基于建筑信息模型的電氣特性計(jì)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(guò)總能耗的1/3。如何降低建筑能耗，已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。太陽(yáng)能作為可再生能源中最常見(jiàn)、可利用率高的一種，具有輻射范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)、尤其“取之不盡，用之不竭”等優(yōu)點(diǎn)，符合國(guó)家提倡的“綠色環(huán)?！?、“低碳排放”的發(fā)展方向，是國(guó)家從今往后制定有關(guān)新能源發(fā)展規(guī)劃的主導(dǎo)能源之一。光伏建筑一體化(BIPV，Building Integrated Photovoltaics)，通過(guò)將光伏系統(tǒng)與

2、常規(guī)建筑相融合，利用太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生的電能來(lái)提供建筑使用，已成為世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)建筑智能化和智能電網(wǎng)研究的重點(diǎn)。
　　光伏建筑一體化是與建筑物同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工和安裝并與建筑物形成完美結(jié)合的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏組件作為建筑物外部結(jié)構(gòu)的一部分，既具有發(fā)用電功能，又具有建筑構(gòu)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(shí)的光伏建筑設(shè)計(jì)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)及建筑用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建筑本身的設(shè)計(jì)被分割為兩個(gè)

3、獨(dú)立和割裂的設(shè)計(jì)過(guò)程。建筑設(shè)計(jì)和光伏發(fā)用電設(shè)計(jì)分別由建筑行業(yè)和電力行業(yè)各自獨(dú)立完成，極易由于光伏發(fā)電與建筑之間的相關(guān)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(xué)設(shè)計(jì)的支持不足等導(dǎo)致建筑電氣設(shè)計(jì)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(wèn)題，亟需一個(gè)能夠提供一體化光伏建筑設(shè)計(jì)電氣相關(guān)的支持平臺(tái)。
　　本文在國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):61202050)、浙江省重大技術(shù)專項(xiàng)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2013C01

4、039)的支持下，主要以光伏建筑一體化為研究對(duì)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(duì)設(shè)施物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字表達(dá)。針對(duì)兩者在實(shí)際工程中的關(guān)聯(lián)性，本文基于BIM從模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)獲取、電氣仿真融合與電氣優(yōu)化四方面展開(kāi)系統(tǒng)研究，主要完成的工作為:
　　(1)采用理論分析與測(cè)試研究相結(jié)合的方法進(jìn)行光伏建筑模型一體化構(gòu)建。將光伏建筑一體化分為建

5、筑設(shè)計(jì)與光伏發(fā)用電設(shè)計(jì)兩種可以同時(shí)并行設(shè)計(jì)的基本類型;利用模型二次開(kāi)發(fā)的方法在Autodesk Revit的軟件平臺(tái)上對(duì)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行建筑模型的構(gòu)建，對(duì)光伏發(fā)用電設(shè)計(jì)進(jìn)行電氣模型的構(gòu)建;對(duì)Autodesk Revit的軟件平臺(tái)提供給二次開(kāi)發(fā)者進(jìn)行功能可擴(kuò)展的API，賦予了光伏發(fā)用電設(shè)計(jì)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(guān)的數(shù)據(jù)信息。主要包括電力設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣信息、土壤和接地網(wǎng)信息等。通過(guò)

6、基于電氣設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)ID對(duì)電氣模型進(jìn)行過(guò)濾，遍歷整個(gè)電力系統(tǒng)的所有電氣設(shè)備得到整個(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。對(duì)所獲得的信息整理歸類分為負(fù)載設(shè)備、配電設(shè)備、供電設(shè)備以及設(shè)備間的正確連接，并進(jìn)一步對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行處理，得到合適的數(shù)據(jù)格式，為后期的潮流計(jì)算和短路分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和支持。對(duì)于土壤和接地網(wǎng)模型是建立在族模板的基礎(chǔ)上，通過(guò)Revit SDK所提供的編程接口進(jìn)行讀取其相關(guān)的電氣特性信息，結(jié)合短路分析結(jié)果為安全計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和支持。

7、　　(3)基于BIM模型實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的電氣仿真的融合。通過(guò)在BIM模型中構(gòu)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(jìn)行了潮流計(jì)算分析，得到電力系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的電壓分布和功率分布以及網(wǎng)絡(luò)中的電能損耗;基于潮流計(jì)算所得到的電力系統(tǒng)潮流分布進(jìn)行了短路電流分析，通過(guò)比較所計(jì)算出的電力系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的短路電流得到整個(gè)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(jìn)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(shí)進(jìn)行了3D的可視化顯示。
　　(4)基于IEEE-2000-80th標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接地網(wǎng)在滿足接觸電壓和跨步電壓的允許范圍內(nèi)進(jìn)行成本最小優(yōu)化，得到最經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)下滿足合理運(yùn)行的最佳接地網(wǎng)設(shè)計(jì);由工程實(shí)例仿真驗(yàn)證，當(dāng)優(yōu)化水平接地網(wǎng)時(shí)，成本降低3.4％;當(dāng)優(yōu)化水平接地網(wǎng)和垂直接地體時(shí)，成本降低31％。對(duì)分布式光伏接入問(wèn)題進(jìn)行分析，考慮在光伏發(fā)電一定時(shí)，從電網(wǎng)的長(zhǎng)期運(yùn)行角度分析最小網(wǎng)損和最少成本之間的

9、矛盾關(guān)系，以權(quán)重因子衡量網(wǎng)損和成本對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益和安全指標(biāo)產(chǎn)生的影響并進(jìn)一步將其歸一化作為綜合目標(biāo)，利用遺傳算法計(jì)算光伏發(fā)電的最佳接入點(diǎn)。由工程實(shí)例仿真驗(yàn)證，網(wǎng)絡(luò)損耗降低了9.66％，成本降低了21.33％，綜合兩目標(biāo)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(shè)計(jì)，構(gòu)建了光伏建筑統(tǒng)一模型，在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)時(shí)不僅提供了建筑信息，而且提供了電氣信息，實(shí)現(xiàn)了光伏建筑全生命周期設(shè)計(jì)，有效地簡(jiǎn)化了模型的