仿真为您提供了一种更快、更安全的方式，让您在制造任何硬件之前就能验证电气设计。您可以探索极限、验证保护和调整控制，而不必冒设备或时间安排的风险。这样做的结果是，后期意外情况减少，模型更强大，测试覆盖率更高。对清晰的建模实践、强大的数据和可重复的工作流程进行投资的团队可以立即提高质量和速度。
要了解复杂的电力系统，并不需要一个巨大的实验室。实用的模型、大小合适的求解器和可靠的接口都能让您受益匪浅。加上实时执行，您就可以通过固件和控制器实现闭环。这就是如何从概念设计到现场验证，不断增强设计信心的方法。
了解电气和电力系统仿真基础知识
电气仿真可让您将电路、机器、转换器和网络表示为可在计算机上运行的数学模型。这些模型的范围从详细的开关设备到支持快速研究的平均组件。电力系统仿真将这一理念扩展到馈线、变电站、输电和保护方案。这两种方法都能帮助您研究仅靠测试台无法轻松揭示的相互作用。
为了获得可靠的洞察力，您需要将物理参数映射到模型元素，然后选择适合时间常数和刚度的求解器。对于转换器开关，您可能需要较小的时间步长，而网络研究则通常受益于相量或准稳态视图。诀窍在于根据研究目标平衡保真度和运行时间。严格的模型规范可以防止误差渗入结果，并将结果转化为值得信赖的决策。
工程师使用电气系统设计软件的主要优势
仿真可以帮助您及早发现问题，节省实验室时间，并在更多场景下证明设计，而不仅仅是工作台测试。好的工具还能使你的数据具有可重复性，这样同事们就能重现某个发现、扩展它并审查其逻辑。团队非常欣赏管理版本、参数集和模型库的清晰方法。实用的工作流程能让工程师专注于结果，而不是管道。
- 利用电气系统设计软件加快迭代速度：参数扫描和批量运行可在原型交付前发现敏感性。您可以更快地完成从概念到验证设计的整个过程，同时减少构建周期。
- 使用电气工程仿真软件获得更多洞察力：丰富的绘图、频率分析和脚本编写功能可帮助您谨慎地检查边角情况。您可以用证据而不是直觉来回答更棘手的问题。
- 通过电路仿真软件进行精确的器件和网络研究：详细的器件模型可捕捉开关事件、传导损耗和控制时序。这种保真度加强了热估计、保护设置和 EMI 规划。
- 利用电力系统分析软件进行电网和设施研究：负载流、故障研究和保护协调变得结构化和可追溯。多场景运行可让您清晰地比较升级和运行策略。
- 通过模型重用和库降低风险：经过验证的子电路可减少返工、提高一致性并缩短入职时间。共享模板可帮助新工程师更快地做出贡献，而无需重复过去的错误。
- 通过开放数据和脚本更好地开展协作： 清晰的界面、版本控制和可读脚本支持同行评审。可审计的结果可在设计、测试和安全团队之间建立信任。
当第一个后期问题得以避免时，好的工具就能收回成本。您还可以节省时间，建立永远不会再使用的一次性线束。数据可以在设计、控制和测试中顺利移动，因此每个人都能根据相同的事实开展工作。由于结果是可追溯、可重复和有据可查的，经理们可以看到更好的预测。
仿真为您提供了一种更快、更安全的方法，让您在制造任何硬件之前就能验证电气设计。
电气建模软件如何改进测试和验证
通过实体模型，可以制定更简洁的测试计划，满足更严格的要求，并更有效地覆盖难以在工作台上测试的边缘情况。电气建模软件可帮助您探测会损坏硬件或需要很长时间才能重现的情况。它还能缩短设计、固件和合规性签署之间的周期。由于数据是一致的、脚本是共享的、结果是可重现的且摩擦最小，因此团队能更快地取得进展。
加速基于模型的需求和可追溯性
明确的需求可减少返工，而模型则为您提供了验证需求的共享语言。你可以将每个需求与模拟案例、输入数据集和验收指标联系起来。这种映射使审查变得更快，因为每一个情节都与你们商定的规则相关联。当参数发生变化时，你就能清楚地知道哪些测试需要重新运行，哪些文档需要更新。
可追溯性还有助于审计和安全审查。测试证据包括模型版本、求解器设置和种子值，因此没有任何含糊不清之处。自动报告将绘图、表格和通过或未通过的总结收集在一个整洁的软件包中。同事们可以重新运行相同的案例，获得相同的数据，从而建立信任。
参数扫描、容差研究和实验设计
元件值的微小变化就能改变稳定性裕度或保护定时。通过实验设计，您可以选择有效的扫描点来暴露这些敏感性。然后，您可以对重要的驱动因素进行排序，并简化其他因素。这种专注节省了时间，并提高了后期实验室工作的针对性。
公差研究支持采购和质量决策。如果更宽的公差几乎不影响关键指标，则可以在不牺牲性能的情况下节约成本。如果微小的偏差会造成很大的影响，您可以增加一个保护带或更新控制。由于数据清晰而具体，工程师可以更快地找到问题的关键。
故障注入和保护验证
临时测试很少能提供足够的保护范围。通过模拟，您可以注入短路、开路相位、传感器故障和通信中断，而不会危及设备。每个案例都能测量跳闸时间、选择性和恢复行为，从而帮助您有把握地调整阈值。您还可以堆叠故障，以反映难以模拟的混乱现场条件。
这种严格程度使控制受益匪浅。您可以看到过滤器、观察器和限制器在压力下的反应。您还能确认保护装置之间不会相互对抗，并且在事件发生后能干净利落地重置。团队带着更简短、更清晰的工作清单回到实验室。
与控制、软件在环（SIL）和处理器在环（PIL）共同模拟
控制很少是孤立存在的，因此协同仿真非常重要。通过软件在环，您可以根据工厂模型运行编译后的控制代码，以验证逻辑和时序。环中处理器添加目标微控制器，以测量执行时间、资源使用情况和固件行为。这些步骤可在硬件上台之前发现集成问题。
好的框架使协同仿真具有可重复性。您可以在每次运行中编写构建步骤脚本、跟踪二进制哈希值并记录接口时序。这样的记录可以在审核或签批时提供精确的证据。当控制器到达时，您已经可以信任代码在正常和不正常条件下的运行路径。
强大的建模工作流程可提高测试质量，同时不会拖累团队。工程师可以用可靠的数据而不是意见来证明决策的正确性。由于边缘案例更早地得到关注，风险也随之降低。这就是为什么运行良好的验证总是将工程判断与可靠的模拟相结合。
比较不同应用的电力系统模拟软件
电力系统仿真软件涵盖了从变流器级开关到城市级网络等多种研究类型。选择工具首先要考虑研究目标，然后是所需的保真度、求解器类型和运行时间。电力系统分析软件擅长稳态、突发事件和保护研究，而变流器工具则以快速开关和控制回路为目标。许多团队会维护一小堆工具，并通过规范的数据交换将它们连接起来，用于电力系统建模和仿真。
考虑选择的一个实用方法是将应用与求解器需求和实时要求相对应。下表概括了常见的应用以及有助于每种应用取得成功的特征。严格控制模型范围，尽可能通过测量进行验证，并记录设置。简洁明了、重点突出的模型可以产生值得信赖的结果。
| 应用 | 典型的研究目标 | 所需的模型保真度 | 求解器偏好 | 实时需求 | 说明 |
| 配送规划 | 负载流量、电压-伏安、托管容量 | 带详细负载的相位或有效值 | 代数或隐式 | 低至中等 | 适用于升级筛选、 DER 选址和损耗研究。 |
| 输电业务 | 应急、稳定、保护 | 动态机器、AVR、PSS | 隐式梯形 | 中型 | 振荡和保护定时的时域研究。 |
| 转换器设计 | 开关行为、电磁干扰、控制回路 | 详细的电力电子装置 | 修正了明确的小步骤 | 中到高 | 需要用于栅极定时、电流纹波和滤波器选型。 |
| 微电网和设施 | 孤岛、重新连接、电能质量 | 混合平均模型和详细模型 | 可变步长或混合步长 | 中到高 | 支持控制器调整和故障穿越检查。 |
| 教育与研究 | 概念验证、教学实验室 | 灵活的保真度 | 任何 | 低至中等 | 注重清晰度、可重用性和文档。 |
| 带控制器的 HIL | 闭环验证 | 实时、确定性计时 | 固定台阶 | 高 | 用于固件测试、保护和系统调试。 |
电力系统实时模拟和硬件在环测试
工程师利用电力系统模型的实时仿真，与控制器、继电器和保护硬件形成闭环。电力系统实时仿真器可快速执行电厂模型，以便在电气时间尺度上与设备进行交互。您可以安全、可重复地验证时序路径、I/O 范围和边缘情况。这样，硬件在环仿真就成为在设备通电前测试固件的实用方法。
实时执行要求
实时是指模拟器在下一个时间步骤开始前完成每个时间步骤。这一预算包括计算、I/O 和处理器之间的任何通信。稳定的性能需要可预测的延迟和严格的抖动控制。其结果是一个干净的时序基础，因此闭环行为符合预期。
模型分区往往决定成败。你可以将快速转换从较慢的网络部分中分离出来，并将它们分配给合适的计算资源。固定的时间步长与控制速率和转换器动态相一致。仔细的范围界定可使模型保持在计时范围内，而不会削减所需的细节。
电力系统实时模拟器架构
一个功能强大的平台需要强大的 CPU 来处理网络动态，需要快速的 FPGA 来处理转换器开关。可靠的模拟和数字输入/输出将模型与控制器、继电器和传感器连接起来。工程师还需要灵活的信号调节，以满足实验室使用的范围和隔离要求。可扩展的机架可帮助您在项目扩展时增加通道数量。
软件与硬件同样重要。清晰的构建管道、版本控制和测试自动化可保持模型的可重复性。可编写脚本的配置缩短了设置时间，因此团队可以把时间花在测试上，而不是管道上。良好的日志记录可将每次运行都转化为证据，以供审查和共享。
硬件在环仿真工作流程
HIL以根据离线仿真和任何可用测量结果验证的模型为起点。然后定义电压、电流、状态线以及 PWM、CAN 或以太网等通信的 I/O 映射。调试从低功率软限制开始，然后通过分阶段场景进行。每个测试案例都会记录输入、输出和时序，以支持审查。
固件团队有了一个尝试新逻辑的安全场所。保护工程师可以在不危及断路器或变压器的情况下检查选择性和协调性。电力电子专家可以在压力下调整观测器、补偿器和限幅器。每个人都能从可重复的场景和跨版本的简洁比较中获益。
定时、延迟和确定性
闭环测试依赖于确定性定时。如果任务运行时间过长或总线停滞，控制环路就会出现问题。监控工具可显示步进时间、抖动带和 I/O 延迟，有助于快速发现问题。工程师随后可调整模型范围、分区或 I/O 设置，以恢复裕度。
联网会增加自己的定时路径。确保时间戳、同步信号和接口缓冲都已配置和验证。硬件诊断应清晰记录超时和超限。当从实验室测试转入通电系统时，这种清晰度能让团队充满信心。
周密的计划将实时项目转化为稳定的进展。团队就时间预算达成一致，定义验收指标，并记录每一个结果。固件和系统工程师合作进行可重复测试，建立信任。这样做的结果是，项目启动更安全，时间更短，产品更强大。
在可再生能源项目中应用电力电子系统建模和仿真技术
变流器系统是现代可再生能源发电厂的核心。对开关设备、磁性元件和控制回路进行建模，有助于您管理谐波和电网互动。您可以研究各种工作点下的穿越、电流限制和保护步骤。这些工作可在现场通电前建立信心。
利用电力电子系统的建模和仿真来确定滤波器的大小、选择设备和调整控制器。平均模型可加快长时间的方案运行，然后详细的设备模型可完善开关和热估算。可再生能源系统模拟还能突出与电厂通信和削减政策之间的相互作用。这些洞察力可降低合规性测试和调试过程中的风险。
利用微电网模拟和电池建模推进能源研究
能源研究得益于透明、经过验证且易于共享的模型。
微电网模拟可捕捉电源、负载和保护之间的相互作用，包括孤岛运行的转换和退出。电池建模和仿真涵盖电化学行为、热极限和循环下的降解。强大的模型可加快控制器研究、改进保护设置并支持现场试点。
微电网控制策略、孤岛和重新连接
控制方案通常混合了降压、电压和频率调节以及监控逻辑。通过仿真，您可以仔细测试并网、孤岛和再同步状态之间的转换。您可以设置故障阶段、测量穿越时间并调整重新连接阈值。这些研究可减少现场试验前的不确定性。
保护协调同样需要关注。方向元件、转移跳闸和甩负荷必须在多种模式下工作。当源改变状态或线路切换时，可以检查选择性。清晰的结果有助于团队就设置和运行实践达成一致。
电池建模和模拟保真度
存储模型包括从简单的 Thevenin 块到详细的电化学方程。正确的选择取决于研究目标、周期长度和热耦合。从实验室数据中识别参数可提高不同温度和电荷状态下的准确性。这些步骤让您在预测使用寿命和保修期时更有信心。
热耦合影响安全和性能。冷却限制、组件几何形状和传感器位置都会影响性能。模拟可以明确安全运行窗口，并帮助规划压力下的降额。然后，工程师就可以编写控制逻辑，在不浪费容量的情况下遵守这些限制。
电网规范、保护和互操作性
可再生发电厂必须满足严格的穿越、功率因数和电压调节规则。仿真可帮助您验证在具有挑战性的瞬态条件下的合规性。您可以对影响测试结果的测量延迟、滤波和控制器限制进行建模。测试结果可为固件更新和运行策略提供指导。
互操作性对通信和保护至关重要。团队在大流量和故障条件下测试协议、定时和故障信息传递。清晰的日志可帮助供应商解决问题，而无需指手画脚。现场试验会更加顺利，因为意外情况会尽早得到处理。
数据、云工作流程和优化
当您运行许多方案时，数据量会迅速增长。脚本流水线以结构化的方式存储输入、版本和输出，因此结果是可查找的。云工作流让您可以离线批量扩展，然后将关键案例带回实验室进行 HIL。这种组合既能缩短研究时间，又能控制成本。
优化例程位于清洁数据之上。您可以根据确定的目标调整设定点、计划和控制器增益。灵敏度图显示哪些杠杆最重要，因此团队可以专注于正确的变化。决策者获得的是可靠的总结，而不是嘈杂的仪表盘。
能源研究得益于透明、经过验证且易于共享的模型。微电网模拟使复杂的相互作用变得可测量，而不是神秘莫测。电池建模和仿真将物理、控制和安全融为一体。其结果是从概念到现场试验的更快进展。
为商业和工业项目提供电力系统测试服务的重要性
设备负责人面临着在不增加猜测的情况下提高正常运行时间、安全性和能源成本的压力。电力系统测试服务将这些目标转化为结构化的计划，您可以每年重复进行。测试结果为维护、升级和保护设置提供了明确的依据。由于测试结果是具体的、可审计的，并与风险挂钩，因此团队更容易获得预算。
- 保护协调和电力系统测试范围：设备需要有选择性的跳闸，使故障保持在较小范围内。结构化的电力系统测试计划可根据现场目标检查取电、时间刻度盘和清除时间。
- 短路、弧闪和设备额定值：研究可验证断路器、母线和电缆的负载，然后提出切实可行的纠正措施。商业电力系统测试可减少停电和维护窗口期间的意外情况。
- 电能质量和谐波评估：测量和模型揭示失真和闪烁的来源。建议重点放在滤波器、接地措施和控制调整上，以实现可衡量的改善。
- 可靠性审计和应急计划：以数据为导向的审查可绘制单点故障图和恢复步骤。您在离开时就可以采取明确的行动，保护生产、实验室和办公室。
- 电力系统测试和工程服务的合规性和文档编制：报告提供检查员和保险公司所期望的证据。证据包括图表、设置、测试记录和清晰的变更日志。
- 调试支持和电源测试系统验证：新设备出厂时的设置符合研究结果，而非猜测。现场测试确认负载下的运行情况，以便顺利完成移交。
计划周密的服务可以保护员工、资产和时间表。合适的合作伙伴可以通过培训、模板和清晰的报告来提高团队能力。随着时间的推移，有生命力的单线、设置数据库和程序手册将使一切保持一致。由于风险得到了衡量、管理和稳步降低，领导者们睡得更香。
OPAL-RT 如何支持工程师进行高级电力系统仿真
OPAL-RT为工程师提供了从离线模型到严格的闭环测试的实用方法，包括控制器、继电器和嵌入式代码。我们的实时数字仿真器以固定的时间步长执行复杂的设备模型，具有低抖动和可靠的输入/输出，可用于实验室集成。团队在通电前运行硬件在环仿真，以验证固件定时、保护选择性和变流器控制。开放式脚本、版本控制钩子和自动报告可保持结果的可重复性并易于审计。
我们还利用可扩展通道数、计算能力和保真度的模块化平台，为电网研究、变流器设计和微电网研究提供支持。工程师通过文档化的接口连接他们已经使用的工具链，然后将共享库标准化，以便长期重复使用。现场和实验室团队可以从一致的数据、结构化的测试计划以及了解日常限制因素的响应支持中获益。当项目进入现场调试时，您可以放心地使用相同的模型、信号和验收标准。选择OPAL-RT，获得值得信赖的实时性能、经过验证的工作流程，以及满足工程师工作需要的支持。
常见问题
首先要将电力系统研究目标与求解器需求相匹配，然后再考虑运行时间、I/O 和实时需求。对于规划和保护，电力系统分析软件在相量和动态研究方面表现出色。对于变流器和控制回路，具有固定小时间步长的电路仿真软件可提供所需的保真度。当工具链顺利连接时，您将获得更多价值，OPAL-RT 可帮助您保持数据、定时和硬件接口的一致性，从而使您的测试具有可重复性。
设置明确的验收指标，跟踪测试用例的要求，以及模型、脚本和数据集的版本。电气工程仿真软件支持故障注入、容差扫描和实验室前闭环检查。这些准备工作可降低调试过程中的风险，减少计划外停机时间。OPAL-RT 通过实时平台和工作流程支持这些步骤，将工厂模型转化为值得信赖的可靠测试。
硬件在环仿真可让电力系统实时仿真器在电气时间尺度上与控制器、继电器和传感器进行交互。您可以在不对设备施加压力的情况下验证输入/输出范围、定时路径和边缘情况。日志记录和自动化可为审查和安全签收提供一致的证据。OPAL-RT 提供确定性的执行和实用的 I/O，因此您的团队可以专注于结果，而不是管道。
电气建模软件可确定变流器的设计、滤波器的大小和保护逻辑，而电池建模和仿真可明确热限制和使用寿命。平均模型加速了工厂级研究，然后详细的开关模型完善了损耗和 EMI 估算。您还可以在现场测试前确认穿越、通信时序和缩减行为。OPAL-RT 支持这些工作流程，在需要对实际控制器进行闭环检查时可实时执行。
从研究范围入手，确定机器、网络和变流器的保真度，然后映射到求解器和时序需求。针对设施、微电网和输电的电力系统仿真软件通常与专注于快速变流器动态的工具搭配使用。保持模型的严密性，根据测量结果进行验证，并记录求解器的设置，使结果有据可查。OPAL-RT 可帮助您在离线和实时研究之间架起桥梁，从而使团队间的选择过程协调一致。
