5800個工況、8萬余次仿真計算，保障了張北柔直工程順利投產和高質量服務北京冬奧會綠電供應；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、10萬個三相節點，無數次精密計算和仿真試驗保障國家電網骨干電網安全穩定運行……

　　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電磁暫態仿真技術及平臺。多年來，結合我國大電網發展實際，國家電網有限公司持續開展電力系統仿真技術原創性研究，研發超大型電力系統電磁暫態仿真平臺，并推動仿真研究成果實現工程應用，全力支撐新型電力系統建設。　　

全電磁暫態仿真解決大電網精準分析世界難題

　　仲夏時節，位于北京市海淀區的國家電網仿真中心，一排排機柜有節奏地閃爍著燈光，超大型電力系統電磁暫態仿真平臺正在全速運行。

　　平臺前，國家電網仿真中心大電網電磁暫態仿真團隊做好了軟硬件最后的測試準備。國家電網公司各級調度計算分析人員立即協同開展電網迎峰度夏運行方式仿真分析，精準模擬大規模新能源基地接入和特高壓交直流重點工程在故障擾動下的運行特性，制訂保障大電網安全高效運行的控制策略。

　　電力系統這一最復雜的人造動態系統，通過仿真計算，可以分析、掌握電網特性，為系統運行提供決策支持。“像機電-電磁混合仿真、電磁暫態仿真，都是通過仿真手段來模擬電力系統運行特性，進而開展各種系統控制和故障模擬的試驗和研究。”國家電網仿真中心副主任李亞樓說。

　　隨著電力電子設備在現代電力系統中廣泛應用，電力系統的規模和復雜程度也不斷增加，傳統的機電暫態仿真方法無法準確模擬這些含電力電子器件設備的響應和控制特性，支撐我國大電網安全運行的仿真分析面臨“仿不了”“仿不準”“仿不快”的世界級難題。

　　如何仿真大規模實際電網？2015年，國家電網公司黨組決定創新仿真分析工具，構建新一代仿真平臺，全面提升電網安全穩定分析技術支撐能力。

　　同年，國家電網仿真中心成立。中國電科院依托國家863計劃課題“高滲透率間歇性能源的區域電網關鍵技術研究和示范”，以及國家自然科學基金項目“基于超大規模集成電路（VLSI）的電磁暫態多時間尺度實時仿真計算研究”深入開展相關研究。經過多年技術攻關，研發團隊取得了多項重大技術創新——

　　告別“仿不了”。研發團隊將大電網仿真時間尺度由毫秒級變為微秒級，實現了含多回直流和高比例新能源的大規模電網的電磁暫態仿真，攻克了現代大電網“仿不了”難題。

　　破解“仿不準”。建成電磁暫態仿真平臺的模型庫，解決了復雜控制保護設備“仿不準”難題。

　　實現“仿得快”。打造基于超算的仿真云計算架構，充分挖掘數萬個CPU核的計算潛力，成功搭建仿真平臺專用超算平臺，徹底解決了大電網仿真“仿不快”難題。

　　目前，超大型電力系統電磁暫態仿真平臺仿真規模達到上萬節點，實現了對含多回直流和高比例新能源的大規模電網的電磁暫態仿真，覆蓋了國家電網經營區26個省（自治區、直轄市），輸電線路長度超過150萬千米，系統規模超過10萬個三相節點。

　　無論在北京西單辦公區，還是遠在幾千里之外的新疆烏魯木齊，計算分析人員動動手指就可以提交計算任務，遠程享受超算一流速度，開展機電暫態、機電-電磁混合、全電磁暫態仿真分析，大幅提升了電網調度運行專業的仿真計算能力。

　　“超大型電力系統電磁暫態仿真平臺相當于電力系統的‘作戰沙盤’，過去掃描分析主網架2.6萬條線路、1.8萬臺變壓器的安全風險，需耗時10天以上，現在只要不到5分鐘。”仿真平臺技術負責人、中國電科院副院長郭強說。

團隊協作攻克50微秒實時仿真步長

　　5月28日，利用超大型電力系統電磁暫態仿真平臺，國網西藏電科院系統室主管許江波模擬西藏電網晚高峰運行場景，通過接入構網型儲能設備的全電磁暫態模型，分析該區域電網特定運行場景下的安全穩定特性。

　　全電磁暫態仿真建模需要將大電網仿真時間尺度細化至微秒級，其中至關重要的是攻克50微秒步長實時仿真技術。

　　研究是漫長而枯燥的，考驗著每一位研究人員的信心和耐心。當仿真步長越小時，仿真模型越準確。為攻克50微秒實時仿真步長的問題，他們用了2年的時間。

　　“50微秒的實時仿真步長意味著系統要在1秒鐘內對華東電網6000個節點進行20000次計算。”國家電網仿真中心副總工程師、數模混合仿真研究室主任朱藝穎解釋，這好比讓數字電網練就“凌波微步”，“每一個CPU內核既要完成自己的任務，又要與其他CPU內核交互數據，還要完成與外接物理裝置上萬路信號的交互，且計算速度必須跟實際物理過程同步。”

　　經過不斷探索和論證，科研團隊在50微秒實時仿真步長技術方向開展攻關，先后攻克模型算法、數值穩定、計算技術及平臺架構等技術難點。

　　2017年，團隊在華東區域電網開展了故障反演試驗，現場幾萬路信號實時交互，故障仿真模型仿真結果與實際波形幾乎重合，華東區域電網首次實現了精準的電磁暫態實時仿真，50微秒實時仿真步長在大電網仿真中實現。

實踐應用保障重點工程可靠運行

　　“直流短路接地試驗開始，仿真啟動20秒后單極直流線路接地短路故障觸發。”5月22日，朱藝穎下達操作指令，利用超大型電力系統電磁暫態仿真平臺開展±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。

　　“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算，全面測試系統安全穩定特性。”仿真分析工程師卓谷穎說。

　　電網設計是否有缺陷？系統到底穩不穩定？提前開展電網仿真分析，是作出判斷的最有效手段。2017年以來，利用超大型電力系統電磁暫態仿真平臺對公司在建和擬建的重點輸電工程開展了大量詳細的仿真計算，先后完成控制策略驗證、輸電能力分析、振蕩抑制策略制訂等一系列技術攻關，為重點工程的安全穩定運行提供了可靠的研究平臺。

　　2022年，計算分析人員開展了張北柔直工程構網型開環控制策略、低頻阻尼附加控制等振蕩抑制策略的系統校核和交流保護校核，推動了振蕩抑制策略的現場實施，完成了千萬千瓦級清潔能源發電經特高壓柔直外送系統的建模及穿越故障仿真，支撐藏東南清潔能源外送技術方案研究。2023年11月以來，針對構網型儲能接入西藏電網的穩定特性開展了前期分析，出具運行策略，開展了中廣核阿里“零碳”光儲熱電示范項目試驗反演工作，復現了儲能電站發生的寬頻振蕩現象，為構網型儲能性能優化和運行控制提供了支撐。

　　目前，超大型電力系統電磁暫態仿真平臺已實現國家電網全部骨干網架的微秒級電磁暫態仿真。

　　“雙碳”目標下，新型電力系統建設加速推進，復雜電力電子設備大規模接入電網，我國能源電力形態正發生深刻變化。面對新形勢新挑戰，需要超大型電力系統電磁暫態仿真平臺發揮更大作用，開展多時間尺度、多運行方式、多典型場景的仿真分析，支撐新型電力系統科學構建和安全運行。