿真应用调度平台和硬件计算资源三大部分（见图4）。其中，前端建模仿真平台为Web应用，提供了图形化的模型构建、仿真设置和结果分析等功能。用户可在浏览器中直接使用，不需要安装其他软件。当用户发送仿真任务后，仿真任务会被发送至仿真应用调度平台进行解析。根据仿真任务的不同，调度平台会选择合适的计算资源，自动调用自动代码生成器生成仿真程序，并发送至具体的计算服务器完成计算。计算结果也会实时传回建模仿真平台，并以可视化的形式呈现给用户进行分析。与现有国际主流的电磁暂态仿真平台相比，CloudPSS在云仿真平台实现和应用支撑方面具有领先优势（见表3）。

CloudPSS平台的应用情况

目前，CloudPSS平台已在电网企业、国防科研单位、高校和科研院所等机构得到应用：应用于国网四川省电力有限公司、国网西藏电力有限公司、广西电网有限责任公司、国家电网有限公司华北分部调度控制中心、国家电网公司西北分部、广东电网有限责任公司电力调度控制中心等电网公司，以及国网宁夏电力有限公司电力科学研究院、国网新疆电力有限公司电力科学研究院、国网冀北电力有限公司电力科学研究院、国网江苏省电力公司电力科学研究院、广州供电局电力试验研究院等电力研究机构，提升了相关单位对交直流电网安全稳定分析和评估的能力；应用于中国船舶重工集团公司第七〇四研究所等单位，支撑了大型舰船综合电力系统的规划设计和控制策略闭环测试，改进了综合电力系统的多目标优化运行能力，满足了国防建设需求；应用于清华大学、华南理工大学、北京交通大学、中国农业大学、上海交通大学、华北电力大学等高校，推动了国产仿真平台在教育行业的应用，支撑了交直流互联系统基础教学体系建设。超大规模电网电磁暂态仿真测试如图5所示。

  总体来看，CloudPSS平台具有三大应用方向（见图6）：其一，应用于交直流电网优化规划和安全评估、大规模新能源并网设计和优化调控，以及海量电力电子设备互动和稳定机理研究等领域，支撑新型电力系统的规划设计、实验检测、安全评估、优化调控等关键业务，提升我国新型电力系统低碳、经济和安全运行水平；其二，应用于电气设备创新研发和制造企业，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；其三，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。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2023年1月刊。

专家简介   沈沉：教授，清华大学学位委员会委员，清华大学电机系学位评定分委员会主席，清华四川能源互联网研究院数字化研究中心主任，能源电力系统数字孪生研究所所长。

陈颖：研究员，清华四川能源互联网研究院能源电力系统数字孪生研究所副所长。

黄少伟：副研究员，清华四川能源互联网研究院能源电力系统数字孪生研究所副所长。

于智同：清华四川能源互联网研究院能源电力系统数字孪生研究所所长助理。

宋炎侃：清华四川能源互联网研究院能源电力系统数字孪生研究所总工程师。

高仕林：清华大学电机系博士研究生。

编辑：黄飞