基于建筑信息模型的電氣特性計算仿真.pdf

1、建筑作為城市的主要功能單元和用能單元，其能耗已經(jīng)超過總能耗的1/3。如何降低建筑能耗，已經(jīng)成為當今社會研究的熱點問題。太陽能作為可再生能源中最常見、可利用率高的一種，具有輻射范圍廣、時間長、尤其“取之不盡，用之不竭”等優(yōu)點，符合國家提倡的“綠色環(huán)?！?、“低碳排放”的發(fā)展方向，是國家從今往后制定有關新能源發(fā)展規(guī)劃的主導能源之一。光伏建筑一體化(BIPV，Building Integrated Photovoltaics)，通過將光伏系統(tǒng)與

2、常規(guī)建筑相融合，利用太陽能發(fā)電產(chǎn)生的電能來提供建筑使用，已成為世界各國實現(xiàn)建筑智能化和智能電網(wǎng)研究的重點。
　　光伏建筑一體化是與建筑物同時設計、同時施工和安裝并與建筑物形成完美結合的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏組件作為建筑物外部結構的一部分，既具有發(fā)用電功能，又具有建筑構件和建筑材料的功能，甚至還可以提升建筑物的美感，與建筑物形成完美的統(tǒng)一體。然而，在現(xiàn)實的光伏建筑設計中，光伏發(fā)電系統(tǒng)及建筑用電系統(tǒng)的設計和建筑本身的設計被分割為兩個

3、獨立和割裂的設計過程。建筑設計和光伏發(fā)用電設計分別由建筑行業(yè)和電力行業(yè)各自獨立完成，極易由于光伏發(fā)電與建筑之間的相關性比如建筑的遮擋、二者數(shù)據(jù)信息的不匹配、建筑的電氣科學設計的支持不足等導致建筑電氣設計的不合理，造成建筑電氣潮流不必要的損耗以及電氣安全等問題，亟需一個能夠提供一體化光伏建筑設計電氣相關的支持平臺。
　　本文在國家自然科學基金資助項目(項目編號:61202050)、浙江省重大技術專項研究項目(項目編號:2013C01

4、039)的支持下，主要以光伏建筑一體化為研究對象，采用建筑信息模型(BIM，Building Information Model)系統(tǒng)地研究了光伏建筑一體化的建筑模型和電氣模型，對設施物理和功能特性進行數(shù)字表達。針對兩者在實際工程中的關聯(lián)性，本文基于BIM從模型構建、數(shù)據(jù)獲取、電氣仿真融合與電氣優(yōu)化四方面展開系統(tǒng)研究，主要完成的工作為:
　　(1)采用理論分析與測試研究相結合的方法進行光伏建筑模型一體化構建。將光伏建筑一體化分為建

5、筑設計與光伏發(fā)用電設計兩種可以同時并行設計的基本類型;利用模型二次開發(fā)的方法在Autodesk Revit的軟件平臺上對建筑設計進行建筑模型的構建，對光伏發(fā)用電設計進行電氣模型的構建;對Autodesk Revit的軟件平臺提供給二次開發(fā)者進行功能可擴展的API，賦予了光伏發(fā)用電設計的電氣模型所需要的電氣特性參數(shù)。
　　(2)獲取電氣仿真所需的BIM模型中相關的數(shù)據(jù)信息。主要包括電力設備拓撲結構、電氣信息、土壤和接地網(wǎng)信息等。通過

6、基于電氣設備的唯一標識ID對電氣模型進行過濾，遍歷整個電力系統(tǒng)的所有電氣設備得到整個系統(tǒng)的拓撲結構信息。對所獲得的信息整理歸類分為負載設備、配電設備、供電設備以及設備間的正確連接，并進一步對設備信息進行處理，得到合適的數(shù)據(jù)格式，為后期的潮流計算和短路分析提供數(shù)據(jù)基礎和支持。對于土壤和接地網(wǎng)模型是建立在族模板的基礎上，通過Revit SDK所提供的編程接口進行讀取其相關的電氣特性信息，結合短路分析結果為安全計算提供數(shù)據(jù)基礎和支持。

7、　　(3)基于BIM模型實現(xiàn)電力系統(tǒng)的電氣仿真的融合。通過在BIM模型中構建了所需求的電力系統(tǒng)并且獲得了電氣仿真所需的電氣特性參數(shù);基于所獲取的電氣參數(shù)進行了潮流計算分析，得到電力系統(tǒng)所有節(jié)點的電壓分布和功率分布以及網(wǎng)絡中的電能損耗;基于潮流計算所得到的電力系統(tǒng)潮流分布進行了短路電流分析，通過比較所計算出的電力系統(tǒng)各個節(jié)點的短路電流得到整個系統(tǒng)中的最大短路電流;基于所獲取的土壤、接地網(wǎng)信息及最大短路電流進行了接地網(wǎng)安全分析，得到接地網(wǎng)的

8、地面電位分布、接觸電壓分布和跨步電壓分布，同時進行了3D的可視化顯示。
　　(4)基于IEEE-2000-80th標準對接地網(wǎng)在滿足接觸電壓和跨步電壓的允許范圍內進行成本最小優(yōu)化，得到最經(jīng)濟的目標下滿足合理運行的最佳接地網(wǎng)設計;由工程實例仿真驗證，當優(yōu)化水平接地網(wǎng)時，成本降低3.4％;當優(yōu)化水平接地網(wǎng)和垂直接地體時，成本降低31％。對分布式光伏接入問題進行分析，考慮在光伏發(fā)電一定時，從電網(wǎng)的長期運行角度分析最小網(wǎng)損和最少成本之間的

9、矛盾關系，以權重因子衡量網(wǎng)損和成本對電網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益和安全指標產(chǎn)生的影響并進一步將其歸一化作為綜合目標，利用遺傳算法計算光伏發(fā)電的最佳接入點。由工程實例仿真驗證，網(wǎng)絡損耗降低了9.66％，成本降低了21.33％，綜合兩目標后的成本降低了19.14％。
　　本文提出了基于BIM的光伏建筑一體化設計，構建了光伏建筑統(tǒng)一模型，在光伏建筑一體化設計時不僅提供了建筑信息，而且提供了電氣信息，實現(xiàn)了光伏建筑全生命周期設計，有效地簡化了模型的