5800個(gè)工況、8萬余次仿真計(jì)算，保障了張北柔直工程順利投產(chǎn)和高質(zhì)量服務(wù)北京冬奧會(huì)綠電供應(yīng)；上百種方式、近500種交直流故障組合仿真分析，讓白鶴灘的清潔電能7毫秒閃送至華東；150萬千米線路、10萬個(gè)三相節(jié)點(diǎn)，無數(shù)次精密計(jì)算和仿真試驗(yàn)保障國家電網(wǎng)骨干電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行……

這就是入選“2023年度央企十大國之重器”榜單的超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真技術(shù)及平臺。多年來，結(jié)合我國大電網(wǎng)發(fā)展實(shí)際，國家電網(wǎng)有限公司持續(xù)開展電力系統(tǒng)仿真技術(shù)原創(chuàng)性研究，研發(fā)超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺，并推動(dòng)仿真研究成果實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，全力支撐新型電力系統(tǒng)建設(shè)。

全電磁暫態(tài)仿真解決大電網(wǎng)精準(zhǔn)分析世界難題

仲夏時(shí)節(jié)，位于北京市海淀區(qū)的國家電網(wǎng)仿真中心，一排排機(jī)柜有節(jié)奏地閃爍著燈光，超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺正在全速運(yùn)行。

平臺前，國家電網(wǎng)仿真中心大電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真團(tuán)隊(duì)做好了軟硬件最后的測試準(zhǔn)備。國家電網(wǎng)公司各級調(diào)度計(jì)算分析人員立即協(xié)同開展電網(wǎng)迎峰度夏運(yùn)行方式仿真分析，精準(zhǔn)模擬大規(guī)模新能源基地接入和特高壓交直流重點(diǎn)工程在故障擾動(dòng)下的運(yùn)行特性，制訂保障大電網(wǎng)安全高效運(yùn)行的控制策略。

電力系統(tǒng)這一最復(fù)雜的人造動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，通過仿真計(jì)算，可以分析、掌握電網(wǎng)特性，為系統(tǒng)運(yùn)行提供決策支持。“像機(jī)電-電磁混合仿真、電磁暫態(tài)仿真，都是通過仿真手段來模擬電力系統(tǒng)運(yùn)行特性，進(jìn)而開展各種系統(tǒng)控制和故障模擬的試驗(yàn)和研究。”國家電網(wǎng)仿真中心副主任李亞樓說。

隨著電力電子設(shè)備在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度也不斷增加，傳統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真方法無法準(zhǔn)確模擬這些含電力電子器件設(shè)備的響應(yīng)和控制特性，支撐我國大電網(wǎng)安全運(yùn)行的仿真分析面臨“仿不了”“仿不準(zhǔn)”“仿不快”的世界級難題。

如何仿真大規(guī)模實(shí)際電網(wǎng)？2015年，國家電網(wǎng)公司黨組決定創(chuàng)新仿真分析工具，構(gòu)建新一代仿真平臺，全面提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析技術(shù)支撐能力。

同年，國家電網(wǎng)仿真中心成立。中國電科院依托國家863計(jì)劃課題“高滲透率間歇性能源的區(qū)域電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究和示范”，以及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于超大規(guī)模集成電路（VLSI）的電磁暫態(tài)多時(shí)間尺度實(shí)時(shí)仿真計(jì)算研究”深入開展相關(guān)研究。經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)取得了多項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新——

告別“仿不了”。研發(fā)團(tuán)隊(duì)將大電網(wǎng)仿真時(shí)間尺度由毫秒級變?yōu)槲⒚爰墸瑢?shí)現(xiàn)了含多回直流和高比例新能源的大規(guī)模電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真，攻克了現(xiàn)代大電網(wǎng)“仿不了”難題。

破解“仿不準(zhǔn)”。建成電磁暫態(tài)仿真平臺的模型庫，解決了復(fù)雜控制保護(hù)設(shè)備“仿不準(zhǔn)”難題。

實(shí)現(xiàn)“仿得快”。打造基于超算的仿真云計(jì)算架構(gòu)，充分挖掘數(shù)萬個(gè)CPU核的計(jì)算潛力，成功搭建仿真平臺專用超算平臺，徹底解決了大電網(wǎng)仿真“仿不快”難題。

目前，超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺仿真規(guī)模達(dá)到上萬節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對含多回直流和高比例新能源的大規(guī)模電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真，覆蓋了國家電網(wǎng)經(jīng)營區(qū)26個(gè)省（自治區(qū)、直轄市），輸電線路長度超過150萬千米，系統(tǒng)規(guī)模超過10萬個(gè)三相節(jié)點(diǎn)。

無論在北京西單辦公區(qū)，還是遠(yuǎn)在幾千里之外的新疆烏魯木齊，計(jì)算分析人員動(dòng)動(dòng)手指就可以提交計(jì)算任務(wù)，遠(yuǎn)程享受超算一流速度，開展機(jī)電暫態(tài)、機(jī)電-電磁混合、全電磁暫態(tài)仿真分析，大幅提升了電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行專業(yè)的仿真計(jì)算能力。

“超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺相當(dāng)于電力系統(tǒng)的‘作戰(zhàn)沙盤’，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(fēng)險(xiǎn)，需耗時(shí)10天以上，現(xiàn)在只要不到5分鐘。”仿真平臺技術(shù)負(fù)責(zé)人、中國電科院副院長郭強(qiáng)說。

團(tuán)隊(duì)協(xié)作攻克50微秒實(shí)時(shí)仿真步長

5月28日，利用超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺，國網(wǎng)西藏電科院系統(tǒng)室主管許江波模擬西藏電網(wǎng)晚高峰運(yùn)行場景，通過接入構(gòu)網(wǎng)型儲能設(shè)備的全電磁暫態(tài)模型，分析該區(qū)域電網(wǎng)特定運(yùn)行場景下的安全穩(wěn)定特性。

全電磁暫態(tài)仿真建模需要將大電網(wǎng)仿真時(shí)間尺度細(xì)化至微秒級，其中至關(guān)重要的是攻克50微秒步長實(shí)時(shí)仿真技術(shù)。

研究是漫長而枯燥的，考驗(yàn)著每一位研究人員的信心和耐心。當(dāng)仿真步長越小時(shí)，仿真模型越準(zhǔn)確。為攻克50微秒實(shí)時(shí)仿真步長的問題，他們用了2年的時(shí)間。

“50微秒的實(shí)時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行20000次計(jì)算。”國家電網(wǎng)仿真中心副總工程師、數(shù)模混合仿真研究室主任朱藝穎解釋，這好比讓數(shù)字電網(wǎng)練就“凌波微步”，“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路信號的交互，且計(jì)算速度必須跟實(shí)際物理過程同步。”

經(jīng)過不斷探索和論證，科研團(tuán)隊(duì)在50微秒實(shí)時(shí)仿真步長技術(shù)方向開展攻關(guān)，先后攻克模型算法、數(shù)值穩(wěn)定、計(jì)算技術(shù)及平臺架構(gòu)等技術(shù)難點(diǎn)。

2017年，團(tuán)隊(duì)在華東區(qū)域電網(wǎng)開展了故障反演試驗(yàn)，現(xiàn)場幾萬路信號實(shí)時(shí)交互，故障仿真模型仿真結(jié)果與實(shí)際波形幾乎重合，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，50微秒實(shí)時(shí)仿真步長在大電網(wǎng)仿真中實(shí)現(xiàn)。

實(shí)踐應(yīng)用保障重點(diǎn)工程可靠運(yùn)行

“直流短路接地試驗(yàn)開始，仿真啟動(dòng)20秒后單極直流線路接地短路故障觸發(fā)。”5月22日，朱藝穎下達(dá)操作指令，利用超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺開展±800千伏白鶴灘—江蘇特高壓直流輸電線路工程輸電能力分析試驗(yàn)。

“從2022年3月至今，我們針對該工程開展了上萬次交直流故障的混合仿真計(jì)算，全面測試系統(tǒng)安全穩(wěn)定特性。”仿真分析工程師卓谷穎說。

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。2017年以來，利用超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺對公司在建和擬建的重點(diǎn)輸電工程開展了大量詳細(xì)的仿真計(jì)算，先后完成控制策略驗(yàn)證、輸電能力分析、振蕩抑制策略制訂等一系列技術(shù)攻關(guān)，為重點(diǎn)工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的研究平臺。

2022年，計(jì)算分析人員開展了張北柔直工程構(gòu)網(wǎng)型開環(huán)控制策略、低頻阻尼附加控制等振蕩抑制策略的系統(tǒng)校核和交流保護(hù)校核，推動(dòng)了振蕩抑制策略的現(xiàn)場實(shí)施，完成了千萬千瓦級清潔能源發(fā)電經(jīng)特高壓柔直外送系統(tǒng)的建模及穿越故障仿真，支撐藏東南清潔能源外送技術(shù)方案研究。2023年11月以來，針對構(gòu)網(wǎng)型儲能接入西藏電網(wǎng)的穩(wěn)定特性開展了前期分析，出具運(yùn)行策略，開展了中廣核阿里“零碳”光儲熱電示范項(xiàng)目試驗(yàn)反演工作，復(fù)現(xiàn)了儲能電站發(fā)生的寬頻振蕩現(xiàn)象，為構(gòu)網(wǎng)型儲能性能優(yōu)化和運(yùn)行控制提供了支撐。

目前，超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺已實(shí)現(xiàn)國家電網(wǎng)全部骨干網(wǎng)架的微秒級電磁暫態(tài)仿真。

“雙碳”目標(biāo)下，新型電力系統(tǒng)建設(shè)加速推進(jìn)，復(fù)雜電力電子設(shè)備大規(guī)模接入電網(wǎng)，我國能源電力形態(tài)正發(fā)生深刻變化。面對新形勢新挑戰(zhàn)，需要超大型電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真平臺發(fā)揮更大作用，開展多時(shí)間尺度、多運(yùn)行方式、多典型場景的仿真分析，支撐新型電力系統(tǒng)科學(xué)構(gòu)建和安全運(yùn)行。