5 Anwendungsfälle für Echtzeitsimulation im Versorgungsbetrieb

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Echtzeit-EMT deckt zeitabhängige Phänomene auf, die durch herkömmliche Phasor-Studien geglättet werden, und verbessert so Entscheidungen in den Bereichen Schutz, Integration und Schulung.
• Die Simulation von Energieversorgungsunternehmen unterstützt die Analyse von Netzfehlern, die Validierung von Übergangsregelungen, die Integration von Wechselrichtern, die Bereitschaft von Betreibern und die Investitionsplanung mit wiederholbaren Nachweisen.
• Gemeinsame Modelle und Hardware-in-the-Loop-Workflows stimmen Planung, Betrieb und Schulung aufeinander ab, wodurch Fehlbedienungen, Nacharbeit und Standortrisiken reduziert werden.
• Metriken wie Fehlbedienungen, Zeit für den Abschluss von Untersuchungen, Durchgangsraten bei Bohrungen und Änderungen bei der Inbetriebnahme zeigen, dass sich die Simulation von Versorgungsunternehmen auszahlt.
• Offene Protokolle, flexible E/A und Toolchain-Kompatibilität ermöglichen Teams die Einführung von Echtzeit-EMT, ohne dass vertraute Arbeitsabläufe oder Datenquellen ersetzt werden müssen.

Echtzeitsimulationen verwandeln Netzunsicherheiten in messbare, testbare Szenarien. Schutz-, Steuerungs- und Planungsteams können Modelle und Hardware bis an ihre Grenzen bringen, ohne auf ein Ereignis im Feld warten zu müssen. Schnellere Rückmeldungen zu Einstellungen, Firmware und Betriebsverfahren helfen, Ausfälle, Fehlbedienungen und Nacharbeiten zu reduzieren. Teams, die diesen Arbeitsablauf übernehmen, erhalten einen stetigen Weg zu einem sichereren Betrieb und einer besseren Systemleistung.

Die Netzmodernisierung führt wechselrichterbasierte Anlagen, bidirektionale Ströme und eine höhere Empfindlichkeit gegenüber schnellen Transienten ein. Die Versorgungssimulation bringt dieses Verhalten mit einer zeitlich genauen Ansicht von Strömen, Spannungen und Steuerungszuständen ins Labor. Hardware-in-the-Loop (HIL) verbindet Schutzrelais, Steuerungen und menschliche Schnittstellen mit einem digitalen Zwilling, der im gleichen Zeitschritt wie das Netz läuft. Das Ergebnis ist praxisnahes Lernen, überprüfbare Daten und eine klare Grundlage für sichere Entscheidungen.

Warum Echtzeitsimulation für moderne Versorgungsbetriebe wichtig ist

Elektromagnetische Transienten (EMT) entfalten sich über Mikrosekunden bis Millisekunden, und kleine Zeitfehler können ernsthafte Probleme verbergen. Herkömmliche Studien auf der Grundlage von Phasenmodellen können Steuerungsinteraktionen zwischen Relais, Wechselrichtern und umrichtergespeisten Geräten übersehen, weshalb die Versorgungssimulation in Echtzeitgeschwindigkeit heute als zentrales Werkzeug gilt. Die Echtzeit-Ausführung macht Sättigungen, Verzögerungen und Quantisierungen sichtbar, die nur dann auftreten, wenn die Hardware mit hochrealistischen Wellenformen interagiert. Dieser Detaillierungsgrad hilft bei der Erklärung von Störungsauslösungen, Spannungsschwankungen in schwachen Netzen und Oszillationen, die durch herkömmliche Durchschnittswerte geglättet werden.

Dieselbe Plattform verbindet Betrieb, Planung und Schulung mit gemeinsamen Modellen, gemeinsamen Daten und gemeinsamen Tests. Mit der Hardware-in-the-Loop-Validierung (HIL) können Sie ein Relais oder einen Regler unter identischen Netzbedingungen bewerten, die Planer und Analysten in der Software untersuchen. SCADA-Schnittstellen (Supervisory Control and Data Acquisition) und EMS-Schnittstellen (Energy Management System) können mit dem Simulator verdrahtet werden, um Alarme, Sollwerte und Anzeigen zu üben. Das Ergebnis ist ein konsistentes Lernen in allen Teams, weniger Überraschungen in der Praxis und eine schnellere Umsetzung von schwierigen Studien.

5 Anwendungsfälle für Echtzeitsimulation im Versorgungsbetrieb

"Die Echtzeitsimulation verwandelt die Ungewissheit im Netz in messbare, überprüfbare Szenarien.

Echtzeitplattformen geben Antworten auf Fragen, die zu riskant, zu teuer oder zu selten sind, um sie an einem realen Netz zu testen. Hochgeschwindigkeits-Wellenformmodelle zeigen, wie sich Software-Logik, Firmware und Feldgeräte unter engen Zeitvorgaben verhalten. Teams können schlechte Tage sicher reproduzieren und dann Korrekturen unter identischen Bedingungen testen, um zu beweisen, dass sie funktionieren. Mit diesem Ansatz werden Theorien in Messungen umgewandelt, die Sie verfolgen, vergleichen und wiederholen können.

1. Netzfehleranalyse und Schutzkoordination

Eine genaue Analyse von Netzfehlern erfordert Spannungs-, Strom- und Frequenzdynamik, die mit einer Auflösung unterhalb eines Zyklus reagiert. Elektromagnetische Transientenmodelle in Echtzeit treiben Relais mit realistischen DC-Offsets, Stromwandlersättigung und Lichtbogenwiderstandsverhalten an. Fehlbedienungen, die durch Anzugsverzögerungen oder polarisierende Logik verursacht werden, werden sichtbar, wenn das digitale Modell Primärgrößen in Messwandler und Relaiseingänge einspeist. Sie können Einstellungen, logische Gleichungen und Koordinationsmargen iterieren und dabei Wellenformen aufzeichnen, wie sie ein Schreiber im Feld aufzeichnen würde.

Da die Schutzkoordination über einen einzelnen Abgang hinausgeht, müssen Parallel- und Reservewege unter verschiedenen Auslösezeiten, Wiedereinschaltfolgen und festsitzenden Leistungsschaltern geprüft werden. Mit einem Echtzeit-Prüfstand können Sie Inversionszeitkurven, Richtungselemente und Schwachquellenbedingungen testen, ohne den Betrieb zu gefährden. Sie können Automatisierungen wie die Wiederherstellung von Schleifen, die adaptive Wiedereinschaltung und die Auslösung von Übertragungen überprüfen, bevor ein Lastwagen rollt. Dokumentierte Ergebnisse aus der Netzfehleranalyse im Labor geben Ingenieuren klare Anhaltspunkte für Einstellungen, Arbeitsanweisungen und Inbetriebnahmepläne.

2. Erprobung und Validierung von Kontrollsystemen bei transienten Ereignissen

Steuerungsverfahren wie Unterfrequenz-Lastabwurf, Abhilfemaßnahmen und Mikronetzübergänge hängen von einem präzisen Timing ab. Mit einem Echtzeitsimulator können Sie Ansprechschwellen, Zeitverzögerungen und logische Pfade anhand von Wellenformen validieren, die den schlimmsten Fällen entsprechen. Steuerungscode, der auf speicherprogrammierbaren Steuerungen, Schutzrelais oder speziellen Geräten läuft, kann über native Ein- und Ausgänge (E/A), Abtastströme oder Kommunikationsprotokolle geprüft werden. Die Testsequenzen können Ride-Through-Anforderungen, Unterbrecherausfälle und gleichzeitige Fehler beinhalten, um die Stabilität und Wiederherstellung zu prüfen.

Überwachungspfade beeinflussen oft das Verhalten von Steuerungen, so dass Sie den Simulator mit dem Energiemanagementsystem (EMS) oder den Front-Ends des Verteilungsmanagementsystems (DMS) verbinden können. Datenprotokolle zeichnen jeden Lauf auf, um Änderungen an Einstellungen, Firmware-Updates oder Topologieänderungen im Laufe der Zeit zu vergleichen. Das Ergebnis ist der wiederholbare Nachweis, dass eine vorgeschlagene Steuerungsänderung die Kriterien für Geschwindigkeit, Selektivität und Sicherheit erfüllt. Die Außendienstmitarbeiter erhalten präzise Abnahmeprotokolle, und die Manager erhalten faktenbasierte Freigabepakete.

3. Integration von erneuerbaren Energien und inverterbasierten Ressourcen

Solar-, Wind- und Speicherkraftwerke sind durch Leistungselektronik miteinander verbunden, was bedeutet, dass netzbildende und netzfolgende Modi unter Stress getestet werden müssen. Echtzeitmodelle erfassen die Pulsbreitenmodulation, Phasenregelkreise und die Sättigung der Regler, die die Stromeinspeisung bei Fehlern und Spannungsabfällen beeinflussen. Die Untersuchung dieser Effekte hilft bei der Festlegung von Ride-Through-Fenstern, reaktiven Unterstützungszielen und Grenzwerten für Rampenraten. Die Teams können überprüfen, wie die Schutzmaßnahmen mit den Wechselrichtersteuerungen interagieren, und dann bestätigen, dass sich die Systemspannung und -frequenz wie geplant erholen.

Wechselrichtergestützte Ressourcen (IBR) bringen Oberschwingungsanteile, schnelle Regelkreise und eine Abhängigkeit von der Netzstärke mit sich, die mit groben Zeitschritten nicht angenähert werden kann. Echtzeitplattformen zeigen die Wechselwirkungen zwischen Einspeisern, Kollektorsystemen und Anlagen am Verknüpfungspunkt bei Ausfällen oder schwachen Netzbedingungen auf. Sie können die Logik der Anlagensteuerung für Kürzungen, Netzunterstützung und Schwarzstartsequenzen testen, ohne mit dem Standort in Kontakt zu treten. Die Erkenntnisse fließen direkt in Verbindungsstudien, Inbetriebsetzungspläne und Betriebshandbücher ein.

4. Schulung der Bediener für die Reaktion des Systems in Echtzeit

Die Bedienerschulung profitiert davon, dass der Simulator dieselben Anzeigen, Alarme und Steuerungen steuert, die das Personal tagtäglich verwendet. Ein Modell kann auf Überwachungssteuerung und Datenerfassung (SCADA), Ausfallmanagement und Callcenter-Tools zugreifen, um Verfahren unter Druck zu üben. Die Szenarien umfassen das Schalten von Abgängen, das Einschalten von Transformatoren, die Koordination von Wiedereinschaltern und die Aufnahme von Kaltlasten, wobei der Schwerpunkt auf Zeitplanung und Kommunikation liegt. Die Ausbilder können die Übung anhalten, zurückspulen und wiederholen, während Tastenanschläge und Ereignislisten für objektives Feedback aufgezeichnet werden.

Die Teams lernen, wie sie Vorboten von Problemen erkennen, gezielte Messungen anfordern und teamübergreifende Protokolle ausführen können. In Übungen kann die Reaktion auf Stürme, die Inbetriebnahme von Umspannwerken oder ein Schwarzstart über mehrere Arbeitsplätze hinweg mit aufgezeichneten Sprachkanälen geübt werden. Der gleiche Aufbau kann für das Onboarding neuer Mitarbeiter, für Auffrischungszyklen und für die Qualifizierung an neuen Geräten verwendet werden. Das Vertrauen wächst, da die Übungen die Kadenz und die Zwänge einer Schicht widerspiegeln.

5. Planung von Systemerweiterungen und Bewertung von Ausweichszenarien

Planungsstudien profitieren von einer Testumgebung, in der Was-wäre-wenn-Fälle mit angeschlossener echter Schutz- und Steuerungshardware durchgeführt werden können. Sie können Leitererweiterungen, neue Leitungen oder die Platzierung von Kondensatoren mit genau den Einstellungen prüfen, die auch im Feld zum Einsatz kommen. Phasor Measurement Unit (PMU)-Daten, Abzweigmessungen und Ereignisdateien von Umspannwerken können Modelle verfeinern, so dass Stresstests das beobachtete Verhalten widerspiegeln. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für Kapitalpläne, Ausfallfenster und temporäre Betriebsgrenzen, ohne dass dabei Vermutungen angestellt werden müssen.

Die Bewertung der Ausfallsicherheit geht über N minus 1 hinaus, so dass seltene Kombinationen, verzögerte Abrechnung und versteckte Ausfälle geübt werden können, ohne den Betrieb zu gefährden. Systemstärke, Trägheitssurrogate und Spannungsunterstützung können im Hinblick auf neue Technologien wie Speicher oder flexible Wechselstromübertragung getestet werden. Planer und Betreiber vergleichen die Optionen zur Abmilderung von Störungen Seite an Seite und bewahren dann die genehmigten Vorlagen für die zukünftige Verwendung auf. Das Ergebnis sind weniger Änderungen in letzter Minute während des Baus und eine reibungslosere Abnahme, sobald die Anlage unter Spannung steht.

Eine einzige Echtzeitplattform schafft eine gemeinsame Quelle der Wahrheit für Schutz, Kontrolle, Betrieb und Planung. Die Genauigkeit der Wellenform verkürzt die Untersuchungen, stabilisiert die Einstellungen und zeigt Wechselwirkungen auf, die sonst verborgen bleiben würden. Teams reduzieren Risiken, da Experimente unter kontrollierten Bedingungen mit feldtauglichen Geräten durchgeführt werden. Diese gemeinsame Praxis führt zu Gewohnheiten, die sich auszahlen, wenn die Bedingungen schwierig werden.

Wie Versorgungsunternehmen von der Einführung der Echtzeit-EMT-Simulation profitieren

Die Echtzeitsimulation elektromagnetischer Transienten (EMT) liefert Details auf Wellenformebene mit der für Hardwaretests erforderlichen Geschwindigkeit. Dieser Ansatz macht Wechselrichtersteuerungen, Umrichterschaltungen und Messwandlerdynamik sowohl für Ingenieure als auch für Betreiber sichtbar. Die Einführung von Echtzeit-EMT verbessert die Bewertung von Upgrades, die Einstellung von Schutzmaßnahmen und die Zertifizierung von Verbindungen, bevor die Mannschaften anrücken. Zu den Vorteilen gehören Zuverlässigkeit, Sicherheit und Kostenkontrolle, ohne dass ein Neustart der Toolchain erforderlich ist.

• Höheres Vertrauen in den Schutz: Die Echtzeit-EMT zeigt Stromwandlersättigung, Gleichstromversatz und Lichtbogenwiderstandseffekte auf, die sich auf die Elementaufnahme und die Sicherheit auswirken. Die Einstellungen können anhand von Worst-Case-Wellenformen abgestimmt und dann mit objektiven Aufzeichnungen gesichert werden.
• Klarere Wechselwirkungen zwischen Wechselrichtern: Hochauflösende Modelle zeigen das Netzbildungs- und Netzfolgeverhalten bei schwachen Netzbedingungen, Durchhängen und Frequenzverschiebungen. Ingenieure vergleichen Regelungsrevisionen und Filter Seite an Seite und wählen dann Parameter mit Beweisen aus.
• Schnellere Ursachenanalyse: Fehlerwiederholungen mit Feldwellenformen gleichen Modelle, Geräte und Protokolle ab, um die Abfolge der Ereignisse zu isolieren. Die Teams schließen Untersuchungen schneller ab, und Abhilfemaßnahmen werden schneller vor Ort umgesetzt.
• Geringeres Risiko und geringere Kosten vor Ort: Hardware-in-the-Loop-Tests verlagern gefährliche Versuche ins Labor, wodurch Personal und Ausrüstung geschont werden. Die Mitarbeiter erhalten bewährte Einstellungen und Verfahren, die den Zeitaufwand vor Ort und die Nacharbeit reduzieren.
• Kürzerer Zyklus vom Modell bis zur Abnahme: Gemeinsame Modelle können ohne Umstellung für Planung, Schutz und Schulung verwendet werden. Neue Funktionen können mit Firmware in der Schleife getestet werden, bevor ein Pilot in Betrieb geht.
• Stärkere Bereitschaft des Bedieners: Überwachungsanzeigen, Alarme und Steuerungen werden anhand der gleichen EMT-Wellenformen geübt, die auch bei technischen Tests verwendet werden. Das Personal übt seltene Szenarien und baut ein Muskelgedächtnis auf, das auch unter Stress funktioniert.
  

"Wenn Wellenformtreue auf Hardware-Timing trifft, sieht Ihr Team die gleichen Phänomene wie die Geräte vor Ort.

Das Muster ist in den Bereichen Schutz, Integration, Analyse und Schulung gleich. Wenn Wellenformtreue auf Hardware-Timing trifft, sieht Ihr Team die gleichen Phänomene wie die Feldgeräte. Diese Abstimmung verringert die Unsicherheit, reduziert das praktische Risiko und verkürzt die Zyklen von der Studie bis zur Genehmigung. Echtzeit-EMT verwandelt komplexe Interaktionen in wiederholbare Tests, die zu verlässlichen Entscheidungen führen.

Welche praktischen Anwendungsfälle gibt es für die Echtzeitsimulation bei Versorgungsunternehmen?

Zu den hochwertigen Starts gehören Schutzvalidierung, Ride-Through-Tests von Wechselrichteranlagen und Bedienerübungen für die Reaktion auf Unwetter. Diese Aufgaben profitieren von der Wellenformgenauigkeit, der Wiederholbarkeit und der Möglichkeit, Relais, Steuerungen und SCADA-Systeme anzuschließen. Sie können Fehlerwiederholungsstudien für jüngste Vorfälle durchführen, Einstellungen für Wiedereinschaltungen und Übergabeschemata prüfen und neue Steuerungen für Speicher oder Microgrids testen. Die gleichen Builds unterstützen Planungsprüfungen für neue Einspeisungen, Kondensatorbatterien und die Einschaltung von Transformatoren mit Ergebnissen, die von Lauf zu Lauf verglichen werden können.

Welche Hardware und Datenquellen benötigen die Teams, um mit der Nutzensimulation zu beginnen?

Ein Basis-Setup umfasst einen Echtzeit-Simulator mit CPU- und FPGA-Ressourcen, E/A-Module, die Ihren Relais- und Steuerungsschnittstellen entsprechen, und eine Steuerungs-Workstation. Felddaten aus Phasor Measurement Unit (PMU)-Streams, Mikroprozessor-Relaisaufzeichnungen und SCADA-Historiker helfen bei der Kalibrierung der Modelle. Die meisten Labors fügen auch Protokollschnittstellen wie IEC 61850 (International Electrotechnical Commission) und DNP3 (Distributed Network Protocol Version 3) hinzu, um die Kommunikation zu üben. Die ersten Projekte beginnen oft mit der Wiederholung eines vergangenen Ereignisses und werden dann mit wachsendem Vertrauen auf Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL) und Bedienerübungen ausgeweitet.

Wie unterscheidet sich Hardware-in-the-Loop von reinen Software-Studien?

Bei reinen Software-Studien werden sowohl das Netz als auch das Steuer- oder Schutzgerät simuliert, wodurch Latenzen, Abtastoffsets und E/A-Nichtlinearitäten maskiert werden können. Hardware-in-the-Loop (HIL) verbindet das zu prüfende Gerät mit dem Simulator, so dass Timing und Quantisierung den Feldbedingungen entsprechen. Sie erfassen das Verhalten der Firmware unter Stress, einschließlich Fehlerpuffer, Watchdogs und Kommunikationswiederholungen. Dieser Ansatz erhöht das Vertrauen in die Einstellungen und die Logik, bevor die Mitarbeiter vor Ort sie auf die Geräte anwenden.

Wie sollten die Versorgungsunternehmen die Investitionsrendite von Echtzeit-EMT messen?

Messen Sie die Verringerung von Fehlbedienungen, Nacharbeitsstunden an Standorten und die Zeit bis zum Abschluss von Untersuchungen nach Zwischenfällen. Verfolgen Sie den Schulungsdurchsatz, die Erfolgsquote bei Übungen und die Anzahl der pro Quartal genehmigten Kontrollen oder Einstellungen. Überwachen Sie Änderungsanträge für die Inbetriebnahme von Wechselrichterprojekten und vergleichen Sie diese mit den Vorjahren. Fügen Sie qualitatives Feedback von Bedienern und Außendienstmitarbeitern hinzu, um den Vertrauenszuwachs zu erfassen, den die Metriken nicht vollständig zeigen.