从宏观趋势来看，以新能源为主体的新型电力系统，无疑是未来电力系统发展的核心方向。风电、光伏这类新能源将逐步取代传统电源，成为主力；为了实现它们的大规模并网与消纳，电力电子技术也会渗透到电网的各个电压等级。这两大特点，将彻底改变新型电力系统的物理形态与运行特性。想象一下，微秒级的电力电子开关动作，与毫秒、秒级的传统交流电机过渡过程交织在一起，系统的非线性、不确定性急剧增加，规模与复杂度也全面攀升。这种背景下，研究和建设大规模新型电力系统，就离不开更精细化的仿真技术——而且，这个需求正变得越来越迫切。

那么，到底什么是电力系统仿真？精细仿真对大规模新型电力系统为什么这么重要？电磁暂态仿真模型的规模又能有多大？超大规模系统精细仿真又面临哪些现实挑战？接下来，我们会逐一梳理这些问题，然后再重点介绍一个具体实践——面向新型电力系统的电磁暂态云仿真平台CloudPSS，以及它背后的建模方法、并行算法、云平台技术和应用落地情况。

什么是电力系统仿真

在电力系统的研究与工程实践中，直接拿实际电网做试验，显然不太现实。常规的做法是：先为电力系统建立一个模型，让它尽可能真实地反映系统特性，然后在这个模型上进行实验，从而间接地研究实际系统的运行规律。这就是电力系统仿真技术的本质。

仿真通常分为物理仿真和数字仿真两类。物理仿真基于相似性原理，需要搭建实际系统的实物模型。但面对复杂的现代电力系统，搭建实物模型的难度和成本都极高。所以，数字仿真就成了更关键、更实用的研究手段——本文后续提到的仿真，如果没有特殊说明，指的就是数字仿真。

根据复现的动态或静态特性，电力系统数字仿真又可以分为稳态仿真和时域暂态仿真。而在时域仿真中，按时间尺度的不同，进一步分成三类：中长期动态过程仿真（模拟秒级以上的慢过程）、机电暂态仿真（模拟毫秒级过程）、以及电磁暂态仿真（模拟微秒级过程）。关注的动态时间尺度越短，仿真模型就越精细，结果反映的系统特性也越丰富。

精细仿真对大规模新型电力系统有何重要性

在新型电力系统中，新能源发电设备正在逐步替代传统同步发电机。这些新能源设备通过电力电子装置并网，再经交直流电网远距离输送电能。其动态特性主要受电力电子装置的快速控制和开关离散动作影响，传统的中长期动态仿真或机电暂态仿真，根本无法准确刻画这些快速过程。因此，要研究新型电力系统的稳定性机理、制定故障防御策略，就必须依赖微秒级的电磁暂态模型和仿真工具。

新型电力系统电磁暂态仿真模型的规模到底有多大

新型电力系统的状态时空耦合性极强——不仅不同时间常数的动态会互相影响，不同地域的状态量也会彼此牵制，因为送端与受端的电气量已经通过直流输电系统紧密关联。所以，分析时需要对分布在广大地域内的大规模系统进行电磁暂态建模和仿真。在仿真领域，人们通常把模型规模当作衡量工具性能的重要指标。

传统机电暂态仿真中，常用“节点数”来刻画模型规模。这里的节点是指三相母线，系统规模大致可以用三相节点数来衡量，因为传统交流系统中发电机容量大、数量少，用节点电压方程的维数就能代表计算规模。然而，在新型电力系统的电磁暂态仿真中，情况完全不同。系统中含有大量电力电子设备，其内部有复杂的电气拓扑结构，内部支路会形成许多新的连接点（新的节点）。更关键的是，电力电子设备的动态特性主要由其复杂的控制系统决定，而控制系统中的节点是各个控制环节的连接点。由于电力电子设备的数量远超传统发电机，其控制也比传统发电机复杂得多，控制系统对计算资源的消耗甚至可能超过电气网络本身。更麻烦的是，连接在不同三相母线上的设备及其控制系统差异巨大，导致各个三相母线对应的方程数量差距悬殊。因此，用传统的三相电气节点数来评估电磁暂态仿真的计算规模，会产生数量级上的偏差。

为此，这里将“节点”的概念一般化：定义为电气拓扑或控制拓扑中边相交的点。这种定义更接近系统中实际方程的个数。按照这个新定义，中国电网的电磁暂态仿真模型规模可以达到百万节点级别。举个例子，中国西北新能源发电送出基地的交直流输电网全电磁暂态模型，电气节点约10万单相节点；一个典型风力发电单元的平均化模型，单相电气节点50~100个，控制节点300~500个。如果用2000台风机等值接入西北电网所有风电场，整体模型的电气节点总数可达20万~30万，控制节点总数可达60万~100万，总节点数在80万~130万之间。如果再把受端华北、华中、华东电网联网，并考虑全部新能源机组详细模型接入，节点总数会超过600万。

超大规模的新型电力系统精细仿真面临哪些挑战

为了满足新型电力系统的发展需求，电磁暂态仿真技术必须在模型、算法、平台等多个方面不断突破（见图1）。模型层面：传统全系统统一小步长建模，很难兼顾仿真精度和计算规模。算法层面：现有仿真工具虽然都用了并行加速技术，但普遍缺乏适配多类型异构处理器的能力，无法灵活高效地部署到超算平台上，错失了快速提升算力和仿真效率的机会。平台层面：现有仿真软件架构大多老旧，与当前主流云计算和人工智能主导的数字化基础设施差距很大，难以适应不断增长和快速演化的仿真应用需求。

要攻克这些难题，需要在三个方面提升现有电磁暂态仿真软件的能力：第一，发展先进的建模理论，在保证精度的前提下，最大限度地消减超大规模系统的仿真计算量；第二，突破并行仿真技术，提出新的建模理论、算法设计和自动代码生成方法，让并行仿真软件能高效适配多类型异构处理器和国产超算平台；第三，建设高性能超算云仿真平台，不仅要研发云原生架构的仿真引擎和管理工具，还要发展完善的仿真应用开发工具链，支持基于高性能仿真的智能决策应用快速开发和弹性部署。

面向新型电力系统的电磁暂态云仿真平台CloudPSS研发实践

CloudPSS是面向新型电力系统的高性能电磁暂态云仿真平台，也是探索超大规模精细仿真的一次重要实践。

1. 新型电力系统全电磁暂态多尺度融合建模和仿真方法

为了充分考虑系统的多时间尺度特性，需要针对交直流电网中各区域暂态过程时间尺度的差异，采用不同的建模方法和仿真步长（多速率）进行分区计算。CloudPSS采用了全电磁暂态多尺度融合建模和仿真方法：首先引入解析信号移频分析原理，通过移频变换将系统中的高频信号转化为低频信号，从而实现大步长精确仿真。更进一步，提出了多分区交直流电网混杂移频建模和多速率协同仿真方法，对多个分区采用差异化的移频参数和仿真步长，大幅降低全网仿真计算量；同时通过边界电气信号自适应移频变换和“内插值”同步，消除接口信号延时和高频能量损失。技术路线与分区建模示例如图2所示。与现有国际主流平台相比，CloudPSS在建模仿真方法上具有明显领先优势（见表1）。

2. 面向异构处理器和超算的大规模电磁暂态并行仿真算法

现有仿真工具虽然都采用了并行加速技术，但缺乏适配多类型异构处理器的能力，无法灵活部署于超算平台。同时，现有仿真软件基本基于x86架构处理器开展系统级并行仿真，实时仿真软件则多采用FPGA进行设备级并行仿真，而这些底层硬件平台长期依赖进口芯片，这无形中强化了国外技术装备的垄断。因此，突破并行仿真的自动代码生成、计算资源优化映射和调度技术，在国产处理器和超算平台上实现高性能仿真，是新型电力系统关键技术自主可控发展的必由之路。

CloudPSS设计了兼容不同架构计算设备（如x86、ARM、CUDA等）的通用电磁暂态仿真算法，并针对国产超算平台（如海光、神威等）做了深度优化适配（见图3）。通过构建自动代码生成器，CloudPSS能够将用户搭建的仿真模型自动转换为计算图模型，再结合不同类型处理器的并行计算特性，自动配置计算资源、采用合适的并行计算策略，最终自动生成相应平台上的计算程序并执行。与现有国际主流平台相比，CloudPSS在并行仿真方法方面同样具有领先优势（见表2）。

3. 开放式高性能超算云仿真平台实现和应用支撑技术

在平台建设方面，现有仿真软件的体系架构相对陈旧。大多数现有电磁暂态仿真软件起步于20世纪90年代，主要面向个人用户，在通用PC或特定计算服务器上运行，以假想案例研究为主，属于高级的个人研究工具。然而，当今主流软件大多已迁移至云计算基础设施，按照原生云架构设计，提供多形态数字化服务，通过不断衍生高价值的App来满足海量、多样的用户需求。虽然有一些仿真工具被移植到云端，但内核中存在大量遗留代码，在任务调度、资源管理、应用开发和部署等环节暴露出不兼容、不适应、不敏捷等弱点。为了将高性能仿真模型、算法和软件真正转化为分析决策能力，需要面向云计算架构设计和研发超算云仿真平台，实现仿真驱动应用的敏捷开发和弹性部署。CloudPSS提出的开放式高性能超算云仿真平台，正好解决了这些问题。

该平台包括建模仿真平台、仿真应用调度平台和硬件计算资源三大部分（见图4）。前端建模仿真平台是Web应用，提供图形化的模型构建、仿真设置和结果分析功能，用户直接在浏览器中使用，无需安装任何软件。发送仿真任务后，任务被发送至调度平台进行解析，根据任务类型选择合适的计算资源，自动调用自动代码生成器生成仿真程序，并发送至具体计算服务器完成计算。计算结果会实时回传至建模仿真平台，以可视化形式呈现给用户。与现有国际主流平台相比，CloudPSS在云仿真平台实现和应用支撑方面同样具有领先优势（见表3）。

CloudPSS平台的应用情况

目前，CloudPSS平台已经在电网企业、国防科研单位、高校和科研院所等机构得到广泛应用。在电网公司方面，已服务于国网四川省电力有限公司、国网西藏电力有限公司、广西电网有限责任公司、国家电网有限公司华北分部调度控制中心、国家电网公司西北分部、广东电网有限责任公司电力调度控制中心等单位，以及国网宁夏、新疆、冀北、江苏电力科学研究院和广州供电局电力试验研究院等研究机构，显著提升了相关单位对交直流电网安全稳定分析和评估的能力。在国防领域，应用于中国船舶重工集团公司第七〇四研究所等单位，支撑了大型舰船综合电力系统的规划设计和控制策略闭环测试，改进了系统多目标优化运行能力，满足了国防建设需求。在教育领域，应用于清华大学、华南理工大学、北京交通大学、中国农业大学、上海交通大学、华北电力大学等高校，推动了国产仿真平台在教育行业的应用，支撑了交直流互联系统基础教学体系建设。超大规模电网电磁暂态仿真测试如图5所示。

总体来看，CloudPSS平台有三个主要应用方向（见图6）。第一，应用于交直流电网优化规划和安全评估、大规模新能源并网设计和优化调控、海量电力电子设备互动和稳定机理研究等领域，可支撑新型电力系统的规划设计、实验检测、安全评估、优化调控等关键业务，提升系统低碳、经济和安全运行水平。第二，应用于电气设备创新研发和制造企业，发展数字化产品仿真驱动研发工具链，提升交直流电气设备优化设计和制造能力，加速关键设备研制流程，减少并网调试成本，支撑智能运维业务。第三，应用于电力和能源相关高校和科研机构，支撑新型电力系统数字仿真实验室建设，形成理论分析、仿真模拟和闭环验证的全数字科研翻跟斗解决方案，提升基础科研和技术创新能力。