面向国产异构众核超算的大规模交直流互联电网电磁暂态建模和并行仿真方法

In last decade, the Chinese power system has evolved to a large scale interconnected AC/DC power grid. To avoid cascading failures, accurate and efficient digital simulations are highly depended during daily operations of this huge AC/DC power grid. Meanwhile, cutting-edge high-performance computing technologies have emerged. Using the heterogeneous multi-core processors, the taihuLight supercomputer system has led the global HPC competition in last two years. It could be a new foundation for developing next-generation high-performance simulation platform of the huge AC/DC power grid. In this project, advanced parallel computing method will be studied to enable highly efficient and.accurate transient simulations for large-scale AC/DC power grid. The related research efforts can be summarized as three folds, such as 1) .modeling multi-rate coupled electromagnetic transients for large-scale interconnected power grids; 2) developing fine-grained parallel simulation algorithm for massive heterogeneous multi-core processors; 3) constructing highly scalable simulation platform based on taihuLight supercomputer system. The expected research results will not only benefit the Chinese power grid by enhancing its online security analysis and regulation but also lay out the blueprint of the next-generation high-performance simulation platform for the future energy system.

智能电网技术推动下，我国电力系统高速发展，形成了大规模交直流互联电网格局。交直流系统连锁故障威胁大电网运行安全，对其进行准确分析亟需先进的仿真技术支撑。另一方面，以神威·太湖之光为代表国产超算取得世界领先，标志面向异构众核处理器的大规模并行计算技术走向成熟。本项目旨在发展适用于大型交直流互联电网精细暂态仿真高性能计算方法，从模型研究、算法设计和平台构建三个方面展开研究工作，提出EMTP和SFA混合建模框架下多速率电磁暂态仿真方法，设计面向异构众核处理器的细粒度并行仿真算法，基于神威超算构建含百万计算核心的高可扩展电力系统仿真平台。本项目研究成果凝结为先进并行仿真方法和下一代高性能仿真平台，将为我国交直流大电网安全稳定运行提供理论和技术支撑。

本项目旨在面向国产异构众核处理器，提出交直流互联电网电磁暂态仿真并行算法，构建百万核可扩展的高性能并行电磁暂态仿真平台。具体目标包括：1）提出基于EMTP和SFA混合建模的多速率电磁暂态仿真方法，支撑交直流互联电网复杂暂态过程的精细化和一体化数字仿真；2）面向异构众核处理器，设计高度可扩展的电网数字仿真细粒度并行算法，发展加速海量仿真作业的并行处理方法；3）基于超算平台，构建大型交直流互联电网并行仿真平台，验证所提模型、算法和平台实现方法的正确性、高效性和可扩展性。.经过四年的研究，项目组顺利地完成了既定的研究工作，实现了期望的研究目标，取得三个方面创新成果，包括：1）提出了交直流电力系统的多时间尺度暂态融合建模与多速率混合仿真方法，发展了电力系统移频电磁暂态建模理论，建立了新能源和直流设备电磁暂态高效建模和仿真方法，设计了多时间尺度移频分析混合仿真接口，显著提升了新能源和直流设备电磁暂态仿真的效率；2）提出了面向异构处理器的多时间尺度暂态仿真细粒度并行加速算法，发明了x86、c86、arm64、alpha等异构并行处理器的自动代码生成和即时编译技术，设计了基于多维计算图模型组合重构的多算例电磁暂态仿真细粒度并行计算方法，显著提升了超大规模电磁暂态仿真效率；3）构建了交直流系统多时间尺度暂态超算仿真平台，研发了基于高性能算法库实现全网统一分析的应用服务软件，提出了超大规模新型电力系统分网分群方法及负载均衡技术，支撑了万节点到百万节点级新型电力系统的高效仿真，促进了超算云仿真应用生态发展。.项目研究所定的各项研究指标均已达到或超额完成。项目成果促进新型电力系统全电磁暂态仿真分析理论发展，建成了完全国产可控的电力系统高性能超算云仿真平台，不仅打破了国外技术装备垄断，更实现了性能全面超越，有力地保障了我国新型电力系统安全稳定运行，具有重要的理论创新和工程应用价值。