面向建筑物的电气系统实验仿真平台

何 迈，刘俊勇，任瑞玲，郭颖奇，王家怡

(四川大学 电气信息学院，成都 610065)

0 引 言

我国城市建筑物的用电占城市用电的80%左右。我国将节能降耗的要求作为国家能源战略的第一任务，建筑物的节能降耗水平在电气工程专业研究和分析能力上具有十分重要的意义。电气工程专业中虽然有电气系统节能降耗的理论和计算工具，但对学生而言，非常抽象，而且对于大型建筑物如商场、医院、学校等电气系统非常复杂的拓扑结构、大量参数以及众多的控制设备和结果的大数据分析缺乏有效的工具和平台，不利于学生的培养和节能降耗意识的深入人心。随着光伏发电、沼气发电、储能系统的利用，对建筑物内的电气系统计算仿真有迫切的需要。在传统意义上，电气系统有许多商用化的仿真软件和平台，例如：面向纯软件的仿真工具[1]，也有面向数字模拟混合化的仿真平台[2]，更有全部采用动态模拟的动模实验室[3]，但这些工具和系统缺乏表达建筑物内的电气设备模型、用户自定义模型、电气设备空间位置以及高级计算功能。

本文将简述面向建筑物的电气系统实验仿真平台：将建筑物内的电气设备与空间位置用三维建模的方式进行关联图形表达，构建平面的电气接线图，引入世界通用的配电网-网络实验室(Grid laboratory for distribution network,Gridlab-D)电气系统开源分析计算工具，将设备、参数、建筑物的空间位置图形、电气主接线，以及计算过程和结果全方位进行展示。所开发的实验仿真平台利用可视化的分析计算仿真平台，与强大的可自主定制模型的功能结合，为研究者和学生提供方便的仿真平台。平台具有友好的人机数据管理；形象直观的可视化结果展示；快速生成计算集和批处理计算箅的特点。

面向建筑物电气系统的仿真平台利用可视化计算平台，将建筑物内的电气系统按设备类型，不同时间尺度，功能等录入到数据库，最终以形象直观的可视化结果展现出来，并实现数据的批处理以实现数据的关联分析和数据的知识挖掘，为建筑物的电气系统的分析和应用提供数据来源。

本文的布局如下列顺序进行描述：

(1)面向建筑物电气系统的仿真平台整体构架，包括平台的功能模块和流程图，建立仿真平台的整体概念；

(2)对已实现的仿真平台用图例的方式将主要功能和展示效果串接起来，增强对仿真平台应用和效果的实际体验；

(3)针对仿真平台的嵌入的计算软件包做一简介；

(4)针对计算软件的核心步骤和关键点进行讨论；

(5)展示计算软件的输入输出和效果。

1 面向建筑物电气系统的仿真平台整体构架

将用4个模块来构建整个平台，如图1所示。

利用Gridlab-D输入并处理数据，实现可视化人机交互结果展示及数据管理。具体平台的软件功能和操作流程以及数据库之间的关系见图2。

2 主要功能和展示效果

本节利用建筑物三维实景和虚化的内部接线图，将建筑物内的电气设备与空间位置用三维建模的方式进行关联表达，然后构建三维和平面的电气主接线图，构成了仿真平台的图形化计算基础，方便引入计算模块。整个三维建筑物和主接线模拟实现方式因文章长度所限，另文发表。图3～图7展示了主要功能和效果。

图1 面向建筑物电气系统的仿真平台示意图

图2 平台的软件功能和操作流程以及数据库之间的关系示意图

图3 建筑物所在区域的地理位置及外观、环境温度、三维示意图

图4 建筑物三维外观示意图含总体用电介绍

图5 建筑物三维虚化示意图含内部线路结构及用电设备

图6 建筑物内部分层示意图含用电设备及本层用电负荷

图7 三维电力和用能设备主接线图含设备以及连接关系

3 Gridlab-D的简介

Gridlab-D[5-9]是一套建模分析、高可靠性算法、面向配电网及用户的智能仿真软件。具有以下特点：

(1)Gridlab-D的目标对象。随着清洁能源，储能系统，电动汽车充电服务网以及电力市场和用户需求侧响应对电力系统的影响，需要考虑这些因素的电力系统新算法，新模型，而传统电力系统仿真软件几乎没有这些功能，Gridlab-D考虑了这方面的发展，主要体现在如下几个方面：

Gridlab-D提供了配电网主要的分析和计算功能，包括配电网潮流计算，不平衡计算，电压无功优化、配电网重构，故障诊断和电网恢复供电等，还包括了考虑风力发电，太阳能，储能系统等新型清洁能源模型，在用户侧对用户不同的设备可进行自定义，极大丰富了传统电力系统分析不具备的设备模型。此外，还考虑了用户参与电网需求侧响应的情况，对调峰、甩负荷和紧急消减负荷等行为都有模型。不仅可以模拟消费者对电价变化的反应行为，还可对电网各种调峰策略进行优化。

(2)Gridlab-D应用工具。Gridlab-D具备处理电力系统各种模型的能力，并提供了种类繁多的工具套件。这些工具包括基于多代理技术和信息处理的工具，可帮助使用者建立精细化的模型，能输出各种参数和变量随时间变化的曲线值，并成为制定价格的工具，评估用户对价格的反应，具有灵活的接口功能，可连接标准化的电力系统其它工具和分析软件。

(3)Gridlab-D主要模块。记录模块(Tape Module)：主要用于修改计算的条件和改变参数和运行方式的记录属性信息。

潮流模块(network Power flow Module)：用来制定电网和设备之间的物理配置特性。

稳定性模块(Reliability Module)：采用IEEE366-2003标准，可对稳定计算时的故障和发生的对象以及时间，频率进行计算。并能对结果进行分析。

市场模块(Market Module)：可为电力市场下的买卖双方提出投标服务模型并计算得出出清价格。

居民建筑模块(Residential building Module)：包括houseA和houseE两大模型，有多种家庭用电设备模型配置。

商业建筑模块(Commercial building Module)：提供小型办公场所和大型场所的建模方式，小型视为单区，大型视为复合区，所有均使用三相电源。

综上所述，Gridlab-D是电力系统用于配电网和建筑物内电气系统计算的开源工具，有广泛的应用前景，但是其输入、输出界面不友好，缺乏图形化的建模和人机交互功能，对于研究人员和学生理解建筑物内电气系统的机理和特点缺乏直观的可视化手段。本文后续章节的重点将放在面向建筑物内的电气系统的仿真平台的可视化计算开发过程描述上。

4 仿真计算的核心功能

4.1 主要功能

(1)元件参数的友好管理。平台建立了所有设备的典型参数库，基于计算需要的建模数据，可实现设备参数的表格化和图形可视化的管理与维护。能对所有设备的参数按类、区域、电压水平或自定义进行统计，加快了建模效率。

(2)计算软件的嵌入。平台将充分利用Gridlab-D开源软件的功能，把数据的输入，计算条件的设定，计算方法的选择，模型的使用与结果的输出功能全部用图形的方式展示。平台已嵌入了Gridlab-D的全部功能并进行了成功测试和应用[10-13]。

(3)研发的模型功能。平台的难点需要在开源软件的基础上自行研究负荷模型，以适应计算的精确性要求，围绕居民负荷建模和建筑物建模以及清洁能源建模等展开研究。

对典型居民用电的建筑物进行了建模，其中将居民负荷常用的家用电器用ZIP模型代替和等效热参数建模，图8为负荷模型示意图。详细情况如下:

图8 负荷模型示意图

ZIP模型只适合于简单的最终用途的负载，比如没有控制循环的白炽灯、紧凑荧光灯、液晶显示器等负载，都是ZIP模型的典型代表。

对于居民负荷来说，其中典型的具有闭环控制的负载类型是空调系统。在此，用等效热参数模型，表示空调系统的电力需求响应，其中，通过太阳能的光强，温度，湿度，电压和恒温设置点来对空调系统进行控制，建筑物里的热参数是建筑物的属性，它定义了建筑物里的能量如何快速地进行内外交换。这些参数在Gridlab-D中用各个建筑物实际的物理参数来确定，比如房屋面积、屋顶高度、房屋宽高比、窗户类型、气体交换速率等。另外，在空调系统的参数包括加热和制冷的设定值，加热类型(天然气，电力)、风扇功率和电动机的损耗都可以被设定，图9所示为空调加热制冷系统示意图。图中：HVAC、Sun分别代表来自电网和太阳能提供的能量；Total heat代表空调所需的能量；Tair、Tmass、Tout分别代表空气温度、人体舒适度温度和建筑物外环境温度；Tset是综合所有这些温度后为空调设置的温度。Cair、Cmass是空气和人体温度的传感系数，Internal Gains是建筑物内部温度惯性系数，图中的其他参数是能量交互参数。

图9 加热制冷系统示意图

分布式发电设备(DG)接入配电系统后，会引起双向潮流问题，即配电线路中会出现有功和无功功率双向流动的改变，配电系统也会成为具有电源与用电负荷并存的系统，电网的结构会从传统的放射性结构变成网状结构获其他结构形式。因此，Gridlab-D具备处理以上复杂结构和计算条件的能力。

4.2 仿真流程图

图10所示为仿真流程图。

图10 平台仿真流程图

(1)创建场景。创建场景是建立一个仿真环境，在此环境中实现元件模型定义，网络结构关系构建，构造一个仿真实例。创建场景主要功能需求是：

① 支持“文件”菜单方式选择新建、打开、保存和关闭的场景的功能。通过“新建”功能可以建立一空白画布，“打开”功能用来打开已保存的系统文件，“保存”功能用来保存创建好的系统文件，“关闭”功能用来关闭窗口；

② 支持功能按钮实现新建、打开、保存和关闭场景的功能。

(2)构建网络。构建网络是定义元器件模型间的连接关系，定义网络结构。构建网络主要功能需求是：

① 支持元器件模型的拖拽。通过鼠标拖拽把所需要的模型加载到画布中。

② 支持元器件模型的复制、粘贴。通过鼠标或者快捷键实现对选中模型的复制、粘贴等编辑动作。

③ 支持模型间连接关系校验。通过系统结构检查功能来检测，检测结果可以通过连接线的颜色和文字的提示进行反馈。

④ 保存功能。

(3)定义模型。定义模型是对模型参数进行详细描述。模型定义的主要功能需求是：① 设置参数；② 录入参数；③ 保存。

当不同类的模型加载到画布中，模型以图形模块显示在屏幕中，双击模型，进入到模型参数设置画面中。也可通过鼠标右击模块，选择模型参数设置。该画面可分为两部分，分别为接线图(configuration)和 参数(parameters)。其中configuration 用来选择修改模型中属于枚举类型的参数。其他参数放在parameters.输入参数将参考该模型的输入参数表。对于风机来说，其风速的输入可通过手工录入或者文件导入。录入的风速也将也图形的方式展现给用户。

(4)选择约束。选择约束是对仿真控制需要的约束条件进行定义。主要功能需求是：

① 支持仿真起始时间、终止时间的定义。

② 支持仿真步长的定义。

③ 支持采样步长的定义。

④ 支持菜单、按钮两种方式对约束条件的定义。

(5)运行仿真。运行仿真是调用仿真程序，监视仿真过程。主要功能需求是：

仿真参数设置完毕之后，点击“仿真”按钮，系统开始进行仿真，仿真运行信息(仿真进度、仿真时间和报警提示)将以图形或者文字的形式展示。仿真通过系统上一个时间点的状态计算下一个时间点的状态。

(6)分析结果。8个子系统为8个不同的选项卡，分别点击进去，各个子系统所考虑的参数结果由数值表示出来，并配有图形显示。各个选项卡中对于仿真的数据和图形可进行复制、粘贴和保存。

5 平台的整个流程效果图

在三维建模基础上，仿真平台可以利用第3、4节的内容进行仿真计算，内容可以包含所有传统电力系统计算以及增加了清洁能源，储能系统及用户互动等新功能。下面展示的是从设备和电网连接的参数输入到计算功能的选择和参数选择再到计算结果的输出，每一步均可用方便用户理解和执行的可视化方式表示[14-16]，图11～15是其中的部分示意图。

图11 图模一体化的设备可视化参数输入示意图

图12 图模一体化的计算参数可视化输入示意图

图13 图模一体化的计算结果局部可视化输出示意图

图14 图模一体化的计算结果全局负荷图

图15 图模一体化的计算结果全局结果图

6 结 语

研究、开发面向建筑物的电气系统的仿真计算平台是对建筑物电气系统进行分析的方法和手段。本文通过对面向建筑物的电气系统的总体模块开发及设计思路与原则，开源软件系统的嵌入，全面深入地对面向建筑物的电气系统进行了阐述，该平台的开发可为电气工程及其自动化专业的多门核心课程服务，是实验室系统与实际系统的无缝对接，可全面提升学生对面向建筑物的电气系统感性认识，该平台的开发可为《电力系统分析》《电力市场》《能源互联网》等课程提供实践平台。后续研究工作如建筑物内的节能降耗、清洁能源和储能的计算将在该平台上展开。