國產化大型電力系統電磁暫態仿真技術及平臺攻關紀實

來源：科技日報 時間：2024-03-13 09:14

仿出中國大電網

——國產化大型電力系統電磁暫態仿真技術及平臺攻關紀實

　　人勤春來早。眼下，神州大地按下了生產勞作的“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，位于北京市海淀區的國家電網有限公司仿真中心（以下簡稱“仿真中心”）四樓內，電磁暫態仿真計算正在全速運行。一排排機柜有節奏地閃爍著燈光，猶如“呼吸”一般守護著電網。

　　這就是最近入選“2023年度央企十大國之重器”的國產化大型電力系統電磁暫態仿真技術及平臺。依靠它，全球電壓等級最高、規模最大、結構最復雜、清潔能源發展最快的中國電網，多年來一直保持著最長的安全運行紀錄。

告別“仿不了”

　　電網設計是否有缺陷？系統到底穩不穩定？提前開展電網仿真分析，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，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，主要是新入網的設備富含各種電力電子器件，以前的機電暫態仿真方法無法準確模擬這些設備的快速響應和復雜控制特性。

　　用什么技術替代？已成功用于局部電網的電磁暫態仿真技術行不行？一個個疑問縈繞在仿真中心數?；旌戏抡嫜芯渴抑魅沃焖嚪f的腦海里。

　　當時，仿真領域專家普遍認為，電磁暫態仿真步長小、計算效率低、建模復雜，根本無法仿真大規模實際電網。

　　朱藝穎偏“不信邪”。她帶領一群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，研發團隊先后攻克了大電網仿真數值計算方法、并行解耦算法、分散同步數?；旌戏抡婕夹g等難關，研發出指定潮流自動構建和數據通信傳輸等技術，尤其是突破了至關重要的50微秒步長實時仿真技術。

　　“50微秒的實時仿真步長意味著，系統要在1秒鐘內對華東電網6000個節點進行20000次計算?！敝焖嚪f解釋。

　　“每一個CPU內核既要完成自己的任務，又要與其他CPU內核交互數據，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，這好比讓數字電網練就“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內核飛速運轉，幾萬路信號實時交互。當看到故障仿真模型仿真結果與實際波形幾乎重合時，現場爆發出熱烈的歡呼聲——這意味著，包含11回直流的華東區域電網首次實現了精準的電磁暫態實時仿真，大電網被仿出來了！

破解“仿不準”

　　準確的仿真結果離不開精準的模型。在啃下大電網實時仿真這塊“硬骨頭”后，研發團隊發現，仿真結果和電網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節，出于技術與商業的考慮，設備廠商將有關設備參數視為“獨門絕技”，不愿意提供設備相關參數和控制邏輯。受限于此，研發團隊只能參照經典控制理論進行建模。

　　“這會導致搭建的模型只能片面反映控制器的一部分性能指標，無法完整復現控制器的響應特性?！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雜。由于電網工程涉及的設備廠家數量繁多，隨著新的電網工程建設，仿真結果的準確性更加難以保證。

　　面對這一難以跨越的鴻溝，研發人員苦思解決方案。

　　“拿到數據的可能性微乎其微。那么，可不可以像安卓開放系統一樣，讓廠家自己封裝數據建好模型，平臺只需開放接口，將其像App一樣安裝進來？”張星大膽設想。

　　在國家電力調度控制中心的統籌下，大家很快達成了共識。

　　研發團隊在仿真平臺設置開放化接口，讓廠家給自己的設備建模，實現模型和設備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?！?/p>

　　這樣一來，既保護了廠家的知識產權，又實現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仿真平臺的模型庫，解決了復雜控制保護設備“仿不準”這一難題。

實現“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，現在隨著計算量指數級增長，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的仿真模擬，都要以“天”為單位，要實現全國規模的電網仿真，時間還會更長。

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

　　彼時，國內雖有成熟的商用超算中心案例，但電力系統尚無專用的超算中心。從硬件架構設計到軟件系統開發，都無經驗可循。

　　CPU選型、數據網絡交互方式、CPU冷卻方案、軟硬件融合可行性、計算適配性……研發團隊一項一項理、一件一件干。

　　“4家國內主流廠商、10多個解決方案，被我們反復比較、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，與供應商一起進行二次開發，持續改進、不斷完善，逐一滿足大電網高效仿真的特殊需求。

　　測評對比、計算驗證、系統聯調……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，如果沒有神經系統指揮，那也毫無用處?！?/p>

　　在方案選型伊始，研發團隊就潛心打造基于超算的仿真云計算架構，充分挖掘數萬個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得到全面應用。張星自豪地說：“過去，掃描分析主網架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，現在只要不到5分鐘?！?/p>

　　隨著電力系統不斷向高比例可再生能源、高比例電力電子設備的發展方向演變，其系統的復雜程度、對控制響應速度的要求都在快速上升。

　　“全國大電網是一個牽一發而動全身的系統，能源保障和安全是須臾不可忽視的‘國之大者’?！毖邪l團隊負責人、中國電力科學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！”

責任編輯：閆弘旭