CN110472339B - 一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，该方法包括接收待计算区域内各个房间对应的房间类型以及各房间类型对应的照明负荷值；接收各房间类型对应的第一开灯条件以及第二开灯条件；确定待计算房间对应的房间类型；确定所述待计算房间在待计算时刻是否满足所述第一开灯条件。本申请提供的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，将人为因素以及室内照度水平同时作为房间内是否开灯的必要条件，首先对房间在待计算时刻是否开灯做出判断，然后再根据判断结果确定是否输出照明负荷。通过该方法可以准确的某一时刻的某一房间或某一区域内的所有房间的照明负荷进行预测，预测结果相对传统方法更加准确以及便捷。

Description

一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法

技术领域

本发明涉及电力系统及其自动化技术领域，特别是涉及一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法。

背景技术

在第三次工业革命的驱动下，综合利用各类能源已成必然，能源的应用模式在此驱动下，也会发生相应的改变，由以前供电、供气、供冷、供热等各种能源供应系统单独规划、设计和独立运行的既有模式，向利用现代物理信息技术、智能技术以及提升管理模式，在规划、设计、建设和运行的过程中，对各类能源的分配、转化、存储、消费等环节进行有机协调与优化，充分利用可再生能源的新型区域能源供应系统进行转变，能源供给侧的改变必然会催生综合能源服务这种新的服务模式。而综合能源服务模式会使“源—网—荷—储—用”协调发展、集成互补，形成一种综合、互联、共享、高效、友好的供应模式。源—网—荷的紧密联系使得负荷的重要性提升到了一个新高度，特别是电力电子快速发展的今天，照明设备的需求越来越大，照明负荷约占总负荷的20％，且随着城市建设品质的提高及社会经济的发展，照明负荷在城市总用电负荷中的比重仍在不断提高，对照明负荷进行建模预测就愈加显得必要了。

发明内容

本发明提供了一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法。

本发明提供了如下方案：

一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，包括：

接收待计算区域内各个房间对应的房间类型以及各房间类型对应的照明负荷值；

接收各房间类型对应的第一开灯条件以及第二开灯条件；所述第一开灯条件包括人为因素分布条件，所述第二开灯条件包括室内照明度水平条件；

确定待计算房间对应的房间类型；

确定所述待计算房间在待计算时刻是否满足所述第一开灯条件；

如果是，则确定所述待计算房间在所述待计算时刻是否满足所述第二开灯条件；

如果是，则根据所述房间类型输出对应的照明负荷值。

优选地：所述人为因素分布条件包括所述待计算房间内在所述待计算时刻有人活动的概率。

优选地：所述概率的计算表达式为：

式中：t_r表示人为因素；

表示期望值；

表示方差。

优选地：所述室内照明度水平条件包括所述待计算房间在所述待计算时刻室内照度水平是否满足舒适照度。

优选地：所述待计算房间在所述待计算时刻室内照度水平的计算表达式为：

E_n＝C*E_W×100％

式中:C表示采光系数，E_n表示某一点的室内照度，E_W表示整个室外的照度。

优选地：所述采光系数C为根据所述待计算房间的房间类型所确定。

优选地：所述各房间类型对应的照明负荷值为根据各所述房间类型对应的平均照度所确定，各所述房间类型对应的平均照度的计算表达式为：

E_av＝LPD×η×U×K

式中：E_av表示平均照度；LPD表示照明功率密度；η表示发光效率；U表示LED灯的利用率；K表示所选房间的维护系数；

式中：N表示灯的个数；P_i表示所选灯具的功率；A表示所选房间的面积。

优选地：所述灯的个数与所述房间类型对应的面积呈正比例，所述维护系数为根据所述房间类型所确定。

优选地：所述如果是，则根据所述房间类型输出对应的照明负荷值；包括：

如果是，则生产所述待计算房间在待计算时刻照明开关打开的概率，判断所述照明开关打开的概率是否满足预设的最小开关打开的概率阈值，如果是，则根据所述房间类型输出对应的照明负荷值。

优选地：所述照明开关打开的概率的计算表达式为：

F(t)＝1-F(t₀＞t&t₀+T≤t+24)-F(t₀+T≤t)

式中：F(t)表示t时刻开灯概率；t₀表示开灯时间；T表示开灯持续时间，t_g为关灯时间；

开灯时间t₀受照度水平及人为因素的影响，其表达式如下：

P＝P·F(t₀)

式中：E_n表示室内照度水平；E_h表示舒适照度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明，可以实现一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，在一种实现方式下，该方法可以包括接收待计算区域内各个房间对应的房间类型以及各房间类型对应的照明负荷值；接收各房间类型对应的第一开灯条件以及第二开灯条件；所述第一开灯条件包括人为因素分布条件，所述第二开灯条件包括室内照明度水平条件；确定待计算房间对应的房间类型；确定所述待计算房间在待计算时刻是否满足所述第一开灯条件；如果是，则确定所述待计算房间在所述待计算时刻是否满足所述第二开灯条件；如果是，则根据所述房间类型输出对应的照明负荷值。本申请提供的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，将人为因素以及室内照度水平同时作为房间内是否开灯的必要条件，首先对房间在待计算时刻是否开灯做出判断，然后再根据判断结果确定是否输出照明负荷。通过该方法可以准确的某一时刻的某一房间或某一区域内的所有房间的照明负荷进行预测，预测结果相对传统方法更加准确以及便捷。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1，为本发明实施例提供的一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，如图1所示，该方法包括：

S101：接收待计算区域内各个房间对应的房间类型以及各房间类型对应的照明负荷值；所述各房间类型对应的照明负荷值为根据各所述房间类型对应的平均照度所确定，各所述房间类型对应的平均照度的计算表达式为：

E_av＝LPD×η×U×K

式中：E_av表示平均照度；LPD表示照明功率密度；η表示发光效率；U表示LED灯的利用率；K表示所选房间的维护系数；

式中：N表示灯的个数；P_i表示所选灯具的功率；A表示所选房间的面积。所述灯的个数与所述房间类型对应的面积呈正比例，所述维护系数为根据所述房间类型所确定。

S102：接收各房间类型对应的第一开灯条件以及第二开灯条件；所述第一开灯条件包括人为因素分布条件，所述第二开灯条件包括室内照明度水平条件；具体的，所述人为因素分布条件包括所述待计算房间内在所述待计算时刻有人活动的概率。所述概率的计算表达式为：

式中：t_r表示人为因素；

表示期望值；

表示方差。

所述室内照明度水平条件包括所述待计算房间在所述待计算时刻室内照度水平是否满足舒适照度。所述待计算房间在所述待计算时刻室内照度水平的计算表达式为：

E_n＝C*E_W×100％

式中:C表示采光系数，E_n表示某一点的室内照度，E_W表示整个室外的照度。所述采光系数C为根据所述待计算房间的房间类型所确定。

S103：确定待计算房间对应的房间类型；

S104：确定所述待计算房间在待计算时刻是否满足所述第一开灯条件；

S105：如果是，则确定所述待计算房间在所述待计算时刻是否满足所述第二开灯条件；

S106：如果是，则根据所述房间类型输出对应的照明负荷值。

进一步的，为了提高输出照明负荷值得准确度，本申请实施例还可以提供如果是，则生产所述待计算房间在待计算时刻照明开关打开的概率，判断所述照明开关打开的概率是否满足预设的最小开关打开的概率阈值，如果是，则根据所述房间类型输出对应的照明负荷值。所述照明开关打开的概率的计算表达式为：

F(t)＝1-F(t₀＞t&t₀+T≤t+24)-F(t₀+T≤t)

式中：F(t)表示t时刻开灯概率；t₀表示开灯时间；T表示开灯持续时间，t_g为关灯时间；

开灯时间t₀受照度水平及人为因素的影响，其表达式如下：

P＝P·F(t₀)

式中：E_n表示室内照度水平；E_h表示舒适照度。

目前国内外对于照明负荷建模的研究还比较少，学者们更多的是对照明设备的特性进行建模，而不是照明负荷，有学者将LED灯负荷用于微电网调频，但更多的是研究控制LED灯的电路，以此参与调频，而不是建立照明负荷模型，并通过调节其负荷大小来达到调节频率的目的。虽然还有学者提出了一种基于照明功率密度的照明负荷模型，但是这一研究并没有考虑不同人群、不同区域对照明负荷的影响，也就是说作者并没有考虑照明设备的打开时间是随机的，且这种随机性是受人群与地域的影响，不同人群的关灯时间也是不一样的，不同地方对于舒适照度的要求也是不同的。本发明采用蒙特卡洛计算法对照明负荷进行建模，并把影响照明负荷的因素分为：照度水平、人为因素、照明设备数量、开灯持续时这几类。

人为因素与照度水平是并列条件，对于某些地方而言，必须同时满足才会产生开灯时间。人为因素决定某些时间段房间内是否有人在，而照度水平决定某些时刻的照度是否满足人们的照度要求，两者都是开灯的必要条件，对于生活类的区域，一般需要同时满足两个条件才会产生开灯时间，而对于工作类的区域则只需要人为因素即可。其他的区域需要实际考察进行一一区分。

照明设备数量可以根据相关手册进行确定。

开灯持续时间则取决于不同区域的生活习惯，其休息时间决定了关灯时间，也就决定了开灯持续时间。

本发明已生活区为例建立照明负荷模型，采用的技术方案如下：

1、初始化i(i为仿真次数,i＝1···M)。

2、初始化j(j为照明单体个数，j＝1···N，以一个房间的照明为一个单体)。

3、对所选房间的类型进行区分。同时获取各类型房间的功率值

4、通过调查获得人为因素t_r的分布情况。

5、通过调查获得关灯时间t_g的分布情况。

6、判断是否满足人为因素，即t＞t_r是否成立，若成立则进行下一步，否则转到(4)。

7、判断是否满足照度要求，若满足则进行下一步，否则转到(4)。

8、同时满足(6)、(7)后即可输出开灯时间。

9、通过式(1)、(2)产生单体照明负荷，并且对所有单体照明日负荷进行叠加。

P＝P·F(t₀)                               (2)

10、判断负荷叠加计算是否完成。若j＝N，则表示负荷计算完成，否则j＝j+1，转到(4)。

11、判断仿真是否结束。i是否等于M，若i＝M，则表示完成，否则i＝i+1，转到(2)。

(1)生活区

本申请将生活区分为一类生活区和二类生活区，具体的分区根据为：全部在外工作(上班期间房里没有人)和有部分在外或者没有在外工作的(上班期间房里有人)，这里将全部在外工作的房区定义为一类生活区，将有部分或者没有在外工作的房区定义为二类生活区。其中二类生活区的照明负荷基本只与照度水平有关，而一类生活区的照明负荷受到公司工作时间安排影响较大，也在一定程度上取决于照度水平。

(2)工作区

大部分工作区的生活习惯作息规律为：早上9:00-晚上5:00，且一般在工作时的LED灯处于常亮，基本不会受照度水平影响。

(3)学校区

学校教学区的生活习惯与学校的规定上课时间有关，一般而言，上课时间是白天，晚上基本不上课(忽略小部分晚自习)；学校宿舍区的生活时间与教学区基本是互补的，且教学区和宿舍区的LED灯负荷是受照度水平的影响的。

影响因素

(1)照度水平

房间的照度水平(也就是常说的室内亮度)是开灯与否的决定性因素，而照度水平与两个因素有关，一者为“光的发生者”，也就是我们所说的“光源”，另一者为“光的接受者”，也就是房间内的各个光的接受面(也称界面)。前一者取决于天气，后一者取决于室内的采光材料(透光材料、非透光材料)。不同的地区房间有不同标准的临界照度，当室内采光低于标准临界照度时，则需要打开照明设备增加室内亮度。

假设室外采光点的照度是一样的，则室内采光的计算如式(2-1)所示

式中:C表示采光系数，E_n表示某一点的室内照度，E_W表示整个室外的照度。

因此式(2-1)可变换为式(2-2)

E_n＝C*E_W×100％                          (2-2)

式：中的C值在不同的房区具有不同的值，根据《住宅设计规范》(GB50096-2011)的规定，一般的楼梯过道的采光系数不低于0.5％，而卧室、客厅、厨房等的采光系数要求要高一点，其值一般不小于1％，工作场所的采光的要求更加精细，其系数在5％-10％内。

对于生活区的开灯情况，受光线影响较严重，也可以说是开灯与否和光线密切相关，当照度水平低于临界时，人们需要打开照明设备增强照度。对于工作区，与光线无关，基本处于常开状态，开灯的影响因素只与公司规定上班和下班时间有关。学校的教学区，与光线有较浅的关系，开灯照度比一般生活区要高很多，可以用采光系数来体现，当照度水平低于临界照度时，人们需要打开照明设备增强照度。学校的宿舍区，与光线有较强的关系当照度水平低于标准时，人们需要打开照明设备增强照度。

(2)人为因素

当光照度不满足使人舒适的照度时，房间内是否有人则是另一重要因素，这就是所谓的人为因素，而人为因素大多取决于人们的生活作息，所以这种人为因素可以用以人们的作息规律来表达，本文将充分考虑工作区、生活区、学校教学区、学校宿舍区的人为因素对照明负荷的影响。

人为因素近似呈正态分布，其概率密度表达式如下式(2-3)：

式中：t_r表示人为因素；

表示期望值；

表示方差。

(3)照明单体内的灯数

论文以房间数量为最小单位，而房间内的LED灯的数量取决于整个房间的平均照度，根据式(2-4)可以求出每个房间的平均照度。

E_av＝LPD×η×U×K                               (2-4)

式中：E_av表示平均照度；LPD表示照明功率密度；η表示发光效率；U表示LED灯的利用率；K表示所选房间的维护系数。

式中：N表示灯的个数；P_i表示所选灯具的功率；A表示所选房间的面积

由式(2-4)、(2-5)可知灯具的数量是与房间面积呈正比例的。可以根据《办公建筑设计规范》假设办公区房间的面积为70平方米，一般住房面积为60平方米，教室面积为80平方米，宿舍面积30平方米；房间的维护系数都为0.8，商店的维护系数为0.7；发光效率为100；利用系数为0.4；LED灯的功率为64W；再根据表1可求出各个区域房间内的LED灯数量，办公区房间有10盏LED灯，生活区房间内有3盏LED灯，教室有12盏LED灯，宿舍有2盏LED灯。

(4)关灯时间

就工作日来说，工作区的熄灯时间与下班时间有关，在不考虑加班情况下，一般是5点左右工作区的灯就关掉了，学校教学区也是如此，在不考虑晚自习的情况下，5点左右就关掉所有的灯，学校宿舍区考虑学校规定作息时间，以一般普通高校为例，要求最晚11点半关灯，生活区的关灯时间基本集中在9点，假设上述关灯时间是呈正态分布的，其表达式如下。

式中：t_g表示关灯时间；

表示关灯的期望值；

表示关灯的方差值。

照明负荷的描述

根据(1)至(4)的描述可知，在某一时刻照明开关打开的概率可以用下述表达式描述

F(t)＝1-F(t₀＞t&t₀+T≤t+24)-F(t₀+T≤t)                 (2-7)

式中：F(t)表示t时刻开灯概率；t₀表示开灯时间；T表示开灯持续时间，T＝t_g-t₀，t_g为关灯时间；t、t₀和T都是相互独立的。

开灯时间t₀受照度水平及人为因素的影响，其表达式如下

P＝P·F(t₀)                                    (2-9)

式中：E_n表示室内照度水平；E_h表示舒适照度。

可以想到的是，在对某一区域内多个房间进行同一时刻的照明负荷计算时，只需要分别对每个房间进行类型判断，然后分别进行照明负荷计算，最后将各个房间获得的照明负荷进行叠加即可。

总之，本申请提供的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，将人为因素以及室内照度水平同时作为房间内是否开灯的必要条件，首先对房间在待计算时刻是否开灯做出判断，然后再根据判断结果确定是否输出照明负荷。通过该方法可以准确的某一时刻的某一房间或某一区域内的所有房间的照明负荷进行预测，预测结果相对传统方法更加准确以及便捷。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，其特征在于，所述方法包括：

接收待计算区域内各个房间对应的房间类型以及各房间类型对应的照明负荷值；

接收各房间类型对应的第一开灯条件以及第二开灯条件；所述第一开灯条件包括人为因素分布条件，所述第二开灯条件包括室内照明度水平条件；

确定待计算房间对应的房间类型；

确定所述待计算房间在待计算时刻是否满足所述第一开灯条件；

如果是，则确定所述待计算房间在所述待计算时刻是否满足所述第二开灯条件；

如果是，则根据所述房间类型输出对应的照明负荷值。

2.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，其特征在于，所述人为因素分布条件包括所述待计算房间内在所述待计算时刻有人活动的概率。

3.根据权利要求2所述的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，其特征在于，所述概率的计算表达式为：

式中：t_r表示人为因素；

表示期望值；

表示方差。

4.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，其特征在于，所述室内照明度水平条件包括所述待计算房间在所述待计算时刻室内照度水平是否满足舒适照度。

5.根据权利要求4所述的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，其特征在于，所述待计算房间在所述待计算时刻室内照度水平的计算表达式为：

E_n＝C*E_W×100％

式中:C表示采光系数，E_n表示某一点的室内照度，E_W表示整个室外的照度。

6.根据权利要求5所述的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，其特征在于，所述采光系数C为根据所述待计算房间的房间类型所确定。

7.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，其特征在于，所述各房间类型对应的照明负荷值为根据各所述房间类型对应的平均照度所确定，各所述房间类型对应的平均照度的计算表达式为：

E_av＝LPD×η×U×K

式中：E_av表示平均照度；LPD表示照明功率密度；η表示发光效率；U表示LED灯的利用率；K表示所选房间的维护系数；

式中：N表示灯的个数；P_i表示所选灯具的功率；A表示所选房间的面积。

8.根据权利要求7所述的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，其特征在于，所述灯的个数与所述房间类型对应的面积呈正比例，所述维护系数为根据所述房间类型所确定。

9.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛的房间照明负荷计算方法，其特征在于，所述如果是，则根据所述房间类型输出对应的照明负荷值；包括：

如果是，则生产所述待计算房间在待计算时刻照明开关打开的概率，判断所述照明开关打开的概率是否满足预设的最小开关打开的概率阈值，如果是，则根据所述房间类型输出对应的照明负荷值。

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