仿出中国大电网

发布时间:2024-05-18 21:55:15 来源: sp20240518

原标题:仿出中国大电网

人勤春来早。眼下,神州大地按下了生产劳作的“快进键”。田地间,春耕春灌一派繁忙;工厂里,机器轰鸣灯火通明。

此时此刻,位于北京市海淀区的国家电网有限公司仿真中心(以下简称“仿真中心”)四楼内,电磁暂态仿真计算正在全速运行。一排排机柜有节奏地闪烁着灯光,犹如“呼吸”一般守护着电网。

这就是最近入选“2023年度央企十大国之重器”的国产化大型电力系统电磁暂态仿真技术及平台。依靠它,全球电压等级最高、规模最大、结构最复杂、清洁能源发展最快的中国电网,多年来一直保持着最长的安全运行纪录。

告别“仿不了”

电网设计是否有缺陷?系统到底稳不稳定?提前开展电网仿真分析,是作出判断的最有效手段。

“2010年,随着特高压直流输电工程加速建设,我们原有的仿真方法不太灵了!”仿真中心副主任李亚楼告诉科技日报记者,究其原因,主要是新入网的设备富含各种电力电子器件,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。

用什么技术替代?已成功用于局部电网的电磁暂态仿真技术行不行?一个个疑问萦绕在仿真中心数模混合仿真研究室主任朱艺颖的脑海里。

当时,仿真领域专家普遍认为,电磁暂态仿真步长小、计算效率低、建模复杂,根本无法仿真大规模实际电网。

朱艺颖偏“不信邪”。她带领一群30岁出头的科研人员,下定决心要攻下这个“山头”。

随着时间的推移,研发团队先后攻克了大电网仿真数值计算方法、并行解耦算法、分散同步数模混合仿真技术等难关,研发出指定潮流自动构建和数据通信传输等技术,尤其是突破了至关重要的50微秒步长实时仿真技术。

“50微秒的实时仿真步长意味着,系统要在1秒钟内对华东电网6000个节点进行20000次计算。”朱艺颖解释。

“每一个CPU内核既要完成自己的任务,又要与其他CPU内核交互数据,还要完成与外接物理装置上万路信号的交互,且计算速度必须跟实际物理过程同步。”在朱艺颖看来,这好比让数字电网练就“凌波微步”。

2017年的一个夏夜,仿真中心实验室里灯火通明,几百个CPU内核飞速运转,几万路信号实时交互。当看到故障仿真模型仿真结果与实际波形几乎重合时,现场爆发出热烈的欢呼声——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,大电网被仿出来了!

破解“仿不准”

准确的仿真结果离不开精准的模型。在啃下大电网实时仿真这块“硬骨头”后,研发团队发现,仿真结果和电网实际运行情况仍存在较大差异,“仿不准”问题日益凸显。

造成“仿不准”的原因是什么?

时任仿真中心数字混合仿真研究室主任张星告诉记者,仿真建模涉及直流输电工程、新能源机组等多个环节,出于技术与商业的考虑,设备厂商将有关设备参数视为“独门绝技”,不愿意提供设备相关参数和控制逻辑。受限于此,研发团队只能参照经典控制理论进行建模。

“这会导致搭建的模型只能片面反映控制器的一部分性能指标,无法完整复现控制器的响应特性。”张星将此过程形容为“盲人摸象”。

而且,情况还在变得越来越复杂。由于电网工程涉及的设备厂家数量繁多,随着新的电网工程建设,仿真结果的准确性更加难以保证。

面对这一难以跨越的鸿沟,研发人员苦思解决方案。

“拿到数据的可能性微乎其微。那么,可不可以像安卓开放系统一样,让厂家自己封装数据建好模型,平台只需开放接口,将其像App一样安装进来?”张星大胆设想。

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开放化接口,让厂家给自己的设备建模,实现模型和设备1∶1克隆后,再“安装”到仿真平台上来。

“这就好比厂家直接提供‘菜品’,配方却是保密的。”朱艺颖说,“而我们一样可以综合各家的‘菜品’,做出‘满汉全席’来。”

这样一来,既保护了厂家的知识产权,又实现了对控制逻辑的精确仿真。

在南瑞、许继等众多直流、新能源设备厂商的全力支持下,历时3年多,仿真中心终于建成了电磁暂态仿真平台的模型库,解决了复杂控制保护设备“仿不准”这一难题。

实现“仿得快”

“仿不准”解决了,“仿不快”又成为新问题。

“以前采用单机串行模式就能满足仿真计算要求,现在随着计算量指数级增长,这种模式提供的算力捉襟见肘。”李亚楼说,以往完成单个省级电网的仿真模拟,都要以“天”为单位,要实现全国规模的电网仿真,时间还会更长。

必须提高工作效率!“一项任务工作量太大时,可以拆分给多个人来干。同理,仿真计算量太大,那就交给服务器集群来处理。”张星就此提出了建设我国电力系统首个超算中心的设想。

彼时,国内虽有成熟的商用超算中心案例,但电力系统尚无专用的超算中心。从硬件架构设计到软件系统开发,都无经验可循。

CPU选型、数据网络交互方式、CPU冷却方案、软硬件融合可行性、计算适配性……研发团队一项一项理、一件一件干。

“4家国内主流厂商、10多个解决方案,被我们反复比较、来回测试。”张星回忆道,没有直接可用的方案,大家就集思广益,与供应商一起进行二次开发,持续改进、不断完善,逐一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。

硬件有了,但其性能的挖掘还得靠软件。张星比喻道:“犹如再强健的肌肉,如果没有神经系统指挥,那也毫无用处。”

在方案选型伊始,研发团队就潜心打造基于超算的仿真云计算架构,充分挖掘数万个CPU核的计算潜力,“软硬兼施”成功搭建出仿真平台专用超算中心。

如今,仿真平台已在国家电网得到全面应用。张星自豪地说:“过去,扫描分析主网架2.6万条线路、1.8万台变压器的安全风险,需耗时10天以上,现在只要不到5分钟。”

随着电力系统不断向高比例可再生能源、高比例电力电子设备的发展方向演变,其系统的复杂程度、对控制响应速度的要求都在快速上升。

“全国大电网是一个牵一发而动全身的系统,能源保障和安全是须臾不可忽视的‘国之大者’。”研发团队负责人、中国电力科学研究院副院长郭强表示,“团队将以‘十年磨一剑’的韧劲,心无旁骛攻坚克难,为提高国家能源安全和保障能力作出更大贡献!”

(责编:杨曦、陈键)