Wichtigste Erkenntnisse
- Beginnen Sie mit einem messbaren Studienziel und passen Sie dann die Modelldetaillierung an den jeweiligen transienten Zustand oder den Betriebsfall an, den Sie überprüfen müssen.
- Verwenden Sie EMT nur, wenn das Timing der Wellenform und die Schaltphysik die Entscheidung beeinflussen, und nutzen Sie RMS für eine allgemeine Überprüfung und längere Zeitfenster.
- Sichern Sie zunächst die Genauigkeit durch disziplinierte Ereigniszeitpunkte, Fehlerimpedanzen und Grenzbedingungen, und steigern Sie anschließend die Geschwindigkeit durch gezielte Netzwerkreduktion und Zeitschrittkontrolle.
Mit präzisen Fehler- und Schaltmodellen erhalten Sie zuverlässige Transienten-Ergebnisse.
Fehleranalysen lohnen sich nur dann, wenn das Modell genau dem Ereignis entspricht, das man zu verstehen versucht, und nicht nur dem, das sich schnell simulieren lässt. Stromausfälle sind kostspielig genug, dass vermeidbare Modellierungsfehler eine Rolle spielen: Eine Studie des Lawrence Berkeley National Laboratory schätzt die Kosten für Stromausfälle für US-Stromkunden auf etwa 44 Milliarden Dollar pro Jahr. Angesichts solcher Auswirkungen lohnt sich der Aufwand für eine disziplinierte Modellierung von Fehlern und Schaltvorgängen.
„Die praktische Vorgehensweise ist einfach: Man beginnt mit dem Forschungsziel, wählt das leichteste Modell aus, das dieses Ziel noch erfüllen kann, und optimiert erst dann die Geschwindigkeit.“
Die Schalterbetrieb, die Fehlerimpedanz und die Auslösezeiten bewegen sich genau auf dem schmalen Grat zwischen „gut genug“ und „irreführend“. Wenn Sie diese Details richtig hinbekommen, vermeiden Sie Diagramme, die zwar überzeugend aussehen, aber auf die falschen technischen Maßnahmen hindeuten.
Beginnen Sie mit den Zielen der Fehler- und Schaltanalyse
Definieren Sie das Ziel anhand eines messbaren Ergebnisses und einer Erfolg-Misserfolg-Prüfung. Sie sollten wissen, ob Sie die Funktion der Schutzvorrichtungen überprüfen, den Betriebszustand der Anlagen kontrollieren oder das Durchfahrverhalten bestätigen. Jedes Ziel erfordert ein anderes Zeitfenster, andere Netzwerkdetails und andere Ausgabedaten. Klare Ziele verhindern, dass Sie Modelle überdimensionieren, die zwar langsam laufen, aber keine Antworten liefern.
Legen Sie zunächst eine Mindestanzahl an Eingabedaten fest, bevor Sie sich mit den Modelldetails befassen. So bleibt das Team auf einem einheitlichen Stand darüber, was genau sein muss und was vereinfacht werden kann. Außerdem werden Nachläufe und Überprüfungen dadurch erheblich vereinfacht, da Sie erkennen können, was sich geändert hat und warum. Diese fünf Punkte reichen in der Regel aus, um einen guten Start hinzulegen:
- Definieren Sie die Fehlerarten und Schaltvorgänge, die Sie abbilden müssen
- Legen Sie die genauen Ereigniszeiten und die erforderlichen Abfolgebedingungen fest
- Wählen Sie die Ergebnisse aus, die über das Bestehen oder Nichtbestehen Ihrer Studie entscheiden
- Überprüfen Sie die Annahmen zur Quellenstärke an der Untersuchungsgrenze
- Einigung über akzeptable Laufzeit und akzeptable Fehlergrenzen
Klare Zielvorgaben werfen zudem schon frühzeitig eine wichtige Frage auf: Benötigen Sie detaillierte Wellenformdaten oder eher Trends auf Systemebene? Wenn Ihre Antwort „beides“ lautet, sollten Sie die Arbeit in Phasen unterteilen, da ein einziges Modell selten beiden Anforderungen gleichermaßen gerecht wird. Genau diese Aufteilung ist es auch, durch die sich die meiste Zeit bei der Simulation einsparen lässt, ohne dabei Abstriche bei den wesentlichen Aspekten zu machen.
Wählen Sie je nach Art der Transienten zwischen EMT- und RMS-Simulation
Die EMT-Simulation ist die richtige Wahl, wenn es auf Einschalttransienten, Oberschwingungen und schnelle Regelungswechsel ankommt. Die RMS-Simulation ist die richtige Wahl, wenn Sie vor allem das Verhalten von Phasorgröße und -winkel über längere Zeiträume benötigen. Die Wahl sollte sich nach dem zeitlichen Maßstab des zu untersuchenden Phänomens richten. Wenn Sie in jedem Fall EMT wählen, verlangsamen Sie den Prozess und beheben dennoch keine Mängel bei der Ereignismodellierung.
EMT nutzt kleine Zeitschritte, um hochfrequente Anteile abzubilden, und erfasst daher die Vorauslösung von Leistungsschaltern, Einschaltströme von Transformatoren und Schalteffekte von Umrichtern, sofern die Modelldetails dies zulassen. RMS geht von einem sinusförmigen stationären Verhalten innerhalb jedes Zeitschritts aus und eignet sich daher für Lastfluss-, langsamere Spannungsrückstell- und Stabilitätsanalysen. Ein gängiger Arbeitsablauf nutzt EMT für die ersten zehn oder hundert Millisekunden und wechselt dann zu RMS, sobald sich der schnelle Energieaustausch eingependelt hat. Dieser Übergang funktioniert nur, wenn Sie in Ihren Ausgabedaten definieren, was „eingependelt“ bedeutet.
| Studienbedarf | Die EMT-Simulation passt in der Regel | Die RMS-Simulation passt in der Regel |
|---|---|---|
| Transientenbetrieb von Leistungsschaltern oder Schaltern | Erfasst steile Erholungsspannungen und Stromunterbrechungseffekte | Es fehlen die hochfrequenten Details, die die maximale Belastung bestimmen |
| Schutzzeitpunkt auf der Grundlage von Momentanwerten | Entspricht dem Erfassungs- und Filterverhalten im Zeitbereich | Erfordert sorgfältige Näherungswerte für schnelle Elemente |
| Spannungswiederherstellung und -stabilität über einen längeren Zeitraum | Läuft langsam und kann bei hoher Detailgenauigkeit Trends verschleiern | Läuft schnell und zeigt die Flugbahn auf Systemebene an |
| Wechselrichter und Oberschwingungswechselwirkungen | Stellt bei entsprechender Modellierung Schaltwelligkeit und Regelkopplung dar | Reduziert Konverter häufig auf ein gemitteltes Verhalten |
| Bearbeitungszeit für verschiedene Szenarien | wird kostspielig, wenn das Netzwerk nicht sorgfältig verkleinert wird | Unterstützt umfassende Durchsuchungen mit vertretbarem Rechenaufwand |
Wenn es darum geht, Ergebnisse zu begründen, ist die Wahl der Software weniger entscheidend als die Transparenz des Modells. SPS SOFTWARE unterstützt physikbasierte EMT- und RMS-Modellierung, bei der Sie das Verhalten von Komponenten überprüfen und bearbeiten können. Dies hilft Teams dabei, bei allen Studientypen konsistent vorzugehen. Diese Konsistenz ist ein praktischer Vorteil, wenn Ergebnisse einer Überprüfung standhalten und wiederverwendet werden sollen. Außerdem hilft sie Ihnen, versteckte Annahmen zu vermeiden, die erst sichtbar werden, nachdem Sie bereits Stunden mit den Berechnungen verbracht haben.
Modellierung von Kurzschlussfehlern unter Berücksichtigung der Ortsimpedanz und des zeitlichen Verlaufs
Die Fehlersimulation in Stromnetzen beginnt mit drei Parametern, die den Großteil der Ergebnisse bestimmen: Fehlertyp, Fehlerimpedanz sowie der genaue Zeitpunkt des Auftretens und der Beseitigung des Fehlers. Der Ort ist entscheidend, da sich die Netzimpedanz je nach Entfernung und Topologie ändert. Der Zeitpunkt ist entscheidend, da der Spannungswinkel zum Zeitpunkt des Auftretens den ersten Spitzenwert bestimmt. Sind diese Eingaben ungenau, sind auch die Ergebnisse ungenau.
In den meisten Studien sollte der Darstellung von Einleitungs-Erdungsfehlern Vorrang eingeräumt werden, da diese Fehlerklasse in vielen Systemen vorherrscht. In Lehrmaterialien zum Thema Schutztechnik wird oft angegeben, dass Einleitungs-Erdungsfehler etwa 70 % aller Fehler im Stromnetz ausmachen. Diese Statistik ist nützlich, da sie Aufschluss darüber gibt, wo sich der Aufwand für die Modellierung zuerst auszahlt. Sie spricht auch für die Verwendung mehrerer Impedanzwerte, da „feste“ und „ohmsche“ Erdungsfehler unterschiedliche Teile des Systems belasten.
Die Fehlerimpedanz sollte den tatsächlichen Strompfad widerspiegeln und nicht nur einen willkürlichen Wert darstellen. Lichtbogenwiderstand, Turmfundament, Rückleitung über die Kabelummantelung und der Zustand der Kontaktflächen beeinflussen alle die Stromstärke und den Abklingverlauf des Gleichstrom-Offsets. Die Ausschaltzeit sollte an die von Ihnen erwartete Schutz- und Leistungsschaltersequenz gekoppelt sein, einschließlich etwaiger absichtlicher Verzögerungen. Wenn das Ziel der Untersuchung die Betriebsfähigkeit der Anlage ist, müssen Sie auch modellieren, wie das vorgelagerte Netz dargestellt wird, da eine schwache Thevenin-Quelle Spitzenwerte stark abschwächen kann.
Darstellung der Schaltvorgänge von Leistungsschaltern und Schaltern mit realistischem Kontaktverhalten
Die Modellierung des Leistungsschalters sollte der zu prüfenden Belastung entsprechen und nicht nur der implementierten Logik. Ein idealer Schalter, der zu einem bestimmten Zeitpunkt zwischen offen und geschlossen umschaltet, ist für Phasor-Analysen oft ausreichend. Bei der EMT-Fehleranalyse ist jedoch größere Sorgfalt geboten, da das Öffnen der Kontakte, das Erlöschen des Lichtbogens und ein erneuter Zündvorgang die ersten Millisekunden beeinflussen können. Die Modellierung von Schaltvorgängen führt zu irreführenden Ergebnissen, wenn der Leistungsschalter als vollkommen störungsfrei behandelt wird.
Beginnen Sie mit der einfachsten Darstellung, die dennoch die wesentlichen Größen erfasst. Für das kontrollierte Schalten ist ein Modell erforderlich, das den Stromnullpunkt berücksichtigt, da die mechanische Öffnungszeit und die Polstreuung die Unterbrechung beeinflussen. Bei Untersuchungen zur Transformator-Einschaltung muss das Verhalten vor dem Einschlag berücksichtigt werden, um den Einschaltstrom korrekt zu berechnen, da der effektive Schließwinkel selten mit der vorgegebenen Zeit übereinstimmt. Beim Schalten von Kondensatorbänken können Vorlaufelemente oder Dämpfungsmaßnahmen erforderlich sein, wenn Sie transiente Überspannungen bewerten.
Das Schaltverhalten hängt auch direkt davon ab, wie Sie die Ereignisse in der Simulation aufeinander abstimmen. Die Auslösezeit eines Leistungsschalters ist nicht dasselbe wie die Kontaktöffnungszeit, und ein Auslösesignal ist nicht dasselbe wie die Stromunterbrechung. Modellieren Sie Ereignisverzögerungen explizit, achten Sie auf Konsistenz über alle Phasen hinweg und dokumentieren Sie sie als Parameter. Diese Vorgehensweise erleichtert Sensitivitätsprüfungen, wenn jemand fragt, warum ein Simulationslauf anders aussieht als ein anderer.
Behandlung der Schutzlogik bei Wiedereinschaltung und Beseitigung von kurzzeitigen Fehlern
Die Schutz- und Wiedereinschaltlogik muss als Abfolge von Messwerten, Entscheidungen und Stellgliedverzögerungen dargestellt werden, nicht nur als einzelner Befehl zum Öffnen. Transiente Fehler werden nur dann zurückgesetzt, wenn eine Lichtbogenlöschung und Entionisierung innerhalb der Totzeit plausibel sind. Wenn Sie diese Mechanismen außer Acht lassen, können Sie versehentlich „nachweisen“, dass ein Konzept funktioniert, obwohl es von Zeitabläufen abhängt, die das Feld niemals erreichen wird. Den größten Nutzen erzielen Sie, wenn Schutz- und Leistungsschaltermodelle auf denselben zeitlichen Annahmen basieren.
Betrachten wir eine 25-kV-Freileitung mit einem Wiedereinschaltrelais, das eine Abzweigung schützt. Nach 0,12 s tritt ein Leitungs-Erdungsüberschlag mit einem Fehlerwiderstand von 15 Ohm auf; das Relais löst nach einer Filterzeit von 25 ms eine Abschaltung aus und schließt 35 ms später die Kontakte, wobei vor dem Wiedereinschalten eine Totzeit von 400 ms liegt. Die simulierte Spannungswiederherstellung und der Strom beim zweiten Einschalten sehen völlig anders aus, wenn die Totzeit 200 ms beträgt oder wenn man von einer sofortigen Unterbrechung zum Zeitpunkt der Auslösung ausgeht. Diese einzelne Zeitkette entscheidet oft darüber, ob der transiente Fehler sauber behoben wird oder zu einem anhaltenden Ereignis wird.
Für ein korrektes Relaisverhalten ist es nicht erforderlich, jeden internen Block zu modellieren, wohl aber, die „Wahrnehmung“ des Relais nachzubilden. Filterung, die Länge des Phasor-Schätzfensters und die Sättigung der Stromwandler können die Auslösezeit und die Sicherheit der Elemente beeinflussen. Passen Sie diese Annahmen an das Ziel der Untersuchung an und prüfen Sie anschließend die Empfindlichkeit gegenüber den Zeitparametern, die Sie nicht genau steuern können. Wenn die Ergebnisse von wenigen Millisekunden abhängen, ist eine strengere Modellierung in der Regel die bessere Lösung – nicht mehr Optimismus.
Verbesserung der Simulationsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Genauigkeit der Schaltvorgänge
Die Simulationsgeschwindigkeit lässt sich am stärksten steigern, wenn Sie unnötige Bandbreite und überflüssige Netzwerkdetails reduzieren, dabei aber die Ereignisphysik beibehalten. EMT läuft vor allem aufgrund kleiner Zeitschritte und einer hohen Anzahl von Zuständen langsam. Sie können die Simulationsdauer verkürzen, indem Sie die hohe Genauigkeit auf den Fehlerbereich und die Schaltgeräte konzentrieren, die den Transienten auslösen.
„Mit dem Speed-Training sollte man erst beginnen, wenn man weiß, welche Wellenformen zuverlässig bleiben.“
Die Netzverkleinerung ist oft der sicherste erste Schritt. Ersetzen Sie entfernte Teile des Netzes durch Thévenin-Ersatzschaltungen, die hinsichtlich Kurzschlussstromstärke und X/R-Verhältnis über den für Sie relevanten Frequenzbereich übereinstimmen. Behalten Sie Transformatoren, Kabel und Drosseln, die transiente Spannungen und Ströme beeinflussen, in der Nähe des Schaltpunkts bei. Legen Sie ein Zeitfenster fest, das endet, sobald sich die relevante Größe eingependelt hat, da die Modellierung einer zusätzlichen Sekunde bei EMT-Auflösung den Großteil Ihrer Rechenzeit verschwenden kann.
Die Wahl des Zeitschritts verdient ebenso große Sorgfalt. Ein zu großer Schritt glättet Peaks, verzerrt Unterbrechungen und verschiebt die Schutzzeiten. Ein zu kleiner Schritt führt zu einem hohen Rechenaufwand bei geringem Gewinn. Es empfiehlt sich, zunächst einen Referenzlauf mit hoher Genauigkeit durchzuführen und anschließend die Reduktionen und die Schrittweite so lange anzupassen, bis die wichtigsten Peaks und Zeitpunkte innerhalb der Toleranzgrenzen liegen.
Ergebnisse validieren und häufige Fehler bei der Modellierung vermeiden
Validierung bedeutet, zu überprüfen, ob sich die Simulation wie ein Stromnetz verhält und nicht wie ein Diagrammgenerator. Sie sollten sicherstellen, dass der Lastfluss und die Spannungen vor dem Fehler den Erwartungen entsprechen und dass die Fehlerstromwerte mit den Kurzschlussberechnungen übereinstimmen. Energiespeicherelemente müssen einen physikalisch plausiblen Austausch aufweisen, insbesondere während des Schaltvorgangs. Wenn diese Prüfungen fehlschlagen, können weder die gewählte Geschwindigkeit noch der Detaillierungsgrad die Studie retten.
Häufige Fehler treten vor allem in Bezug auf Zeitabläufe und Grenzwerte auf. Die Auslösezeit wird oft mit der Kontakttrennung verwechselt, und die Schließzeit wird oft mit dem effektiven elektrischen Schließwinkel verwechselt. Quelläquivalente werden über verschiedene Fälle hinweg wiederverwendet, selbst wenn sich die Topologie ändert, was zu einer schleichenden Verschiebung des Fehlerpegels und des Gleichstrom-Offsets führt. Die Fehlerimpedanz wird der Einfachheit halber auf Null gesetzt, und die Ergebnisse werden dann zur Rechtfertigung von Schutzparametern herangezogen, bei denen dieser Zustand niemals auftritt.
Gute Fehlersimulationen bei Stromversorgungssystemen beruhen meist auf disziplinierter Wiederholung und nicht auf heroischer Modellierung. Sie erzielen bessere Ergebnisse, wenn jeder Fall die gleichen Ereignisdfinitionen, Parameternamen und Validierungsprüfungen aufweist, da Unterschiede dann aussagekräftig und nicht zufällig sind. SPS SOFTWARE eignet sich gut, wenn Sie transparente Modelle benötigen, die überprüft und kontrolliert werden können, da Vertrauen auf dem basiert, was Sie erklären können, und nicht auf dem, was Sie ausführen können. Die aussagekräftigsten Studien enden mit einer einfachen Beurteilung: Wenn das Ergebnis nicht anhand der Eingaben bis hin zu den Wellenformen begründet werden kann, ist es nicht geeignet, als Grundlage für eine technische Entscheidung zu dienen.
