基于建筑信息模型的电气特性计算仿真

摘要

建筑作为城市的主要功能单元和用能单元，其能耗已经超过总能耗的1/3。如何降低建筑能耗，已经成为当今社会研究的热点问题。太阳能作为可再生能源中最常见、可利用率高的一种，具有辐射范围广、时间长、尤其“取之不尽，用之不竭”等优点，符合国家提倡的“绿色环保”、“低碳排放”的发展方向，是国家从今往后制定有关新能源发展规划的主导能源之一。光伏建筑一体化(BIPV，Building Integrated Photovoltaics)，通过将光伏系统与常规建筑相融合，利用太阳能发电产生的电能来提供建筑使用，已成为世界各国实现建筑智能化和智能电网研究的重点。
　　光伏建筑一体化是与建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的太阳能光伏发电系统。光伏组件作为建筑物外部结构的一部分，既具有发用电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能，甚至还可以提升建筑物的美感，与建筑物形成完美的统一体。然而，在现实的光伏建筑设计中，光伏发电系统及建筑用电系统的设计和建筑本身的设计被分割为两个独立和割裂的设计过程。建筑设计和光伏发用电设计分别由建筑行业和电力行业各自独立完成，极易由于光伏发电与建筑之间的相关性比如建筑的遮挡、二者数据信息的不匹配、建筑的电气科学设计的支持不足等导致建筑电气设计的不合理，造成建筑电气潮流不必要的损耗以及电气安全等问题，亟需一个能够提供一体化光伏建筑设计电气相关的支持平台。
　　本文在国家自然科学基金资助项目(项目编号:61202050)、浙江省重大技术专项研究项目(项目编号:2013C01039)的支持下，主要以光伏建筑一体化为研究对象，采用建筑信息模型(BIM，Building Information Model)系统地研究了光伏建筑一体化的建筑模型和电气模型，对设施物理和功能特性进行数字表达。针对两者在实际工程中的关联性，本文基于BIM从模型构建、数据获取、电气仿真融合与电气优化四方面展开系统研究，主要完成的工作为:
　　(1)采用理论分析与测试研究相结合的方法进行光伏建筑模型一体化构建。将光伏建筑一体化分为建筑设计与光伏发用电设计两种可以同时并行设计的基本类型;利用模型二次开发的方法在Autodesk Revit的软件平台上对建筑设计进行建筑模型的构建，对光伏发用电设计进行电气模型的构建;对Autodesk Revit的软件平台提供给二次开发者进行功能可扩展的API，赋予了光伏发用电设计的电气模型所需要的电气特性参数。
　　(2)获取电气仿真所需的BIM模型中相关的数据信息。主要包括电力设备拓扑结构、电气信息、土壤和接地网信息等。通过基于电气设备的唯一标识ID对电气模型进行过滤，遍历整个电力系统的所有电气设备得到整个系统的拓扑结构信息。对所获得的信息整理归类分为负载设备、配电设备、供电设备以及设备间的正确连接，并进一步对设备信息进行处理，得到合适的数据格式，为后期的潮流计算和短路分析提供数据基础和支持。对于土壤和接地网模型是建立在族模板的基础上，通过Revit SDK所提供的编程接口进行读取其相关的电气特性信息，结合短路分析结果为安全计算提供数据基础和支持。
　　(3)基于BIM模型实现电力系统的电气仿真的融合。通过在BIM模型中构建了所需求的电力系统并且获得了电气仿真所需的电气特性参数;基于所获取的电气参数进行了潮流计算分析，得到电力系统所有节点的电压分布和功率分布以及网络中的电能损耗;基于潮流计算所得到的电力系统潮流分布进行了短路电流分析，通过比较所计算出的电力系统各个节点的短路电流得到整个系统中的最大短路电流;基于所获取的土壤、接地网信息及最大短路电流进行了接地网安全分析，得到接地网的地面电位分布、接触电压分布和跨步电压分布，同时进行了3D的可视化显示。
　　(4)基于IEEE-2000-80th标准对接地网在满足接触电压和跨步电压的允许范围内进行成本最小优化，得到最经济的目标下满足合理运行的最佳接地网设计;由工程实例仿真验证，当优化水平接地网时，成本降低3.4％;当优化水平接地网和垂直接地体时，成本降低31％。对分布式光伏接入问题进行分析，考虑在光伏发电一定时，从电网的长期运行角度分析最小网损和最少成本之间的矛盾关系，以权重因子衡量网损和成本对电网运行的经济效益和安全指标产生的影响并进一步将其归一化作为综合目标，利用遗传算法计算光伏发电的最佳接入点。由工程实例仿真验证，网络损耗降低了9.66％，成本降低了21.33％，综合两目标后的成本降低了19.14％。
　　本文提出了基于BIM的光伏建筑一体化设计，构建了光伏建筑统一模型，在光伏建筑一体化设计时不仅提供了建筑信息，而且提供了电气信息，实现了光伏建筑全生命周期设计，有效地简化了模型的复杂度和多模型间的共享性;基于BIM技术对构建模型具有存储功能，BIM中的信息可以完全自动读取，避免了手动输入的错操作，有效地提高了计算的准确性;基于BIM技术对光伏建筑的电气模型设计进行了电气仿真，检验了电气设计的合理性，有效指导电气的安全设计;基于BIM技术对安全计算的接地网设计进行优化，有效降低了成本;对分布式光伏定容选址进行优化，有效降低了网损和成本。

目录

声明

插图和附表清单

摘要

1 绪论

1．1 光伏建筑一体化是可持续发展的必然选择

1．1．1 能源结构转型

1．1．2 节能减排

1．1．3 防灾备用

1．1．4 电能安全

1．2 分布式光伏发电的特点

1．3 分布式光伏发展概述

1．3．1 发展历史

1．3．2 应用现状

1．4 光伏建筑一体化

1．4．1 光伏建筑一体化的发展概况

1．4．2 应用现状

1．5 BIM的发展概况与应用现状

1．6 光伏建筑一体化的不足

1．7 课题来源与主要研究内容

1．7．1 课题来源

1．7．2 主要研究内容

1．7．3 技术路线

2 光伏建筑模型的构建

2．1 引言

2．1．1 BIPV的系统论概述

2．1．2 BIPV的协同学概述

2．1．3 基于计算机技术的BIPV协同学概述

2．1．4 基于BIM的BIPV设计

2．2 建筑模型的构建

2．3 分布式光伏发电系统电气模型的构建

2．3．1 基于BIM的建筑电气模型构建

2．3．2 土壤及接地网模型构建

2．4 本章小结

3 模型信息的获取

3．1 引言

3．2 建筑信息的获取

3．3 电气信息的获取

3．3．1 电力设备拓扑结构和电气信息获取

3．3．2 接地网和土壤信息的精确获取

3．4 本章小结

4 基于光伏建筑的电气仿真与3D显示

4．1 引言

4．2 潮流计算

4．2．1 潮流计算概述

4．2．2 接入光伏的潮流计算

4．3 短路分析

4．3．1 短路电流概述

4．3．2 基于光伏建筑的短路分析

4．4 接地网安全计算

4．4．1 安全计算概述

4．4．2 基于光伏建筑的安全计算

4．5 计算结果的3D输出

4．6 数据验证和工程案例分析

4．6．1 电气仿真计算精度验证

4．6．2 实例分析

4．7 本章小结

5 基于光伏建筑的电气优化

5．1 引言

5．2 基于光伏建筑的接地网优化

5．2．1 优化水平接地体

5．2．2 实例分析

5．2．3 优化水平接地体和垂直接地体

5．2．4 实例分析

5．3 基于光伏建筑的光伏发电最佳接入点优化

5．3．1 光伏发电最佳接入点概述

5．3．2 基于遗传算法的最佳接入点分析

5．3．3 实例分析

5．4 本章小结

6 总结和展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

在读硕士期间取得的科研成果

附录

致谢