Wichtigste Erkenntnisse
- Moderne Simulationssoftware bietet eine kontrollierte, kosteneffiziente Möglichkeit, elektrische Systeme unter komplexen Bedingungen zu testen, lange bevor die Hardware gebaut wird.
- Echtzeit- und Hardware-in-the-Loop-Tests verbinden die digitalen Modelle direkt mit den Steuerungen, wodurch Zeit- und Stabilitätsprobleme aufgedeckt werden, die die statische Analyse nicht aufdecken kann.
- Die Auswahl der richtigen Simulationssoftware für Stromversorgungssysteme hängt von den Studienzielen, den Anforderungen an die Genauigkeit und der Integration in bestehende Toolchains ab.
- OPAL-RT bietet Echtzeitpräzision, flexible Integration und zuverlässigen technischen Support, der Forschern hilft, elektrische Projekte zu validieren und zu skalieren.
Sie sollten nicht raten müssen, ob Ihr Modell im Labor Bestand haben wird. Für Elektroprojekte gelten enge Zeitpläne, und jeder Test muss wiederholbare, vertretbare Ergebnisse liefern. Die Simulation ist der Ort, an dem Ideen auf messbares Verhalten treffen, lange bevor Hardwarebudgets festgelegt werden. Wenn Sie sich auf Ihre Modelle verlassen können, kommen Sie schneller voran, verringern das Risiko und können mit Zuversicht liefern.
Die Teams stellen hohe Anforderungen an ihre Tools, von High-Fidelity-Solvern bis hin zur Echtzeitausführung unter engen Hardware-in-the-Loop (HIL)-Rahmenbedingungen. Dieser Druck wird immer größer, je verteilter die Netze werden, je schneller die Umrichter schalten und je komplexer die Steuerungen werden. Mit dem richtigen Setup erhalten Sie Klarheit über Leistungsgrenzen, Eckfälle und Interoperabilität, ohne Zeit im Labor zu verschwenden. Klare und zuverlässige Ergebnisse werden von Tools geliefert, die sich an die Art und Weise anpassen, wie Sie testen, gemeinsam nutzen und skalieren.
Warum Elektroforscher auf fortschrittliche Simulationssoftware setzen
Komplexe Energie- und Steuersysteme lassen sich nicht allein durch Intuition validieren. Feldversuche kosten Geld, stören den Zeitplan und decken selten alle relevanten Fehlerpfade ab. Mit einer realitätsnahen elektrischen Simulationssoftware können Sie die Folgen von Parameteränderungen, Topologieentscheidungen und Steuerungsaktualisierungen beobachten, bevor Sie sich festlegen. Sie können Betriebspunkte abtasten, Grenzfälle untersuchen und Lösungsoptionen vergleichen, während Sie gleichzeitig Beweise sammeln, die einer Überprüfung standhalten.
Eine gute Toolchain unterstützt auch die Zusammenarbeit, Nachvollziehbarkeit und Wiederverwendung. Teams können Modelle in der Versionskontrolle speichern, Unterschiede überprüfen und sich an gemeinsamen Annahmen orientieren. Testingenieure können Steuerungsfehler mit gemeinsamen Seeds und Inputs reproduzieren und dann verifizierte Korrekturen an das Design zurückgeben. Dieser Arbeitsablauf strafft die Feedback-Schleifen und sorgt dafür, dass sich Ihre Bemühungen auf die Bereiche konzentrieren, in denen sie den größten Nutzen bringen.
Wie die Simulation die Prüfung und Validierung von Energiesystemen in Echtzeit unterstützt
Offline-Studien dienen als Leitfaden für die Architektur und die Dimensionierung von Komponenten, aber die Sicherheit eines geschlossenen Regelkreises ergibt sich aus Echtzeittests. Mit Hardware-in-the-Loop (HIL) läuft Ihre physische Steuerung gegen einen digitalen Zwilling, der die Reaktion der Anlage nach einem deterministischen Zeitplan reproduziert. Dadurch werden zeitliche Empfindlichkeiten, Probleme bei der Unterbrechungsbehandlung und Schnittstellenfehler aufgedeckt, die bei der statischen Analyse übersehen werden. Sie erfahren, wie sich die Steuerung bei Störungen, Transienten und Fehlerereignissen verhält, und können die Protokolle Bild für Bild wiedergeben.
Echtzeitplattformen bieten Ihnen die Geschwindigkeit, um Zeitschritte im Sub-Millisekundenbereich zu erreichen, die E/A, um sichere Verbindungen herzustellen, und die Werkzeuge, um wiederholbare Testsequenzen zu erstellen. Sie können Schutzstudien, die Validierung von Leistungselektronik und Tests von netzgekoppelten Stromrichtern durchführen, ohne die Anlagen zu gefährden. Wenn ein Fall eine Schwachstelle aufzeigt, können Sie das Modell überarbeiten und den Test erneut durchführen, ohne auf knappe Laborplätze warten zu müssen. Das Ergebnis sind bessere Entwürfe und eindeutige Nachweise für die Einhaltung der Vorschriften.
"Simulation ist der Ort, an dem Ideen auf messbares Verhalten treffen, lange bevor Hardware-Budgets bereitgestellt werden.
6 Simulationswerkzeuge, die jeder Elektroforscher kennen sollte
Die Wahl einer Plattform bestimmt, wie Sie modellieren, welchen Solvern Sie vertrauen und welche Testabdeckung Sie erreichen. Die Wahl der Plattform wirkt sich auch darauf aus, wie leicht Sie Ihre Arbeit mit anderen Forschungsgruppen, Labors und Zulieferern teilen können. Viele Teams standardisieren auf einige wenige Tools, um ein Gleichgewicht zwischen Tiefe und Interoperabilität herzustellen. Wer heute sorgfältig auswählt, spart sich Nacharbeit, wenn Projekte skaliert werden.
1) SPS Software (ehemals SimPowerSystems)
SPS Software ist eine spezielle Bibliothek für den Aufbau, die Simulation und die Analyse von elektrischen Energiesystemen und Leistungselektronik. Sie bietet vorgefertigte Blöcke für Maschinen, Umrichter, Transformatoren, Übertragungsleitungen und Messgeräte, was den Aufbau von Modellen ohne eigenen Code beschleunigt. Der powergui-Block steuert die Solver-Einstellungen, so dass Sie zwischen Phasor-Domain-Studien für Langzeitdynamik und diskreter elektromagnetischer Transientensimulation für Details auf Wellenformebene wechseln können. Dank dieser Flexibilität können Sie mit einem einzigen Modell und einer einheitlichen Schnittstelle von der Auswahl der Topologie bis hin zur Validierung des Reglers gehen. Als elektrische Simulationssoftware eignet sie sich für Forscher, die eine enge Abstimmung mit Arbeitsabläufen und einen kurzen Weg zur Skripterstellung und Automatisierung wünschen.
Forscher verwenden SPS, wenn sie eine Mischung aus Studien auf Netzwerkebene und Details auf Geräteebene benötigen, ohne Simulink zu verlassen. Die Phasorsimulation eignet sich gut für große Einspeisungen und lange Zeitfenster, während die diskrete elektromagnetische Transiente (EMT) das Schaltverhalten, die Kommutierung und die Schutzzeit mit höherer Genauigkeit erfasst. Für Hardware-in-the-Loop- (HIL) oder Echtzeit-Ziele ist es wichtig, das Netzwerk in den diskreten Modus mit einer festen Abtastzeit zu versetzen, und das Trimmen steifer Parasitika hält die Simulationen stabil. Wenn in HIL die Genauigkeit auf Schaltebene erforderlich ist, koppeln viele Teams SPS-Schaltungsmodelle mit OPAL-RT RT-LAB unter Verwendung von ARTEMiS oder eHS, so dass die Berechnungen vorhersehbar auf einer Zentraleinheit (CPU) oder einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) ablaufen. OPAL-RT RT-LAB ist nach wie vor eine praktische Stromversorgungssimulationssoftware für Einspeisestudien und die Validierung von Umrichtern in vielen Projektphasen.
2) MATLAB und Simulink
Viele Forscher beginnen mit MATLAB-Simulationen und bauen vollständige Systeme in Simulink auf, wobei sie Blockdiagramme verwenden, die sich an der Steuerungslogik orientieren. Dieses Toolset unterstützt Studien im Zeitbereich, die Analyse des Frequenzverhaltens und die Codegenerierung, wenn Sie zu eingebetteten Zielen übergehen müssen. Modellbibliotheken beschleunigen gängige Aufgaben wie die Erzeugung von Pulsweitenmodulation (PWM), Sensormodellierung und Filterentwurf. Außerdem können Sie Skripte für die Testautomatisierung, Parametersweeps und die Ergebnisverwaltung erstellen.
Für Energiesysteme bieten Simscape Electrical und die zugehörigen Bibliotheken Quellen, Maschinen, Leistungselektronik, Messungen und Netzelemente. Sie können Prototypen von Umrichtern, Antrieben und Netzen mit detaillierten Schalt- oder Durchschnittsmodellen erstellen und dann den Solver-Modus wechseln, um Ihre Zeitschrittvorgaben zu erfüllen. Die Co-Simulation mit anderen Tools ist hilfreich, wenn Sie EMT-Details in einem Bereich und schnellere Dynamik in einem anderen benötigen. Das Ökosystem unterstützt eine breite Palette von Toolboxen, so dass Sie die Funktionen erweitern können, ohne Ihren Arbeitsablauf umstellen zu müssen.
"Mit einem ausgewogenen Toolkit können Sie Offline-Geschwindigkeit, EMT-Details und Echtzeit-HIL kombinieren."
3) OPAL-RT RT-LAB
OPAL-RT RT-LAB konzentriert sich auf die Echtzeitausführung für HIL und Steuerungsprototyping. Sie erstellen Modelle in vertrauten Werkzeugen, partitionieren sie dann und setzen sie auf CPU- und FPGA-Zielen mit deterministischem Scheduling ein. Mit diesem Ansatz können Sie Schaltmodelle im Submikrosekundenbereich ausführen, Schnittstellen zu physischen Ein- und Ausgängen (E/A) herstellen und wiederholbare Testszenarien skripten. Ingenieure nutzen es, um Schutzfunktionen zu üben, die Stabilität der Steuerung zu überprüfen und Stromrichter zu testen, ohne die Hardware zu gefährden.
RT-LAB lässt sich mit Functional Mock-up Interface (FMI) und Functional Mock-up Unit (FMU), Python und Simulink integrieren und ermöglicht so den flexiblen Import und die Automatisierung von Modellen. Teams profitieren von E/A mit niedriger Latenz, umfangreicher Signalerfassung und Dienstprogrammen für die Wiedergabe von Szenarien, das Einfügen von Fehlern und den Datenexport. Sie können Rechenbudgets der richtigen Hardware zuordnen, klein anfangen und mit wachsender Komplexität skalieren. Die Betonung der Echtzeitgenauigkeit gibt Ihnen Sicherheit beim Übergang von Offline-Studien zu Closed-Loop-Tests.
4) PSCAD
PSCAD wird häufig für elektromagnetische Transientenstudien (EMT) verwendet, bei denen es auf detaillierte Schaltvorgänge, Wellenformen und schnelle Ereignisse ankommt. Die Schnittstelle konzentriert sich auf Schaltpläne, Wiedergabe und Zeitserieninstrumente, die eine sorgfältige Validierung von Umrichtern, Maschinen und Schutzeinrichtungen unterstützen. Die Software eignet sich hervorragend für die Untersuchung von Steilfronttransienten, Isolationsbelastungen und detaillierten Netzinteraktionen. Viele Versorgungs- und Forschungsteams verlassen sich bei Point-on-Wave-Studien und der originalgetreuen Replikation von Fehlerereignissen auf diese Lösung.
Sie können detaillierte Modelle von leistungselektronischen Schnittstellen, Hochspannungs-Gleichstrom-Verbindungen (HGÜ) und komplexen Netzen erstellen und dann die Auswirkungen von Steuerungsinteraktionen und nichtlinearen Geräten erfassen. Parameter-Sweeps und skriptgesteuerte Studien helfen bei der Quantifizierung von Sensitivitäten und Margen. Import- und Exportoptionen unterstützen breitere Arbeitsabläufe mit Planungssoftware, Steuerungsmodellen und kundenspezifischen Skripten. Die Fokussierung auf die EMT-Treue macht es zu einer guten Wahl für Projekte, bei denen die Detailgenauigkeit der Wellenform die Entscheidungsgrundlage bildet.
5) DIgSILENT PowerFactory
DIgSILENT PowerFactory dient der Planung, den Betriebsstudien und der detaillierten Analyse in den Bereichen Übertragung und Verteilung. Es bietet Lastfluss-, Kurzschluss-, Schutz-, Kleinsignal- und Zeitbereichssimulationen unter einer einzigen Modelldarstellung. Sie können Studienfälle für mehrere Szenarien und Jahreszeiten verwalten und dann die Ergebnisse mit konsistenten Datensätzen vergleichen. Ingenieure schätzen die umfangreiche Bibliothek von Elementen und die Möglichkeit, Modelle für fortgeschrittene Aufgaben anzupassen.
Die Plattform unterstützt Skripting, Datenaustausch und Co-Simulation, wenn Sie eine Verbindung zu externen Solvern oder Steuerungsmodellen benötigen. Die Zeitreihenanalyse hilft bei der Quantifizierung von Hosting-Kapazitäten, Spannungsregelungsstrategien und der Integration dezentraler Energiequellen (DER). Studien zur Schutzkoordination profitieren von Gerätemodellen, Selektivitätsprüfungen und automatischen Berichten. Dank dieses Umfangs kann ein einziges Modell viele Studienfragen über den gesamten Lebenszyklus eines Projekts hinweg beantworten.
6) OpenDSS
OpenDSS ist eine Open-Source-Simulationsmaschine für Stromversorgungssysteme, die für Studien über die Verteilung gepflegt wird. Forscher verwenden es für die Analyse von Abgängen, Hosting-Kapazitäten, Spannungssteuerung und Zeitreihenszenarien mit großen Mengen an verteilten Energieressourcen. Die Skriptschnittstelle, die COM-Automatisierung (Component Object Model) und Python-Anbindungen unterstützen wiederholbare Arbeitsabläufe und Batch-Studien. Sie können Validierungspipelines erstellen, die Abzweigmodelle importieren, Profile anwenden und Ergebnisse für Dashboards exportieren.
Da OpenDSS offen ist, können Sie Algorithmen prüfen, den Quellcode ändern und Erweiterungen erstellen, die Ihren Studienanforderungen entsprechen. Diese Transparenz hilft bei der Überprüfung durch Fachkollegen, der Reproduzierbarkeit und der langfristigen Wartung. Viele Teams kombinieren OpenDSS mit Data-Science-Tools zur Verarbeitung von AMI-Daten (Advanced Metering Infrastructure), Wetterdaten und Wechselrichterplänen. Dies ist ein praktischer Weg, um bei knappen Budgets skalierbare Studien ohne teure Lizenzen zu erstellen.
Mit einem ausgewogenen Toolkit können Sie Offline-Geschwindigkeit, EMT-Details und Echtzeit-HIL kombinieren. Einige Projekte werden von Anfang bis Ende auf einer Plattform durchgeführt, während bei anderen die Aufgaben auf verschiedene Solver und Plattformen verteilt werden. Interoperabilität verringert die Reibung, wenn Modelle vom Konzept zum Labor und wieder zurück wandern. Ihre Auswahl sollte die Studien widerspiegeln, die Sie am häufigsten durchführen, und nicht nur die Funktionen, die auf den ersten Blick beeindruckend sind.
Wie Sie die richtige Stromnetzsimulationssoftware für Ihr Projekt auswählen
Die Auswahl von Simulationssoftware für Stromversorgungssysteme ist einfacher, wenn Sie sich auf die Ziele der Studie, die Einschränkungen und die Fähigkeiten des Teams konzentrieren. Beginnen Sie mit der Physik, die erfasst werden muss, und stimmen Sie dann die Solver auf die beteiligten Zeitskalen ab. Planen Sie den Weg von der Offline-Analyse zur Echtzeit-Validierung, wenn HIL auf Ihrer Roadmap steht. Behandeln Sie den Integrationsaufwand als eine Anforderung erster Ordnung, nicht als nachträglichen Gedanken.
- Art der Studie und Anforderungen an die Wiedergabetreue: Entscheiden Sie, ob Sie Geschwindigkeit im Phasenbereich, EMT-Wellenformdetails oder beides benötigen. Die erforderlichen Zeitskalen bestimmen die Wahl des Solvers, die Zeitschrittziele und die Modellkomplexität.
- Echtzeit- und HIL-Fähigkeit: Bestätigen Sie, dass die Modelle partitioniert und deterministisch mit Ihrer Steuerung und Ihren E/A ausgeführt werden können. Stellen Sie sicher, dass das Tool Ihre Latenzgrenzen, Zeitplanung und Sicherheitsverriegelungen unterstützt.
- Toolchain-Kompatibilität und Standards: Prüfen Sie die Unterstützung von Functional Mock-up Interface (FMI) oder Functional Mock-up Unit (FMU), Python- oder MATLAB-APIs und Co-Simulations-Hooks. Interoperabilität schützt frühere Arbeiten, hilft bei Peer-Reviews und verringert das Risiko von Neuschreibungen.
- Lizenzierungsmodell und Gesamtkosten: Berücksichtigen Sie die Kosten für Lizenzen, Support, Hardware und Schulung. Berücksichtigen Sie die Opportunitätskosten für langsame Iterationen, lange Debugging-Zyklen und blockierte Laborzeit.
- Modellmanagement und Reproduzierbarkeit: Achten Sie auf Skripting, Headless-Runs und eine saubere Integration in die Versionskontrolle. Reproduzierbare Studien sparen Zeit, verbessern das Vertrauen und vereinfachen die Zusammenarbeit zwischen Teams.
- Leistung und Skalierbarkeit: Prüfen Sie die Optionen für Multicore-, Grafikprozessor- (GPU) oder FPGA-Beschleunigung zusammen mit Profiling-Tools. Wachstumsspielraum ist wichtig, wenn Modelle erweitert oder Echtzeitziele verschärft werden.
- Support-, Lern- und Community-Ressourcen: Bewerten Sie die Qualität der Dokumentation, die Beispielbibliotheken und die Reaktionsfähigkeit der Support-Teams. Starke Ressourcen verkürzen die Einarbeitungszeit und verringern die Fehlerquote.
Ein klarer Entscheidungsfindungsrahmen verhindert, dass die Werkzeuge ausufern und doppelter Aufwand betrieben wird. Ihre Wahl sollte den Weg von der Studienidee zum verifizierten Ergebnis verkürzen und nicht zu mehr Reibung führen. Behalten Sie eine kleine Anzahl von primären Tools bei und legen Sie fest, wann Sie einen Fall an einen spezialisierten Löser weitergeben. Überprüfen Sie die Entscheidung jährlich, um sicherzustellen, dass Ihre Anforderungen weiterhin erfüllt werden.
"Was am besten geeignet ist, hängt davon ab, was Sie untersuchen müssen, welche Genauigkeit Sie benötigen und wie weit Sie in die Echtzeittests gehen wollen. Viele Teams beginnen mit MATLAB und Simulink für den Entwurf von Steuerungen, fügen Details auf Schaltebene mit einer Plattform für elektromagnetische Transienten hinzu und wechseln zu HIL, wenn die Steuerungen ausgereift sind. Planungs- und Schutzgruppen bevorzugen häufig Tools, die ein einziges Netzmodell für Lastfluss-, Kurzschluss- und Zeitserienstudien verwenden. Verteilungsforscher können OpenDSS für die Analyse auf Abgangsebene mit flexibler Skripterstellung hinzufügen. Das beste Setup ist dasjenige, das die Nacharbeit reduziert, die Rückverfolgbarkeit bewahrt und Sie schneller zu vertretbaren Ergebnissen bringt.
Echtzeitziele erfordern eine deterministische Ausführung, I/O mit niedriger Latenz und Werkzeuge, die Modelle auf CPU und FPGA aufteilen. Plattformen wie OPAL-RT RT-LAB sind für diesen Anwendungsfall konzipiert und lassen sich mit der Steuerungshardware, der Testautomatisierung und der Signalerfassung integrieren. Der Schlüssel liegt in der Anpassung der Solverauswahl, der Zeitschritte und des I/O-Timings an die Grenzen Ihrer Steuerung. Offline-Tools können dennoch einen Beitrag leisten, indem sie Modelle vorbereiten, die sich sauber in Echtzeit-Subsysteme umwandeln lassen. Eine gute Entscheidung ist es, den Modellierungsaufwand portabel zu halten, so dass Sie nicht neu aufbauen müssen, wenn Sie zu HIL übergehen.
Hardware-in-the-Loop verbindet Ihr Steuergerät mit einem digitalen Zwilling, der nach einem festen Zeitplan läuft, und misst dann, wie sich das Steuergerät unter Belastung verhält. Sie können Fehler einfügen, Betriebspunkte variieren und Schutzvorrichtungen testen, ohne die Geräte zu gefährden. Latenz, Jitter und Kommunikationsverhalten werden sichtbar, wodurch oft Probleme aufgedeckt werden, die bei Offline-Läufen verborgen bleiben. Da die Szenarien wiederholbar sind, können Teams Fehler reproduzieren und Korrekturen zuverlässig bestätigen. Der Prozess verwandelt die Zeit im Labor in strukturierte Beweise und nicht in einmalige Experimente.
Der Hauptunterschied zwischen der EMT und der Phasor-Domain-Simulation ist die Detailgenauigkeit der Wellenform im Vergleich zum gemittelten Verhalten. EMT-Solver berechnen momentane Spannungen und Ströme in kleinen Zeitschritten, wodurch Schaltvorgänge, hochfrequente Dynamik und steile Transienten erfasst werden. Studien im Phasenbereich stellen Signale als Beträge und Winkel dar, die schneller ablaufen und sich für Planung, Lastfluss und viele Zeitreihenaufgaben eignen. In Projekten werden oft beide Methoden verwendet, wobei EMT für Fälle reserviert wird, in denen die Details der Wellenform die Entwurfsentscheidungen bestimmen. Die richtige Wahl hängt von der Physik ab, die Sie sehen müssen, und von der Zeit, die Sie pro Fall aufwenden können.
Open-Source-Tools können Feeder-Modelle, Zeitreihenprofile und Batch-Studien verarbeiten und dabei die Kosten in Grenzen halten. Viele Forscher verwenden OpenDSS für die Verteilungsanalyse und verknüpfen die Ergebnisse dann mit Data Science Notebooks für die Erstellung von Szenarien und Diagrammen. Die Transparenz hilft bei der Überprüfung durch Fachkollegen und der langfristigen Wartung, insbesondere bei akademischen und öffentlichen Projekten. Wenn Echtzeittests erforderlich sind, können die Modelle exportiert oder auf für HIL konzipierten Plattformen neu erstellt werden. Die Mischung hält die Budgets unter Kontrolle und erfüllt dennoch die Anforderungen der Studie.
