面向建筑物的電氣系統實驗仿真平臺

何 邁，劉俊勇，任瑞玲，郭穎奇，王家怡

(四川大學 電氣信息學院，成都 610065)

0 引 言

我國城市建筑物的用電占城市用電的80%左右。我國將節能降耗的要求作為國家能源戰略的第一任務，建筑物的節能降耗水平在電氣工程專業研究和分析能力上具有十分重要的意義。電氣工程專業中雖然有電氣系統節能降耗的理論和計算工具，但對學生而言，非常抽象，而且對于大型建筑物如商場、醫院、學校等電氣系統非常復雜的拓撲結構、大量參數以及眾多的控制設備和結果的大數據分析缺乏有效的工具和平臺，不利于學生的培養和節能降耗意識的深入人心。隨著光伏發電、沼氣發電、儲能系統的利用，對建筑物內的電氣系統計算仿真有迫切的需要。在傳統意義上，電氣系統有許多商用化的仿真軟件和平臺，例如：面向純軟件的仿真工具[1]，也有面向數字模擬混合化的仿真平臺[2]，更有全部采用動態模擬的動模實驗室[3]，但這些工具和系統缺乏表達建筑物內的電氣設備模型、用戶自定義模型、電氣設備空間位置以及高級計算功能。

本文將簡述面向建筑物的電氣系統實驗仿真平臺：將建筑物內的電氣設備與空間位置用三維建模的方式進行關聯圖形表達，構建平面的電氣接線圖，引入世界通用的配電網-網絡實驗室(Grid laboratory for distribution network,Gridlab-D)電氣系統開源分析計算工具，將設備、參數、建筑物的空間位置圖形、電氣主接線，以及計算過程和結果全方位進行展示。所開發的實驗仿真平臺利用可視化的分析計算仿真平臺，與強大的可自主定制模型的功能結合，為研究者和學生提供方便的仿真平臺。平臺具有友好的人機數據管理；形象直觀的可視化結果展示；快速生成計算集和批處理計算箅的特點。

面向建筑物電氣系統的仿真平臺利用可視化計算平臺，將建筑物內的電氣系統按設備類型，不同時間尺度，功能等錄入到數據庫，最終以形象直觀的可視化結果展現出來，并實現數據的批處理以實現數據的關聯分析和數據的知識挖掘，為建筑物的電氣系統的分析和應用提供數據來源。

本文的布局如下列順序進行描述：

(1)面向建筑物電氣系統的仿真平臺整體構架，包括平臺的功能模塊和流程圖，建立仿真平臺的整體概念；

(2)對已實現的仿真平臺用圖例的方式將主要功能和展示效果串接起來，增強對仿真平臺應用和效果的實際體驗；

(3)針對仿真平臺的嵌入的計算軟件包做一簡介；

(4)針對計算軟件的核心步驟和關鍵點進行討論；

(5)展示計算軟件的輸入輸出和效果。

1 面向建筑物電氣系統的仿真平臺整體構架

將用4個模塊來構建整個平臺，如圖1所示。

利用Gridlab-D輸入并處理數據，實現可視化人機交互結果展示及數據管理。具體平臺的軟件功能和操作流程以及數據庫之間的關系見圖2。

2 主要功能和展示效果

本節利用建筑物三維實景和虛化的內部接線圖，將建筑物內的電氣設備與空間位置用三維建模的方式進行關聯表達，然后構建三維和平面的電氣主接線圖，構成了仿真平臺的圖形化計算基礎，方便引入計算模塊。整個三維建筑物和主接線模擬實現方式因文章長度所限，另文發表。圖3～圖7展示了主要功能和效果。

圖1 面向建筑物電氣系統的仿真平臺示意圖

圖2 平臺的軟件功能和操作流程以及數據庫之間的關系示意圖

圖3 建筑物所在區域的地理位置及外觀、環境溫度、三維示意圖

圖4 建筑物三維外觀示意圖含總體用電介紹

圖5 建筑物三維虛化示意圖含內部線路結構及用電設備

圖6 建筑物內部分層示意圖含用電設備及本層用電負荷

圖7 三維電力和用能設備主接線圖含設備以及連接關系

3 Gridlab-D的簡介

Gridlab-D[5-9]是一套建模分析、高可靠性算法、面向配電網及用戶的智能仿真軟件。具有以下特點：

(1)Gridlab-D的目標對象。隨著清潔能源，儲能系統，電動汽車充電服務網以及電力市場和用戶需求側響應對電力系統的影響，需要考慮這些因素的電力系統新算法，新模型，而傳統電力系統仿真軟件幾乎沒有這些功能，Gridlab-D考慮了這方面的發展，主要體現在如下幾個方面：

Gridlab-D提供了配電網主要的分析和計算功能，包括配電網潮流計算，不平衡計算，電壓無功優化、配電網重構，故障診斷和電網恢復供電等，還包括了考慮風力發電，太陽能，儲能系統等新型清潔能源模型，在用戶側對用戶不同的設備可進行自定義，極大豐富了傳統電力系統分析不具備的設備模型。此外，還考慮了用戶參與電網需求側響應的情況，對調峰、甩負荷和緊急消減負荷等行為都有模型。不僅可以模擬消費者對電價變化的反應行為，還可對電網各種調峰策略進行優化。

(2)Gridlab-D應用工具。Gridlab-D具備處理電力系統各種模型的能力，并提供了種類繁多的工具套件。這些工具包括基于多代理技術和信息處理的工具，可幫助使用者建立精細化的模型，能輸出各種參數和變量隨時間變化的曲線值，并成為制定價格的工具，評估用戶對價格的反應，具有靈活的接口功能，可連接標準化的電力系統其它工具和分析軟件。

(3)Gridlab-D主要模塊。記錄模塊(Tape Module)：主要用于修改計算的條件和改變參數和運行方式的記錄屬性信息。

潮流模塊(network Power flow Module)：用來制定電網和設備之間的物理配置特性。

穩定性模塊(Reliability Module)：采用IEEE366-2003標準，可對穩定計算時的故障和發生的對象以及時間，頻率進行計算。并能對結果進行分析。

市場模塊(Market Module)：可為電力市場下的買賣雙方提出投標服務模型并計算得出出清價格。

居民建筑模塊(Residential building Module)：包括houseA和houseE兩大模型，有多種家庭用電設備模型配置。

商業建筑模塊(Commercial building Module)：提供小型辦公場所和大型場所的建模方式，小型視為單區，大型視為復合區，所有均使用三相電源。

綜上所述，Gridlab-D是電力系統用于配電網和建筑物內電氣系統計算的開源工具，有廣泛的應用前景，但是其輸入、輸出界面不友好，缺乏圖形化的建模和人機交互功能，對于研究人員和學生理解建筑物內電氣系統的機理和特點缺乏直觀的可視化手段。本文后續章節的重點將放在面向建筑物內的電氣系統的仿真平臺的可視化計算開發過程描述上。

4 仿真計算的核心功能

4.1 主要功能

(1)元件參數的友好管理。平臺建立了所有設備的典型參數庫，基于計算需要的建模數據，可實現設備參數的表格化和圖形可視化的管理與維護。能對所有設備的參數按類、區域、電壓水平或自定義進行統計，加快了建模效率。

(2)計算軟件的嵌入。平臺將充分利用Gridlab-D開源軟件的功能，把數據的輸入，計算條件的設定，計算方法的選擇，模型的使用與結果的輸出功能全部用圖形的方式展示。平臺已嵌入了Gridlab-D的全部功能并進行了成功測試和應用[10-13]。

(3)研發的模型功能。平臺的難點需要在開源軟件的基礎上自行研究負荷模型，以適應計算的精確性要求，圍繞居民負荷建模和建筑物建模以及清潔能源建模等展開研究。

對典型居民用電的建筑物進行了建模，其中將居民負荷常用的家用電器用ZIP模型代替和等效熱參數建模，圖8為負荷模型示意圖。詳細情況如下:

圖8 負荷模型示意圖

ZIP模型只適合于簡單的最終用途的負載，比如沒有控制循環的白熾燈、緊湊熒光燈、液晶顯示器等負載，都是ZIP模型的典型代表。

對于居民負荷來說，其中典型的具有閉環控制的負載類型是空調系統。在此，用等效熱參數模型，表示空調系統的電力需求響應，其中，通過太陽能的光強，溫度，濕度，電壓和恒溫設置點來對空調系統進行控制，建筑物里的熱參數是建筑物的屬性，它定義了建筑物里的能量如何快速地進行內外交換。這些參數在Gridlab-D中用各個建筑物實際的物理參數來確定，比如房屋面積、屋頂高度、房屋寬高比、窗戶類型、氣體交換速率等。另外，在空調系統的參數包括加熱和制冷的設定值，加熱類型(天然氣，電力)、風扇功率和電動機的損耗都可以被設定，圖9所示為空調加熱制冷系統示意圖。圖中：HVAC、Sun分別代表來自電網和太陽能提供的能量；Total heat代表空調所需的能量；Tair、Tmass、Tout分別代表空氣溫度、人體舒適度溫度和建筑物外環境溫度；Tset是綜合所有這些溫度后為空調設置的溫度。Cair、Cmass是空氣和人體溫度的傳感系數，Internal Gains是建筑物內部溫度慣性系數，圖中的其他參數是能量交互參數。

圖9 加熱制冷系統示意圖

分布式發電設備(DG)接入配電系統后，會引起雙向潮流問題，即配電線路中會出現有功和無功功率雙向流動的改變，配電系統也會成為具有電源與用電負荷并存的系統，電網的結構會從傳統的放射性結構變成網狀結構獲其他結構形式。因此，Gridlab-D具備處理以上復雜結構和計算條件的能力。

4.2 仿真流程圖

圖10所示為仿真流程圖。

圖10 平臺仿真流程圖

(1)創建場景。創建場景是建立一個仿真環境，在此環境中實現元件模型定義，網絡結構關系構建，構造一個仿真實例。創建場景主要功能需求是：

① 支持“文件”菜單方式選擇新建、打開、保存和關閉的場景的功能。通過“新建”功能可以建立一空白畫布，“打開”功能用來打開已保存的系統文件，“保存”功能用來保存創建好的系統文件，“關閉”功能用來關閉窗口；

② 支持功能按鈕實現新建、打開、保存和關閉場景的功能。

(2)構建網絡。構建網絡是定義元器件模型間的連接關系，定義網絡結構。構建網絡主要功能需求是：

① 支持元器件模型的拖拽。通過鼠標拖拽把所需要的模型加載到畫布中。

② 支持元器件模型的復制、粘貼。通過鼠標或者快捷鍵實現對選中模型的復制、粘貼等編輯動作。

③ 支持模型間連接關系校驗。通過系統結構檢查功能來檢測，檢測結果可以通過連接線的顏色和文字的提示進行反饋。

④ 保存功能。

(3)定義模型。定義模型是對模型參數進行詳細描述。模型定義的主要功能需求是：① 設置參數；② 錄入參數；③ 保存。

當不同類的模型加載到畫布中，模型以圖形模塊顯示在屏幕中，雙擊模型，進入到模型參數設置畫面中。也可通過鼠標右擊模塊，選擇模型參數設置。該畫面可分為兩部分，分別為接線圖(configuration)和 參數(parameters)。其中configuration 用來選擇修改模型中屬于枚舉類型的參數。其他參數放在parameters.輸入參數將參考該模型的輸入參數表。對于風機來說，其風速的輸入可通過手工錄入或者文件導入。錄入的風速也將也圖形的方式展現給用戶。

(4)選擇約束。選擇約束是對仿真控制需要的約束條件進行定義。主要功能需求是：

① 支持仿真起始時間、終止時間的定義。

② 支持仿真步長的定義。

③ 支持采樣步長的定義。

④ 支持菜單、按鈕兩種方式對約束條件的定義。

(5)運行仿真。運行仿真是調用仿真程序，監視仿真過程。主要功能需求是：

仿真參數設置完畢之后，點擊“仿真”按鈕，系統開始進行仿真，仿真運行信息(仿真進度、仿真時間和報警提示)將以圖形或者文字的形式展示。仿真通過系統上一個時間點的狀態計算下一個時間點的狀態。

(6)分析結果。8個子系統為8個不同的選項卡，分別點擊進去，各個子系統所考慮的參數結果由數值表示出來，并配有圖形顯示。各個選項卡中對于仿真的數據和圖形可進行復制、粘貼和保存。

5 平臺的整個流程效果圖

在三維建模基礎上，仿真平臺可以利用第3、4節的內容進行仿真計算，內容可以包含所有傳統電力系統計算以及增加了清潔能源，儲能系統及用戶互動等新功能。下面展示的是從設備和電網連接的參數輸入到計算功能的選擇和參數選擇再到計算結果的輸出，每一步均可用方便用戶理解和執行的可視化方式表示[14-16]，圖11～15是其中的部分示意圖。

圖11 圖模一體化的設備可視化參數輸入示意圖

圖12 圖模一體化的計算參數可視化輸入示意圖

圖13 圖模一體化的計算結果局部可視化輸出示意圖

圖14 圖模一體化的計算結果全局負荷圖

圖15 圖模一體化的計算結果全局結果圖

6 結 語

研究、開發面向建筑物的電氣系統的仿真計算平臺是對建筑物電氣系統進行分析的方法和手段。本文通過對面向建筑物的電氣系統的總體模塊開發及設計思路與原則，開源軟件系統的嵌入，全面深入地對面向建筑物的電氣系統進行了闡述，該平臺的開發可為電氣工程及其自動化專業的多門核心課程服務，是實驗室系統與實際系統的無縫對接，可全面提升學生對面向建筑物的電氣系統感性認識，該平臺的開發可為《電力系統分析》《電力市場》《能源互聯網》等課程提供實踐平臺。后續研究工作如建筑物內的節能降耗、清潔能源和儲能的計算將在該平臺上展開。