人勤春來(lái)早。眼下，神州大地按下了生產(chǎn)勞作的“快進(jìn)鍵”。田地間，春耕春灌一派繁忙；工廠里，機(jī)器轟鳴燈火通明。
此時(shí)此刻，位于北京市海淀區(qū)的國(guó)家電網(wǎng)有限公司仿真中心（以下簡(jiǎn)稱“仿真中心”）四樓內(nèi)，電磁暫態(tài)仿真計(jì)算正在全速運(yùn)行。一排排機(jī)柜有節(jié)奏地閃爍著燈光，猶如“呼吸”一般守護(hù)著電網(wǎng)。
這就是最近入選“2023年度央企十大國(guó)之重器”的國(guó)產(chǎn)化大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真技術(shù)及平臺(tái)。依靠它，全球電壓等級(jí)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(guó)電網(wǎng)，多年來(lái)一直保持著最長(zhǎng)的安全運(yùn)行紀(jì)錄。
告別“仿不了”
電網(wǎng)設(shè)計(jì)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?cè)械姆抡娣椒ú惶`了！”仿真中心副主任李亞樓告訴科技日?qǐng)?bào)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(jī)電暫態(tài)仿真方法無(wú)法準(zhǔn)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(gè)個(gè)疑問(wèn)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(dāng)時(shí)，仿真領(lǐng)域?qū)＜移毡檎J(rèn)為，電磁暫態(tài)仿真步長(zhǎng)小、計(jì)算效率低、建模復(fù)雜，根本無(wú)法仿真大規(guī)模實(shí)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(gè)“山頭”。
隨著時(shí)間的推移，研發(fā)團(tuán)隊(duì)先后攻克了大電網(wǎng)仿真數(shù)值計(jì)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(dòng)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(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)。
“50微秒的實(shí)時(shí)仿真步長(zhǎng)意味著，系統(tǒng)要在1秒鐘內(nèi)對(duì)華東電網(wǎng)6000個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行20000次計(jì)算。”朱藝穎解釋。
“每一個(gè)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(wàn)路信號(hào)的交互，且計(jì)算速度必須跟實(shí)際物理過(guò)程同步。”在朱藝穎看來(lái)，這好比讓數(shù)字電網(wǎng)練就“凌波微步”。
2017年的一個(gè)夏夜，仿真中心實(shí)驗(yàn)室里燈火通明，幾百個(gè)CPU內(nèi)核飛速運(yùn)轉(zhuǎn)，幾萬(wàn)路信號(hào)實(shí)時(shí)交互。當(dāng)看到故障仿真模型仿真結(jié)果與實(shí)際波形幾乎重合時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真，大電網(wǎng)被仿出來(lái)了！
破解“仿不準(zhǔn)”
準(zhǔn)確的仿真結(jié)果離不開精準(zhǔn)的模型。在啃下大電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真這塊“硬骨頭”后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果和電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況仍存在較大差異，“仿不準(zhǔn)”問(wèn)題日益凸顯。
造成“仿不準(zhǔn)”的原因是什么？
時(shí)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(jī)組等多個(gè)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(dú)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(tuán)隊(duì)只能參照經(jīng)典控制理論進(jìn)行建模。
“這會(huì)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(biāo)，無(wú)法完整復(fù)現(xiàn)控制器的響應(yīng)特性?！睆埿菍⒋诉^(guò)程形容為“盲人摸象”。
而且，情況還在變得越來(lái)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(zhǔn)確性更加難以保證。
面對(duì)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(tái)只需開放接口，將其像App一樣安裝進(jìn)來(lái)？”張星大膽設(shè)想。
在國(guó)家電力調(diào)度控制中心的統(tǒng)籌下，大家很快達(dá)成了共識(shí)。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)在仿真平臺(tái)設(shè)置開放化接口，讓廠家給自己的設(shè)備建模，實(shí)現(xiàn)模型和設(shè)備1∶1克隆后，再“安裝”到仿真平臺(tái)上來(lái)。
“這就好比廠家直接提供‘菜品’，配方卻是保密的?！敝焖嚪f說(shuō)，“而我們一樣可以綜合各家的‘菜品’，做出‘滿漢全席’來(lái)?！?/p>
這樣一來(lái)，既保護(hù)了廠家的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shí)3年多，仿真中心終于建成了電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)的模型庫(kù)，解決了復(fù)雜控制保護(hù)設(shè)備“仿不準(zhǔn)”這一難題。
實(shí)現(xiàn)“仿得快”
“仿不準(zhǔn)”解決了，“仿不快”又成為新問(wèn)題。
“以前采用單機(jī)串行模式就能滿足仿真計(jì)算要求，現(xiàn)在隨著計(jì)算量指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這種模式提供的算力捉襟見肘。”李亞樓說(shuō)，以往完成單個(gè)省級(jí)電網(wǎng)的仿真模擬，都要以“天”為單位，要實(shí)現(xiàn)全國(guó)規(guī)模的電網(wǎng)仿真，時(shí)間還會(huì)更長(zhǎng)。
必須提高工作效率！“一項(xiàng)任務(wù)工作量太大時(shí)，可以拆分給多個(gè)人來(lái)干。同理，仿真計(jì)算量太大，那就交給服務(wù)器集群來(lái)處理?！睆埿蔷痛颂岢隽私ㄔO(shè)我國(guó)電力系統(tǒng)首個(gè)超算中心的設(shè)想。
彼時(shí)，國(guó)內(nèi)雖有成熟的商用超算中心案例，但電力系統(tǒng)尚無(wú)專用的超算中心。從硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)到軟件系統(tǒng)開發(fā)，都無(wú)經(jīng)驗(yàn)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(jì)算適配性……研發(fā)團(tuán)隊(duì)一項(xiàng)一項(xiàng)理、一件一件干。
“4家國(guó)內(nèi)主流廠商、10多個(gè)解決方案，被我們反復(fù)比較、來(lái)回測(cè)試。”張星回憶道，沒有直接可用的方案，大家就集思廣益，與供應(yīng)商一起進(jìn)行二次開發(fā)，持續(xù)改進(jìn)、不斷完善，逐一滿足大電網(wǎng)高效仿真的特殊需求。
測(cè)評(píng)對(duì)比、計(jì)算驗(yàn)證、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)……解決方案終于確定下來(lái)。
硬件有了，但其性能的挖掘還得靠軟件。張星比喻道：“猶如再?gòu)?qiáng)健的肌肉，如果沒有神經(jīng)系統(tǒng)指揮，那也毫無(wú)用處?！?/p>
在方案選型伊始，研發(fā)團(tuán)隊(duì)就潛心打造基于超算的仿真云計(jì)算架構(gòu)，充分挖掘數(shù)萬(wàn)個(gè)CPU核的計(jì)算潛力，“軟硬兼施”成功搭建出仿真平臺(tái)專用超算中心。
如今，仿真平臺(tái)已在國(guó)家電網(wǎng)得到全面應(yīng)用。張星自豪地說(shuō)：“過(guò)去，掃描分析主網(wǎng)架2.6萬(wàn)條線路、1.8萬(wàn)臺(tái)變壓器的安全風(fēng)險(xiǎn)，需耗時(shí)10天以上，現(xiàn)在只要不到5分鐘?！?/p>
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(duì)控制響應(yīng)速度的要求都在快速上升。
“全國(guó)大電網(wǎng)是一個(gè)牽一發(fā)而動(dòng)全身的系統(tǒng)，能源保障和安全是須臾不可忽視的‘國(guó)之大者’?！毖邪l(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中國(guó)電力科學(xué)研究院副院長(zhǎng)郭強(qiáng)表示，“團(tuán)隊(duì)將以‘十年磨一劍’的韌勁，心無(wú)旁騖攻堅(jiān)克難，為提高國(guó)家能源安全和保障能力作出更大貢獻(xiàn)！”
（作者：陳瑜 都芃)
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