Wie EMT- und RMS-Modellierung bei verschiedenen Studien zum Stromnetz zum Einsatz kommen

Wichtigste Erkenntnisse

• EMT und RMS dienen unterschiedlichen Forschungszwecken, da sie unterschiedliche physikalische Phänomene auf unterschiedlichen Zeitskalen untersuchen.
• Schutzfunktionen, Regler für den Wandler und Subzykluseffekte sind deutliche Anzeichen dafür, dass EMT die bessere Wahl ist.
• Die Modellqualität hängt ebenso sehr von validierten Parametern und der Umfangskontrolle ab wie von der Detailgenauigkeit der Simulation.

Wählen Sie „EMT“, wenn die Untersuchung auf Details der Wellenform basiert, und wählen Sie „RMS“, wenn die Untersuchung auf langsameren elektromechanischen Vorgängen basiert.

Diese Unterscheidung ist heute umso wichtiger, da bei der umrichtergestützten Stromerzeugung immer mehr schnelle Regelungsmechanismen in Systeme integriert werden, die früher von Synchronmaschinen dominiert wurden. Wind- und Solarenergie deckten im Jahr 2023 13,9 % des weltweiten Strombedarfs, was bedeutet, dass sich die Forschung heute verstärkt mit Wechselrichtersteuerung, Fehlerverhalten und Schalteffekten befasst. Sie erhalten bessere Ergebnisse, wenn Ihr Modell der physikalischen Realität entspricht, die das Ergebnis bestimmt. Ist dies nicht der Fall, entsteht ein trügerisches Vertrauen in die Ergebnisse.

„Eine Simulation elektromagnetischer Transienten wird für Ereignisse erstellt, bei denen die Form der Wellenkurve das Ergebnis beeinflusst.“

EMT erfasst Wellenformen, während RMS das Phasorverhalten erfasst

EMT und RMS unterscheiden sich vor allem darin, was sie erfassen und was sie außer Acht lassen. EMT verfolgt Momentanspannungen und -ströme in sehr kleinen Zeitschritten. RMS ersetzt schnelle Wellenformen durch Phasoren und gemittelte Größen. EMT bietet eine hohe Wellenformtreue, während RMS eine höhere Berechnungsgeschwindigkeit ermöglicht.

Ein Fehler in der Zuleitung verdeutlicht diesen Unterschied. EMT zeigt den genauen Fehleranfangswinkel, den Gleichstromversatz im Strom sowie die Reaktion eines Leistungsschalters oder Umrichters im Zeitbereich von Mikrosekunden und Millisekunden an. RMS stellt dasselbe Ereignis als symmetrische oder asymmetrische Phasorstörung dar, wobei die Reaktion wesentlich gleichmäßiger verläuft. Dies reicht oft aus, wenn es um die Spannungswiederherstellung, die Umverteilung des Leistungsflusses oder die Rotorwinkelbewegung geht.

Entscheidend ist nicht die Komplexität des Modells, sondern seine Relevanz. Die Simulation elektromagnetischer Transienten ist für Ereignisse konzipiert, bei denen die Form der Wellenkurve das Ergebnis beeinflusst. Die RMS-Modellierung ist für Fälle gedacht, in denen der gemittelte Sinusverlauf die Antwort liefert. Wenn Ihr Ergebnis davon abhängt, was innerhalb eines Zyklus geschieht, verdeckt die Phasor-Abstraktion zu viele Details.

RMS-Modelle eignen sich für Stabilitätsstudien mit langsameren Dynamiken

RMS-Modelle sind die richtige Wahl, wenn die zu untersuchende Fragestellung auf einer langsameren Zeitskala angesiedelt ist als die Netzfrequenzwellenform. Sie erfassen elektromechanische Schwankungen, Spannungsregelung und Frequenzgang effizient. Außerdem unterstützen sie große Netzwerke und zahlreiche Ausfallfälle ohne übermäßige Rechenzeit. Das macht sie zu einer praktischen Wahl für Stabilitätsanalysen.

Eine Studie zu Generatorabschaltungen zeigt, warum. In der Regel möchte man wissen, wie sich Frequenzabfälle verhalten, wie Regler reagieren, wie automatische Spannungsregler die Spannung aufrechterhalten und ob die Rotorwinkel innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben. Keine dieser Antworten hängt von einzelnen Schaltimpulsen oder Wanderwellen-Effekten ab. Mit einem RMS-Modell lassen sich zahlreiche Störungen im gesamten Übertragungsnetz untersuchen und realistische Betriebsszenarien schnell miteinander vergleichen.

Sie sollten dennoch diszipliniert mit dem Modellumfang umgehen. RMS kann eine mangelhafte Darstellung von Steuerungen, Lastwiederherstellung oder Schutzlogik nicht ausgleichen. Es liefert lediglich eine gute Anpassung für langsamere Verhaltensweisen. Wenn es um die Beurteilung von „bestanden“ oder „nicht bestanden“ bei Dämpfung, Einschwingverhalten, Frequenz-Tiefpunkt oder Spannungswiederherstellung nach einem Fehler geht, liefert RMS in der Regel die gewünschte Antwort bei geringerem Modellierungsaufwand.

EMT-Modelle eignen sich für Untersuchungen mit Subzyklus-Wechselverhalten

EMT-Modelle eignen sich für Untersuchungen, bei denen Details auf Subzyklusebene das Ergebnis bestimmen. Sie bilden Schaltvorgänge, schnelle Regelkreise, Sättigungseffekte und nicht-sinusförmige Wellenformen direkt ab. Damit sind sie das richtige Werkzeug für die Untersuchung der Kommutierung von Umrichtern, des Einschaltstroms von Transformatoren und vieler detaillierter Fehleranalysen. RMS-Modelle glätten diese Mechanismen aus.

Ein Beispiel für die Einschaltung eines Transformators verdeutlicht dies auf einfache Weise. Die Spitze des Einschaltstroms hängt vom Restfluss, dem Einschalten am Wellenberg und der Kernsättigung ab – alles Vorgänge, die sich innerhalb von Bruchteilen eines Zyklus abspielen. Ein Effektivwertmodell kann dieses Ereignis zwar annähernd darstellen, gibt jedoch nicht die tatsächliche Wellenform wieder, die ein Relais, ein Filter oder eine Umrichterregelung wahrnimmt. Die gleiche Einschränkung tritt bei pulsbreitenmodulierten Umrichtern und bei Wechselwirkungen im Zwischenkreis auf.

Bei EMT geht es nicht nur darum, eine schönere Wellenform zu erhalten. Es geht darum, den Mechanismus darzustellen, der eine Abschaltung, eine Überspannung oder eine Regelungsinstabilität verursacht. Wenn dieser Mechanismus innerhalb des Zyklus liegt, muss Ihr Modell ebenfalls dort angesiedelt sein. Deshalb sind elektromagnetische Transienten besonders wichtig, wenn Schaltdetails und nichtlineare Effekte Teil der Untersuchungsfrage sind.

Der zeitliche Rahmen der Studie sollte ausschlaggebend für die Wahl des Modells sein

Die Zeitskala ist das schnellste und zuverlässigste Kriterium für die Modellauswahl. Eine Untersuchung, bei der Sekunden und elektromechanische Bewegungen im Vordergrund stehen, gehört in den Bereich RMS. Eine Untersuchung, bei der Mikrosekunden, Millisekunden oder Punkt-auf-Welle-Effekte im Vordergrund stehen, gehört in den Bereich EMT. Bei gemischten Fällen müssen Sie entscheiden, welcher Zeitbereich tatsächlich über das Ergebnis „bestanden“ oder „nicht bestanden“ entscheidet.

Schutz- und Regelabläufe wirken auf den ersten Blick oft komplex. Ein Fehler kann innerhalb von Mikrosekunden auftreten, innerhalb von Millisekunden die Relaislogik auslösen und die Netzfrequenz über mehrere Sekunden hinweg verändern. Die Wahl des Modells sollte sich nach dem Entscheidungspunkt richten, nicht nach der Dauer des Ereignisses. Wenn Sie lediglich wissen müssen, wie sich das System nach der Behebung eines Fehlers wiederherstellt, reicht RMS aus. Wenn Sie wissen müssen, warum das Relais verspätet ausgelöst hat oder warum der Umrichter blockiert hat, ist EMT die sicherere Wahl.

Genau hier kommt es auf transparente Arbeitsabläufe an. SPS SOFTWARE bietet Ihnen die Möglichkeit, Modelle überprüfbar und bearbeitbar zu halten, sodass Sie den Detaillierungsgrad bewusst wählen können, anstatt den Simulator als Blackbox zu betrachten. Teams arbeiten schneller, wenn sie erkennen können, welche Gleichungen und Annahmen zur Lösung führen.

Sicherheitsstudien erfordern oft detailliertere Informationen, als RMS-Modelle liefern können

Schutzstudien erfordern oft detailliertere Informationen, als sie der Effektivwert liefern kann, da Relais auf Größen reagieren, die sich innerhalb eines Zyklus ändern. Der Fehleranfangswinkel, der Gleichstromversatz, die Sättigung des Stromwandlers und Transienten des Spannungswandlers können die Messwerte des Relais beeinflussen. EMT bildet diese Effekte direkt ab. Der Effektivwert glättet sie hingegen oft zu einem klareren Ereignis, als es das Relais tatsächlich wahrnimmt.

Ein Distanzrelais in einer Fernleitung ist ein gutes Beispiel. Die scheinbare Impedanz kann sich in den ersten Zyklen nach einem Fehler aufgrund von Transienten des Stromwandlers, des Fehlerwiderstands und von Wellenformverzerrungen verschieben. Ein Differenzrelais kann ebenfalls unerwünscht reagieren, wenn die Sättigung des Stromwandlers eine Seite stärker verzerrt als die andere. Das sind keine Nebensächlichkeiten, wenn es in Ihrer Untersuchung darum geht, warum eine Auslösung erfolgte oder warum sie ausblieb.

RMS hat nach wie vor seinen Platz in der Schutztechnik. Es eignet sich für allgemeine Koordinationsprüfungen, die Festlegung von Sicherheitsabständen und die Überprüfung großer Fehlerbereiche, bei denen der Relaismessvorgang selbst nicht getestet wird. Sobald sich die Untersuchung von der Überprüfung der Einstellungen auf das Verhalten des Relais unter Last verlagert, ist EMT weit mehr als nur eine Verfeinerung. Es wird zur Modellklasse, die der Physik der Schutztechnik entspricht.

Systeme mit vielen Wandlern treiben die Forschung im Bereich der EMT voran

Systeme mit vielen Umrichtern erfordern zunehmend den Einsatz von EMT-Modellen, da die Regelung der Umrichter auf Zeitskalen reagiert, die in Phasormodellen oft zu stark komprimiert werden. Netznachführregelungen, Strombegrenzungen, Phasenregelkreise und die Dynamik des Zwischenkreises können innerhalb von Millisekunden aufeinandereinwirken. Diese Wechselwirkungen können über die Stabilität, das Verhalten von Schutzsystemen oder die Belastung der Anlagen entscheiden. RMS-Modelle können diese Wechselwirkungen übersehen, selbst wenn das gesamte Netz langsam erscheint.

Ein bekanntes Beispiel ist eine netzschwache Solaranlage. Spannungseinbrüche, Strombegrenzung und Phasenverfolgung können zu einem Verhalten führen, das in einer gemittelten RMS-Darstellung stabil erscheint, in der EMT jedoch oszillierend oder blockiert wirkt. Dies gewinnt mit steigendem Anteil an Wechselrichtern zunehmend an Bedeutung. Die Stromerzeugung aus Photovoltaik stieg im Jahr 2023 um 25 %, sodass Sie mit einer zunehmenden Anzahl von Studien konfrontiert werden, bei denen die Details der Wechselrichter im Mittelpunkt stehen.

Nicht bei jedem Umrichterfall ist eine EMT erforderlich. Eine gut validierte Darstellung mit Durchschnittswerten kann dennoch für viele Planungsstudien ausreichend sein. Ein Warnsignal ist zu beachten, wenn Regelgrenzen, Oberschwingungen, Gleichstromkopplung oder Wechselwirkungen mit dem Schwachnetz nahe an dem für Sie relevanten Ereignis liegen. Sobald diese Merkmale nahe an der Grenze der akzeptablen Leistung liegen, ist eine Modellierung auf Wellenformebene nicht mehr optional.

Eine höhere Genauigkeit geht mit höheren Modellkosten einher

EMT liefert detailliertere physikalische Informationen, erfordert jedoch auch mehr Daten, mehr Rechenaufwand und größere Sorgfalt bei der Modellerstellung. RMS stellt geringere Anforderungen an Sie und liefert oft schneller Ergebnisse. Die bessere Wahl ist diejenige, die den Entscheidungsmechanismus mit dem geringsten unnötigen Aufwand erfasst. Mehr Details helfen nicht weiter, wenn diese zusätzlichen Details nur unzureichend bekannt sind.

Ein Beispiel auf Anlagenebene verdeutlicht diesen Kompromiss. Mit einem RMS-Netzwerk, das über validierte Maschinen- und Reglermodelle verfügt, lassen sich Dutzende von Szenarien in der Zeit testen, die für die Einrichtung und Durchführung eines einzelnen EMT-Falls benötigt wird. Diese Geschwindigkeit ist entscheidend, wenn Betriebspunkte, saisonale Bedingungen oder Schutzparameter überprüft werden. EMT wird kostspielig, wenn Schaltgeräte, Regelblöcke und nichtlineare Elemente eine sorgfältige Parametrierung erfordern.

Das größte Risiko ist eine trügerische Genauigkeit. Ein EMT-Modell mit geschätzten Reglerverstärkungen oder fehlenden Daten zur Transformatorsättigung kann überzeugend wirken, obwohl es die falsche Frage beantwortet. Der RMS-Wert hat zwar seine Grenzen, zwingt aber oft zu einer klareren Vereinfachung. Sie werden bessere Entscheidungen treffen, wenn Sie die Modellgenauigkeit als gezieltes Werkzeug betrachten und nicht als Zeichen für Seriosität.

„Das größte Risiko ist eine trügerische Genauigkeit.“

Ein praktischer Leitfaden zur Wahl zwischen EMT und RMS

Sie sollten das einfachste Modell wählen, das dennoch die physikalischen Zusammenhänge erfasst, die das Ergebnis bestimmen. RMS ist die richtige Methode, wenn gemittelte Größen die Fragestellung der Untersuchung beantworten. EMT ist die richtige Methode, wenn Schaltvorgänge, die Wechselwirkung der Steuerung, die Entstehung von Fehlern oder Relaismessungen das Ergebnis bestimmen. Ein klar definierter Modellzweck spart Zeit und verhindert falsches Vertrauen.

Verwenden Sie diesen Bildschirm, bevor Sie ein Modell erstellen oder verfeinern:

• Wählen Sie RMS, wenn Ihre Bewertungskriterien für „bestanden“ oder „nicht bestanden“ die Frequenz, der Rotorwinkel oder eine langsamere Spannungsrückstellung sind.
• Entscheiden Sie sich für EMT, wenn das Ergebnis von der Wellenform im Subzyklus oder von Schaltvorgängen abhängt.
• Entscheiden Sie sich für EMT, wenn das Relaisverhalten von Sättigung, Verzerrung oder Punkt-auf-Welle-Effekten abhängt.
• Entscheiden Sie sich zuerst für RMS, wenn Sie ein umfassendes Screening auf unvorhergesehene Ereignisse in einem großen System benötigen.
• Wählen Sie das Modell mit den am besten validierten Parametern, wenn beide Modelle plausibel erscheinen.

Dieses Urteilsvermögen verbessert sich mit der Übung und wird noch weiter verfeinert, wenn die Modelle offen genug bleiben, damit man die Annahmen überprüfen kann. SPS SOFTWARE eignet sich hervorragend für diese Art von Arbeit, da eine klare, physikalisch fundierte Modellierung den Teams hilft, Ergebnisse zu erklären, anstatt sie nur zu präsentieren. Gute Studien basieren auf einem klar definierten Untersuchungsumfang, validierten Parametern und der Bereitschaft, auf Details zu verzichten, wenn dies zur richtigen Antwort führt.