Wie fortgeschrittene Simulationsspezialisten die Grenzen der Echtzeitleistung ausreizen

Wichtigste Erkenntnisse

• Tools, die nur auf der CPU laufen, erzwingen oft größere Schrittgrößen oder zusätzliche Verzögerungen, die die Wiedergabetreue genau in den entscheidenden Momenten beeinträchtigen.
• Spezialisierte Echtzeit-Löser bewahren die Genauigkeit vertrauter Modelle und halten gleichzeitig strikte feste Schritte für schnelle Ereignisse ein.
• FPGA-Solver erfassen die Dynamik im Submikrosekundenbereich, so dass die Steuerungen ein realistisches Schaltverhalten und Schutzzeitverhalten erfahren.
• Ein hybrider CPU- und FPGA-Split ermöglicht die Skalierung von Gittern und Konvertern, ohne dass Modelle umgeschrieben oder Details geopfert werden müssen.
• Konsistente Build- und Testpipelines verkürzen die Iterationen, verringern das Risiko und erhöhen das Vertrauen in die endgültigen Designentscheidungen.

Herkömmliche Simulationswerkzeuge werden zum Engpass, wenn sie mit der Geschwindigkeit und Komplexität moderner elektrischer Systeme konfrontiert werden. Ingenieure befürchten, dass ihre Modelle nicht alle schnellen Transienten oder Instabilitäten erfassen, wodurch die Validierung kritischer Designs riskanter wird. Die zunehmende Verwendung von Hochfrequenz-Stromrichtern in Stromnetzen für erneuerbare Energien hat neue Probleme in Bezug auf die Zuverlässigkeit aufgeworfen - Ausfälle von Stromrichtern werden jetzt als Hauptursache für Stromausfälle angesehen. Dies bedeutet, dass Simulationen in echter Echtzeitgeschwindigkeit ablaufen müssen, ohne dabei an Genauigkeit zu verlieren. Wir bei OPAL-RT sind der Meinung, dass Ingenieure niemals durch ihre Werkzeuge behindert werden sollten. Jahrzehntelange Erfahrung mit Echtzeitsimulationen hat gezeigt, dass die Integration fortschrittlicher Algorithmen mit spezieller Hardware diese Engpässe beseitigen kann. Das Ergebnis ist die Fähigkeit, kühne, komplexe Systeme schnell und mit vollem Vertrauen in die Ergebnisse zu testen.

Standard-Simulationswerkzeuge erfüllen die Anforderungen an die Echtzeitleistung nur schwer

Herkömmliche CPU-basierte Simulatoren geraten oft ins Stocken, wenn sie versuchen, mit schnellen, komplexen Systemen Schritt zu halten. Ingenieure stoßen häufig auf numerische Instabilität oder müssen Modelle vereinfachen, nur um sie zum Laufen zu bringen. Nachfolgend sind einige häufige Probleme aufgeführt, die deutlich machen, warum Standardwerkzeuge nicht mithalten können:

• Begrenzte Auflösung des Zeitschritts: Allzweck-Simulatoren für elektromagnetische Transienten (EMT) arbeiten in der Regel mit festen Schritten in der Größenordnung von 5-100 Mikrosekunden. Die Erfassung von schnellen Schaltvorgängen oder Fehlertransienten kann jedoch Zeitschritte im Bereich von 100 Nanosekunden erfordern, was um Größenordnungen über dem liegt, was herkömmliche CPU-Solver zuverlässig erreichen können.
• Genauigkeitseinbußen durch Modellverzögerungen: Um mit CPU-Beschränkungen fertig zu werden, führen Ingenieure oft winzige Verzögerungen oder größere Schrittgrößen in ihre Modelle ein. Diese künstlichen Anpassungen sorgen dafür, dass die Simulationen laufen, aber sie haben ihren Preis: Selbst kleine Verzögerungen, die aus Stabilitätsgründen eingefügt werden, können die Genauigkeit merklich verringern und damit die Genauigkeit untergraben, die die Echtzeitsimulation eigentlich bieten soll.
• Grenzen der Parallelverarbeitung: Multi-Core-Prozessoren und Software-Tricks können den Durchsatz verbessern, aber bestimmte Hochgeschwindigkeits-Regelkreise und leistungselektronische Interaktionen sind von Natur aus schwer zu parallelisieren. Einige Berechnungen müssen sequentiell erfolgen, was bedeutet, dass ein schnell schaltender Umrichter oder ein steifes Netzsubsystem immer noch einen Engpass für die gesamte Simulation darstellen kann. In der Praxis bedeutet dies, dass kritische Transienten möglicherweise übersehen oder übermäßig geglättet werden, weil der Simulator nicht alle Gleichungen innerhalb der strengen Echtzeitfristen lösen kann.
• Dilemma zwischen Maßstab und Geschwindigkeit: Je größer die Modelle werden und je mehr Abschnitte eines Stromnetzes oder detailliertere Umrichterschaltungen sie enthalten, desto höher ist die Rechenlast pro Zeitschritt. Die Teams müssen oft Kompromisse bei der Detailgenauigkeit eingehen (z. B. Gruppierung von Geräten zu einer einzigen gemittelten Einheit), um eine Überschreitung der Schrittzeit zu vermeiden. Dieser Kompromiss zwischen Systemgröße und Simulationsgeschwindigkeit führt zu Lücken in der Erkenntnis, da ein vereinfachtes Modell möglicherweise lokale Phänomene ignoriert, die sich im tatsächlichen Betrieb als entscheidend erweisen.
  

Diese Herausforderungen verdeutlichen, warum die Verwendung von Standard-Simulationstools die Innovation behindern kann. Wenn Ihr Simulator durch numerische Fehler, übersehene Ereignisse oder erzwungene Vereinfachungen Zweifel aufkommen lässt, wird es schwieriger, den Ergebnissen zu vertrauen. Ingenieure brauchen Lösungen, die diese Hindernisse beseitigen. Ein Simulator sollte sich genau wie das reale System verhalten, egal wie komplex oder schnell es wird.

Integration von Standardmodellen mit spezialisierten Solvern bewahrt die Genauigkeit bei Echtzeitgeschwindigkeit

Fortgeschrittene Simulationsspezialisten gehen diese Einschränkungen an, indem sie vertraute Modellierungswerkzeuge mit hochleistungsfähiger Solver-Technologie erweitern. Anstatt die Ingenieure zu zwingen, ihre Modelle drastisch zu vereinfachen, besteht der Ansatz darin, die Art und Weise der Simulationsberechnung selbst zu verbessern. Eine bewährte Methode ist die Integration von domänenspezifischen Echtzeit-Solvern direkt in Plattformen wie Simscape Electrical™. Auf diese Weise können Teams ihre standardmäßigen MATLAB/Simulink®-Modelle weiterverwenden, während sie gleichzeitig von der Stabilität und Geschwindigkeit eines benutzerdefinierten Solvers unter der Haube profitieren.

So ist der ARTEMiS-Solver so konzipiert, dass er mit Simscape Electrical-Modellen zusammenarbeitet, um die numerische Stabilität bei festen Zeitschritten zu gewährleisten. Er verwendet eine fortschrittliche Entkopplungstechnik, die es vermeidet, künstliche Verzögerungen zwischen den Teilsystemen einzuführen, wodurch die Modelltreue auch bei großen Netzsimulationen erhalten bleibt. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Ingenieur ein detailliertes Simulink-Modell eines komplexen Stromnetzes nehmen und es in Echtzeit ausführen kann, ohne die üblichen Hacks oder Detailverluste. Der Solver unterteilt das Netz in kleinere lösbare Blöcke und behandelt diese mit optimierten Algorithmen, die bei der erforderlichen Geschwindigkeit stabil bleiben. Entscheidend ist, dass diese Entkopplung verzögerungsfrei erfolgt - der Simulator ist nicht darauf angewiesen, die Interaktionen zwischen den Komponenten zu verlangsamen oder zu dämpfen, um die Stabilität zu erhalten. Infolgedessen spiegeln die Ergebnisse eine realitätsnahe Offline-Simulation wider, werden aber sofort, Schritt für Schritt und im Gleichschritt mit der Uhr erzeugt.

"Herkömmliche Simulationswerkzeuge werden zum Engpass, wenn sie mit der Geschwindigkeit und Komplexität moderner elektrischer Systeme konfrontiert werden".

Die Zusammenarbeit zwischen Standardwerkzeugen und spezialisierten Solvern rationalisiert auch die Arbeitsabläufe. Ingenieure können Modelle in den ihnen bekannten Werkzeugen (wie Simulink) entwickeln und einfach einen Echtzeitmodus aktivieren, wenn sie bereit sind, sie auf einer Zielmaschine auszuführen. Unter der Oberfläche bewältigen die Solver automatisch steife Gleichungen und schnelle Schaltvorgänge, so dass selbst notorisch schwierige Komponenten ohne Instabilität berechnet werden. Die Erfahrung in der Industrie zeigt, dass dieser Ansatz zuverlässig große Systeme simulieren kann, die normalerweise am Rande der Instabilität stehen würden. Durch die Beibehaltung von Details und Genauigkeit bei Echtzeitgeschwindigkeiten bieten spezialisierte Solver den Ingenieuren eine leistungsstarke Alternative zur "Verschlankung" ihrer Modelle.

FPGA-basierte Solver sind für die moderne High-Fidelity-Elektrosimulation unerlässlich

Während fortschrittliche CPU-Solver die Echtzeitleistung drastisch verbessern, erfordern einige Szenarien einfach mehr Geschwindigkeit, als jeder Allzweckprozessor bewältigen kann. Feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) haben sich als unverzichtbares Werkzeug für Echtzeitsimulationen mit extrem hoher Genauigkeit erwiesen. Diese rekonfigurierbaren Chips führen Berechnungen in echter Parallelität und mit Taktraten durch, die Zeitschritte im Submikrosekundenbereich ermöglichen. So kann ein FPGA-basierter Solver die Physik von schnell schaltenden Geräten und elektromagnetischen Transienten mit hardwareähnlicher Granularität darstellen.

Der Unterschied, den FPGAs bewirken, ist beeindruckend. Eine FPGA-basierte Simulation bewältigte beispielsweise 1.200 Leistungshalbleiterschalter mit einem Zeitschritt von nur 373 ns und einer Genauigkeit von 99,83 %. Diese Zahlen sind nicht nur akademischer Natur; sie lassen sich direkt in die Fähigkeit umsetzen, Hochfrequenzphänomene wie schnelle Schaltübergänge oder die Ausbreitung von Transienten in einem großen Netzwerk zu modellieren. Im Gegensatz dazu würde ein CPU-basierter Simulator entweder abstürzen, sich dramatisch verlangsamen oder gezwungen sein, diese Dynamiken herauszumitteln.

FPGA-basierte Solver zeichnen sich dadurch aus, dass sie viele Operationen gleichzeitig berechnen können. Ein FPGA kann verschiedene Logikschaltungen für die parallele Lösung von Teilen des Modells einsetzen, z. B. für die Lösung von Matrixgleichungen bei gleichzeitiger Integration von Gerätemodellen im selben Taktzyklus. Diese massive Parallelität bedeutet, dass selbst große Systeme mit kompromissloser Detailtreue simuliert werden können. Moderne Echtzeit-Simulationsplattformen kombinieren häufig CPUs mit FPGAs: Die CPU verwaltet das Gesamtmodell und die Schnittstellen, während FPGA-Karten die Berechnungen im Sub-Mikrosekundenbereich durchführen. Das Ergebnis ist ein Simulator, der einen 50-kHz-Schaltwandler in Echtzeit ablaufen lassen kann und dabei jeden Impuls und jede Transiente erfasst, wo frühere Generationen von Tools die Dinge verlangsamen oder Details ganz weglassen mussten.

"Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) haben sich zu einem unverzichtbaren Werkzeug für Echtzeitsimulationen mit extrem hoher Genauigkeit entwickelt.

Die Erweiterung der Grenzen der Echtzeitsimulation beschleunigt die Innovation und schafft Vertrauen in die Konstruktion

Nahtlose Hardware-in-the-Loop-Tests

Echtzeitsimulationen mit hoher Wiedergabetreue machen Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests nahtlos. Moderne Echtzeitsimulatoren erreichen ein so präzises Timing, dass echte Hardware nicht merkt, dass sie nicht mit dem tatsächlichen System verbunden ist. Ingenieure können physische Steuergeräte oder Schutzvorrichtungen anschließen und sie unter strengen, realitätsnahen Bedingungen testen. Der Simulator ist in der Lage, Fehler einzuschleusen, z. B. eine plötzliche Spannungsspitze oder einen Komponentenausfall, und die Steuerung reagiert genau so, wie sie es im Feld tun würde. Das bedeutet, dass die Teams ihre Steuerungssoftware und -hardware in zahllosen Szenarien überprüfen können, einschließlich extremer Eckfälle, die zu riskant oder unpraktisch wären, um sie an physischen Geräten zu testen.

Komplexe Systeme zuverlässig validieren

Der vielleicht größte Vorteil der fortschrittlichen Echtzeitsimulation ist die Sicherheit, die sie bei endgültigen Designentscheidungen bietet. Moderne Entwürfe in allen Bereichen - von Antriebssträngen für Elektrofahrzeuge über Stromnetze mit erneuerbaren Energien bis hin zu Systemen für die Luft- und Raumfahrt - beinhalten unzählige Interaktionen und Grenzfälle, die validiert werden müssen. Ingenieure können ihre Projekte Ereignissen wie mehrzyklischen Netzfehlern, schnellen Lastwechseln oder Geräteausfällen aussetzen und beobachten, wie das gesamte System darauf reagiert. High-Fidelity-Simulatoren erfassen subtile Effekte, die einfacheren Modellen entgehen, und stellen sicher, dass potenzielle Probleme virtuell und nicht erst vor Ort entdeckt werden. Dieser proaktive Ansatz vermeidet kostspielige Überraschungen und bedeutet, dass der endgültige Entwurf bereits in einem digitalen Zwilling des Systems getestet wurde.

Wie können fortgeschrittene Anwender Simscape Power Systems und ARTEMiS für Echtzeitgenauigkeit kombinieren?

Fortgeschrittene Benutzer nutzen die ARTEMiS-Toolbox als Plug-in-Solver in Simscape Power Systems (früher SimPowerSystems), um Echtzeitgenauigkeit zu erreichen. In der Praxis bedeutet dies, dass das elektrische Modell wie üblich in Simscape Electrical™ erstellt wird und dann ARTEMiS als Solver für feste Schritte ausgewählt wird, wenn es auf Echtzeit-Hardware ausgeführt wird. ARTEMiS erweitert das Standardmodell, indem es das Netz automatisch partitioniert und numerische Stabilisierungstechniken anwendet, so dass die Simulation bei dem gewählten Zeitschritt stabil bleibt. Das Ergebnis ist, dass Ingenieure komplexe Stromversorgungssysteme - wie Mikronetze oder Mehrmotorenantriebe - in Echtzeit simulieren können, ohne künstliche Verzögerungen hinzuzufügen oder das Modell zu vereinfachen. Im Wesentlichen dient ARTEMiS als Echtzeit-Ausführungsengine, die sicherstellt, dass die Genauigkeit des Simscape-Modells bei hoher Geschwindigkeit erhalten bleibt.

Warum sind FPGA-basierte Solver für die moderne elektrische Simulation unerlässlich?

FPGA-basierte Solver sind unverzichtbar geworden, weil moderne elektrische Systeme oft Phänomene aufweisen, die sich schneller entwickeln, als es herkömmliche CPU-Solver verkraften können. Leistungselektronische Hochfrequenzgeräte wie Wandler aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) schalten so schnell, dass für ihre genaue Simulation extrem kleine Zeitschritte erforderlich sind. FPGAs können diese winzigen Simulationsschritte parallel berechnen, womit allgemeine CPUs in großem Maßstab Schwierigkeiten haben. Durch den Einsatz von FPGAs können Simulatoren jedes schnelle Einschwing- und Schaltereignis erfassen, so dass sie alles von Hochgeschwindigkeits-Motorantrieben bis hin zu blitzschnellen Schutzschaltungen genau modellieren können. Im Wesentlichen sorgen FPGA-Solver dafür, dass die Auflösung einer Simulation fein genug ist, um die Realität in Fällen widerzuspiegeln, in denen selbst Schritte im Mikrosekundenbereich wichtige Details verwischen würden.

Welche Einschränkungen ergeben sich für Ingenieure bei reinen CPU-Echtzeitsimulationen?

Reine CPU-Echtzeitsimulationen sind durch die sequentielle Natur und die Taktfrequenz von Mehrzweckprozessoren begrenzt. Je komplexer die Simulationsmodelle werden - mit mehr Knoten, Schaltelementen und Regelkreisen -, desto mehr Berechnungen muss eine CPU in demselben festen Zeitschritt durchführen. Schließlich erreicht sie einen Punkt, an dem sie nicht mehr alle Berechnungen abschließen kann, bevor der nächste Schritt fällig ist, was zu verpassten Terminen oder der Notwendigkeit führt, die Schrittgröße zu erhöhen. Ingenieure müssen Modelle oft vereinfachen, wenn sie nur auf die CPU beschränkt sind, z. B. durch Gruppierung von Komponenten oder Reduzierung der Schaltgeschwindigkeiten, wodurch kritische dynamische Verhaltensweisen ausgelassen werden können. Darüber hinaus beinhalten einige Leistungselektroniksimulationen sehr steife Gleichungen, die auf einer CPU für numerische Instabilität anfällig sind, wenn die Schrittweite nicht vergrößert wird. All diese Faktoren bedeuten, dass ein reiner CPU-Ansatz extrem schnelle oder große Systeme möglicherweise nicht originalgetreu simuliert, was die Szenarien einschränkt, die Sie getrost testen können.

Können fortschrittliche Echtzeitsimulatoren helfen, seltene Fehlerzustände vorherzusagen?

Ja, einer der großen Vorteile fortschrittlicher Echtzeitsimulatoren ist ihre Fähigkeit, seltene Fehlerzustände zu erforschen und vorherzusagen, die auf andere Weise nur schwer nachgestellt werden können. Da diese Simulatoren sehr detaillierte Modelle ausführen können, können Ingenieure Fehlerbedingungen oder extreme Ereignisse in die Simulation einfügen und die Ergebnisse beobachten. Ein Echtzeitsimulator kann beispielsweise modellieren, was passiert, wenn ein Leistungsschalter in einem Stromnetz nicht rechtzeitig öffnet, oder wie sich ein System mit mehreren Wechselrichtern für erneuerbare Energien während einer ungeplanten Inselbildung verhält. Durch die Beschleunigung oder Wiederholung von Szenarien im Simulator lassen sich möglicherweise Fehlermodi entdecken, die normalerweise erst nach Jahren des realen Betriebs zum Vorschein kommen würden. Wenn die Simulation in Echtzeit abläuft, kann sie mit tatsächlichen Schutzgeräten oder Steuerungen interagieren und so aufzeigen, wie das gesamte System (sowohl Hardware als auch Software) auf diese seltenen Ereignisse reagiert. Diese Vorhersagefähigkeit hilft den Ingenieuren, robustere Systeme zu entwerfen und Schutzmaßnahmen für unwahrscheinliche, aber mögliche Ereignisse zu ergreifen. Kurz gesagt, eine realitätsgetreue Echtzeitsimulation ermöglicht einen proaktiven Ansatz für die Zuverlässigkeit, bei dem potenzielle Ausfälle im Voraus erkannt und gemildert werden.