Was Echtzeitsimulation für die Prüfung und Validierung von Stromversorgungssystemen bedeutet

Wichtigste Erkenntnisse

• • Echtzeitsimulationen sind besonders nützlich, wenn das Verhalten der Hardware und das Systemtiming in derselben Schleife überprüft werden müssen.

• • Die Modellgenauigkeit sollte dem Testziel entsprechen, wobei die EMT-Genauigkeit nur in Fällen zum Einsatz kommen sollte, in denen Schalt- und Regelungstransienten das Ergebnis beeinflussen.

• • Eine zuverlässige Schutzvalidierung hängt von wiederholbaren Fehlern, stabilen Schnittstellen und einer Hardware ab, die auf das tatsächliche Latenzziel abgestimmt ist.

Mithilfe von Echtzeitsimulationen können Sie das Verhalten des Stromnetzes anhand der tatsächlichen Uhrzeit testen, bevor Sie neue Einstellungen, Steuerungen oder Hardware in Betrieb nehmen.

Validierung ist wichtig, da Fehler vor Ort kostspielig und schwer einzugrenzen sind, sobald die Anlagen installiert sind. US-Stromkunden mussten im Jahr 2022 durchschnittlich 5,5 Stunden Stromausfälle hinnehmen – die längste gemeldete jährliche Ausfallzeit seit 2013. Das bedeutet nicht, dass Simulationen jeden Ausfall verhindern, aber es bedeutet, dass Tests einen praktischen Wert hat, wenn Schutz, Steuerung und das Timing der Anlagen zusammenwirken. Sie benötigen Methoden, die Zeitungsfehler aufdecken, bevor ein Relais zu spät auslöst, ein Regler in die Sättigung geht oder ein Schalterbefehl erst eintrifft, wenn das Ereignis bereits vorbei ist.

Bei der Echtzeit-Simulation wird Ihr Modell mit der tatsächlichen Rechenzeit ausgeführt

Die Echtzeitsimulation berechnet ein Stromnetzmodell in derselben Zeit, die das physikalische System für seinen Ablauf benötigen würde. Jeder Zeitschritt ist abgeschlossen, bevor der nächste fällig wird, sodass Spannungen, Ströme, Logikzustände und Ausgänge mit der Taktzeit synchron bleiben und mit externer Hardware interagieren können.

Ein einfacher Fehler-Test an einer Zuleitung zeigt, warum dies wichtig ist. Ein zu testendes Relais kann analoge Stromsignale vom Simulator empfangen, eine Überstromauslösung messen und einen Auslösebefehl ausgeben, der ohne zeitliche Verzerrung an das simulierte Leistungsschaltermodell zurückgesendet wird. Sie beobachten nicht nur eine Wellenform, nachdem der Testlauf beendet ist. Sie Tests aktiven Regelkreis, in dem sich das simulierte System und das physische Gerät Schritt für Schritt gegenseitig beeinflussen.

Genau diese zeitliche Anforderung unterscheidet die Echtzeitsimulation von einer herkömmlichen transienten Analyse auf einer Workstation. Offline-Analysen können schneller oder langsamer als die tatsächliche Zeit ablaufen und dennoch aussagekräftige Diagramme liefern. Bei der Echtzeitarbeit ist ein solcher Zeitversatz nicht möglich. Wenn ein Schritt zu lange dauert, bricht die Schleife ab, und Tests Ihrer elektrischen Tests geben nicht mehr den physikalischen Ablauf wieder, auf den Sie sich verlassen können.

„Zuverlässige Tests auf klaren Modellen, kontrollierten Schnittstellen und wiederholbaren Störungsszenarien.“

Tests nur, wenn das Timing deterministisch bleibt

Elektrische Tests im geschlossenen Regelkreis Tests auf deterministischer Zeitsteuerung, was bedeutet, dass jeder Lösungsschritt, jede Aktualisierung der Eingangsdaten und jede Ausgangsreaktion innerhalb eines bekannten und wiederholbaren Zeitrahmens erfolgt. Ohne diese Konsistenz kann ein gutes Relais schlecht aussehen, ein stabiler Regler instabil wirken und Ihr Validierungsergebnis vom tatsächlichen Geräteverhalten abweichen.

Betrachten wir einen Distanzrelaistest an einem Übertragungsleitungsmodell. Der Simulator sendet Sekundärströme und -spannungen an einen Verstärker, das Relais schätzt die Impedanz, und der Auslöseimpuls wird über digitale Ein-/Ausgänge zurückgeleitet, um den simulierten Leistungsschalter zu öffnen. Diese Kette funktioniert nur, wenn Signalerzeugung, Kommunikation und Logikausführung innerhalb einer festgelegten Latenzzeit bleiben. Eine Abweichung von wenigen Mikrosekunden mag in einem bestimmten Aufbau akzeptabel sein, während dieselbe Abweichung einen schnellen Wandlerschutz-Test verfälscht.

Ein deterministischer Zeitablauf verbessert zudem die Reproduzierbarkeit über verschiedene Testsitzungen hinweg. Sie können denselben Phasen-Erdungsfehler mit demselben Auslösewinkel erneut simulieren und die Reaktionen der Bauteile vergleichen, ohne sich über versteckte Softwareverzögerungen Gedanken machen zu müssen. Deshalb ist die Einhaltung des Zeitablaufs bei der Validierung mittels Echtzeitsimulation ebenso wichtig wie die Modellgenauigkeit.

Die Offline-Simulation eignet sich nach wie vor für Studien, die eine höhere Detailgenauigkeit erfordern

Der Hauptunterschied zwischen Offline- und Echtzeitsimulation besteht darin, dass bei Offline-Simulationen der Schwerpunkt auf der Modelltiefe und der Flexibilität der Ausführung liegt, während bei Echtzeitsimulationen die deterministische Ausführung im Vordergrund steht. Sie sollten weiterhin auf Offline-Simulationen zurückgreifen, wenn die Fragestellung lange Simulationsläufe, zahlreiche Parameterdurchläufe oder Details erfordert, die nicht in ein striktes Zeitschrittbudget passen.

Eine Studie zur Stromzuführung über lange Kabel ist ein gutes Beispiel. Möglicherweise benötigen Sie sehr detaillierte frequenzabhängige Leitungsdaten, genaue Informationen zum Verhalten von Überspannungsableitern sowie verschiedene Schaltfälle unter zahlreichen Systembedingungen. Diese Aufgabe eignet sich für die Offline-Simulation, da Sie im Gegenzug für eine höhere Modellgenauigkeit längere Laufzeiten in Kauf nehmen können. Auch ein Lehrlabor, in dem zehn Reglerabstimmungssätze im selben Mikronetz verglichen werden, profitiert von der Offline-Ausführung, da das Ziel darin besteht, Erkenntnisse ohne Interaktion mit der Hardware zu gewinnen.

Die Auswahl fällt leichter, wenn man sich an der Validierungsfrage orientiert statt an der Werkzeugkategorie. Wenn Sie Hardware-in-the-Loop benötigen, ist die Zeit der entscheidende Faktor. Wenn Sie umfassende Sensitivitätsanalysen durchführen müssen, sind Offline-Methoden die bessere Wahl.

Die Modellgenauigkeit muss der Frage entsprechen, die Sie beantworten möchten

Die Modellgenauigkeit sollte sich nach dem Testziel richten und nicht nach einer allgemeinen Vorliebe für mehr Details. Ein brauchbares Modell erfasst die Dynamiken, die das zu testende Gerät beeinflussen, und lässt Details weg, die das Zeitschrittbudget belasten, ohne das gewünschte Ergebnis zu verändern.

Für die Validierung eines Einspeiseschalters ist keine ebenso detaillierte Netzwerkdarstellung erforderlich wie für eine zeitliche Untersuchung der Konverter-Gates. Bei einem Test zur Auslösung des Schalters sind in der Regel die Quellstärke, die Leitungsimpedanz, die Skalierung der Messwandler und die Art des Fehlers von Bedeutung. Bei einem Test der Konverter-Schutzfunktion können Schaltzustände, Steuerungsverzögerungen und die Filterdynamik das Ergebnis maßgeblich beeinflussen. Würden beide Modelle gleich detailliert gehalten, wäre dies eine Verschwendung von Aufwand und könnte dazu führen, dass eines der Modelle in Echtzeit nicht einsetzbar ist.

Sie erzielen bessere Ergebnisse, wenn Sie zuerst die Bedingungen für „bestanden“ oder „nicht bestanden“ festlegen. Wenn das Ziel die Auslösezeit eines Leistungsschalters ist, behalten Sie die Zeitablaufpfade der Ereignisse bei. Wenn das Ziel die Stromwellenform an einem Relais-Eingang ist, behalten Sie die Signaldaten bei, die der Relaisalgorithmus tatsächlich verwendet. Zusätzliche Details scheinen zwar sicher zu sein, verdecken jedoch oft genau die Teile, die bei der Validierung am wichtigsten sind.

Bei schaltbasierten Tests kommt es auf die Details der elektromagnetischen Transienten an

Elektromagnetische Transienten sind von entscheidender Bedeutung, wenn das zu prüfende Gerät auf Ereignisse im Subzyklusbereich, Schaltflanken, Wandlersteuerungen oder starke Wellenformverzerrungen reagiert. In solchen Fällen erfasst ein Programm zur Erfassung elektromagnetischer Transienten oder ein EMT-Modell Verhaltensweisen, die bei einer langsameren Phasor- oder gemittelten Darstellung geglättet und verfälscht würden.

Aufgrund der Netzbedingungen ist dieser Detaillierungsgrad wichtiger, als viele Teams erwarten. Wind- und Solarenergie deckten im Jahr 2023 13,4 % des weltweiten Strombedarfs. Dieser Anteil führt dazu, dass in Studien verstärkt das Verhalten von Wechselrichtern berücksichtigt wird, bei denen Fehlerstrom, Regelungssättigung und Schaltwechsel-Wechselwirkungen die Signale beeinflussen, die die Schutzvorrichtungen erfassen. Ein Ride-Through-Test für netzgeführte Wechselrichter schlägt fehl, wenn Ihr Modell die Regelkreise ausblendet, die die Strombegrenzung und die Phasenantwort erzeugen, die das Relais messen muss.

Die EMT- Detailmodellierung ist nach wie vor nur ein Mittel zum Zweck. Man benötigt sie nicht für jede Untersuchung, und in einer Echtzeitumgebung ist es nicht möglich, überall die volle Schaltdetailgenauigkeit beizubehalten. Sinnvoll ist es, das transiente Verhalten in den Bereichen zu erhalten, die das Testergebnis beeinflussen, und dann die weniger empfindlichen Teile des Netzwerks zu vereinfachen, damit das Modell weiterhin rechtzeitig berechnet werden kann.

Die Vorbereitung beginnt mit festen Zeitschritten und stabilen Schnittstellen

Die Vorbereitung eines Modells für Tests mit einer Formulierung mit festem Zeitschritt, einem stabilen numerischen Verhalten und klar definierten Ein- und Ausgabegrenzen. Wenn Ihr Offline-Modell auf Solvern mit variablem Zeitschritt, versteckten algebraischen Schleifen oder einer vage definierten Signalskalierung basiert, lässt es sich nicht problemlos in eine deterministische Testumgebung übertragen.

Ein praktischer Arbeitsablauf beginnt mit den Teilen, die die Ausführung als Erstes stören. Schutzingenieure stellen oft fest, dass ein Modell, das offline einwandfrei aussieht, instabil wird, sobald analoge Ausgänge, Abtastwerte oder Rückmeldungen von Leistungsschaltern hinzugefügt werden. Teams, die SPS SOFTWARE für die physikbasierte Offline-Modellierung nutzen, lassen in dieser Phase häufig die ursprünglichen Gleichungen sichtbar und reduzieren nur die Teile, die für das Ziel des Hardwaretests nicht relevant sind. So lässt sich leichter erkennen, was sich geändert hat und warum.

• • Binden Sie das Modell an einen festen Zeitschritt, den das Ziel in jedem Zyklus einhalten kann.

• • Algebraische Schleifen entfernen, die zu Ausführungsstaus oder instabilen Iterationen führen.

• • Skalieren Sie analoge und digitale Ein- und Ausgänge, damit die Geräte realistische Signalpegel erkennen.

• • Ersetzen Sie unnötige Details durch vereinfachte Entsprechungen außerhalb der Testgrenzen.

• • Überprüfen Sie die Ausgangsbedingungen, damit der Lauf von einem stabilen Betriebspunkt aus startet.

Eine gute Vorbereitung spart mehr Zeit als spätere Fehlerbehebung. Sie müssen weniger Zeit darauf verwenden, Fehlauslösungen, nicht erkannte Auslösungen und unerklärliche numerische Fehler zu untersuchen, wenn das Modell in einem stabilen, begrenzten Zustand auf den Prüfstand kommt.

Die Hardwareanforderungen richten sich nach dem Latenzziel Ihres Tests

Bei der Hardwareauswahl sollten die Anforderungen des Tests hinsichtlich Latenz und Schnittstellen berücksichtigt werden, da der Simulator allein nicht ausschlaggebend für das Ergebnis ist. Sie benötigen ausreichende Rechenleistung, die richtigen E/A-Typen sowie eine Signalaufbereitung, die das Timing vom Solver zum physikalischen Gerät und zurück beibehält.

Ein Prüfstand für die Sekundärseitige Einspeisung umfasst in der Regel ein Echtzeit-Ziel, analoge Ausgänge, digitale Status-Ein-/Ausgänge sowie einen Verstärker, der die am Relais anliegenden Spannungs- und Stromwerte nachbildet. Ein Prüfstand für Leistungselektronik kann darüber hinaus schnellere digitale Schnittstellen, den Austausch von Gate-Signalen oder spezielle Rechenhardware für sehr kurze Zeitschritte bieten. Wenn Ihr Test Wanderwellenlogik oder Schaltzustände von Umrichtern umfasst, benötigen Sie eine wesentlich strengere Latenzsteuerung als bei einem einfachen Überstromtest an einer Zuleitung.

Sie sollten auch Mittel für Mess- und Überprüfungsinstrumente einplanen. Ein Oszilloskop, ein Ereignisrekorder oder eine synchronisierte Zeitstempelerfassung zeigen Ihnen, ob die auf dem Prüfstand gemessenen Zeiten Ihren Annahmen entsprechen. Auf der Stückliste sehen die Hardwareoptionen zwar ähnlich aus, sind jedoch nicht austauschbar, sobald Ihre Abnahmekriterien von einer Sequenzgenauigkeit im Mikrosekundenbereich abhängen.

„Ohne diese Konsistenz kann ein gutes Relais schlecht aussehen, ein stabiler Regler instabil wirken und dein Validierungsergebnis vom tatsächlichen Geräteverhalten abweichen.“

Tests Genauigkeit, wenn Fehler reproduzierbar bleiben

Tests genauer, wenn jeder Fehlerfall hinsichtlich Zeitablauf, Ausmaß und Topologie reproduzierbar ist. Die Echtzeitsimulation bietet Ihnen diese Reproduzierbarkeit, während das Relais, der Regler oder das intelligente elektronische Gerät in einem aktiven Regelkreis verbleibt, sodass Sie die Einstellungen immer wieder anhand derselben Störung überprüfen können, bis das Ansprechverhalten vertretbar ist.

Eine Koordinationsprüfung der Einspeisungsrelais macht den Nutzen deutlich. Sie können denselben Nahfehler beim gleichen Auslösewinkel anlegen, die Quellenstärke in kontrollierten Schritten variieren und aufzeichnen, wo das Relais anspricht, eine Zeitüberschreitung auftritt und auslöst. Dieser Prozess deckt Schwachstellen auf, die in Aufzeichnungen von Vorfällen vor Ort oft verborgen bleiben, wie beispielsweise ein Richtungselement, das einen schwachen Einspeisefall falsch klassifiziert, oder einen Auslösezeitgeber für einen Leistungsschalter, der vom falschen Eingangsstatus ausgeht. Sie müssen nicht mehr anhand einer unübersichtlichen Störungsaufzeichnung raten. Sie Tests definierte Abfolge, bis die Ursache jeder Reaktion klar ist.

Diese Disziplin ist es, die aus einer Simulation eine Validierung macht. SPS SOFTWARE fügt sich auf der Modellierungsseite in diesen übergeordneten Arbeitsablauf ein, wo transparente Offline-Systemmodelle Ihnen helfen, das Verhalten zu verstehen, bevor Sie eine vereinfachte Darstellung auf einem separaten Echtzeit-Teststand einsetzen. Zuverlässige Tests auf klaren Modellen, kontrollierten Schnittstellen und wiederholbaren Störungsszenarien. Sind diese Elemente vorhanden, ist die Überprüfung Ihrer Einstellungen nicht mehr nur reine Papierarbeit, sondern wird zu einem technischen Nachweis.