SimuNPS-MTDEX

一、系统定位

SimuNPS-MTDEX是科梁科技携手天津大学，面向新型电力系统及复杂能源动力系统研发的多时间尺度动态全过程仿真系统。系统面向电力电子快速暂态、机电动态、机械动作、控制保护响应及运行调节等跨时间尺度过程，将纳秒、微秒级电力电子设备快速动态，毫秒、秒级控制保护与机电响应，以及分钟级能量管理、调度控制和运行优化过程统一纳入仿真框架，实现不同物理对象、不同控制层级和不同时间尺度之间的联立计算与动态交互。

与聚焦快速电磁暂态过程的SimuNPS-EMT不同，SimuNPS-MTDEX重点解决复杂系统动态过程在时间尺度上被割裂研究的问题。其核心是以统一状态空间描述为基础，协同使用多模型、多步长，沿时间和空间轴优化配置模型粒度和仿真步长，从而连续复现扰动产生、快速暂态、控制响应、机械调节、系统恢复及运行优化的完整演化过程，同时，可基于统一状态空间描述快速开展系统稳定性分析，利用李雅普诺夫稳定判据对系统稳定性进行量化评估。

SimuNPS-MTDEX适用于风光水储一体化基地、交直流混联电网、综合能源系统、算力中心供电系统、船舶综合电力系统及其他复杂多类型能源汇集系统的系统规划设计、控制策略研究、运行方式校核、故障演化分析、重大扰动预演及全过程运行优化，系统重点支持离线加速数字仿真，可在工作站或高性能计算环境中，采用多CPU+GPU并行计算开展离线加速仿真计算，是实现基于动态过程仿真的新型电力系统在线数字孪生的核心工具。

二、系统总体架构

SimuNPS-MTDEX采用“应用层-多时间尺度计算与协同服务层-基础平台层”的分层架构，通过统一模型组织、统一时间基准、空间分区、分时求解和数据交换机制，将快速电气过程、机电动态过程、机械调节过程及运行控制过程有机连接。

1.应用层

应用层为工具使用者提供友好的人机交互环境，提供图形化建模、工程管理、场景配置、仿真任务管理、结果可视化、模型库管理、参数管理及脚本自动化等功能。

用户可在统一工程环境中构建电网、电力电子装备、发电机组、水力系统、机械系统、控制保护系统、通信系统及调度控制模型，并按照研究对象响应特性划分不同时间尺度。系统支持多方案、多场景和多工况管理，可对故障、控制切换、负荷变化、能源波动及运行调度等过程进行统一组织和批量计算。

2.多时间尺度计算与协同服务层

多时间尺度计算与协同服务层是SimuNPS-MTDEX的核心，以统一状态空间模型为基础，集成电磁暂态、电力电子小步长、机电暂态、控制保护、多速率协同、分时解耦、快速初始化、并行计算、数据管理及外部模型驱动等关键能力。

系统依据不同模型的动态特性和不同响应精度要求，分别配置纳秒、微秒、毫秒、秒级及分钟级仿真步长，并通过统一时钟、同步点和状态交换机制实现跨时间尺度联合计算，在保证快速暂态精度的同时兼顾长时间连续过程的计算效率。

3.基础平台层

基础平台层为多时间尺度仿真提供计算、通信和软硬件运行支撑，包括高性能CPU、GPU及多机分布式计算资源，以及并行操作系统、任务调度、多机同步、实时内存、数据库、网络通信、许可证和日志等基础服务。

通过CPU与GPU协同、单机多核并行和多机分布式计算，系统可将不同时间尺度、不同物理域模型分配到相应计算资源上运行，实现复杂系统的大规模、高性能和一体化仿真。

三、系统核心能力

1.跨时间尺度统一建模环境

SimuNPS-MTDEX支持从功率器件、变流器、发电机组和控制保护系统，到场站、园区、区域电网及能源基地的分层建模。

在时间尺度上，系统可同时描述为纳秒电力电子开关与微秒级电力系统电磁暂态过程，毫秒级机电动态、控制环节、保护动作及快速功率调节，秒级机组调速及系统频率响应，分钟级能量管理、自动发电控制、自动电压控制和运行调节，以及更长时间尺度下的计划执行、能源协调和运行优化。

系统通过统一模型组织和接口定义，不同子系统之间的电气量、机械量、控制量和状态量能够在仿真过程中持续交互，避免快速模型、慢速模型和运行模型相互割裂。

2.分区、分核与多步长协同求解能力

SimuNPS-MTDEX可根据拓扑结构、物理对象和动态特性对复杂系统进行分区和分时，并将不同区域和模型分配至不同CPU核、GPU等计算节点。

典型情况下，电力电子阀级模型可采用纳秒至微秒级步长，电网电磁暂态模型采用数十微秒步长，机组及控制系统采用毫秒至秒级步长，调度与能量管理模型采用秒级至分钟级步长。各子系统在独立步长下运行，并在同步时刻交换边界量和状态信息。

该机制兼顾快速过程的精细描述与长时间过程的计算效率，使大规模系统能够同时满足“暂态算得细、局部算得精、全局算得快”的工程需求。

3.多物理系统联立仿真能力

SimuNPS-MTDEX不仅面向电气系统，还可将水力、机械、热力、控制及运行调度等模型纳入统一仿真环境。

在大型风光水储基地中，系统可联合模拟水库及水力通道、水轮机及调速系统、同步发电机、风光储装备、柔性直流换流系统和受端电网；在数据中心场景中，可联合模拟电网、SST、储能、服务器负荷、冷却系统及能量管理策略。

多物理系统联立仿真能力使用户能够分析局部快速扰动如何经控制和机械过程传播，并最终影响系统级功率平衡、频率、电压和运行策略。

4.动态全过程连续复现能力

传统仿真通常将快速暂态、机电过程和运行调节分别计算，难以完整观察故障或扰动的全过程影响。SimuNPS-MTDEX通过跨时间尺度连续仿真，可完整复现从扰动与故障发生->电力电子快速响应->控制限幅与保护动作->机组惯性及调速响应->场站和区域协调控制->系统频率->电压及功率恢复>调度与能量管理策略介入->系统进入新的稳定运行状态。

由此，用户不仅能够判断故障瞬间是否稳定，还能进一步分析系统能否恢复、恢复需要多长时间、控制策略是否协调以及长期运行状态是否合理。

5.复杂系统稳定性量化分析

SimuNPS-MTDEX以时域仿真使用的统一模型为基础，自动形成线性化状态空间模型，开展系统稳定性量化分析。软件可通过特征值、稳定裕度等指标，识别系统关键振荡模态和临界运行方式，定位振荡相关设备S网络支路和控制环节，并辨识影响稳定性的关键参数，指导参数调节方向和优先级，为规划设计控制整定和运行方式ows。校核提供机理和量化依据。

6.多模型与外部系统协同能力

SimuNPS-MTDEX支持与SimuNPS-ESA、SimuNPS-FD、FlexTransfer等产品有机融合，并可接入FMU、黑盒模型、控制算法及其他专业仿真软件。SimuNPS-MTDEX可依托SimuNPS-ESA的潮流进行初始化运算，并可利用FlexTransfer将系统时域仿真模型一键式转换为对应的频域阻抗网络模型，与SimuNPS-FD互相校验和补充，多方法多角度共同开展系统稳定性量化分析。

四、典型应用

1.水机电网多时间尺度联合仿真

大型风光水储基地经柔性直流外送时，系统运行过程同时涉及风光出力波动、水库调度、水力通道动态、水轮机调速、发电机机电暂态、柔直换流器快速控制及受端电网响应。传统单一时间尺度仿真难以连续刻画扰动在“水一机一电一网”之间的传递过程。

SimuNPS-MTDEX面向该类复杂能源基地,统一建立水库、水力系统、水轮发电机组、风电、光伏、储能、柔直换流站及区域电网模型。系统可按对象动态特性和暂稳态仿真过程配置分钟级、秒级、毫秒级、微秒级和纳秒级仿真步长，实现水库调度、机组调节、电网暂态和柔直阀级快速过程的协同计算。

通过多时间尺度联合仿真，可系统分析风光波动下水电与储能的调节能力、柔直功率控制对受端电网的影响，以及故障扰动后系统恢复过程，为大型清洁能源基地外送、调度控制、稳定校核和运行优化提供支撑。

2.新能源场站与园区运行调控仿真

新能源场站、微电网和园区级配电系统通常同时包含变流器、储能、负荷、场站控制、AGC/AVC和能量管理系统。变流器快速控制与场站级慢速调节相互耦合，容易在并离网切换、黑启动、负荷突变和功率平滑过程中出现控制不协调、恢复时间长或稳定裕度不足等问题。

SimuNPS-MTDEX可联合仿真变流器电磁暂态、场站控制、储能充放电、负荷变化、AGC/AVC调节和能量管理过程。系统通过多速率协同计算，使微秒级电力电子响应、毫秒至秒级控制动作和分钟级运行策略在统一时间轴下交互。

该方案可用于验证新能源场站并离网切换、黑启动、功率平滑、一次调频、无功电压控制和长期运行策略，帮助用户从局部设备控制扩展到场站和园区整体运行优化。

3.算力中心供电与负荷全过程仿真

AI算力中心供电系统正向高功率密度、SST、储能、柴油发电机、UPS/HVDC及复杂冷却系统协同运行发展。算力负荷快速波动、供电切换、备用电源启动、冷却负荷变化和能量调度相互影响，传统电气仿真难以覆盖从微秒级供电暂态到分钟级运行优化的全过程。

SimuNPS-MTDEX可统一建立电网、SST、储能、柴油发电机、UPS/HVDC、服务器负荷、冷却负荷和能源管理系统模型。系统以百纳秒-微秒级步长刻画电力电子装备响应，以毫秒至秒级步长描述供电切换、柴发启动和控制保护动作，以分钟级步长分析能量调度、负荷管理和运行优化。

该能力可支撑数据中心供电架构设计、控制策略优化、负荷突变分析、备用电源协调、故障恢复校核和能效优化，帮助建设运营单位在规划、投运和运行阶段提前识别供电安全与系统协同风险。

4.复杂装备与多系统协同验证

船舶综合电力、轨道交通、航空电气和大型工业装备通常由电源、变流器、电机、机械负载、控制保护和能量管理系统共同组成。其运行过程不仅包含快速电磁暂态，还涉及机械运动、任务工况、控制模式切换和能量分配，单一专业仿真工具难以完整描述多系统之间的动态耦合。

SimuNPS-MTDEX面向复杂装备提供电气、机械、控制和能源系统的多时间尺度联合仿真能力，可同时模拟电源响应、变流器控制、电机驱动、机械负载变化、保护动作和能量管理策略。系统通过分区建模、分步长求解和统一状态同步，实现快速电气过程与机械运动、控制调节及任务工况的协同分析。

该方案可用于复杂装备及系统总体设计、控制策略验证、极端工况分析、故障复现和系统级联调，帮助用户在规划方案制定、样机研制和工程应用前发现多系统协同问题，降低试验风险和整改成本。