新型电力仿真软件GridLAB—D的研究应用

叶铁丰++王毅

摘 要：本文以新型电力仿真软件GridLAB-D为基础，深入研究GridLAB-D的工作原理、使用范围、模块的内部构造、功能、模块间相互连接的方式以及建模所用语言。利用上述研究成果建立了小型配电电力系统的实际模型，对该模型进行了仿真得出系统中各节点的相关电气量随时间变化的曲线。

关键词：电力系统 GridLAB-D 仿真 潮流 模块

中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0015-03

1 GridLAB-D的研究背景

现代电网的两个建设目标是“加快电网现代化建设”和“大力支持现代电网一体化基础性关键技术的模拟”，而实现这些技术的关键在于“智能电网技术”的有效执行。然而目前最大的困难是无法估算在本地区内的电力基础设施的规模。鉴于此，GridLAB-D便是一个可以给电网设计和运行人员提供有价值的数据的配电网仿真及分析软件，它是由美国北太平洋国家实验室能源局与工业界、学术界共同开发的。GridLAB-D可以为那些希望利用新能源技术的公司提供服务。该软件集成了先进的模块技术和能够交付最新终端模块技术的高性能算法。GRIDLAB-D为用户提供了电能分配自动化模块和具有许多电力系统分析手段的软件集成工具。

2 GridLAB-D软件概述

2.1 GridLAB-D的功能及应用

GRIDLAB-D V2.0版包括：

（1）居民终端电气设备模块和电能交通工具充电设备。

（2）分布式能源模块（DER），包括分布式发电和电能存贮模块。

（3）采用适时电价的配电电力市场模块。

（4）与Matlab、Excel、ODBC、gunplot软件连接的接口。

（5）与其他终端模块和标准配电分析软件的兼容。

（6）低频减载技术。

（7）商业建筑模块、工业和农业负荷。

（8）负荷与人口增长模块。

（9）可靠性分析模块。

软件中有以下几种功能但不能和上面功能同时使用，即：

（1）决定价格差是否能够刺激用户自己发电的费用设置模块。

（2）计算部署分布式发电的潜能和利益模块。

（3）提供如自动仪表、分布发电自动化或电能零售市场等商业工具箱。

（4）提供多种功能间相互作用系统，如低频减载与负荷自身减载间的相互影响。

由于具备分析几秒到几十年配电系统的各种性能和状态，GRIDLAB-D能够仿真不同物理现象、商业模式、市场经济和地区经济以及顾客行为。GRIDLAB-D仿真的结果包括了大量电力系统数据如可靠性系数（也就是低频减载的可能性）、商业系数（利润率、回报率、单位损耗系数）。

2.2 GridLAB-D的特点

GRIDLAB-D是一个灵活的仿真环境，它可以与大量第三方数据管理和分析工具进行连接，GRIDLAB-D的核心具有先进的算法，能够并列仿真几百万组不同设备模型。这种算法与过去传统的有限次差分运算相比，它的优点体现在：（1）它对复杂问题的处理更加准确；（2）它能处理的时间范围非常宽，从几秒钟到几十年；（3）与新模型或第三方软件连接非常方便。

GRIDLAB-D系统中包含的模块可以支持以下仿真功能：

（1）潮流计算和控制，包括分布式发电和贮电。

（2）终端技术、设备和控制。

（3）用户行为，包括用户每天、每个星期、每个月用户对电能需求、对价格的反应及选择。

（4）能量的营运，包括配电网自动化、低频减载系统、紧急情况处理系统。

（5）商业的营运，如零售价格、账目和以市场为基础的刺激计划。

GRIDLAB-D集成了大量的工具套件来建立和处理配电网，并对仿真结果进行分析，这些工具包括：

（1）以代理人为基础和以信息为基础的工具让使用者建立众多细节化的模型，这些模型包括新的终端使用技术、DER、配电自动化以及零售市场的相互作用及其随时间的发展。

（2）对立并使之生效的价格制定工具，它能分析用户对价格的反应，并校验与其他技术和零售市场的相互作用及独立性。

（3）以工业标准建立的电力系统工具及仿真方法界面。

（4）能够采集大量数据的数据采集系统，并允许大范围的分析。

最方便的是，GRIDLAB-D能够分析配电网系统的各个部分与其他模块的相互影响。GRIDLAB-D不需要降阶的模型来收集用户或电力系统的状态，这也就避免了在模型简化时的一些错误或不适当假设。GRIDLAB-D对工业和政府部门来说是必不可少的，因为它可以帮助设计更加有效、实用的方案来处理负荷的日益增长和用户对用电可靠性要求的提高。

2.3 GridLAB-D的核心优势

目前市面上的电力系统仿真软件基本上都不能提供由外部因素导致对电力工业生产造成强烈影响而进行分析。快速的信息交换技术、追求成本效率的新型能源、多种重叠的能源市场以及新的商业策略的共同影响给这些重要创新带来了太多的不确定性。

GRIDLAB-D是企业工程师、制度制定者、各种风险投资商和广大消费者共同关注的结果，它的优势在于：

（1）价格结构分析：以新的价格结构来对消费者提供不同能源对于电力公司来说是十分有吸引力的，这是因为制定新的价格体系给电力公司提供了一个修改需求弹性曲线的机会，也给电力公司在整个市场上平衡电能供求的能力提供了帮助。制定新的价格体系的最大挑战就是这个体系对于电力公司和消费者来说应该是双赢的。GRIDLAB-D提供了能对不同价格体系做出选择的消费者模块（包括固定价格、需求率、每天价格、实时价格），这样进行仿真后就可以知晓这套价格制度是否可以成功运用。endprint

（2）分布式电源：和分布式发电机一样，DER技术的产生、集成的供热和能量技术系统（CHP）以及GFA控制都带来了很多的机会和挑战。GRIDLAB-D给公司决策者和管理者提供了对基础设施和分布式电源投资的成本与收益一个更好的评估方法，如增加零售弹性、提高可靠性系数和在零售市场上同时销售附属产品的机会。

（3）峰荷的管理：很多峰荷期甩负荷策略通常不能实现预期的收益。GRIDLAB-D可以对消费者行为进行建模，这样就可以实现峰荷期甩负荷策略最优化。在峰荷期甩负荷，GRIDLAB-D可以对用户的满意程度进行评估，也可以对可利用电源进行准确预计。GRIDLAB-D甚至可以对一天内一次或更多次的停电给用户带来影响进行估计。

（4）配电自动化的设计：GRIDLAB-D提供设计和分析配电自动化技术的能力，使电力公司在同一个系统中进行不同的稳定性分析。

3 GridLAB-D软件模块

3.1 记录模块（tape module）

（1）Player：player是两种输入方式中的其中之一，player还是parent的最新更新名字。

（2）Shaper：shaper是两种输入方式中的另一种方式。Shaper的类型。

（3）Recorder：Recorder是收集资料的两种主要的方法之一。Recorder可以记录同一个对象的多种数据，并用gnuplot输出。Recorder使用十进制的整数、数字和使用关键字，加倍使用double_format，综合使用complex_format，使用object_format对象引用。

（4）Collector：Collector是收集资料的另一种主要的方法。Collector与Recorder的不同是，它记录的是一组对象的数据。

3.2 可靠性模块（reliability module）

结合Powerflow模块进行工作。完成配电系统的故障检测报告。检测报告是以IEEE1366-2003为标准。可靠性模块的输出为：

记录事件（如指定地点和时间）-系统中断时间平均指数：

SAIFI-系统平均中断频率索引；

CAIDI中断期间，顾客平均指数；

CAIFI-用户平均中断频率索引；

CTAIDI-用户总平均中断的频率索引

MAIFI-瞬间的平均指数（在这个时间不计算中断频率）；

ASAI-平均可用的服务。

3.3 市场模块（market module）

市场模块的作用是将卖方或买方的价格整合，并调整到供求平衡，使电力公司与用户基本达到各自预期价格。提供基本的投标服务和进入电力市场服务。

用一个简单的例子来说明市场模块，如图1所示，假设发电机1可以产生3 kW？h，且单价为0.5美元/kW·H的电，发电机2可生产1.5 kW·h，且单价为0.5美元/kW·H的电。用户1想购买2.5 kW·h的电，且最多支付0.60美元/kW·H，用户2想购买 1.0 kW·h的电，且最多支付0.80美元/kW·h。使用市场模块可以使供求达到平衡。

3.4 潮流模块（powerflow module）

（1）潮流模块是最基本的分析电力系统潮流的模块。只要给出发电机和负荷的电压，该模块就可以自动给定个节点的电压并且根据负载情况依次给出电流值。

（2）潮流模块主要由链接和节点两个对象构成。其他的对象都是由这两个对象继承而来。节点主要由电容器、负荷、电表组成；链接主要由熔丝、开关、继电器、架空线、地线、变压器组成。

3.5 天气模块（climate module）

天气模块是根据系统运行数据很多时候会受到天气的影响，才应运而生的。天气数据主要有以下几部分组成：经度、纬度、湿度、日照、风向。

3.6 居民模块（residental module）

（1）居民模块有两种：houseA与houseE。houseA与houseE非常的相似，它们之间最大的不同在于算法的思想不同。houseA是基于CLTD模型，其类的名称为：house。houseE是基于ETP模型，其类的名称为：house_e。

（2）居民模块的主要仿真模型装置为：热水器、炉子、冰箱、洗衣机、洗碗机、插座、微波炉、冷藏库、干洗机、充电器等。

4 GridLAB-D的潮流仿真

TextPad是一款文本编辑软件，它可以在windows操作界面内运行GridLAB-D的指令，显示GridLAB-D仿真运行结果。因此，在安装GridLAB-D后还需要进行TextPad的安装，并将它与GridLAB-D相关联。

特别说明：进行关联的时候，要详阅TextPad的帮助文档，因为有些细节如公式的输入，路径的设置必须完全按照相应的要求。

下面进行仿真，在整个仿真程序编辑过程中集成了潮流和负荷模型，来反应家庭式负荷的用电情况，并对电网输送到用户的电能质量进行分析和评估。模型由五个模块组成，它们分别是潮流模块（power flow）、气候模块（climate）、用户模块（residential）、测量记录模块（tape）、时钟模块（clock）。每个模块下又包括多种元件，每一种元件的参数设定各有不同，它们所执行的功能也不同，共同组成了四节点的输电和用电模型。

根据仿真结果对各个元件的具体参数进行具体的分析：

（1）节点1：它是整个网络电能的来源，它上接系统，下接负荷。节点1中三相电压为+7199.558+0.000j、-3599.779- 6235.000j、-3599.779+6235.000j，其有效值为7199.558 V，相位相差120度，可见三相是对称的。endprint

（2）LC300：它是连接节点1、2，节点3、4的两条架空输电线路。本模型中输电线的导体有两种，一种是OH100；另一种是OH101。OH100的平均几何半径为0.0244 m，阻抗为0.306；OH101的平均几何半径为0.00814 m，阻抗值为0.592。1、2节点和3、4节点间导线的采用三相四线制，即分为A相、B相、C相和一条中性线N。其中A、B、C三相导线所采用的导体相同，均为OH100，导线半径较大；中性线采用的导线为OH101，导体半径较小。另外，导线的空间布置也作了规定，AB相间距离为2.5 mBC，相间距离4.5m，AC相间距离7.0 m，A相N距离为5.656854 m，B相对N距离为4.272002 m，C相对N的距离为5.0 m。节点1、2间架空线的距离为2000 m，节点3、4间的距离为2500 m。

（3）节点2：它是连接线路1和降压变压器的节点。由于潮流流过输电线1会有压降，故节点2的实际电压比节点1的电压低，但这两个节点位于系统的同一个电压等级，所以电压的理论值相同，分别为+ 7199.558+0.000j、-3599.779-6235.000j、 -3599.779+6235.000j，有名值为7199.558V。

（4）降压变压器XFC400：XFC400是一个双绕组变压器，它的额定容量为6000kVA，变比为12470/4160，其内部阻抗为标幺值0.01+0.06j。此变压器是两次变压中较重要的一级。

（5）节点3：它连接变压器XFC400和线路2。由于变压器的降压作用，节点3的电压为+2401.777+0.000j、-1200.889-2080.000j 、-1200.889+2080.000j，电压的有效值为2401.777V。

（6）节点4：它与节点3处于同一个电压等级，故电压值一致。从节点4处接负荷，此时电压等级还是很高，还要再经过一级变压，即连接负荷变压器。

（7）负荷：它与节点4直接连接，其电压与节点4相同。负荷的ABC三相从节点4获取的电能为+1800000.000+871779.789jVA，最大电压偏移为0.001，电压的有效值为2401.777V。

（8）负荷变压器Link 45：该变压器为一次侧接在A相。容量为400 kVA，变比为2400/120，阻抗标幺值为0.01+j0.06。

（9）用户模型。用户模型中包括相应的测量仪表以及用户相关参数设定模块。三相电表，其工作电压为120 V，接在Link 45负荷变压器上。数据记录仪，记录电流1、电流2、电压1、电压2和中性线的电压及电流。最终的测量结果一份以曲线图表示并保存在residential_meter.plot中；另一份以output.csv输出。用户模块设定包括用户住房情况以及家用电器情况。住房情况有用户所在位置凝结48N，西经125W，住房面积为1500平方英尺，住房中窗户的比例占整个墙面的25%，冬天制热温度为70华氏度，夏天制热温度为76华氏度。室内电器考虑了饮水机，容积为60 L，用水量为2.5 g/min，加热功率为4500 W，室内放置，水温最高加到120华氏度。

5 结论

本文通过介绍新型电力仿真软件GridLAB-D，并就其安装、运行、工作原理及工作特点做了深入探究，分析了GridLAB-D的内部流程、功能、模块间相互连接的方式并搭建了小型配电电力系统的实际模型进行仿真，得出了该模型系统中各节点的相关电气量随时间变化的曲线且对曲线进行了数据分析，由分析结果知对配电网的运行分析确实效果显著，值得推广应用。

参考文献

[1] 甄威，陈宝喜，唐永红.真在电力系统仿真中的应用[J].四川电力试验研究院.

[2] 汤涌.电力系统数字仿真技术的现状与发展[D].中国电力科学研究院.

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

[4] 许薇.面向对象程序设计[M].清华大学出版社，2009.

[5] 西北太平洋国家实验室.GridLAB-D_brochure[Z].endprint

（2）LC300：它是连接节点1、2，节点3、4的两条架空输电线路。本模型中输电线的导体有两种，一种是OH100；另一种是OH101。OH100的平均几何半径为0.0244 m，阻抗为0.306；OH101的平均几何半径为0.00814 m，阻抗值为0.592。1、2节点和3、4节点间导线的采用三相四线制，即分为A相、B相、C相和一条中性线N。其中A、B、C三相导线所采用的导体相同，均为OH100，导线半径较大；中性线采用的导线为OH101，导体半径较小。另外，导线的空间布置也作了规定，AB相间距离为2.5 mBC，相间距离4.5m，AC相间距离7.0 m，A相N距离为5.656854 m，B相对N距离为4.272002 m，C相对N的距离为5.0 m。节点1、2间架空线的距离为2000 m，节点3、4间的距离为2500 m。

（3）节点2：它是连接线路1和降压变压器的节点。由于潮流流过输电线1会有压降，故节点2的实际电压比节点1的电压低，但这两个节点位于系统的同一个电压等级，所以电压的理论值相同，分别为+ 7199.558+0.000j、-3599.779-6235.000j、 -3599.779+6235.000j，有名值为7199.558V。

（4）降压变压器XFC400：XFC400是一个双绕组变压器，它的额定容量为6000kVA，变比为12470/4160，其内部阻抗为标幺值0.01+0.06j。此变压器是两次变压中较重要的一级。

（5）节点3：它连接变压器XFC400和线路2。由于变压器的降压作用，节点3的电压为+2401.777+0.000j、-1200.889-2080.000j 、-1200.889+2080.000j，电压的有效值为2401.777V。

（6）节点4：它与节点3处于同一个电压等级，故电压值一致。从节点4处接负荷，此时电压等级还是很高，还要再经过一级变压，即连接负荷变压器。

（7）负荷：它与节点4直接连接，其电压与节点4相同。负荷的ABC三相从节点4获取的电能为+1800000.000+871779.789jVA，最大电压偏移为0.001，电压的有效值为2401.777V。

（8）负荷变压器Link 45：该变压器为一次侧接在A相。容量为400 kVA，变比为2400/120，阻抗标幺值为0.01+j0.06。

（9）用户模型。用户模型中包括相应的测量仪表以及用户相关参数设定模块。三相电表，其工作电压为120 V，接在Link 45负荷变压器上。数据记录仪，记录电流1、电流2、电压1、电压2和中性线的电压及电流。最终的测量结果一份以曲线图表示并保存在residential_meter.plot中；另一份以output.csv输出。用户模块设定包括用户住房情况以及家用电器情况。住房情况有用户所在位置凝结48N，西经125W，住房面积为1500平方英尺，住房中窗户的比例占整个墙面的25%，冬天制热温度为70华氏度，夏天制热温度为76华氏度。室内电器考虑了饮水机，容积为60 L，用水量为2.5 g/min，加热功率为4500 W，室内放置，水温最高加到120华氏度。

5 结论

本文通过介绍新型电力仿真软件GridLAB-D，并就其安装、运行、工作原理及工作特点做了深入探究，分析了GridLAB-D的内部流程、功能、模块间相互连接的方式并搭建了小型配电电力系统的实际模型进行仿真，得出了该模型系统中各节点的相关电气量随时间变化的曲线且对曲线进行了数据分析，由分析结果知对配电网的运行分析确实效果显著，值得推广应用。

参考文献

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[2] 汤涌.电力系统数字仿真技术的现状与发展[D].中国电力科学研究院.

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

[4] 许薇.面向对象程序设计[M].清华大学出版社，2009.

[5] 西北太平洋国家实验室.GridLAB-D_brochure[Z].endprint

（2）LC300：它是连接节点1、2，节点3、4的两条架空输电线路。本模型中输电线的导体有两种，一种是OH100；另一种是OH101。OH100的平均几何半径为0.0244 m，阻抗为0.306；OH101的平均几何半径为0.00814 m，阻抗值为0.592。1、2节点和3、4节点间导线的采用三相四线制，即分为A相、B相、C相和一条中性线N。其中A、B、C三相导线所采用的导体相同，均为OH100，导线半径较大；中性线采用的导线为OH101，导体半径较小。另外，导线的空间布置也作了规定，AB相间距离为2.5 mBC，相间距离4.5m，AC相间距离7.0 m，A相N距离为5.656854 m，B相对N距离为4.272002 m，C相对N的距离为5.0 m。节点1、2间架空线的距离为2000 m，节点3、4间的距离为2500 m。

（3）节点2：它是连接线路1和降压变压器的节点。由于潮流流过输电线1会有压降，故节点2的实际电压比节点1的电压低，但这两个节点位于系统的同一个电压等级，所以电压的理论值相同，分别为+ 7199.558+0.000j、-3599.779-6235.000j、 -3599.779+6235.000j，有名值为7199.558V。

（4）降压变压器XFC400：XFC400是一个双绕组变压器，它的额定容量为6000kVA，变比为12470/4160，其内部阻抗为标幺值0.01+0.06j。此变压器是两次变压中较重要的一级。

（5）节点3：它连接变压器XFC400和线路2。由于变压器的降压作用，节点3的电压为+2401.777+0.000j、-1200.889-2080.000j 、-1200.889+2080.000j，电压的有效值为2401.777V。

（6）节点4：它与节点3处于同一个电压等级，故电压值一致。从节点4处接负荷，此时电压等级还是很高，还要再经过一级变压，即连接负荷变压器。

（7）负荷：它与节点4直接连接，其电压与节点4相同。负荷的ABC三相从节点4获取的电能为+1800000.000+871779.789jVA，最大电压偏移为0.001，电压的有效值为2401.777V。

（8）负荷变压器Link 45：该变压器为一次侧接在A相。容量为400 kVA，变比为2400/120，阻抗标幺值为0.01+j0.06。

（9）用户模型。用户模型中包括相应的测量仪表以及用户相关参数设定模块。三相电表，其工作电压为120 V，接在Link 45负荷变压器上。数据记录仪，记录电流1、电流2、电压1、电压2和中性线的电压及电流。最终的测量结果一份以曲线图表示并保存在residential_meter.plot中；另一份以output.csv输出。用户模块设定包括用户住房情况以及家用电器情况。住房情况有用户所在位置凝结48N，西经125W，住房面积为1500平方英尺，住房中窗户的比例占整个墙面的25%，冬天制热温度为70华氏度，夏天制热温度为76华氏度。室内电器考虑了饮水机，容积为60 L，用水量为2.5 g/min，加热功率为4500 W，室内放置，水温最高加到120华氏度。

5 结论

本文通过介绍新型电力仿真软件GridLAB-D，并就其安装、运行、工作原理及工作特点做了深入探究，分析了GridLAB-D的内部流程、功能、模块间相互连接的方式并搭建了小型配电电力系统的实际模型进行仿真，得出了该模型系统中各节点的相关电气量随时间变化的曲线且对曲线进行了数据分析，由分析结果知对配电网的运行分析确实效果显著，值得推广应用。

参考文献

[1] 甄威，陈宝喜，唐永红.真在电力系统仿真中的应用[J].四川电力试验研究院.

[2] 汤涌.电力系统数字仿真技术的现状与发展[D].中国电力科学研究院.

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

[4] 许薇.面向对象程序设计[M].清华大学出版社，2009.

[5] 西北太平洋国家实验室.GridLAB-D_brochure[Z].endprint