人勤春来早：国家电网仿真中心引领电力系统安全运行新篇章
春天来得早，人们很勤劳。此刻，在神州大地上，生产劳作的“快进键”被按下。在田地间，春耕和春灌的景象十分繁忙；在工厂里，机器发出轰鸣声响，灯火明亮。此刻，在北京市海淀区的国家电网有限公司仿真中心（即“仿真中心”）的四楼里面，电磁暂态仿真计算正以全速在运行着。一排排机柜有节奏地闪烁着灯光，就像在“呼吸”一样，守护着电网。
最近入选“2023 年度央企十大国之重器”的是国产化大型电力系统电磁暂态仿真技术及平台。它的作用在于，凭借它，全球电压等级最高、规模最大、结构最复杂且清洁能源发展最快的中国电网，多年来始终保持着最长的安全运行纪录。
告别“仿不了”
电网设计是否存在缺陷呢？系统究竟稳不稳定呢？如果提前开展电网仿真分析，这就是作出判断的最为有效的一种手段。
以前的机电暂态仿真方法无法准确模拟这些设备的快速响应和复杂控制特性。
用何种技术来替代呢？那已经在局部电网中成功应用的电磁暂态仿真技术行不行呢？一连串的疑问一直在仿真中心数模混合仿真研究室主任朱艺颖的脑海中萦绕着。
当时，仿真领域的专家普遍持有这样的观点：电磁暂态的仿真步长比较小，计算效率偏低，建模也较为复杂，从根本上来说是无法对大规模的实际电网进行仿真的。
朱艺颖不太相信邪。她带领着一群年龄在 30 岁左右的科研人员。她下定决心一定要攻克这个“山头”。
随着时间不断推进，研发团队首先攻克了大电网仿真数值计算方面的难关，接着又攻克了并行解耦算法的难关，还攻克了分散同步数模混合仿真技术等难关。同时，研发团队研发出了指定潮流自动构建技术以及数据通信传输等技术。尤其值得一提的是，研发团队突破了极为重要的 50 微秒步长实时仿真技术。
50 微秒的实时仿真步长意味着，在 1 秒钟的时间里，系统需要对华东电网的 6000 个节点进行计算。并且这种计算的次数达到 20000 次。朱艺颖对此进行了解释。
每一个 CPU 内核需要完成自身的任务，同时要与其他 CPU 内核进行数据交互，并且还要完成与外接物理装置上万路信号的交互，并且计算速度必须和实际物理过程保持同步。在朱艺颖看来，这就如同让数字电网具备“凌波微步”般的能力。
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2017 年的一个夏夜，仿真中心实验室灯火通明。几百个 CPU 内核在飞速运转，几万路信号在实时交互。当看到故障仿真模型的仿真结果与实际波形几乎重合时，现场爆发出了热烈的欢呼声。这意味着，包含 11 回直流的华东区域电网首次实现了精准的电磁暂态实时仿真，大电网被成功仿出来了。
破解“仿不准”
精准的模型对于获得准确的仿真结果是不可或缺的。研发团队在攻克了大电网实时仿真这一难题之后，发现仿真结果与电网实际运行情况之间存在着较大的差异，并且“仿不准”的问题逐渐变得明显起来。
造成“仿不准”的原因是什么？
仿真中心数字混合仿真研究室主任张星向记者介绍，仿真建模涵盖了直流输电工程以及新能源机组等诸多环节。因为技术和商业方面的考量，设备厂商把相关设备参数当作“独门绝技”，不肯提供设备的相关参数以及控制逻辑。基于此限制，研发团队仅能依照经典控制理论来进行建模。
这会使得搭建的模型仅仅能够从片面的角度反映控制器的部分性能指标，不能够全面地复现控制器的响应特性。张星把这个过程比喻成“盲人摸象”。
而且，情况正逐渐变得更为复杂。因为电网工程所涉及的设备厂家数量众多，伴随新的电网工程开始建设，仿真结果的准确性就更难以得到保障了。
面对这一难以跨越的鸿沟，研发人员苦思解决方案。
拿到数据的可能性非常小。那么，能否像安卓开放系统那样，让厂家自行对数据进行封装并建好模型呢？平台只需开放接口，然后将其像安装 App 一样安装进来呢？张星进行了大胆的设想。
在国家电力调度控制中心的统筹下，大家很快达成了共识。
研发团队在仿真平台设置了开放化接口，接着让厂家为自己的设备进行建模，待实现模型和设备 1∶1 克隆之后，再将其“安装”到仿真平台上。
朱艺颖说，这就如同厂家直接给予“菜品”，然而配方却处于保密状态。同时她还表示，我们同样能够将各家的“菜品”进行综合，从而做出“满汉全席”。
这样做既能够保护厂家的知识产权，又可以实现对控制逻辑的精准仿真。
南瑞、许继等众多直流、新能源设备厂商全力支持，历时 3 年多，仿真中心建成了电磁暂态仿真平台的模型库，从而解决了复杂控制保护设备“仿不准”这一难题。
实现“仿得快”
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“仿不准”解决了，“仿不快”又成为新问题。
以前仅用单机串行模式就能够满足仿真计算的要求。如今，随着计算量呈指数级增长，这种模式所能提供的算力变得非常有限，显得捉襟见肘。李亚楼表示，以往完成单个省级电网的仿真模拟，都需要以“天”作为时间单位，而要实现全国规模的电网仿真，所花费的时间还会更长。
工作效率必须提高！当一项任务的工作量过大时，能够将其拆分给多个人去做。同样的道理，要是仿真计算量过于庞大，就可以把它交给服务器集群来进行处理。基于此，张星提出了建设我国电力系统首个超算中心的设想。
那时，国内存在成熟的商用超算中心的案例。然而，在电力系统方面，却没有专用的超算中心。无论是从硬件架构的设计，还是到软件系统的开发，都没有可以遵循的经验。
研发团队对 CPU 选型进行梳理，对数据网络交互方式进行处理，对 CPU 冷却方案进行考量，对软硬件融合可行性进行研究，对计算适配性进行评估……一项一项地去做，一件一件地去完成。
4 家国内主流厂商以及 10 多个解决方案，都被我们进行了反复的比较和来回的测试。张星回忆说，当时并没有直接可以使用的方案，于是大家一起集思广益，和供应商一同进行二次开发，持续对其进行改进，不断使其完善，逐个满足大电网高效仿真的特殊需求。
测评对比、计算验证、系统联调……解决方案终于确定下来。
硬件具备了，然而它性能的发掘还得依赖软件。张星进行了这样的比喻：“就好像再有力量的肌肉，如果没有神经系统来指挥，那也是没有任何用处的。”
研发团队在方案选型开始的时候，就开始用心打造以超算为基础的仿真云计算架构。他们充分把数万个 CPU 核的计算潜力挖掘出来。通过“软硬兼施”的方式，成功地搭建起了仿真平台专用的超算中心。
如今，仿真平台在国家电网已实现全面应用。张星自豪地表示：过去扫描分析主网架 2.6 万条线路以及 1.8 万台变压器的安全风险，需要花费 10 天多的时间。而现在，仅需不到 5 分钟的时间。
电力系统不断朝着高比例可再生能源、高比例电力电子设备的方向发展，在此过程中，其系统的复杂程度在不断提升，对控制响应速度的要求也在快速提高。
全国大电网是一个系统，这个系统牵一发就会动全身。能源保障和安全是非常重要的，是一刻都不能被忽视的“国之大者”。研发团队负责人郭强表示，他是中国电力科学研究院的副院长。他说团队将以坚韧的“十年磨一剑”的精神，心无杂念地去攻克困难，为提升国家能源安全和保障能力作出更突出的贡献。
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