仿出中國大電網(wǎng)

　人勤春來早。眼下，神州大地按下了生產(chǎn)勞作的“快進鍵”。田地間，春耕春灌一派繁忙；工廠里，機器轟鳴燈火通明。

　　此時此刻，位于北京市海淀區(qū)的國家電網(wǎng)有限公司仿真中心（以下簡稱“仿真中心”）四樓內(nèi)，電磁暫態(tài)仿真計算正在全速運行。一排排機柜有節(jié)奏地閃爍著燈光，猶如“呼吸”一般守護著電網(wǎng)。

　　這就是最近入選“2023年度央企十大國之重器”的國產(chǎn)化大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真技術(shù)及平臺。依靠它，全球電壓等級最高、規(guī)模最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、清潔能源發(fā)展最快的中國電網(wǎng)，多年來一直保持著最長的安全運行紀錄。

　　告別“仿不了”

　　電網(wǎng)設(shè)計是否有缺陷？系統(tǒng)到底穩(wěn)不穩(wěn)定？提前開展電網(wǎng)仿真分析，是作出判斷的最有效手段。

　　“2010年，隨著特高壓直流輸電工程加速建設(shè)，我們原有的仿真方法不太靈了！”仿真中心副主任李亞樓告訴科技日報記者，究其原因，主要是新入網(wǎng)的設(shè)備富含各種電力電子器件，以前的機電暫態(tài)仿真方法無法準確模擬這些設(shè)備的快速響應(yīng)和復(fù)雜控制特性。

　　用什么技術(shù)替代？已成功用于局部電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真技術(shù)行不行？一個個疑問縈繞在仿真中心數(shù)模混合仿真研究室主任朱藝穎的腦海里。

　　當時，仿真領(lǐng)域?qū)＜移毡檎J為，電磁暫態(tài)仿真步長小、計算效率低、建模復(fù)雜，根本無法仿真大規(guī)模實際電網(wǎng)。

　　朱藝穎偏“不信邪”。她帶領(lǐng)一群30歲出頭的科研人員，下定決心要攻下這個“山頭”。

　　隨著時間的推移，研發(fā)團隊先后攻克了大電網(wǎng)仿真數(shù)值計算方法、并行解耦算法、分散同步數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)等難關(guān)，研發(fā)出指定潮流自動構(gòu)建和數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)燃夹g(shù)，尤其是突破了至關(guān)重要的50微秒步長實時仿真技術(shù)。

　　“50微秒的實時仿真步長意味著，系統(tǒng)要在1秒鐘內(nèi)對華東電網(wǎng)6000個節(jié)點進行20000次計算。”朱藝穎解釋。

　　“每一個CPU內(nèi)核既要完成自己的任務(wù)，又要與其他CPU內(nèi)核交互數(shù)據(jù)，還要完成與外接物理裝置上萬路信號的交互，且計算速度必須跟實際物理過程同步?！痹谥焖嚪f看來，這好比讓數(shù)字電網(wǎng)練就“凌波微步”。

　　2017年的一個夏夜，仿真中心實驗室里燈火通明，幾百個CPU內(nèi)核飛速運轉(zhuǎn)，幾萬路信號實時交互。當看到故障仿真模型仿真結(jié)果與實際波形幾乎重合時，現(xiàn)場爆發(fā)出熱烈的歡呼聲——這意味著，包含11回直流的華東區(qū)域電網(wǎng)首次實現(xiàn)了精準的電磁暫態(tài)實時仿真，大電網(wǎng)被仿出來了！

　　破解“仿不準”

　　準確的仿真結(jié)果離不開精準的模型。在啃下大電網(wǎng)實時仿真這塊“硬骨頭”后，研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果和電網(wǎng)實際運行情況仍存在較大差異，“仿不準”問題日益凸顯。

　　造成“仿不準”的原因是什么？

　　時任仿真中心數(shù)字混合仿真研究室主任張星告訴記者，仿真建模涉及直流輸電工程、新能源機組等多個環(huán)節(jié)，出于技術(shù)與商業(yè)的考慮，設(shè)備廠商將有關(guān)設(shè)備參數(shù)視為“獨門絕技”，不愿意提供設(shè)備相關(guān)參數(shù)和控制邏輯。受限于此，研發(fā)團隊只能參照經(jīng)典控制理論進行建模。

　　“這會導(dǎo)致搭建的模型只能片面反映控制器的一部分性能指標，無法完整復(fù)現(xiàn)控制器的響應(yīng)特性?！睆埿菍⒋诉^程形容為“盲人摸象”。

　　而且，情況還在變得越來越復(fù)雜。由于電網(wǎng)工程涉及的設(shè)備廠家數(shù)量繁多，隨著新的電網(wǎng)工程建設(shè)，仿真結(jié)果的準確性更加難以保證。

　　面對這一難以跨越的鴻溝，研發(fā)人員苦思解決方案。

　　“拿到數(shù)據(jù)的可能性微乎其微。那么，可不可以像安卓開放系統(tǒng)一樣，讓廠家自己封裝數(shù)據(jù)建好模型，平臺只需開放接口，將其像App一樣安裝進來？”張星大膽設(shè)想。

　　在國家電力調(diào)度控制中心的統(tǒng)籌下，大家很快達成了共識。

　　研發(fā)團隊在仿真平臺設(shè)置開放化接口，讓廠家給自己的設(shè)備建模，實現(xiàn)模型和設(shè)備1∶1克隆后，再“安裝”到仿真平臺上來。

　　“這就好比廠家直接提供‘菜品’，配方卻是保密的?！敝焖嚪f說，“而我們一樣可以綜合各家的‘菜品’，做出‘滿漢全席’來。”

　　這樣一來，既保護了廠家的知識產(chǎn)權(quán)，又實現(xiàn)了對控制邏輯的精確仿真。

　　在南瑞、許繼等眾多直流、新能源設(shè)備廠商的全力支持下，歷時3年多，仿真中心終于建成了電磁暫態(tài)仿真平臺的模型庫，解決了復(fù)雜控制保護設(shè)備“仿不準”這一難題。

　　實現(xiàn)“仿得快”

　　“仿不準”解決了，“仿不快”又成為新問題。

　　“以前采用單機串行模式就能滿足仿真計算要求，現(xiàn)在隨著計算量指數(shù)級增長，這種模式提供的算力捉襟見肘?！崩顏啒钦f，以往完成單個省級電網(wǎng)的仿真模擬，都要以“天”為單位，要實現(xiàn)全國規(guī)模的電網(wǎng)仿真，時間還會更長。

　　必須提高工作效率！“一項任務(wù)工作量太大時，可以拆分給多個人來干。同理，仿真計算量太大，那就交給服務(wù)器集群來處理?！睆埿蔷痛颂岢隽私ㄔO(shè)我國電力系統(tǒng)首個超算中心的設(shè)想。

　　彼時，國內(nèi)雖有成熟的商用超算中心案例，但電力系統(tǒng)尚無專用的超算中心。從硬件架構(gòu)設(shè)計到軟件系統(tǒng)開發(fā)，都無經(jīng)驗可循。

　　CPU選型、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交互方式、CPU冷卻方案、軟硬件融合可行性、計算適配性……研發(fā)團隊一項一項理、一件一件干。

　　“4家國內(nèi)主流廠商、10多個解決方案，被我們反復(fù)比較、來回測試?！睆埿腔貞浀?，沒有直接可用的方案，大家就集思廣益，與供應(yīng)商一起進行二次開發(fā)，持續(xù)改進、不斷完善，逐一滿足大電網(wǎng)高效仿真的特殊需求。

　　測評對比、計算驗證、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)……解決方案終于確定下來。

　　硬件有了，但其性能的挖掘還得靠軟件。張星比喻道：“猶如再強健的肌肉，如果沒有神經(jīng)系統(tǒng)指揮，那也毫無用處。”

　　在方案選型伊始，研發(fā)團隊就潛心打造基于超算的仿真云計算架構(gòu)，充分挖掘數(shù)萬個CPU核的計算潛力，“軟硬兼施”成功搭建出仿真平臺專用超算中心。

　　如今，仿真平臺已在國家電網(wǎng)得到全面應(yīng)用。張星自豪地說：“過去，掃描分析主網(wǎng)架2.6萬條線路、1.8萬臺變壓器的安全風險，需耗時10天以上，現(xiàn)在只要不到5分鐘。”

　　隨著電力系統(tǒng)不斷向高比例可再生能源、高比例電力電子設(shè)備的發(fā)展方向演變，其系統(tǒng)的復(fù)雜程度、對控制響應(yīng)速度的要求都在快速上升。

　　“全國大電網(wǎng)是一個牽一發(fā)而動全身的系統(tǒng)，能源保障和安全是須臾不可忽視的‘國之大者’。”研發(fā)團隊負責人、中國電力科學(xué)研究院副院長郭強表示，“團隊將以‘十年磨一劍’的韌勁，心無旁騖攻堅克難，為提高國家能源安全和保障能力作出更大貢獻！”