新型電力仿真軟件GridLAB—D的研究應用

葉鐵豐++王毅

摘 要：本文以新型電力仿真軟件GridLAB-D為基礎，深入研究GridLAB-D的工作原理、使用范圍、模塊的內部構造、功能、模塊間相互連接的方式以及建模所用語言。利用上述研究成果建立了小型配電電力系統的實際模型，對該模型進行了仿真得出系統中各節點的相關電氣量隨時間變化的曲線。

關鍵詞：電力系統 GridLAB-D 仿真 潮流 模塊

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0015-03

1 GridLAB-D的研究背景

現代電網的兩個建設目標是“加快電網現代化建設”和“大力支持現代電網一體化基礎性關鍵技術的模擬”，而實現這些技術的關鍵在于“智能電網技術”的有效執行。然而目前最大的困難是無法估算在本地區內的電力基礎設施的規模。鑒于此，GridLAB-D便是一個可以給電網設計和運行人員提供有價值的數據的配電網仿真及分析軟件，它是由美國北太平洋國家實驗室能源局與工業界、學術界共同開發的。GridLAB-D可以為那些希望利用新能源技術的公司提供服務。該軟件集成了先進的模塊技術和能夠交付最新終端模塊技術的高性能算法。GRIDLAB-D為用戶提供了電能分配自動化模塊和具有許多電力系統分析手段的軟件集成工具。

2 GridLAB-D軟件概述

2.1 GridLAB-D的功能及應用

GRIDLAB-D V2.0版包括：

（1）居民終端電氣設備模塊和電能交通工具充電設備。

（2）分布式能源模塊（DER），包括分布式發電和電能存貯模塊。

（3）采用適時電價的配電電力市場模塊。

（4）與Matlab、Excel、ODBC、gunplot軟件連接的接口。

（5）與其他終端模塊和標準配電分析軟件的兼容。

（6）低頻減載技術。

（7）商業建筑模塊、工業和農業負荷。

（8）負荷與人口增長模塊。

（9）可靠性分析模塊。

軟件中有以下幾種功能但不能和上面功能同時使用，即：

（1）決定價格差是否能夠刺激用戶自己發電的費用設置模塊。

（2）計算部署分布式發電的潛能和利益模塊。

（3）提供如自動儀表、分布發電自動化或電能零售市場等商業工具箱。

（4）提供多種功能間相互作用系統，如低頻減載與負荷自身減載間的相互影響。

由于具備分析幾秒到幾十年配電系統的各種性能和狀態，GRIDLAB-D能夠仿真不同物理現象、商業模式、市場經濟和地區經濟以及顧客行為。GRIDLAB-D仿真的結果包括了大量電力系統數據如可靠性系數（也就是低頻減載的可能性）、商業系數（利潤率、回報率、單位損耗系數）。

2.2 GridLAB-D的特點

GRIDLAB-D是一個靈活的仿真環境，它可以與大量第三方數據管理和分析工具進行連接，GRIDLAB-D的核心具有先進的算法，能夠并列仿真幾百萬組不同設備模型。這種算法與過去傳統的有限次差分運算相比，它的優點體現在：（1）它對復雜問題的處理更加準確；（2）它能處理的時間范圍非常寬，從幾秒鐘到幾十年；（3）與新模型或第三方軟件連接非常方便。

GRIDLAB-D系統中包含的模塊可以支持以下仿真功能：

（1）潮流計算和控制，包括分布式發電和貯電。

（2）終端技術、設備和控制。

（3）用戶行為，包括用戶每天、每個星期、每個月用戶對電能需求、對價格的反應及選擇。

（4）能量的營運，包括配電網自動化、低頻減載系統、緊急情況處理系統。

（5）商業的營運，如零售價格、賬目和以市場為基礎的刺激計劃。

GRIDLAB-D集成了大量的工具套件來建立和處理配電網，并對仿真結果進行分析，這些工具包括：

（1）以代理人為基礎和以信息為基礎的工具讓使用者建立眾多細節化的模型，這些模型包括新的終端使用技術、DER、配電自動化以及零售市場的相互作用及其隨時間的發展。

（2）對立并使之生效的價格制定工具，它能分析用戶對價格的反應，并校驗與其他技術和零售市場的相互作用及獨立性。

（3）以工業標準建立的電力系統工具及仿真方法界面。

（4）能夠采集大量數據的數據采集系統，并允許大范圍的分析。

最方便的是，GRIDLAB-D能夠分析配電網系統的各個部分與其他模塊的相互影響。GRIDLAB-D不需要降階的模型來收集用戶或電力系統的狀態，這也就避免了在模型簡化時的一些錯誤或不適當假設。GRIDLAB-D對工業和政府部門來說是必不可少的，因為它可以幫助設計更加有效、實用的方案來處理負荷的日益增長和用戶對用電可靠性要求的提高。

2.3 GridLAB-D的核心優勢

目前市面上的電力系統仿真軟件基本上都不能提供由外部因素導致對電力工業生產造成強烈影響而進行分析。快速的信息交換技術、追求成本效率的新型能源、多種重疊的能源市場以及新的商業策略的共同影響給這些重要創新帶來了太多的不確定性。

GRIDLAB-D是企業工程師、制度制定者、各種風險投資商和廣大消費者共同關注的結果，它的優勢在于：

（1）價格結構分析：以新的價格結構來對消費者提供不同能源對于電力公司來說是十分有吸引力的，這是因為制定新的價格體系給電力公司提供了一個修改需求彈性曲線的機會，也給電力公司在整個市場上平衡電能供求的能力提供了幫助。制定新的價格體系的最大挑戰就是這個體系對于電力公司和消費者來說應該是雙贏的。GRIDLAB-D提供了能對不同價格體系做出選擇的消費者模塊（包括固定價格、需求率、每天價格、實時價格），這樣進行仿真后就可以知曉這套價格制度是否可以成功運用。endprint

（2）分布式電源：和分布式發電機一樣，DER技術的產生、集成的供熱和能量技術系統（CHP）以及GFA控制都帶來了很多的機會和挑戰。GRIDLAB-D給公司決策者和管理者提供了對基礎設施和分布式電源投資的成本與收益一個更好的評估方法，如增加零售彈性、提高可靠性系數和在零售市場上同時銷售附屬產品的機會。

（3）峰荷的管理：很多峰荷期甩負荷策略通常不能實現預期的收益。GRIDLAB-D可以對消費者行為進行建模，這樣就可以實現峰荷期甩負荷策略最優化。在峰荷期甩負荷，GRIDLAB-D可以對用戶的滿意程度進行評估，也可以對可利用電源進行準確預計。GRIDLAB-D甚至可以對一天內一次或更多次的停電給用戶帶來影響進行估計。

（4）配電自動化的設計：GRIDLAB-D提供設計和分析配電自動化技術的能力，使電力公司在同一個系統中進行不同的穩定性分析。

3 GridLAB-D軟件模塊

3.1 記錄模塊（tape module）

（1）Player：player是兩種輸入方式中的其中之一，player還是parent的最新更新名字。

（2）Shaper：shaper是兩種輸入方式中的另一種方式。Shaper的類型。

（3）Recorder：Recorder是收集資料的兩種主要的方法之一。Recorder可以記錄同一個對象的多種數據，并用gnuplot輸出。Recorder使用十進制的整數、數字和使用關鍵字，加倍使用double_format，綜合使用complex_format，使用object_format對象引用。

（4）Collector：Collector是收集資料的另一種主要的方法。Collector與Recorder的不同是，它記錄的是一組對象的數據。

3.2 可靠性模塊（reliability module）

結合Powerflow模塊進行工作。完成配電系統的故障檢測報告。檢測報告是以IEEE1366-2003為標準。可靠性模塊的輸出為：

記錄事件（如指定地點和時間）-系統中斷時間平均指數：

SAIFI-系統平均中斷頻率索引；

CAIDI中斷期間，顧客平均指數；

CAIFI-用戶平均中斷頻率索引；

CTAIDI-用戶總平均中斷的頻率索引

MAIFI-瞬間的平均指數（在這個時間不計算中斷頻率）；

ASAI-平均可用的服務。

3.3 市場模塊（market module）

市場模塊的作用是將賣方或買方的價格整合，并調整到供求平衡，使電力公司與用戶基本達到各自預期價格。提供基本的投標服務和進入電力市場服務。

用一個簡單的例子來說明市場模塊，如圖1所示，假設發電機1可以產生3 kW？h，且單價為0.5美元/kW·H的電，發電機2可生產1.5 kW·h，且單價為0.5美元/kW·H的電。用戶1想購買2.5 kW·h的電，且最多支付0.60美元/kW·H，用戶2想購買 1.0 kW·h的電，且最多支付0.80美元/kW·h。使用市場模塊可以使供求達到平衡。

3.4 潮流模塊（powerflow module）

（1）潮流模塊是最基本的分析電力系統潮流的模塊。只要給出發電機和負荷的電壓，該模塊就可以自動給定個節點的電壓并且根據負載情況依次給出電流值。

（2）潮流模塊主要由鏈接和節點兩個對象構成。其他的對象都是由這兩個對象繼承而來。節點主要由電容器、負荷、電表組成；鏈接主要由熔絲、開關、繼電器、架空線、地線、變壓器組成。

3.5 天氣模塊（climate module）

天氣模塊是根據系統運行數據很多時候會受到天氣的影響，才應運而生的。天氣數據主要有以下幾部分組成：經度、緯度、濕度、日照、風向。

3.6 居民模塊（residental module）

（1）居民模塊有兩種：houseA與houseE。houseA與houseE非常的相似，它們之間最大的不同在于算法的思想不同。houseA是基于CLTD模型，其類的名稱為：house。houseE是基于ETP模型，其類的名稱為：house_e。

（2）居民模塊的主要仿真模型裝置為：熱水器、爐子、冰箱、洗衣機、洗碗機、插座、微波爐、冷藏庫、干洗機、充電器等。

4 GridLAB-D的潮流仿真

TextPad是一款文本編輯軟件，它可以在windows操作界面內運行GridLAB-D的指令，顯示GridLAB-D仿真運行結果。因此，在安裝GridLAB-D后還需要進行TextPad的安裝，并將它與GridLAB-D相關聯。

特別說明：進行關聯的時候，要詳閱TextPad的幫助文檔，因為有些細節如公式的輸入，路徑的設置必須完全按照相應的要求。

下面進行仿真，在整個仿真程序編輯過程中集成了潮流和負荷模型，來反應家庭式負荷的用電情況，并對電網輸送到用戶的電能質量進行分析和評估。模型由五個模塊組成，它們分別是潮流模塊（power flow）、氣候模塊（climate）、用戶模塊（residential）、測量記錄模塊（tape）、時鐘模塊（clock）。每個模塊下又包括多種元件，每一種元件的參數設定各有不同，它們所執行的功能也不同，共同組成了四節點的輸電和用電模型。

根據仿真結果對各個元件的具體參數進行具體的分析：

（1）節點1：它是整個網絡電能的來源，它上接系統，下接負荷。節點1中三相電壓為+7199.558+0.000j、-3599.779- 6235.000j、-3599.779+6235.000j，其有效值為7199.558 V，相位相差120度，可見三相是對稱的。endprint

（2）LC300：它是連接節點1、2，節點3、4的兩條架空輸電線路。本模型中輸電線的導體有兩種，一種是OH100；另一種是OH101。OH100的平均幾何半徑為0.0244 m，阻抗為0.306；OH101的平均幾何半徑為0.00814 m，阻抗值為0.592。1、2節點和3、4節點間導線的采用三相四線制，即分為A相、B相、C相和一條中性線N。其中A、B、C三相導線所采用的導體相同，均為OH100，導線半徑較大；中性線采用的導線為OH101，導體半徑較小。另外，導線的空間布置也作了規定，AB相間距離為2.5 mBC，相間距離4.5m，AC相間距離7.0 m，A相N距離為5.656854 m，B相對N距離為4.272002 m，C相對N的距離為5.0 m。節點1、2間架空線的距離為2000 m，節點3、4間的距離為2500 m。

（3）節點2：它是連接線路1和降壓變壓器的節點。由于潮流流過輸電線1會有壓降，故節點2的實際電壓比節點1的電壓低，但這兩個節點位于系統的同一個電壓等級，所以電壓的理論值相同，分別為+ 7199.558+0.000j、-3599.779-6235.000j、 -3599.779+6235.000j，有名值為7199.558V。

（4）降壓變壓器XFC400：XFC400是一個雙繞組變壓器，它的額定容量為6000kVA，變比為12470/4160，其內部阻抗為標幺值0.01+0.06j。此變壓器是兩次變壓中較重要的一級。

（5）節點3：它連接變壓器XFC400和線路2。由于變壓器的降壓作用，節點3的電壓為+2401.777+0.000j、-1200.889-2080.000j 、-1200.889+2080.000j，電壓的有效值為2401.777V。

（6）節點4：它與節點3處于同一個電壓等級，故電壓值一致。從節點4處接負荷，此時電壓等級還是很高，還要再經過一級變壓，即連接負荷變壓器。

（7）負荷：它與節點4直接連接，其電壓與節點4相同。負荷的ABC三相從節點4獲取的電能為+1800000.000+871779.789jVA，最大電壓偏移為0.001，電壓的有效值為2401.777V。

（8）負荷變壓器Link 45：該變壓器為一次側接在A相。容量為400 kVA，變比為2400/120，阻抗標幺值為0.01+j0.06。

（9）用戶模型。用戶模型中包括相應的測量儀表以及用戶相關參數設定模塊。三相電表，其工作電壓為120 V，接在Link 45負荷變壓器上。數據記錄儀，記錄電流1、電流2、電壓1、電壓2和中性線的電壓及電流。最終的測量結果一份以曲線圖表示并保存在residential_meter.plot中；另一份以output.csv輸出。用戶模塊設定包括用戶住房情況以及家用電器情況。住房情況有用戶所在位置凝結48N，西經125W，住房面積為1500平方英尺，住房中窗戶的比例占整個墻面的25%，冬天制熱溫度為70華氏度，夏天制熱溫度為76華氏度。室內電器考慮了飲水機，容積為60 L，用水量為2.5 g/min，加熱功率為4500 W，室內放置，水溫最高加到120華氏度。

5 結論

本文通過介紹新型電力仿真軟件GridLAB-D，并就其安裝、運行、工作原理及工作特點做了深入探究，分析了GridLAB-D的內部流程、功能、模塊間相互連接的方式并搭建了小型配電電力系統的實際模型進行仿真，得出了該模型系統中各節點的相關電氣量隨時間變化的曲線且對曲線進行了數據分析，由分析結果知對配電網的運行分析確實效果顯著，值得推廣應用。

參考文獻

[1] 甄威，陳寶喜，唐永紅.真在電力系統仿真中的應用[J].四川電力試驗研究院.

[2] 湯涌.電力系統數字仿真技術的現狀與發展[D].中國電力科學研究院.

[3] MattHauer.SourceForge_netBeginner's Guide to GridLAB-D-gridlab-d.

[4] 許薇.面向對象程序設計[M].清華大學出版社，2009.

[5] 西北太平洋國家實驗室.GridLAB-D_brochure[Z].endprint

（2）LC300：它是連接節點1、2，節點3、4的兩條架空輸電線路。本模型中輸電線的導體有兩種，一種是OH100；另一種是OH101。OH100的平均幾何半徑為0.0244 m，阻抗為0.306；OH101的平均幾何半徑為0.00814 m，阻抗值為0.592。1、2節點和3、4節點間導線的采用三相四線制，即分為A相、B相、C相和一條中性線N。其中A、B、C三相導線所采用的導體相同，均為OH100，導線半徑較大；中性線采用的導線為OH101，導體半徑較小。另外，導線的空間布置也作了規定，AB相間距離為2.5 mBC，相間距離4.5m，AC相間距離7.0 m，A相N距離為5.656854 m，B相對N距離為4.272002 m，C相對N的距離為5.0 m。節點1、2間架空線的距離為2000 m，節點3、4間的距離為2500 m。

（3）節點2：它是連接線路1和降壓變壓器的節點。由于潮流流過輸電線1會有壓降，故節點2的實際電壓比節點1的電壓低，但這兩個節點位于系統的同一個電壓等級，所以電壓的理論值相同，分別為+ 7199.558+0.000j、-3599.779-6235.000j、 -3599.779+6235.000j，有名值為7199.558V。

（4）降壓變壓器XFC400：XFC400是一個雙繞組變壓器，它的額定容量為6000kVA，變比為12470/4160，其內部阻抗為標幺值0.01+0.06j。此變壓器是兩次變壓中較重要的一級。

（5）節點3：它連接變壓器XFC400和線路2。由于變壓器的降壓作用，節點3的電壓為+2401.777+0.000j、-1200.889-2080.000j 、-1200.889+2080.000j，電壓的有效值為2401.777V。

（6）節點4：它與節點3處于同一個電壓等級，故電壓值一致。從節點4處接負荷，此時電壓等級還是很高，還要再經過一級變壓，即連接負荷變壓器。

（7）負荷：它與節點4直接連接，其電壓與節點4相同。負荷的ABC三相從節點4獲取的電能為+1800000.000+871779.789jVA，最大電壓偏移為0.001，電壓的有效值為2401.777V。

（8）負荷變壓器Link 45：該變壓器為一次側接在A相。容量為400 kVA，變比為2400/120，阻抗標幺值為0.01+j0.06。

（9）用戶模型。用戶模型中包括相應的測量儀表以及用戶相關參數設定模塊。三相電表，其工作電壓為120 V，接在Link 45負荷變壓器上。數據記錄儀，記錄電流1、電流2、電壓1、電壓2和中性線的電壓及電流。最終的測量結果一份以曲線圖表示并保存在residential_meter.plot中；另一份以output.csv輸出。用戶模塊設定包括用戶住房情況以及家用電器情況。住房情況有用戶所在位置凝結48N，西經125W，住房面積為1500平方英尺，住房中窗戶的比例占整個墻面的25%，冬天制熱溫度為70華氏度，夏天制熱溫度為76華氏度。室內電器考慮了飲水機，容積為60 L，用水量為2.5 g/min，加熱功率為4500 W，室內放置，水溫最高加到120華氏度。

5 結論

本文通過介紹新型電力仿真軟件GridLAB-D，并就其安裝、運行、工作原理及工作特點做了深入探究，分析了GridLAB-D的內部流程、功能、模塊間相互連接的方式并搭建了小型配電電力系統的實際模型進行仿真，得出了該模型系統中各節點的相關電氣量隨時間變化的曲線且對曲線進行了數據分析，由分析結果知對配電網的運行分析確實效果顯著，值得推廣應用。

參考文獻

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（2）LC300：它是連接節點1、2，節點3、4的兩條架空輸電線路。本模型中輸電線的導體有兩種，一種是OH100；另一種是OH101。OH100的平均幾何半徑為0.0244 m，阻抗為0.306；OH101的平均幾何半徑為0.00814 m，阻抗值為0.592。1、2節點和3、4節點間導線的采用三相四線制，即分為A相、B相、C相和一條中性線N。其中A、B、C三相導線所采用的導體相同，均為OH100，導線半徑較大；中性線采用的導線為OH101，導體半徑較小。另外，導線的空間布置也作了規定，AB相間距離為2.5 mBC，相間距離4.5m，AC相間距離7.0 m，A相N距離為5.656854 m，B相對N距離為4.272002 m，C相對N的距離為5.0 m。節點1、2間架空線的距離為2000 m，節點3、4間的距離為2500 m。

（3）節點2：它是連接線路1和降壓變壓器的節點。由于潮流流過輸電線1會有壓降，故節點2的實際電壓比節點1的電壓低，但這兩個節點位于系統的同一個電壓等級，所以電壓的理論值相同，分別為+ 7199.558+0.000j、-3599.779-6235.000j、 -3599.779+6235.000j，有名值為7199.558V。

（4）降壓變壓器XFC400：XFC400是一個雙繞組變壓器，它的額定容量為6000kVA，變比為12470/4160，其內部阻抗為標幺值0.01+0.06j。此變壓器是兩次變壓中較重要的一級。

（5）節點3：它連接變壓器XFC400和線路2。由于變壓器的降壓作用，節點3的電壓為+2401.777+0.000j、-1200.889-2080.000j 、-1200.889+2080.000j，電壓的有效值為2401.777V。

（6）節點4：它與節點3處于同一個電壓等級，故電壓值一致。從節點4處接負荷，此時電壓等級還是很高，還要再經過一級變壓，即連接負荷變壓器。

（7）負荷：它與節點4直接連接，其電壓與節點4相同。負荷的ABC三相從節點4獲取的電能為+1800000.000+871779.789jVA，最大電壓偏移為0.001，電壓的有效值為2401.777V。

（8）負荷變壓器Link 45：該變壓器為一次側接在A相。容量為400 kVA，變比為2400/120，阻抗標幺值為0.01+j0.06。

（9）用戶模型。用戶模型中包括相應的測量儀表以及用戶相關參數設定模塊。三相電表，其工作電壓為120 V，接在Link 45負荷變壓器上。數據記錄儀，記錄電流1、電流2、電壓1、電壓2和中性線的電壓及電流。最終的測量結果一份以曲線圖表示并保存在residential_meter.plot中；另一份以output.csv輸出。用戶模塊設定包括用戶住房情況以及家用電器情況。住房情況有用戶所在位置凝結48N，西經125W，住房面積為1500平方英尺，住房中窗戶的比例占整個墻面的25%，冬天制熱溫度為70華氏度，夏天制熱溫度為76華氏度。室內電器考慮了飲水機，容積為60 L，用水量為2.5 g/min，加熱功率為4500 W，室內放置，水溫最高加到120華氏度。

5 結論

本文通過介紹新型電力仿真軟件GridLAB-D，并就其安裝、運行、工作原理及工作特點做了深入探究，分析了GridLAB-D的內部流程、功能、模塊間相互連接的方式并搭建了小型配電電力系統的實際模型進行仿真，得出了該模型系統中各節點的相關電氣量隨時間變化的曲線且對曲線進行了數據分析，由分析結果知對配電網的運行分析確實效果顯著，值得推廣應用。

參考文獻

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