第19卷 第3期 中 国 水 运 Vol.19 No.3 2019年 3月 China Water Transport March 2019收稿日期：2018-11-20作者简介：杜宝江（1962-），男，硕士，上海理工大学 机械工程学院，副教授，硕士生导师，研究领域为虚拟制造技术、计算机辅助设计以及机电一体化。
通讯作者：雷少斌，大连海事大学 交通运输工程学院。
分布式能源实验系统总体设计杜宝江1，雷少斌2（1．上海理工大学 机械工程学院 200093；2．大连海事大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116026）摘 要：随着世界能源的日益紧张，分布式能源这种新型的能源梯级利用方式已经具备了广泛的发展前景。
分布式能源的蓬勃发展及其构成的复杂性导致相关人才的培养难，传统分布式能源教学大部分专注于计算分析分布式能源系统的理论数据而缺乏模拟过程。
对于学生设计分布式能源来说，这种教学方式无法对设计分布式能源进行有效的提升。
结合分布式能源系统人才培养过程中出现的问题，对分布式能源设计实验的需求进行分析，提出了虚拟设计结合虚拟仿真的实验方式，完成了基于Unity 的分布式能源布局设计、二维虚拟系统自动生成模块以及模拟运行的实验系统，帮助学生有效的提高对分布式能源系统设计的理解。
本系统提高了学生在设计分布式能源系统过程中面对复杂的系统构建出现的指标计算以及对系统的模拟运行无法直观理解的情况，本系统针对以燃气轮机为核心的分布式能源系统的设计实验，日后如果该系统能够得到进一步的完善，将会为分布式能源的设计提供具有更进一步的指导意义。
关键词：分布式能源系统；虚拟设计；模拟运行中图分类号：TK018 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）03-0094-03分布式能源系统在能源日益减少的时代尤为重要，但是在我国初步发展阶段进度缓慢，因此结合虚拟仿真技术建立分布式能源系统虚拟设计与模拟运行实验系统帮助该专业学生设计及认知相关知识，安全、有效的缩短了人才的培养周期，因此确立了本课题主要研究首要内容：分布式能源系统二维布局设计。
根据研究内容展开关于分布式能源系统的总体设计结合实验系统的功能需求，确定系统的开发流程以及使用工具。
一、系统的功能需求分析对能源与动力专业本科生分布式能源设计实验教学进行分析，总结以下学生设计实验的目标任务如下：1．分布式能源系统根据供能设备不同可以分为天然气分布式能源系统和可再生能源发电系统，并且每类又可以分为不同组成的系统，如图1所示。
图1 分布式能源系统分类用户需求不同和丰富的设备选择构成了复杂的分布式能源系统，涵盖所有分布式能源系统因体系过于庞大而耗时造成教学任务的开展工作困难，因此能源与动力专业本科生进行分布式能源设计实验时以天然气作为主要能源进行分布式能源系统的设计。
2．方式完成设计实验是学生需要完成的设计任务。
3．对能源与动力专业本科生的设计实验需求进行分析，建立一个新型的分布式能源系统既能使用丰富生动的方式使学生快速的提高相关技能又能模拟分布式能源系统的运行结果并进行改进等指导显得尤为迫切和重要。
学生需求的分布式能源虚拟设计与模拟运行实验系统应具备分布式能源系统虚拟设计模块和模拟运行分析模块。
虚拟设计模块：可以根据自身需求为分布式能源系统中不同设备进行参数的设置，存档设计的分布式能源系统规划布局信息并进行虚拟系统的转换；模拟运行分析模块：对二维布局设计和二维虚拟系统进行静态和动态的分析，检验是否满足预先期望并根据分析结果进行合理改进，所需功能模块如图2所示。
图2 分布式能源实验系统需求分析根据分析总结出分布式能源虚拟设计与模拟运行实验系统所需功能模块，根据这一需求建立的实验系统应满足能源与动力专业本科生设计分布式能源系统应用，可以根据自身第3期 杜宝江等：分布式能源实验系统总体设计 95需求完成分布式能源系统二维布局设计并通过二维布局和自动生成的二维系统进行模拟运行改进完成的方案。
通过上述系统的功能和内容分析，最终完成的实验系统通过计算机与学生进行交互完成。
学生使用此实验系统主要实现以下几个功能应用：（1）在分布式能源二维布局中通过拖拽分布式能源主要设备的二维原理模型进行设计理想的分布式能源系统。
（2）根据设计的系统，通过相对应的功能操作进行设计系统的合理性校验。
（3）将设计完成的二维布局进行存档并通过存档信息实现虚拟系统的自动生成。
（4）对设计完成的系统进行静态和动态分析，根据运行和分析结果进行改进设计的系统。
二、系统的总体架构1．设计原则本系统在可重复使用和可扩展性的基础上，同时也需要满足以下六个设计准则：（1）体现虚拟现实的存在感、交互性、自主性的基本特性，保证学生可以切身实地的沉浸在设计的虚拟环境中，增强实验系统的指导效果。
（2）设备的模型、参数、环境变量为真实分布式能源系统的反应，使学生可以体验到真实分布式能源系统的设计过程。
（3）系统的动态参数变化符合真实分布式能源系统运行的发展情形，随着工况的变化系统中参数的变化应符合其真实性。
（4）在满足虚拟环境及其系统真实性的基础上，以最简的虚拟模型数据量提高虚拟系统的流畅性，保证终端电脑使用大众的配置即可完成实验系统的运行。
（5）虚拟系统自动生成的过程中，在保证其中管道生成的正确性的基础上，力求程序的简练并使用合理的算法程序，使收敛的速度加快，减少算法求解的时间，更快的生成虚拟系统。
（6）模型程序库和路径规划程序要留有接口，以便后期根据不同的需求增加设备的模型和进一步优化程序。
2．功能框架按照学生设计分布式能源系统的需求确定本课题的应用目标，并结合分布式能源系统的虚拟设计过程[，总结分布式能源虚拟设计与模拟运行实验系统需要解决以下问题：（1）分布式能源系统虚拟场景的自动生成：学生通过二维布局过程中对模型元件符号进行选择、生成并对其进行参数的设定，以此为基础实现分布式能源系统设计过程中使用的设备和相关配置及其相对的位置，系统自动调用模型单元库中的相应模型，通过读取相应位置信息进行变换，并通过读取管道连接和位置信息进行对应模型在设计位置生成实现虚拟分布式能源系统的自动生成。
（2）分布式能源实验系统的模拟仿真与改进：针对虚拟分布式能源系统的二维布局和二维虚拟系统进行静态和动态的计算分析，对其进行数据模拟以及对场景的事件和优化操作进行程序的实现，使其更具完整性和动态性，提高学生的学习效率。
（3）使用的交互性：利用Unity3D的层级式的综合开发环境、可视化编辑以及详细的属性编辑器和动态的效果预览等特点，使用电脑显示通过鼠标点击和键盘输入等操作传输给系统。
图3 系统的功能框架图三、系统的工作流程构建完成的系统供学生使用，其工作流程图如图4所示。
图4 系统工作流程四、系统的开发流程由于本课题的研究目标是分布式能源虚拟设计与模拟运行实验系统，进行本课题系统的开发框架如图5所示。
图5 系统的开发流程五、系统的开发环境本课题研发的平台搭建采用的Unity3D引擎开发系统，在游戏开发领域Unity3D是非常专业使用的开发引擎，程序员可以通过它轻松的实现游戏创建和体验并且发布到各大平台上去，通过采用C#编写虚拟场景的交互体验操作，能够方便快捷的构造出可以体验的虚拟消防场景，并且后期人员维护、更新都很方便。
96 中 国 水 运 第19卷 六、本章小结本章从能源与动力专业本科生对于分布式能源系统设计实验的主要功能需求开始，对分布式能源系统虚拟设计与模拟运行实验系统展开应用研究，确定了实验系统的功能模块，并给出实现各个功能模块的解决方法，为后续系统的开发工作制定了思路和总体的构架。
参考文献[1] 胡东萍，张延玲.虚拟仿真教学在应用型本科中的应用[J].亚太教育，2016，（18）：63.[2] 张志萍，贺超.分布式能源工程教学中的几点体会[J].科技视界，2016，（15）：149+220.[3] 黄雅娴.基于VR 技术的虚拟教学应用[J].电子技术与软件工程，2017，（09）：136.[4] Realization of Reconfigurable Virtual Environments forVirtual Testing[J].International Journal of Automation and Computing，2005，（01）：25-36.[5] Li Wang .An Analysis of the Design of a Computer-based VirtualInstrument Testing Platform[A]. Research Institute of Managemen t Science and Industrial Engineering.Proceedings of 2017 5th International Conference on Frontiers of Manufacturing Science and Measuring Technology（FMSMT 2017）[C].Research Instit ute of Management Science and Industrial Engineering，2017：4. [6] 邹才能，赵群，张国生等.能源革命：从化石能源到新能源[J].天然气工业，2016，36（01）：1-10.[7] 张宪昌.中国新能源产业发展政策研究[D].北京：中共中央党校，2014.[8] 陆家亮，赵素平.中国能源消费结构调整与天然气产业发展前景[J].天然气工业，2013，33（11）：9-15. [9] Zeng Ming，OuyangShaojie，ShiHui，GeYujian，QianQiqi.Overall review of distributed energy development in China： Status quo ，barriers and solutions[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，50.[10] 冉鹏，张树芳，郭江龙等.分布式能源系统的研究现状与应用前景[J].热力发电，2005，（03）：1-3+75.[11] 方林佑.虚拟教学共同体—大学教学模式的新探索[J].中国大学教学，2013，（01）：43-45.[12] 牛龙平.“虚拟教学、虚拟实验”系统的研究与应用[J].高等理科教育，2005，（02）：82-84+105.（上接第86页）图4 不同起动油量下柴油机冷启动的转速建立图 图5为采用不同PID 参数对柴油机冷起动转速建立过程进行仿真的结果，从中可以发现，当KP =0.33，K I=0.15，K D=0.002时有较好的控制效果。