5 个公用事业运营中的实时仿真用例

主要收获

• 实时 EMT 可揭示对时间敏感的现象，而传统的相位研究则会将这些现象抹平，从而改进保护、集成和培训决策。
• 公用事业仿真支持电网故障分析、瞬态控制验证、逆变器集成、运营商准备就绪和资本规划，并提供可重复的证据。
• 共享模型和硬件在环工作流程使规划、操作和培训保持一致，从而减少误操作、返工和现场风险。
• 误操作、调查结案时间、钻孔通过率和试运行变化等指标都显示出实用模拟的明显收益。
• 开放式协议、灵活的输入/输出和工具链兼容性使团队能够采用实时 EMT，而无需更换熟悉的工作流程或数据源。

实时模拟将电网的不确定性转化为可测量、可测试的情景。保护、控制和规划团队无需等待现场事件，即可将模型和硬件推向极限。对设置、固件和操作程序的更快反馈有助于减少停电、误操作和返工。采用这种工作流程的团队可以稳步实现更安全的操作和更好的系统性能。

电网现代化引入了基于逆变器的资产、双向流以及对快速瞬态的更高敏感性。公用事业仿真通过对电流、电压和控制状态的定时精确观察，将这些行为带入实验室。硬件在环（HIL）将保护继电器、控制器和人机界面连接到与电网在同一时间步长运行的数字孪生系统中。其结果是实践学习、可验证的数据以及为自信决策奠定明确的基础。

为什么实时模拟对现代公用事业运营至关重要？

电磁瞬变 (EMT) 在微秒到毫秒之间发生，微小的时间误差就可能隐藏严重的问题。基于相量模型的传统研究可能会遗漏继电器、逆变器和变流器供电设备之间的控制交互，这也是实时公用事业仿真现在被视为核心工具的原因。实时执行会暴露只有在硬件与高保真波形交互时才会出现的饱和、延迟和量化。这种详细程度有助于解释困扰性跳闸、弱电网电压波动和振荡等问题，而传统的平均值会将这些问题抹平。

同一平台围绕共享模型、共享数据和共享测试将操作、规划和培训联系起来。硬件在环（HIL）验证可让您在规划人员和分析人员在软件中研究的相同网络条件下评估继电器或控制器。监控与数据采集 (SCADA) 和能源管理系统 (EMS) 接口可连接到模拟器，以练习警报、设定点和显示。这样做的结果是，各团队的学习连贯一致，减少了现场的意外情况，并加快了艰难研究的周转速度。

公用事业运营中的 5 个实时模拟用例

"实时模拟将电网的不确定性转化为可测量、可测试的情景"。

实时平台可以回答在现场电网上尝试风险太大、成本太高或太罕见的问题。高速率波形模型揭示了软件逻辑、固件和现场设备在严格定时下的行为。团队可以安全地复制坏天气，然后在完全相同的条件下测试修复方案，以证明它们的有效性。这种方法将理论转化为测量结果，您可以对其进行跟踪、比较和重复。

1.电网故障分析和保护协调

准确的电网故障分析需要以亚周期分辨率响应的电压、电流和频率动态。实时电磁瞬态模型可驱动具有真实直流偏移、电流互感器饱和和电弧电阻行为的继电器。当数字模型将一次量输入互感器和继电器输入端时，拾取延迟或极化逻辑导致的误操作就会显现出来。您可以重复设置、逻辑方程和协调裕度，同时记录波形，就像记录仪在现场捕捉波形一样。

保护协调的范围超出了单条馈线，因此必须在不同的清网时间、重合闸顺序和断路器卡死情况下验证并行和备用路径。实时测试平台可帮助您对反时限曲线、方向元件和弱源条件进行压力测试，而不会给服务带来风险。您可以在任何卡车驶出之前验证环路恢复、自适应重合闸和转移跳闸等自动化功能。实验室中记录的电网故障分析结果可为工程师的设置、工作指导和调试计划提供清晰的证据。

2.测试和验证瞬态事件下的控制方案

欠频甩负荷、补救措施和微电网转换等控制方案都依赖于精确的时间。实时模拟器可让您根据与最坏情况相匹配的波形验证拾取阈值、时间延迟和逻辑路径。可编程逻辑控制器、保护继电器或专用设备上运行的控制器代码可通过本地输入和输出（I/O）、采样流或通信协议进行测试。测试序列可包括穿越要求、断路器故障和并发故障，以证明稳定性和恢复能力。

监控路径通常会影响控制器的行为，因此您可以将模拟器与能源管理系统（EMS）或配电管理系统（DMS）前端连接起来。数据历史记录器可捕捉每次运行，以比较一段时间内的调整变化、固件更新或拓扑调整。其结果是可重复的证据，证明提议的控制变更满足速度、选择性和安全性标准。现场工作人员可获得简明的验收脚本，管理人员可获得基于事实的签收包。

3.整合可再生能源和基于逆变器的资源

太阳能、风能和储能电站通过电力电子设备相互连接，这意味着电网形成和电网跟随模式必须在压力下进行测试。实时模型可以捕捉到脉宽调制、锁相环和控制器饱和度，这些都会在故障和电压骤降时影响电流注入。研究这些影响有助于设置穿越窗口、无功支持目标和斜率限制。团队可以验证保护装置如何与逆变器控制相互作用，然后确认系统电压和频率是否按计划恢复。

基于逆变器的资源 (IBR) 带来了谐波含量、快速控制回路以及对网络强度的依赖性，这些都无法用粗略的时间步长来近似。在停电或弱电网条件下，实时平台可显示馈线、集电极系统和并网点设备之间的相互作用。您可以在不接触现场的情况下测试电厂控制器的缩减逻辑、电网支持和黑启动顺序。洞察力可直接用于互联研究、调试计划和运营手册。

4.对操作员进行实时系统响应培训

当模拟器驱动与员工日常使用的相同的显示屏、警报和控制装置时，操作员培训就会受益匪浅。模拟器可与监控和数据采集 (SCADA)、停电管理和呼叫中心工具串联，在压力下演练程序。场景涵盖馈线切换、变压器通电、重合器协调和冷负荷取电，并强调时间和通信。教员可以暂停、倒带和重播，同时捕捉按键和事件列表以获得客观反馈。

团队学习如何识别故障前兆、要求进行有针对性的测量以及执行跨团队协议。演习可以练习风暴响应、变电站调试或跨多个办公桌的黑启动，并录制语音频道。同样的构建可用于新员工入职、复习周期和新设备的资格认证。由于练习课程反映了轮班的节奏和限制，因此信心倍增。

5.规划系统扩展和评估应急方案

规划研究可以从测试平台中获益，该平台可以运行连接了真实保护和控制硬件的假设情况。您可以使用现场的精确设置来筛选导线升级、新线路或电容器布置。相位测量单元（PMU）数据、馈线测量和变电站事件文件可以完善模型，使压力测试反映出观察到的行为。结果可为资本计划、停电窗口和临时运行限制提供信息，减少猜测。

应急评估的范围超过 N 减 1，因此可以在不危及服务的情况下对罕见组合、延迟清算和隐性故障进行演练。系统强度、惯性代理和电压支持可根据新技术（如存储或灵活的交流输电）进行测试。规划人员和操作人员可并行比较各种缓解方案，然后保留已批准的模板，以供将来使用。这样可以减少施工过程中最后一刻的变更，并在设备通电后顺利验收。

单一的实时平台为保护、控制、运行和规划提供了共同的真相来源。波形的准确性缩短了调查时间，稳定了设置，并揭示了原本不为人知的相互作用。由于实验是在受控条件下进行的，现场级设备处于回路中，因此团队可以降低风险。这种共同的实践养成了一种习惯，当条件变得困难时，这种习惯就会发挥作用。

电力公司如何从采用实时 EMT 仿真中获益

实时电磁瞬态 (EMT) 仿真以硬件测试所需的速度提供波形级细节。这种方法使工程师和操作员都能看到逆变器控制、变流器开关和互感器动态。采用实时 EMT 可改进您评估升级、设置保护和在施工人员进场前认证互连的方式。其优势包括可靠性、安全性和成本控制，而无需重新启动工具链。

• 更高的保护信心：实时 EMT 可揭示 CT 饱和、直流偏移以及影响元件拾取和安全性的电弧电阻效应。可根据最坏情况波形调整设置，然后根据客观记录锁定。
• 更清晰的逆变器互动：高分辨率模型可显示弱电网条件、骤降和频率偏移下的电网形成和电网跟随行为。工程师可并行比较控制修正和滤波器，然后有据可依地选择参数。
• 更快的根本原因分析：带有现场波形的故障重放可将模型、设备和日志统一起来，从而隔离事件的发生顺序。团队能更快结束调查，纠正措施也能更快到达现场。
• 降低现场风险和成本：硬件在环测试将危险试验移至实验室进行，节省了人员和设备。工作人员可获得经过验证的设置和程序，从而减少现场时间和返工。
• 缩短从模型到验收的周期：共享模型可在规划、保护和培训中运行，无需转换。在试点上线之前，可通过固件循环试用新功能。
• 操作员准备更充分：根据工程测试中使用的 EMT 波形，对监控显示、警报和控制装置进行演练。工作人员练习罕见的场景，建立在压力下仍能保持的肌肉记忆。
  

"当波形保真度与硬件定时相结合时，您的团队就能看到与现场设备相同的现象"。

这种模式在保护、集成、分析和培训方面都是一致的。当波形保真度与硬件定时相结合时，您的团队就能看到与现场设备相同的现象。这种一致性减少了不确定性，降低了实践风险，缩短了从研究到批准的周期。实时 EMT 将复杂的交互转化为可重复的测试，从而产生值得信赖的决策。

公用事业实时仿真的实际应用案例有哪些？

高价值启动包括保护验证、逆变器工厂穿越测试和风暴响应操作员演习。波形的准确性、可重复性以及连接继电器、控制器和 SCADA 系统的能力使这些任务受益匪浅。您可以对最近发生的事故进行故障重放研究，证明重合器和转移方案的设置，并测试用于储能或微网的新控制装置。同样的构建支持对新馈线、电容器组和变压器通电进行规划检查，并可对运行结果进行比较。

团队需要哪些硬件和数据源来启动公用事业模拟？

基本设置包括配备 CPU 和 FPGA 资源的实时模拟器、与继电器和控制器接口匹配的 I/O 模块以及控制工作站。来自相位测量单元 (PMU) 数据流、微处理器继电器记录和 SCADA 历史记录的现场数据有助于校准模型。大多数实验室还增加了协议接口，如国际电工委员会 (IEC) 61850 和分布式网络协议版本 3 (DNP3)，以锻炼通信能力。早期项目通常从重放过去的事件开始，然后随着信心的增强扩展到硬件在环 (HIL) 测试和操作员演习。

硬件在环研究与纯软件研究有何不同？

纯软件研究可同时模拟网络和控制或保护装置，从而掩盖延迟、采样偏移和输入/输出非线性问题。硬件在环（HIL）将实际的被测设备连接到模拟器上，因此时序和量化与现场条件相匹配。您可以捕捉压力下的固件行为，包括故障缓冲、看门狗和通信重试。在现场工作人员将设置和逻辑应用到设备之前，这种方法提高了对设置和逻辑的信任度。

电力公司应如何衡量实时 EMT 的投资回报？

衡量误操作、现场返工时间和事故调查结案时间的减少情况。跟踪培训产量、演习通过率以及每季度批准的控制或设置数量。监控逆变器项目的调试变更请求，然后与往年进行比较。增加操作员和现场员工的定性反馈，以捕捉指标无法完全显示的信心提升。