Principaux enseignements
- Les logiciels de simulation avancés offrent un moyen contrôlé et rentable de tester les systèmes électriques dans des conditions complexes bien avant la construction du matériel.
- Les tests en temps réel et dans la boucle matérielle relient directement les modèles numériques aux contrôleurs, révélant des problèmes de synchronisation et de stabilité que l'analyse statique ne peut pas mettre en évidence.
- Le choix du bon logiciel de simulation des réseaux électriques dépend des objectifs de l'étude, des exigences de fidélité et de l'intégration avec les chaînes d'outils existantes.
- OPAL-RT offre une précision en temps réel, une intégration flexible et une assistance technique fiable qui permettent aux chercheurs de valider et de mettre à l'échelle des projets électriques avec précision.
Vous ne devriez pas avoir à deviner si votre modèle tiendra la route en laboratoire. Les projets électriques sont soumis à des calendriers serrés et chaque test doit donner lieu à des résultats reproductibles et défendables. La simulation est l'endroit où les idées rencontrent un comportement mesurable, bien avant que les budgets de matériel ne soient engagés. Lorsque vos modèles sont fiables, vous avancez plus vite, vous réduisez les risques et vous livrez en toute confiance.
Les équipes exigent beaucoup de leurs outils, qu'il s'agisse de solveurs haute fidélité ou d'exécution en temps réel dans le cadre de contraintes strictes liées au matériel dans la boucle (HIL). Cette pression ne fait que croître à mesure que les grilles deviennent plus distribuées, que les convertisseurs changent plus rapidement et que les contrôleurs deviennent plus complexes. La bonne configuration vous permet de connaître les limites de performance, les cas particuliers et l'interopérabilité, sans perdre de temps en laboratoire. Des résultats clairs et fiables sont obtenus grâce à des outils qui s'adaptent à la façon dont vous testez, partagez et mettez à l'échelle.
Pourquoi les chercheurs en électricité s'appuient sur des logiciels de simulation avancés
Les systèmes complexes d'alimentation et de contrôle ne peuvent être validés par la seule intuition. Les essais sur le terrain coûtent cher, perturbent les calendriers et couvrent rarement tous les chemins de défaillance pertinents. Les logiciels de simulation électrique haute fidélité vous permettent d'observer les conséquences des changements de paramètres, des décisions topologiques et des mises à jour de contrôle avant de vous engager. Vous pouvez balayer les points de fonctionnement, sonder les cas limites et comparer les options de résolution, tout en capturant des preuves qui résistent à l'examen.
Une bonne chaîne d'outils favorise également la collaboration, la traçabilité et la réutilisation. Les équipes peuvent stocker des modèles dans le contrôle de version, examiner les différences et s'aligner sur un ensemble commun d'hypothèses. Les ingénieurs chargés des tests peuvent reproduire les bogues des contrôleurs à l'aide de semences et d'entrées partagées, puis transmettre les correctifs vérifiés à la conception. Ce flux de travail resserre les boucles de rétroaction et permet de concentrer les efforts là où ils apportent le plus de valeur.
La simulation au service des essais et de la validation des systèmes électriques en temps réel
Les études hors ligne guident l'architecture et le dimensionnement des composants, mais la confiance en boucle fermée vient des tests en temps réel. Avec le test Hardware-in-the-Loop (HIL), votre contrôleur physique fonctionne avec un jumeau numérique qui reproduit la réponse de l'usine selon un calendrier déterministe. Cette configuration met en évidence les sensibilités temporelles, les problèmes de gestion des interruptions et les erreurs d'interface qui échappent à l'analyse statique. Vous apprenez comment le contrôleur se comporte en cas de bruit, de transitoires et de défaillances, avec des journaux que vous pouvez consulter image par image.
Les plates-formes en temps réel vous offrent la vitesse nécessaire pour atteindre des pas de temps inférieurs à la milliseconde, les E/S pour se connecter en toute sécurité et l'outillage pour créer des séquences de test reproductibles. Vous pouvez réaliser des études de protection, des validations d'électronique de puissance et des tests de convertisseurs connectés au réseau sans mettre l'équipement en danger. Lorsqu'un cas révèle une faiblesse, vous itérez sur le modèle et ré-exécutez le test sans attendre les rares créneaux de laboratoire. Il en résulte des conceptions plus solides et des preuves de conformité plus nettes.
"La simulation est l'endroit où les idées rencontrent un comportement mesurable, bien avant que les budgets de matériel ne soient engagés.
6 outils de simulation que tout chercheur en électricité devrait connaître
Le choix d'une plateforme détermine la manière dont vous modélisez, les résolveurs auxquels vous faites confiance et la couverture des tests que vous réalisez. Votre sélection influe également sur la facilité avec laquelle vous partagez votre travail entre les groupes de recherche, les laboratoires et les fournisseurs. De nombreuses équipes se concentrent sur quelques outils afin d'équilibrer la profondeur et l'interopérabilité. Un choix judicieux aujourd'hui permet d'éviter les reprises lorsque les projets prennent de l'ampleur.
1) SPS Software (anciennement SimPowerSystems)
SPS Software est une bibliothèque dédiée à la construction, à la simulation et à l'analyse des systèmes électriques et de l'électronique de puissance. Elle fournit des blocs prêts à l'emploi pour les machines, les convertisseurs, les transformateurs, les lignes de transmission et les appareils de mesure, ce qui accélère l'assemblage des modèles sans code personnalisé. Le bloc powergui contrôle les paramètres du solveur afin que vous puissiez basculer entre les études dans le domaine du phasage pour les dynamiques de longue durée et la simulation électromagnétique discrète des transitoires pour les détails au niveau de la forme d'onde. Cette flexibilité vous permet de passer du choix de la topologie à la validation du contrôleur en utilisant un seul modèle et une interface cohérente. En tant que logiciel de simulation électrique, il convient aux chercheurs qui souhaitent un alignement étroit avec les flux de travail et un chemin court vers l'écriture de scripts et l'automatisation.
Les chercheurs utilisent SPS lorsqu'ils ont besoin d'un mélange d'études à l'échelle du réseau et de détails au niveau du dispositif sans quitter Simulink. La simulation des phases s'adapte bien aux grandes lignes d'alimentation et aux longues fenêtres temporelles, tandis que les transitoires électromagnétiques discrets (EMT) capturent le comportement de commutation, la commutation et la synchronisation de la protection avec une plus grande fidélité. Pour les cibles Hardware-in-the-Loop (HIL) ou en temps réel, il est important de régler le réseau en mode discret avec un temps d'échantillonnage fixe et d'ajuster les parasites rigides pour que les simulations restent stables. Lorsque la fidélité au niveau de la commutation est requise dans le HIL, de nombreuses équipes associent les modèles de circuits SPS à OPAL-RT RT-LAB à l'aide d'ARTEMiS ou d'eHS afin que le calcul s'exécute de manière prévisible sur des cibles de type unité centrale de traitement (CPU) ou réseau de portes programmables (FPGA). Il reste un logiciel de simulation de système électrique pratique pour les études d'alimentation et la validation des convertisseurs à de nombreux stades du projet.
2) MATLAB et Simulink
De nombreux chercheurs commencent par des simulations MATLAB et construisent des systèmes complets dans Simulink à l'aide de schémas fonctionnels qui s'alignent sur la pensée du contrôle. Cet ensemble d'outils prend en charge les études dans le domaine temporel, l'analyse de la réponse en fréquence et la génération de code lorsque vous devez passer à des cibles intégrées. Les bibliothèques de modèles accélèrent les tâches courantes telles que la génération de modulation de largeur d'impulsion (PWM), la modélisation de capteurs et la conception de filtres. Vous bénéficiez également d'un script étroit pour l'automatisation des tests, les balayages de paramètres et la gestion des résultats.
Pour les systèmes d'alimentation, Simscape Electrical et les bibliothèques associées fournissent des sources, des machines, de l'électronique de puissance, des mesures et des éléments de réseau. Vous pouvez prototyper des convertisseurs, des entraînements et des réseaux avec des modèles détaillés de commutation ou de moyenne, puis changer de mode de résolution pour répondre à vos contraintes de pas de temps. La co-simulation avec d'autres outils est utile lorsque vous avez besoin de détails EMT dans un domaine et d'une dynamique plus rapide dans un autre. L'écosystème prend en charge une large gamme de boîtes à outils, ce qui vous permet d'étendre vos capacités sans avoir à reconstruire votre flux de travail.
"Une boîte à outils équilibrée vous permet de combiner la vitesse hors ligne, les détails de l'EMT et le HIL en temps réel.
3) OPAL-RT RT-LAB
OPAL-RT RT-LAB se concentre sur l'exécution en temps réel pour le prototypage HIL et de contrôleurs. Vous construisez des modèles dans des outils familiers, puis vous les partitionnez et les déployez sur des unités centrales de traitement (CPU) et des réseaux de portes programmables (FPGA) avec un ordonnancement déterministe. Cette approche vous permet d'exécuter des modèles de commutation sub-microseconde, d'interfacer avec des entrées/sorties physiques et d'élaborer des scénarios de test reproductibles. Les ingénieurs l'utilisent pour exercer les protections, vérifier la stabilité du contrôle et tester les convertisseurs de puissance sans risquer le matériel.
RT-LAB s'intègre avec Functional Mock-up Interface (FMI) et Functional Mock-up Unit (FMU), Python et Simulink pour une importation et une automatisation flexibles des modèles. Les équipes bénéficient d'E/S à faible latence, d'une capture de signaux riche et d'utilitaires pour la lecture de scénarios, l'insertion de défauts et l'exportation de données. Vous pouvez affecter les budgets de calcul au matériel adéquat, en commençant par les plus petits et en les adaptant au fur et à mesure que la complexité augmente. L'accent mis sur la précision en temps réel vous donne confiance lorsque vous passez d'études hors ligne à des tests en boucle fermée.
4) PSCAD
PSCAD est largement utilisé pour les études sur les transitoires électromagnétiques (EMT) où les détails de commutation, les formes d'onde et les événements rapides sont importants. L'interface est centrée sur les schémas, la lecture et l'instrumentation des séries temporelles, ce qui permet une validation minutieuse des convertisseurs, des machines et de la protection. Le logiciel est particulièrement efficace lorsqu'il s'agit d'étudier les transitoires à front raide, les contraintes d'isolation et les interactions détaillées du réseau. De nombreux services publics et équipes de recherche s'appuient sur ce logiciel pour les études point par point et la reproduction haute-fidélité des événements de défaillance.
Vous pouvez construire des modèles détaillés d'interfaces électroniques de puissance, de liaisons de courant continu à haute tension (CCHT) et de réseaux complexes, puis capturer les effets des interactions de contrôle et des dispositifs non linéaires. Les balayages de paramètres et les études scénarisées permettent de quantifier les sensibilités et les marges. Les options d'importation et d'exportation permettent d'élargir les flux de travail avec les logiciels de planification, les modèles de contrôleurs et les scripts personnalisés. L'accent mis sur la fidélité de l'EMT en fait un choix judicieux pour les projets où les détails de la forme d'onde déterminent les décisions.
5) DIgSILENT PowerFactory
DIgSILENT PowerFactory sert à la planification, aux études d'exploitation et à l'analyse détaillée de la transmission et de la distribution. Il offre des simulations de flux de charge, de court-circuit, de protection, de petit signal et de domaine temporel sous une représentation de modèle unique. Vous pouvez gérer des cas d'étude pour plusieurs scénarios et saisons, puis comparer les résultats avec des ensembles de données cohérents. Les ingénieurs apprécient la riche bibliothèque d'éléments et la possibilité de personnaliser les modèles pour des tâches avancées.
La plateforme prend en charge les scripts, l'échange de données et la co-simulation lorsque vous avez besoin de vous connecter à des solveurs externes ou à des modèles de contrôleurs. L'analyse des séries temporelles permet de quantifier la capacité d'hébergement, les stratégies de régulation de la tension et l'intégration des ressources énergétiques distribuées (DER). Les études de coordination des protections bénéficient de modèles de dispositifs, de contrôles de sélectivité et de rapports automatisés. Cette étendue permet à un seul modèle de répondre à de nombreuses questions d'étude tout au long du cycle de vie d'un projet.
6) OpenDSS
OpenDSS est un moteur de simulation de réseau électrique à code source ouvert, conçu pour les études de distribution. Les chercheurs l'utilisent pour l'analyse des lignes d'alimentation, la capacité d'hébergement, le contrôle de la tension et les scénarios de séries temporelles avec de grands ensembles de ressources énergétiques distribuées. L'interface de script, l'automatisation COM (Component Object Model) et les liaisons Python prennent en charge les flux de travail reproductibles et les études par lots. Vous pouvez créer des pipelines de validation qui importent des modèles d'alimentation, appliquent des profils et exportent des résultats pour des tableaux de bord.
Parce qu'OpenDSS est ouvert, vous pouvez inspecter les algorithmes, modifier le code source et créer des extensions qui répondent aux besoins de votre étude. Cette transparence facilite l'examen par les pairs, la reproductibilité et la maintenance à long terme. De nombreuses équipes associent OpenDSS à des outils de science des données pour traiter les données de l'infrastructure de mesure avancée (AMI), les données météorologiques et les programmes des onduleurs. C'est un moyen pratique de mettre en place des études évolutives sans licences coûteuses lorsque les budgets sont serrés.
Une boîte à outils équilibrée vous permet de combiner vitesse hors ligne, détails EMT et HIL en temps réel. Certains projets reposent sur une seule plate-forme du début à la fin, tandis que d'autres répartissent les tâches entre les solveurs et les plates-formes. L'interopérabilité réduit les frictions lorsque les modèles passent du concept au laboratoire et vice-versa. Votre sélection doit refléter les études que vous réalisez le plus souvent, et pas seulement les fonctionnalités qui semblent impressionnantes à première vue.
Comment choisir le bon logiciel de simulation de réseau électrique pour votre projet ?
Le choix d'un logiciel de simulation de système électrique est plus facile lorsque vous vous basez sur les objectifs de l'étude, les contraintes et les compétences de l'équipe. Commencez par la physique qui doit être capturée, puis faites correspondre les solveurs aux échelles de temps impliquées. Tracez le chemin de l'analyse hors ligne à la validation en temps réel si la méthode HIL fait partie de votre feuille de route. Traitez l'effort d'intégration comme une exigence de premier ordre, et non comme une réflexion après coup.
- Type d'étude et exigences en matière de fidélité : Décidez si vous avez besoin de la vitesse du domaine phasique, du détail de la forme d'onde EMT, ou des deux. Les échelles de temps requises déterminent le choix du solveur, les cibles de pas de temps et la complexité du modèle.
- Préparation au temps réel et HIL : Confirmez que les modèles peuvent être partitionnés et exécutés de manière déterministe avec votre contrôleur et vos E/S. Vérifiez que l'outil prend en charge vos limites de latence, l'ordonnancement et les verrouillages de sécurité.
- Compatibilité et normes de la chaîne d'outils : Vérifiez la prise en charge de l'interface de maquette fonctionnelle (FMI) ou de l'unité de maquette fonctionnelle (FMU), les API Python ou MATLAB et les crochets de co-simulation. L'interopérabilité protège les travaux antérieurs, facilite l'examen par les pairs et réduit le risque de réécriture.
- Modèle de licence et coût total : Tenir compte des licences, de l'assistance, du matériel et de la formation. Inclure le coût d'opportunité de l'itération lente, des longs cycles de débogage et du temps de laboratoire bloqué.
- Gestion des modèles et reproductibilité : Recherchez des scripts, des exécutions sans tête et une bonne intégration avec le contrôle de version. Les études reproductibles permettent de gagner du temps, d'améliorer la confiance et de simplifier la collaboration entre les équipes.
- Performances et évolutivité : Évaluez les options d'accélération multicœur, d'unité de traitement graphique (GPU) ou de FPGA, ainsi que les outils de profilage. La marge de croissance est importante lorsque les modèles s'étendent ou que les objectifs en temps réel se resserrent.
- Ressources d'assistance, d'apprentissage et communautaires : Évaluez la qualité de la documentation, les bibliothèques d'exemples et la réactivité des équipes d'assistance. Des ressources solides raccourcissent la période d'intégration et réduisent le nombre d'erreurs.
Un cadre décisionnel clair permet d'éviter la prolifération des outils et la duplication des efforts. Votre choix doit raccourcir le chemin entre l'idée de l'étude et le résultat vérifié, et non ajouter des frictions. Conservez un petit ensemble d'outils principaux et déterminez quand vous devez confier un cas à un spécialiste. Réexaminez votre décision chaque année pour vous assurer que vos besoins sont toujours satisfaits.
Le terme "meilleur" dépend de ce que vous devez étudier, de la fidélité requise et de la mesure dans laquelle vous envisagez d'effectuer des tests en temps réel. De nombreuses équipes commencent par utiliser MATLAB et Simulink pour la conception des commandes, ajoutent des détails au niveau des commutations avec une plate-forme de transitoires électromagnétiques et passent à l'application HIL lorsque les commandes arrivent à maturité. Les groupes de planification et de protection privilégient souvent les outils qui conservent un seul modèle de réseau pour les études de flux de charge, de court-circuit et de séries temporelles. Les chercheurs en distribution peuvent ajouter OpenDSS pour l'analyse à l'échelle de la ligne d'alimentation avec des scripts flexibles. La meilleure configuration est celle qui réduit les reprises, préserve la traçabilité et permet d'obtenir plus rapidement des résultats défendables.
Les cibles en temps réel nécessitent une exécution déterministe, des E/S à faible latence et des outils qui répartissent les modèles entre le CPU et le FPGA. Les plates-formes telles que OPAL-RT RT-LAB sont conçues pour ce cas d'utilisation et s'intègrent au matériel du contrôleur, à l'automatisation des tests et à la capture des signaux. L'essentiel est de faire correspondre la sélection du solveur, les pas de temps et la synchronisation des E/S aux limites de votre contrôleur. Les outils hors ligne peuvent encore contribuer en préparant des modèles qui se convertissent proprement en sous-systèmes temps réel. Une bonne décision permet de conserver la portabilité de l'effort de modélisation, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de reconstruire lorsque l'on passe au HIL.
Le matériel en boucle relie votre contrôleur à un jumeau numérique qui fonctionne selon un programme fixe, puis mesure le comportement du contrôleur sous contrainte. Vous pouvez injecter des défauts, varier les points de fonctionnement et tester les protections sans risquer l'équipement. La latence, la gigue et le comportement des communications deviennent visibles, ce qui révèle souvent des problèmes cachés dans les exécutions hors ligne. Les scénarios étant reproductibles, les équipes peuvent reproduire les bogues et confirmer les corrections en toute confiance. Le processus transforme le temps passé en laboratoire en preuves structurées plutôt qu'en expériences ponctuelles.
La principale différence entre la simulation EMT et la simulation dans le domaine des phases est le détail de la forme d'onde par rapport au comportement moyen. Les solveurs EMT calculent les tensions et les courants instantanés à de petits pas de temps, ce qui permet de saisir les commutations, la dynamique à haute fréquence et les transitoires abrupts. Les études du domaine des phases représentent les signaux sous forme de magnitudes et d'angles, qui s'exécutent plus rapidement et conviennent à la planification, au flux de charge et à de nombreuses tâches de séries temporelles. Les projets utilisent souvent les deux, réservant l'EMT aux cas où les détails de la forme d'onde déterminent les choix de conception. Le bon choix dépend de la physique que vous devez voir et du temps que vous pouvez consacrer à chaque cas.
Les outils open source peuvent gérer des modèles de nourriciers, des profils de séries temporelles et des études par lots tout en limitant les coûts. De nombreux chercheurs utilisent OpenDSS pour l'analyse de la distribution, puis relient les résultats à des carnets de science des données pour la génération de scénarios et la représentation graphique. La transparence facilite l'examen par les pairs et la maintenance à long terme, en particulier dans les projets universitaires et publics. Lorsque des tests en temps réel sont nécessaires, les modèles peuvent être exportés ou recréés dans des plateformes conçues pour le HIL. Cette combinaison permet de maîtriser les budgets tout en répondant aux besoins de l'étude.
