主要收获
- 先进的仿真软件提供了一种可控的、具有成本效益的方法，可在硬件制造之前很长时间就在复杂条件下测试电气系统。
- 实时和硬件在环测试将数字模型与控制器直接连接起来，揭示了静态分析无法揭示的时序和稳定性问题。
- 选择合适的电力系统模拟软件取决于研究目标、保真度要求以及与现有工具链的集成。
- OPAL-RT 提供实时精度、灵活集成和值得信赖的技术支持，帮助研究人员准确验证和扩展电气项目。
您不必猜测您的模型是否能在实验室中站得住脚。电气项目的进度很紧，每次测试都需要可重复、站得住脚的结果。早在硬件预算投入之前，仿真就是让想法与可测量的行为相遇的地方。如果您的模型值得信赖，您就能加快进度，降低风险，并满怀信心地交付成果。
从高保真求解器到严格的硬件在环（HIL）约束下的实时执行，团队对工具的要求很高。随着网格越来越分散、转换器切换越来越快、控制器越来越复杂，这种压力只会越来越大。正确的设置可以让您清楚地了解性能极限、拐角情况和互操作性，而不会浪费实验室时间。清晰、可靠的结果来自于适合您测试、共享和扩展方式的工具。
电气研究人员为何依赖先进的仿真软件
复杂的电力和控制系统无法仅凭直觉进行验证。现场试验耗资巨大，会打乱计划，而且很少能涵盖所有相关的故障路径。高保真电气仿真软件可让您在做出承诺之前观察参数变化、拓扑决策和控制更新的后果。您可以扫描工作点、探测边缘情况并比较求解器选项，同时获取经得起审查的证据。
好的工具链还能支持协作、可追溯性和重复使用。团队可以在版本控制中存储模型，审查差异，并根据共同的假设集进行调整。测试工程师可以利用共享的种子和输入重现控制器错误，然后将经过验证的修复反馈给设计部门。这样的工作流程可以收紧反馈环路，使您的精力集中在最有价值的地方。
仿真如何支持实时电力系统测试和验证
离线研究可指导架构和组件选型，但闭环信心来自实时测试。通过硬件在环（HIL），您的物理控制器将与数字孪生控制器一起运行，数字孪生控制器将按照确定的时间表再现设备响应。这种设置暴露了静态分析所忽略的时序敏感性、中断处理问题和接口错误。您可以通过逐帧回放日志，了解控制器在噪声、瞬态和故障事件下的表现。
实时平台为您提供了实现亚毫秒级时间步进的速度、安全连接的 I/O，以及编写可重复测试序列的工具。您可以执行保护研究、电力电子设备验证和并网变流器测试，而无需将设备置于危险之中。当某个案例暴露出弱点时，您可以对模型进行反复修改，并重新运行测试，而无需等待稀缺的实验室时段。结果就是更强大的设计和更简洁的合规证据。
"早在硬件预算投入之前，仿真就已成为创意与可衡量行为的结合点"。
每个电气研究人员都应了解的 6 种仿真工具
平台的选择决定了建模的方式、所信任的求解器以及所达到的测试覆盖率。您的选择还会影响您在研究小组、实验室和供应商之间共享工作成果的难易程度。许多团队都将少数工具标准化，以平衡深度和互操作性。今天的精心选择可以在项目扩展时节省返工时间。
1) SPS 软件（前身为 SimPowerSystems）
SPS 软件是一个专用库，用于构建、模拟和分析电力系统和电力电子设备。它为机器、变流器、变压器、输电线路和测量设备提供了现成的模块，无需自定义代码即可加快模型组装速度。powergui 模块可控制求解器设置，因此您可以在相量域研究和离散电磁瞬态仿真之间进行切换，前者用于长时间动态研究，后者用于波形级细节分析。这种灵活性使您可以使用一个模型和一个一致的界面，从拓扑选择到控制器验证。作为一款电气仿真软件，它非常适合那些希望与工作流程紧密结合，并能在短时间内实现脚本化和自动化的研究人员。
当研究人员需要在不离开 Simulink 的情况下同时进行网络规模研究和设备级细节研究时，他们就会使用 SPS。相位仿真可很好地扩展大型馈线和长时间窗，而离散电磁暂态 (EMT) 则能以更高的保真度捕捉开关行为、换向和保护定时。对于硬件在环 (HIL) 或实时目标，将网络设置为具有固定采样时间的离散模式非常重要，而修剪刚性寄生则可保持仿真稳定。当 HIL 需要开关级保真度时，许多团队会使用 ARTEMiS 或 eHS 将 SPS 电路模型与 OPAL-RT RT-LAB 配对，以便在中央处理器 (CPU) 或现场可编程门阵列 (FPGA) 目标上进行可预测的计算。OPAL-RT RT-LAB 仍是一款实用的电力系统仿真软件，可用于馈线研究和转换器验证等多个项目阶段。
2) MATLAB 和 Simulink
许多研究人员从 MATLAB 仿真开始，在 Simulink 中使用符合控制思维的框图构建完整系统。该工具集支持时域研究、频率响应分析，并在需要转向嵌入式目标时支持代码生成。模型库加快了脉宽调制 (PWM) 生成、传感器建模和滤波器设计等常见任务的速度。您还可以使用严密的脚本实现测试自动化、参数扫描和结果管理。
对于电力系统，Simscape Electrical 和相关库提供了电源、机器、电力电子设备、测量和网络元素。您可以使用详细的开关模型或平均模型对变流器、驱动器和电网进行原型设计，然后切换求解器模式以满足您的时间步长限制。当您在一个领域需要 EMT 细节，而在其他领域需要更快的动力学时，与其他工具的协同仿真可以帮到您。该生态系统支持多种工具箱，因此您无需重建工作流程即可扩展功能。
"均衡的工具包可让您将离线速度、EMT 细节和实时 HIL 结合起来"。
3) 欧泊-RT RT 实验室
OPAL-RT RT-LAB 专注于 HIL 和控制器原型的实时执行。您可以在熟悉的工具中建立模型，然后通过确定性调度将模型分区并部署到中央处理器 (CPU) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 目标上。通过这种方法，您可以运行亚微秒级的开关模型，与物理输入/输出（I/O）接口，并编写可重复的测试场景脚本。工程师可利用它来实施保护、验证控制稳定性并对电源转换器进行压力测试，而无需冒硬件风险。
RT-LAB与功能模拟接口 (FMI) 和功能模拟单元 (FMU)、Python 和 Simulink 集成，可实现灵活的模型导入和自动化。低延迟输入/输出、丰富的信号捕获以及用于场景回放、故障插入和数据导出的实用程序，都能让团队受益匪浅。您可以将计算预算映射到合适的硬件上，从小规模开始，并随着复杂性的增加而扩展。在从离线研究转向闭环测试时，对实时准确性的强调让您信心十足。
4) PSCAD
PSCAD 广泛用于电磁暂态 (EMT) 研究，其中开关细节、波形和快速事件非常重要。界面以原理图、回放和时间序列仪器为中心，支持对变流器、机器和保护进行仔细验证。在需要研究陡峭前沿瞬态、绝缘应力和详细的网络交互时，它就会大显身手。许多公用事业和研究团队都依靠它进行点对波研究和故障事件的高保真复制。
您可以构建电力电子接口、高压直流（HVDC）链路和复杂电网的详细模型，然后捕捉控制相互作用和非线性设备的影响。参数扫描和脚本研究有助于量化敏感性和裕度。导入和导出选项支持与规划软件、控制器模型和自定义脚本进行更广泛的工作流程。对 EMT 保真度的关注使其成为波形细节驱动决策的项目的有力选择。
5) DIgSILENT 动力工厂
DIgSILENT PowerFactory 可用于输配电规划、运行研究和详细分析。它在单一模型表示法下提供负载流、短路、保护、小信号和时域仿真。您可以维护多个场景和季节的研究案例，然后使用一致的数据集比较结果。工程师看重的是丰富的元素库和为高级任务定制模型的能力。
当您需要连接外部求解器或控制器模型时，该平台支持脚本、数据交换和协同仿真。时间序列分析有助于量化主机容量、电压调节策略和分布式能源资源（DER）集成。保护协调研究则受益于设备模型、选择性检查和自动报告。这种广泛性使得一个模型可以回答整个项目生命周期中的许多研究问题。
6) OpenDSS
OpenDSS 是一个开源的电力系统仿真引擎，用于配电研究。研究人员将其用于馈线分析、托管容量、电压控制以及使用大量分布式能源的时间序列场景。脚本接口、组件对象模型（COM）自动化和 Python 绑定支持可重复的工作流程和批量研究。您可以建立验证管道，导入馈线模型、应用配置文件，并将结果导出到仪表板。
由于 OpenDSS 是开放的，因此您可以检查算法、修改源代码并创建符合您研究需要的扩展。这种透明度有助于同行评审、可重现性和长期维护。许多团队将 OpenDSS 与数据科学工具搭配使用，以处理高级计量基础设施 (AMI) 数据、气象输入和逆变器计划。在预算紧张的情况下，这是一种无需昂贵许可证即可开展可扩展研究的实用方法。
均衡的工具包可让您将离线速度、EMT 细节和实时 HIL 结合起来。有些项目自始至终都依赖于一个平台，而有些项目则在求解器和平台之间分配任务。互操作性可减少模型从概念到实验室再返回过程中的摩擦。您的选择应反映出您最常进行的研究，而不仅仅是那些乍一看令人印象深刻的功能。
如何为您的项目选择合适的电力系统模拟软件
根据研究目标、限制条件和团队技能来选择电力系统仿真软件，会让您感觉更轻松。从必须捕捉的物理现象入手，然后根据所涉及的时间尺度匹配求解器。如果 HIL 在您的路线图上，则绘制从离线分析到实时验证的路径图。将集成工作作为一阶要求，而不是事后考虑。
- 研究类型和保真度要求： 决定是否需要相量域速度、EMT 波形细节或两者兼而有之。所需的时间尺度会影响求解器的选择、时间步长目标和模型复杂度。
- 实时和 HIL 准备就绪： 确认可对模型进行分区，并通过控制器和 I/O 确定性地执行。确认工具支持延迟限制、调度和安全互锁。
- 工具链兼容性和标准： 检查功能模拟接口 (FMI) 或功能模拟单元 (FMU) 支持、Python 或 MATLAB API 以及协同模拟钩子。互操作性可保护先前的工作，有助于同行评审，并降低重写风险。
- 许可模式和总成本： 考虑许可证、支持、硬件和培训。包括缓慢迭代、调试周期长和实验室时间被占用的机会成本。
- 模型管理和可重复性：寻找脚本、无头运行以及与版本控制的简洁集成。可重复的研究可节省时间、提高信任度并简化团队间的协作。
- 性能和可扩展性：评估多核、图形处理单元（GPU）或 FPGA 加速选项以及剖析工具。当模型扩展或实时目标收紧时，增长空间非常重要。
- 支持、学习和社区资源：评估文档质量、示例库和支持团队的响应速度。强大的资源可缩短入职培训时间并减少错误。
一个清晰的决策框架可以防止工具泛滥和重复劳动。你的选择应该缩短从研究想法到验证结果的过程，而不是增加摩擦。保留一小套主要工具，并确定何时将案例交给专门的解决方案。每年重新审视决策，以确认您的需求仍然得到满足。
"最佳 "取决于您需要研究的内容、所需的保真度以及您计划在多大程度上进行实时测试。许多团队从 MATLAB 和 Simulink 开始进行控制设计，通过电磁瞬态平台增加开关级细节，并在控制器成熟后进入 HIL。规划和保护小组通常青睐于在负载流、短路和时间序列研究中保持一个网络模型的工具。配电研究人员可以添加 OpenDSS，利用灵活的脚本进行馈线规模的分析。最强大的设置可以减少返工、保持可追溯性，并能更快地获得可靠的结果。
实时目标需要确定性执行、低延迟 I/O，以及在 CPU 和 FPGA 之间分割模型的工具。OPAL-RT RT-LAB 等平台专为这种使用情况而设计，并与控制器硬件、测试自动化和信号捕获集成在一起。关键在于将求解器选择、时间步长和 I/O 时序与控制器限制相匹配。离线工具仍然可以通过准备模型，将其干净利落地转换为实时子系统来作出贡献。一个好的决策可以保持建模工作的可移植性，因此当您进入 HIL 时无需重新建模。
硬件在环将控制器连接到按固定时间表运行的数字孪生系统，然后测量控制器在压力下的表现。您可以在不危及设备的情况下注入故障、改变操作点和测试保护功能。延迟、抖动和通信行为变得清晰可见，这往往能揭示离线运行中隐藏的问题。由于场景是可重复的，因此团队可以重现错误并自信地确认修复。该流程将实验室时间转化为结构化证据，而不是一次性实验。
EMT 仿真与相量域仿真的主要区别在于波形细节与平均行为。EMT 仿真器以较小的时间步长计算瞬时电压和电流，从而捕捉开关、高频动态和陡峭瞬态。相位域研究以幅度和角度表示信号，运行速度更快，适合规划、负载流和许多时间序列任务。项目通常会同时使用这两种方法，将 EMT 用于波形细节驱动设计选择的情况。正确的选择取决于您必须看到的物理现象和每个案例所能花费的时间。
开源工具可以处理馈电模型、时间序列剖面和批量研究，同时控制成本。许多研究人员使用 OpenDSS 进行分布分析，然后将结果链接到数据科学笔记本，进行情景生成和绘图。这种透明度有助于同行评审和长期维护，尤其是在学术和公共部门项目中。当需要进行实时测试时，可在专为 HIL 设计的平台上导出或重新创建模型。这种组合既能控制预算，又能满足研究需要。
