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人勤春來早。目前，大江南北按下生產(chǎn)制造勞作的“加速鍵”。農(nóng)田間，耕作春灌一派忙碌；廠子里，機(jī)器轟鳴燈火輝煌。

此刻，地處北京海淀區(qū)的國家電網(wǎng)有限公司模擬仿真核心（下稱“模擬仿真核心”）四樓內(nèi)，電磁感應(yīng)暫態(tài)過程仿真計(jì)算已經(jīng)飛速運(yùn)作。一排排網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜有節(jié)奏地閃耀著燈光效果，宛如“吸氣”一般保護(hù)著電力網(wǎng)。

這就是最近當(dāng)選“2023年度中央企業(yè)十大大國重器”的產(chǎn)業(yè)化大中型供電系統(tǒng)電磁感應(yīng)暫態(tài)過程模擬仿真及平臺(tái)。借助它，全世界額定電壓最大、最大、構(gòu)造最繁雜、清潔能源發(fā)展速度最快的國家電網(wǎng)，多年來一直一直保持著最多安全運(yùn)行記錄。

道別“仿不上”

電力網(wǎng)設(shè)計(jì)方案是不是有瑕疵？系統(tǒng)軟件究竟穩(wěn)不穩(wěn)？提早進(jìn)行電力網(wǎng)仿真分析，是進(jìn)行判斷的最有效方式。

“2010年，伴隨著特高壓直流輸電工程項(xiàng)目加速建設(shè)，大家原先的仿真方法不太靈了！”模擬仿真中心副主任李亞樓告知高新科技日?qǐng)?bào)記者，歸根結(jié)底，通常是新入網(wǎng)的機(jī)器含有各種各樣功率器件，之前的機(jī)電工程暫態(tài)過程仿真方法無法有效仿真模擬這些設(shè)備的快速反應(yīng)十分復(fù)雜控制特性。

用什么技術(shù)取代？已經(jīng)成功用以部分電網(wǎng)系統(tǒng)電磁感應(yīng)暫態(tài)過程模擬仿真可不可以？一個(gè)個(gè)疑惑索繞模擬仿真核心數(shù)學(xué)模型混和模擬仿真研究室主任朱藝穎的腦海中。

那時(shí)候，模擬仿真權(quán)威人物廣泛認(rèn)為，電磁感應(yīng)暫態(tài)過程模擬仿真步幅小、運(yùn)算效率低、模型繁雜，根本沒辦法模擬仿真規(guī)模性具體電力網(wǎng)。

朱藝穎偏“不信”。她帶領(lǐng)一群30歲出頭的科技人員，下定了決心占領(lǐng)這一“山上”。

隨著時(shí)間推移，研發(fā)部門依次攻克了大電網(wǎng)模擬仿真數(shù)值計(jì)算方法、并行處理耦合優(yōu)化算法、分散化同歩數(shù)學(xué)模型混和模擬仿真等困難，研制出特定時(shí)尚潮流自動(dòng)構(gòu)建和數(shù)據(jù)通訊傳送等新技術(shù)，特別是打破了非常重要的50分秒步幅實(shí)時(shí)仿真技術(shù)性。

“50微秒的實(shí)時(shí)仿真步幅代表著，系統(tǒng)軟件需在1秒鐘內(nèi)對(duì)華東電網(wǎng)6000個(gè)節(jié)點(diǎn)開展20000次測(cè)算?！敝焖嚪f表述。

“每一個(gè)CPU核心不僅完成自己每日任務(wù)，還得與其它CPU核心互動(dòng)數(shù)據(jù)信息，還需要完成與外置物理學(xué)設(shè)備過萬路數(shù)據(jù)信號(hào)的交互，且處理速度務(wù)必跟具體物理學(xué)過程同步。”在朱藝穎看起來，這如同讓數(shù)字電網(wǎng)練出“凌波微步”。

2017年的一個(gè)夏日，模擬仿真中心實(shí)驗(yàn)室里燈火輝煌，上百個(gè)CPU核心飛快運(yùn)行，幾萬元路數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)互動(dòng)。在看到常見故障模型設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際波型基本上重疊時(shí)，當(dāng)場迸發(fā)出熱烈歡笑聲——這就意味著，包括11回直流電的華東區(qū)域電力網(wǎng)首次實(shí)現(xiàn)了精確的電磁感應(yīng)暫態(tài)過程實(shí)時(shí)仿真，大電網(wǎng)被仿出來！

破譯“仿禁止”

精確的仿真數(shù)據(jù)離不了精確的實(shí)體模型。在啃下大電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真這方面“鋼刺”后，研發(fā)部門發(fā)覺，仿真數(shù)據(jù)和電力網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況仍存在較大差異，“仿禁止”難題日益突顯。

導(dǎo)致“仿禁止”是因?yàn)槭裁矗?/p>

當(dāng)時(shí)任職模擬仿真核心數(shù)據(jù)混和模擬仿真研究室主任張星介紹說，仿真建模涉及到直流輸電工程項(xiàng)目、新能源技術(shù)發(fā)電機(jī)組等環(huán)節(jié)，出自于技術(shù)性和商業(yè)考慮，設(shè)備廠家將有關(guān)運(yùn)行參數(shù)視作“獨(dú)門絕技”，不愿提供設(shè)備主要參數(shù)和控制邏輯。受制于此，研發(fā)部門只有參考經(jīng)典控制理論進(jìn)行建模。

“這將導(dǎo)致構(gòu)建的實(shí)體模型只有片面性體現(xiàn)控制系統(tǒng)的一部分性能參數(shù)，沒法詳細(xì)重現(xiàn)控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性。”張星將這一過程比喻為“瞎子摸象”。

并且，狀況仍在變得越來越復(fù)雜。因?yàn)殡娋W(wǎng)工程涉及到的設(shè)備生產(chǎn)廠家總數(shù)多種多樣，伴隨著一個(gè)新的電網(wǎng)工程基本建設(shè)，模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性更加難以確保。

面對(duì)這一無法超越的鴻溝，研發(fā)團(tuán)隊(duì)苦想解決方法。

“取得數(shù)據(jù)信息的概率幾乎為零。那樣，能不能像安卓系統(tǒng)開放式系統(tǒng)一樣，讓廠家自身封裝數(shù)據(jù)建好模型，服務(wù)平臺(tái)僅需開放接口，把它像App一樣組裝進(jìn)去？”張星敢于構(gòu)想。

在中國大唐調(diào)度控制中心的綜合下，大伙兒迅速達(dá)成一致。

研發(fā)部門在仿真平臺(tái)設(shè)定對(duì)外開放化插口，讓廠家給自己機(jī)器設(shè)備模型，實(shí)現(xiàn)模型及設(shè)備1∶1復(fù)制后，再“組裝”到仿真平臺(tái)上去。

“就好比廠家直供給予‘菜肴’，秘方則是保密?！敝焖嚪f說，“而我一樣可以綜合性每家的‘菜肴’，作出‘滿漢全席’來?！?/p>

這樣一來，既保護(hù)了生產(chǎn)廠家的專利權(quán)，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制邏輯的精確模擬仿真。

在南瑞、許繼等多個(gè)直流電、節(jié)能環(huán)保設(shè)備廠家的大力支持下，歷經(jīng)3年有余，模擬仿真核心總算建設(shè)了電磁感應(yīng)暫態(tài)過程仿真平臺(tái)的3d模型庫，克服了繁雜操縱保護(hù)設(shè)備“仿禁止”這一難題。

完成“仿的快”

“仿禁止”克服了，“仿不悅”又成為新的問題。

“之前選用單機(jī)版串行通信方式可以滿足仿真計(jì)算規(guī)定，后來隨著運(yùn)算量指數(shù)型增長，這個(gè)模式所提供的算率困窘?！崩顏啒钦f，過去進(jìn)行單獨(dú)省部級(jí)電網(wǎng)系統(tǒng)模擬，必須以“天”為基準(zhǔn)，想要實(shí)現(xiàn)全國各地體量的電力網(wǎng)模擬仿真，時(shí)間還會(huì)更長。

務(wù)必提高效率！“一項(xiàng)任務(wù)工作量太大時(shí)，能夠分割給多人來干。同樣，仿真計(jì)算量太大，那么就交到服務(wù)器集群去處理?！睆埿菑拇私o出了基本建設(shè)在我國供電系統(tǒng)第一個(gè)超算中心的規(guī)劃。

那時(shí)，中國雖有成熟的商業(yè)超算中心實(shí)例，但供電系統(tǒng)未有專用超算中心。從硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)到軟件系統(tǒng)開發(fā)，都無經(jīng)驗(yàn)可尋。

CPU型號(hào)選擇、移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交互技術(shù)、CPU制冷計(jì)劃方案、硬件軟件結(jié)合可行性分析、測(cè)算匹配性……研發(fā)部門一項(xiàng)一項(xiàng)理、一件一件干。

“4家國內(nèi)主流生產(chǎn)商、10好幾個(gè)解決方法，被不斷較為、往返檢測(cè)?！睆埿腔貞浾f，并沒有直接可利用的計(jì)劃方案，大家也就博采眾長，和供應(yīng)商一起進(jìn)行二次開發(fā)，持續(xù)改善、逐步完善，逐一達(dá)到大電網(wǎng)高效率仿真的特殊要求。

專業(yè)測(cè)評(píng)比照、測(cè)算認(rèn)證、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)……解決方法總算定下來。

硬件配置擁有，但使用性能的挖掘還得靠手機(jī)軟件。張星形容道：“宛如再健壯的肌肉組織，要是沒有中樞神經(jīng)系統(tǒng)指引，這也毫無價(jià)值?！?/p>

在方案型號(hào)選擇開始，研發(fā)部門就全身心打造出根據(jù)超算中心的模擬仿真云計(jì)算架構(gòu)，深入挖掘數(shù)萬個(gè)CPU核的測(cè)算發(fā)展?jié)摿?，“恩威并施”取得成功搭建出仿真平臺(tái)專用型超算中心。

現(xiàn)如今，仿真平臺(tái)已經(jīng)在國網(wǎng)獲得全面應(yīng)用。張星驕傲地說：“以往，掃描儀剖析主球形網(wǎng)架2.6萬個(gè)配電線路、1.8萬部變電器的安全風(fēng)險(xiǎn)，需用時(shí)10天左右，現(xiàn)在基本上不上5min?！?/p>

伴隨著供電系統(tǒng)持續(xù)不斷向占比可再生資源、一定比例電力電子設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)演化，其全面的復(fù)雜性、對(duì)控制響應(yīng)時(shí)間的需求都是在迅速上升。

“全國各地大電網(wǎng)是一個(gè)牽一發(fā)而動(dòng)全身的軟件，能源保障和安全就是倏忽不可忽視‘使命責(zé)任’。”研發(fā)部門責(zé)任人、國家電力科學(xué)合理研究院副院長郭強(qiáng)表明，“團(tuán)隊(duì)將以‘十年磨一劍’的韌勁，心無雜念迎難而上，為提升國家能源安全和應(yīng)急保障能力作出更大貢獻(xiàn)！”