復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)一體化優(yōu)化方法與流程

本發(fā)明屬于復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)微觀選址技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)一體化優(yōu)化方法，具體涉及復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)的布局優(yōu)化、集電線路優(yōu)化和檢修道路優(yōu)化。

背景技術(shù)：

風(fēng)能是目前最成熟的可再生能源利用形式之一，我國(guó)大力提倡可持續(xù)發(fā)展，加上風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，近年來(lái)不斷推進(jìn)可再生能源項(xiàng)目的開展，風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，越來(lái)越多風(fēng)能資源豐富的地區(qū)有望被規(guī)劃為風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址。然而在風(fēng)電的開發(fā)利用中，微觀選址是其中十分重要的環(huán)節(jié)，特別是所處地區(qū)為復(fù)雜地形的山地區(qū)域。這類區(qū)域的風(fēng)電場(chǎng)，由于地形變化起伏大，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)能分布情況所受影響因素眾多，加大了對(duì)復(fù)雜地形的山地區(qū)域進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)微觀選址的難度，而山地區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)微觀選址也成了該類風(fēng)電場(chǎng)整個(gè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的布置影響著集電線路路徑的曲折程度和分支線的多少。按現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)，風(fēng)電機(jī)組單臺(tái)容量一般在2MW左右，風(fēng)電機(jī)組出口電壓經(jīng)箱變升至35kV后經(jīng)集電線路最終進(jìn)入升壓站。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的布置方式不同確定集電線路主干線的回路數(shù)，機(jī)電線路的回路數(shù)決定了集電線路路徑的長(zhǎng)短以及導(dǎo)線截面的大小,直接影響著整個(gè)工程的總投資。

道路是建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的先決條件，也是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)占用土地的主要因素之一，合理的道路設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的投資和運(yùn)營(yíng)有著重要的影響。道路設(shè)計(jì)在草原、戈壁或沿海風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)中不是主要制約因素，在山地風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)中卻是重要的一環(huán)我國(guó)大部分內(nèi)陸風(fēng)電場(chǎng)都處于復(fù)雜地形的山區(qū)，要考慮的問(wèn)題又很多。然而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)道路選線的研究甚少，企業(yè)通常依靠經(jīng)驗(yàn)人工地進(jìn)行道路設(shè)計(jì)，重復(fù)工作量大且工作效率相對(duì)較低，無(wú)法保證道路的最優(yōu)化。

總之，處于山區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)，微觀選址對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量和可靠性運(yùn)行影響非常大，而廠區(qū)道路和輸電線路對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的施工投資影響也非常大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)一體化優(yōu)化方法，包括微觀選址優(yōu)化、集電線路優(yōu)化和檢修道路優(yōu)化；微觀選址優(yōu)化具有優(yōu)化風(fēng)機(jī)布局作用，能夠提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，減少經(jīng)濟(jì)成本；集電線路優(yōu)化具有選擇合適導(dǎo)線截面的作用，使其經(jīng)濟(jì)合理；檢修道路優(yōu)化可以滿足風(fēng)電場(chǎng)使用要求和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的多方面要求，增加工作效率，降低成本。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)一體化優(yōu)化方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟一，微觀選址優(yōu)化：以風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量最大化為目標(biāo)，利用遺傳算法迭代計(jì)算出每個(gè)風(fēng)力機(jī)的位置坐標(biāo)；

步驟二，集電線路優(yōu)化：先利用Dijkstra算法算出風(fēng)機(jī)間最短路徑后，以最短路徑的距離作為樹的權(quán)值，利用最小生成樹算法算出總路徑權(quán)值最小的方案，確定風(fēng)機(jī)之間連接回路；

步驟三，檢修道路優(yōu)化：基于上一步集電線路優(yōu)化獲得的風(fēng)機(jī)間連接路徑后，計(jì)算出該路徑距離產(chǎn)生的填挖方，然后計(jì)算出成本作為樹的權(quán)值，利用最小生成樹算法算出成本最小的方案，確定風(fēng)機(jī)之間道路連接。

進(jìn)一步的，在步驟一中風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量的具體計(jì)算過(guò)程為：

步驟11，風(fēng)電場(chǎng)按風(fēng)向等角度劃分為12個(gè)扇區(qū)，利用每個(gè)扇區(qū)的威布爾參數(shù)計(jì)算此扇區(qū)的平均風(fēng)速，公式如下：

其中，u為平均風(fēng)速，Γ(a)為Gamma函數(shù)，參數(shù)k和c為威布爾參數(shù)，其中k為形狀參數(shù)，c為尺度參數(shù)，k，c均大于0；

步驟12，風(fēng)機(jī)機(jī)位處的風(fēng)加速因子可以利用下面的關(guān)系求得：

式中：su_xyα表示位置(x,y)、方向α處的加速比；u_xyα表示位置(x,y)、方向α處的平均風(fēng)速；u_mα表示相同方向測(cè)風(fēng)塔處的平均風(fēng)速；

步驟13，風(fēng)機(jī)機(jī)位處的尾流影響采用Jensen尾流模型，尾流影響因子的表達(dá)式為：

式中，d為尾流影響因子，C_T為風(fēng)電機(jī)組的推力系數(shù)；R為葉輪半徑；k為尾流耗散系數(shù)；X為兩個(gè)風(fēng)電機(jī)組的間距；

步驟14，將風(fēng)加速因子和尾流影響因子進(jìn)行簡(jiǎn)單的耦合，位置(x,y)、方向α處實(shí)際風(fēng)速的計(jì)算采用下式：

步驟15，功率計(jì)算使用功率曲線，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組位于位置(x,y)和風(fēng)向α處的預(yù)計(jì)的功率產(chǎn)量為：

其中，v_in是風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速，一般為3m/s，v_out是風(fēng)電機(jī)組的切出風(fēng)速，一般為25m/s，N是全年累計(jì)小時(shí)數(shù)，E(v)是速度v通過(guò)功率曲線得到的風(fēng)機(jī)功率，f(v)是通過(guò)威布爾分布得到的速度v的頻率，

步驟16，綜合各個(gè)方向，單臺(tái)風(fēng)力機(jī)組的凈發(fā)電量計(jì)算公式為：

式中，p(α)是對(duì)應(yīng)角度α的風(fēng)向頻率；

步驟17，風(fēng)電場(chǎng)中所有風(fēng)力機(jī)組凈發(fā)電量的最大值為：

E_j為第j臺(tái)風(fēng)力機(jī)考慮尾流影響和風(fēng)加速因子后的年發(fā)電量，E為風(fēng)電場(chǎng)總平均功率。

進(jìn)一步的，在步驟一中，神經(jīng)算法中目標(biāo)變量為風(fēng)力機(jī)的坐標(biāo)(x,y)，利用下列算式將目標(biāo)變量轉(zhuǎn)化為0～1之間，采用實(shí)數(shù)編碼，

其中，xx_i、yy_i是歸一化后的變量值，(x_i,y_i)代表風(fēng)力機(jī)的位置，x_min、x_max和y_min、y_max分別為風(fēng)電場(chǎng)位置坐標(biāo)的上下極限。

進(jìn)一步的，在步驟二中，確定風(fēng)機(jī)之間連接回路后，還可以確定電纜截面，其具體過(guò)程為：1)確定單臺(tái)風(fēng)機(jī)電流；2)根據(jù)《35kV及以下電纜載流量校正系數(shù)表》計(jì)算電纜直埋敷設(shè)時(shí)的載流量校正系數(shù)；3)按照回路工作電流計(jì)算電纜在標(biāo)準(zhǔn)敷設(shè)條件下的額定載流量；4)根據(jù)《電纜參考載流量表》選擇電纜截面。

進(jìn)一步的，在步驟三中，檢修道路的成本包括道路結(jié)構(gòu)層材料造價(jià)和道路土石方工程量造價(jià)；道路結(jié)構(gòu)層材料造價(jià)分解為道路結(jié)構(gòu)層體積乘以材料單位造價(jià)，公式為：

M_C＝H*L*W*M_P

其中，M_C為道路結(jié)構(gòu)層材料總造價(jià)，H為結(jié)構(gòu)層厚，L為道路長(zhǎng)度,W為道路寬度，M_P為結(jié)構(gòu)層材料單位造價(jià)；道路土石方工程量造價(jià)分解為土石方體積乘以土石方單位成本，具體公式如下所示：

E_C＝V_C*C_P(V_C≥V_F)

E_C＝(V_F-V_C)*F_P+V_C*C_P(V_C＜V_F)

其中，E_C為土石方造價(jià)，V_C為挖方量，V_F為填方量，C_P為挖方單位造價(jià)，F(xiàn)_P為填方單位造價(jià)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：本發(fā)明優(yōu)化的方法包括依次進(jìn)行的微觀選址優(yōu)化、集電線路優(yōu)化和檢修道路優(yōu)化。在微觀選址優(yōu)化中，應(yīng)用尾流模型和地形影響模型,能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)復(fù)雜地形中不同風(fēng)力機(jī)之間的尾流損失，功率模型采用概率密度算法，通過(guò)風(fēng)向和風(fēng)速的離散，可從微觀角度使概率預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確；風(fēng)電場(chǎng)集電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，合理選擇集電線路電纜和計(jì)算成本，進(jìn)一步提高風(fēng)電場(chǎng)集電線路運(yùn)行的安全性和可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法的流程圖。

圖2是微觀選址優(yōu)化流程中遺傳算法的流程圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例中風(fēng)力機(jī)坐標(biāo)分布示意圖。

圖4是圖3實(shí)施例中集電線路優(yōu)化后風(fēng)電場(chǎng)集電線路的路徑示意圖。

圖5是圖3實(shí)施例中風(fēng)電場(chǎng)檢修道路優(yōu)化后道路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，本發(fā)明的一種復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)一體化優(yōu)化方法，其特征是，包括以下步驟：

步驟一，微觀選址優(yōu)化：以風(fēng)電場(chǎng)的最大凈發(fā)電功率為目標(biāo)，利用遺傳算法迭代計(jì)算出每個(gè)風(fēng)力機(jī)的位置坐標(biāo)；

模擬計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的最大凈發(fā)電功率的過(guò)程為，首先從風(fēng)電場(chǎng)區(qū)風(fēng)流模擬軟件中，如Meteodyn WT和Windsim軟件，讀取風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)向分度風(fēng)能資源輸出，分別提取風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)向分度的全場(chǎng)風(fēng)速、風(fēng)向和湍流等參數(shù)。再采用CFD計(jì)算出風(fēng)資源網(wǎng)格結(jié)果。在風(fēng)資源網(wǎng)格結(jié)果中，測(cè)風(fēng)塔所在位置的風(fēng)資源網(wǎng)格點(diǎn)代表基準(zhǔn)點(diǎn)，風(fēng)資源網(wǎng)格文件中其他點(diǎn)的平均風(fēng)速相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的都有一個(gè)比率，這個(gè)比率稱為加速因子，用于計(jì)算發(fā)電量時(shí)輸入功率曲線之前風(fēng)機(jī)機(jī)位處的風(fēng)資源校正。根據(jù)CFD計(jì)算出全風(fēng)電場(chǎng)的平均風(fēng)速，利用加速因子和尾流模型對(duì)速度進(jìn)行修正。最后，根據(jù)風(fēng)機(jī)廠商提供的功率曲線基于概率密度算法計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電量。

CFD計(jì)算出的風(fēng)資源網(wǎng)格結(jié)果，格式為.wrg，其主要作用是利用測(cè)風(fēng)塔所在位置的風(fēng)速測(cè)算其他位置的平均風(fēng)速。CFD計(jì)算考慮風(fēng)從各個(gè)方向吹來(lái)，每個(gè)風(fēng)向風(fēng)速不相等。風(fēng)電場(chǎng)按風(fēng)向等角度劃分為12個(gè)扇區(qū)，CFD計(jì)算的每個(gè)區(qū)間的來(lái)流風(fēng)速定義為該扇區(qū)的平均風(fēng)速。將風(fēng)向分為12個(gè)區(qū)間，對(duì)于風(fēng)向來(lái)說(shuō)，第一個(gè)風(fēng)向假設(shè)風(fēng)從正北方向吹向正南，前一個(gè)風(fēng)向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°得到后一個(gè)風(fēng)向扇區(qū)。風(fēng)電場(chǎng)中的每一個(gè)點(diǎn)的各個(gè)風(fēng)向的風(fēng)速來(lái)源于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源模擬的結(jié)果。風(fēng)速分布一般為正態(tài)偏態(tài)分布，而在風(fēng)能計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的是兩參數(shù)的威布爾分布。風(fēng)速的變化特性經(jīng)常用兩參數(shù)的威布爾參數(shù)來(lái)描述。威布爾分布的兩個(gè)參數(shù)k和c，其中k為形狀參數(shù)，c為尺度參數(shù)，k，c均大于0。從風(fēng)資源網(wǎng)格wrg文件中可得到k，c的參數(shù)值，k和c是每個(gè)方向區(qū)間的平均值，任何一對(duì)k和c可以利用如下的gamma函數(shù)計(jì)算相應(yīng)方向區(qū)間的平均風(fēng)速：

其中，Γ(a)為Gamma函數(shù)。

實(shí)際的風(fēng)速分布除了測(cè)風(fēng)塔測(cè)出的風(fēng)速風(fēng)向，還要結(jié)合復(fù)雜地形風(fēng)加速效應(yīng)的影響，風(fēng)機(jī)機(jī)位處每個(gè)方向的風(fēng)加速因子可以利用下面的關(guān)系求得：

式中：su_xyα表示位置(x,y)、方向α處的加速比；u_xyα表示位置(x,y)、方向α(0°～360°)處的平均風(fēng)速，通過(guò)公式(1)計(jì)算；u_mα表示方向α處測(cè)風(fēng)塔處的平均風(fēng)速，為相同方向測(cè)風(fēng)塔測(cè)量出的風(fēng)速的平均值。其中方向α的范圍為0°～360°。

目前國(guó)內(nèi)外常用的經(jīng)驗(yàn)尾流模型有Park尾流模型、Jensen尾流模型、Frandsen尾流模型和Larsen尾流模型等，本文使用較為常用的Jensen尾流模型。尾流影響因子的表達(dá)式為：

式中，d為尾流影響因子，C_T為風(fēng)電機(jī)組的推力系數(shù)；R為葉輪半徑；k為尾流耗散系數(shù)；X為兩個(gè)風(fēng)電機(jī)組的間距。

實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到的風(fēng)速不光要考慮尾流影響，還要考慮地形的影響，將公式(2)計(jì)算出來(lái)的風(fēng)加速因子和公式(3)計(jì)算出的尾流影響因子進(jìn)行簡(jiǎn)單的耦合，位置(x,y)、方向α處風(fēng)速的計(jì)算采用下式：

功率計(jì)算使用功率曲線，當(dāng)風(fēng)速采用公式(4)計(jì)算出的結(jié)果，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組位于單一位置(x,y)和風(fēng)向α，預(yù)計(jì)的功率產(chǎn)量為：

v_in是風(fēng)電機(jī)組的切入風(fēng)速，一般為3m/s，v_out是風(fēng)電機(jī)組的切出風(fēng)速，一般為25m/s，N是全年累計(jì)小時(shí)數(shù)，E(v)是速度v通過(guò)功率曲線得到的風(fēng)機(jī)功率，f(v)是通過(guò)威布爾分布得到的速度v的頻率，

之前，已經(jīng)把風(fēng)向離散成不同的扇區(qū)，現(xiàn)在對(duì)扇區(qū)求和。綜合各個(gè)方向，單臺(tái)風(fēng)力機(jī)組的凈發(fā)電量計(jì)算公式為：

式中，p(α)是對(duì)應(yīng)角度α的風(fēng)向頻率，由測(cè)風(fēng)塔測(cè)量風(fēng)向統(tǒng)計(jì)獲得。

當(dāng)把公式(6)中風(fēng)速v_xyα換成u_xyα，即可通過(guò)公式(6)求得風(fēng)電場(chǎng)的理論發(fā)電量，即不考慮尾流和地形影響時(shí)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量。

復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)一體化優(yōu)化方法中的微觀選址優(yōu)化，是多變量非線性優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化變量為每個(gè)風(fēng)力機(jī)的位置坐標(biāo)。本發(fā)明中采用遺傳算法來(lái)獲取最優(yōu)的風(fēng)力機(jī)的布局，遺傳算法屬于現(xiàn)有技術(shù)，具體步驟如圖2所示，以風(fēng)電場(chǎng)最大凈發(fā)電功率為目標(biāo)函數(shù)為：

式中E_j為第j臺(tái)風(fēng)力機(jī)考慮尾流和地形影響后的凈發(fā)電量。

先建立目標(biāo)函數(shù)，即風(fēng)電場(chǎng)輸出功率達(dá)到最大，尾流損失最??；目標(biāo)變量為風(fēng)力機(jī)的坐標(biāo)(x,y)，利用下列算式將目標(biāo)變量轉(zhuǎn)化為0～1之間，采用實(shí)數(shù)編碼，

其中，xx_i、yy_i是歸一化后的變量值，(x_i,y_i)代表風(fēng)力機(jī)的位置，x_min、xmax和y_min、y_max分別為風(fēng)電場(chǎng)位置坐標(biāo)的上下極限。

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行布機(jī)時(shí)，考慮尾流的影響，避免風(fēng)力機(jī)間間距過(guò)小，坐標(biāo)要同時(shí)滿足邊界和間距約束條件。假設(shè)風(fēng)機(jī)間距為L(zhǎng)，因此對(duì)風(fēng)力機(jī)的約束條件為：

在上面約束條件中，(x_i,y_i)代表風(fēng)力機(jī)的位置，N代表風(fēng)力發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)，x_min、x_max和y_min、y_max分別為風(fēng)電場(chǎng)位置坐標(biāo)的上下極限。除此之外，約束條件還包含一些常用的約束，如風(fēng)力機(jī)間的安裝間距、風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)和容許坡度，作為布置風(fēng)機(jī)的限制，在遺傳算法中把不滿足約束條件的布局情況剔除。

初始種群采用隨機(jī)生成初始種群的方法，建立適應(yīng)度函數(shù)種群個(gè)體是隨機(jī)生成的，因此不能保證所有的個(gè)體都滿足約束條件，該算法對(duì)不符合間距條件和邊界條件的個(gè)體進(jìn)行“懲罰”，使其適應(yīng)度值降低，便于在“選擇操作”中將這些個(gè)體淘汰。具體操作為：選出不符合要求的個(gè)體x，相應(yīng)的適應(yīng)度值為f(x)；懲罰后，新的適應(yīng)度值為f(x)-Ω。其中Ω為足夠大的實(shí)數(shù)，保證新的適應(yīng)度值足夠小從而能夠在后面的操作中被淘汰。經(jīng)選擇、交叉和變異后，完成一次遺傳算法的迭代，按照適應(yīng)度大小排序，選擇合適的種群，進(jìn)入下一輪迭代，直至最后一代，本實(shí)施例中迭代次數(shù)為3000，獲得各風(fēng)力機(jī)的位置坐標(biāo)。

下面通過(guò)某復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，地形如圖3所示，經(jīng)緯方向X和Y的范圍分別為712536～724156m和4624300～463900m，高度Z的范圍為1474～1580m。測(cè)風(fēng)塔所在的位置為(715828,4631910)。預(yù)計(jì)在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)布置33臺(tái)額定功率為2MW的風(fēng)力機(jī)。具體設(shè)置的風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)和風(fēng)力機(jī)參數(shù)如表1所示。采用該優(yōu)化方法，計(jì)算得出該風(fēng)電場(chǎng)年理論總發(fā)電量達(dá)到292.431GWh、年凈總發(fā)電量達(dá)到287.043GWh，總體尾流損失為1.84％。優(yōu)化后的風(fēng)力機(jī)位置情況如圖3所示。

表1：風(fēng)機(jī)參數(shù)

步驟二，集電線路優(yōu)化：先利用Dijkstra算法算出風(fēng)機(jī)間最短距離后，以最短路徑的距離作為樹的權(quán)值，利用最小生成樹算法算出總路徑權(quán)值最小的方案，確定風(fēng)機(jī)之間連接回路。

集電線路優(yōu)化即是確定風(fēng)機(jī)組中風(fēng)機(jī)之間的連接回路，需要先確定兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)的距離，在復(fù)雜地形中，兩臺(tái)風(fēng)力機(jī)的距離不再是簡(jiǎn)單的直線距離，而采用單源最短路徑算法Dijkstra進(jìn)行計(jì)算。Dijkstra算法屬于現(xiàn)有技術(shù)，利用Dijkstra算法計(jì)算風(fēng)機(jī)間最短距離參見現(xiàn)有技術(shù)。

利用Dijkstra算法算出風(fēng)機(jī)間最短距離后，以計(jì)算出的兩風(fēng)機(jī)間最短路徑的距離作為樹的權(quán)值，運(yùn)用最小生成樹算法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)集電線路自動(dòng)優(yōu)化方案。最小生成樹算法采用現(xiàn)有技術(shù)，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為，當(dāng)回路數(shù)已知時(shí)，在一條回路中，有m個(gè)帶權(quán)值路徑的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可以建立m(m-1)/2條路徑，這些路徑構(gòu)成一個(gè)無(wú)向完全圖。在這些可能的路徑中，選擇m-1條路徑構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，要求這個(gè)網(wǎng)絡(luò)連通回路中每臺(tái)風(fēng)機(jī)，并且路徑總的權(quán)值最低，即達(dá)到最優(yōu)，計(jì)算得出的最優(yōu)路徑即是最佳的集電線路路徑。

同時(shí)在優(yōu)化過(guò)程中，導(dǎo)線截面的選擇非常重要，導(dǎo)線的費(fèi)用投資約占整個(gè)工程投資成本的10％左右，因此在技術(shù)成熟的條件下對(duì)同一回路，逐段不同容量采用經(jīng)濟(jì)的、不同截面的導(dǎo)線組合很有必要。一般在整個(gè)工程中選用最多三種型號(hào)的導(dǎo)線為宜，過(guò)多的導(dǎo)線型號(hào)會(huì)增加工程的施工難度，而且對(duì)后期線路的運(yùn)行維護(hù)也會(huì)帶來(lái)不便。根據(jù)允許發(fā)熱條件選擇，也就是按允許載流量選擇電纜截面時(shí)，需要滿足大于熱穩(wěn)定最小截面、電壓損失小于設(shè)定值及電纜彎曲半徑應(yīng)大于15倍電纜直徑。具體選擇過(guò)程如下：1)確定單臺(tái)風(fēng)機(jī)電流；2)根據(jù)《35kV及以下電纜載流量校正系數(shù)表》計(jì)算電纜直埋敷設(shè)時(shí)的載流量校正系數(shù)；3)按照回路工作電流計(jì)算電纜在標(biāo)準(zhǔn)敷設(shè)條件下的額定載流量；4)根據(jù)《電纜參考載流量表》選擇合適的電纜截面。并且集電線路考慮單回射型連接，盡量不交叉。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)較長(zhǎng)段(超過(guò)電纜廠家最大生產(chǎn)盤長(zhǎng)時(shí))電纜截面一般不宜超過(guò)300mm²，單根電纜總長(zhǎng)超出單盤長(zhǎng)度時(shí)增加中間接頭。

在實(shí)施例中，為了更清楚地看到集電線路的布置，把風(fēng)機(jī)的機(jī)位較為均勻地分布，本實(shí)施例中集電線路路徑圖如圖4所示。集電線路共分為三條單回路，每條回路接入11臺(tái)風(fēng)機(jī)組。集電線路參數(shù)和電纜參數(shù)如表2所示。導(dǎo)體材料選擇銅線，敷設(shè)的土壤選擇干黃土。升壓站坐標(biāo)為(715828,4631910)，升壓站外壕溝起點(diǎn)坐標(biāo)為(715800,4631900)。考慮使用銅線作為電纜材料，分別提供不同電纜截面的信息，優(yōu)化后電纜截面選取95mm、120mm、150mm，長(zhǎng)度分別為47.41km、3.09km、10.72km。升壓站電能損耗為757.35kW，電纜電能損耗為7.75kW，總體損耗占0.01％。

表2：集電線路參數(shù)和電纜參數(shù)

步驟三，檢修道路優(yōu)化：基于上一步集電線路優(yōu)化獲得的風(fēng)機(jī)間連接路徑后，計(jì)算出該距離產(chǎn)生的填挖方，然后計(jì)算成本作為樹的權(quán)值，利用最小生成樹算法算出成本最小的方案，確定風(fēng)機(jī)之間道路連接。

檢修道路優(yōu)化是基于檢修道路最小成本為目標(biāo)的優(yōu)化。因此，檢修道路的優(yōu)化參數(shù)由二個(gè)方面組成：一是道路結(jié)構(gòu)層材料造價(jià)；二是道路土石方工程量造價(jià)。道路結(jié)構(gòu)層材料造價(jià)分解為道路結(jié)構(gòu)層體積乘以材料單位造價(jià)，道路結(jié)構(gòu)層材料造價(jià)公式為：

M_C＝H*L*W*M_P (10)

其中，M_C為道路結(jié)構(gòu)層材料總造價(jià)，H為結(jié)構(gòu)層厚，L為道路長(zhǎng)度,W為道路寬度，M_P為結(jié)構(gòu)層材料單位造價(jià)。道路土石方工程量造價(jià)分解為土石方體積乘以土石方單位成本。土石方造價(jià)計(jì)算分為以下幾種情況：(1)當(dāng)?shù)缆诽罘脚c挖方總體平衡時(shí)，認(rèn)為土方在1km范圍內(nèi)能夠調(diào)配平衡，土石方工程量造價(jià)等于挖方量乘以挖方單位造價(jià)；(2)當(dāng)挖方大于填方，按挖方計(jì)算，土石方工程量造價(jià)等于挖方量乘以挖方單位造價(jià)，棄土費(fèi)用已含在挖方單位造價(jià)中；(3)當(dāng)填方大于挖方，土石方工程量造價(jià)等于填方減挖方乘以填方單位造價(jià)，其結(jié)果再加上挖方量乘以挖方單位造價(jià)：具體公式如下所示：

其中，E_C為土石方造價(jià)，V_C為挖方量，V_F為填方量，C_P為挖方單位造價(jià)，F(xiàn)_P為填方單位造價(jià)。

在優(yōu)化過(guò)程中，要滿足一些約束條件：(1)檢修道路設(shè)計(jì)等級(jí)。檢修道路按廠礦四級(jí)道路設(shè)計(jì)，即道路極限最小極限圓曲線半徑為15m，豎曲線最小半徑100m，豎曲線最小長(zhǎng)度20m。(2)道路縱坡限制。在工程艱巨的山嶺、重丘區(qū)，一般要求坡度不大于10％。(3)場(chǎng)地用地性質(zhì)限制。一般風(fēng)場(chǎng)范圍比較大，范圍內(nèi)不可避免有耕地、林地等，優(yōu)化選線應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況避開這些農(nóng)用地。(4)場(chǎng)地地物限制。風(fēng)場(chǎng)范圍內(nèi)的地物包括文物古跡、墳、敖包、村莊等，優(yōu)化選線應(yīng)視情況避讓。道路邊線避讓滿足一定距離要求，一般按100m考慮。

以檢修道路最小成本為目標(biāo)函數(shù):

OPT＝min(M_C+E_C) (12)

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)道路設(shè)計(jì)自動(dòng)優(yōu)化布線算法與集電線路優(yōu)化類似，在用Dijkstra算法算出風(fēng)機(jī)間最短距離后，計(jì)算出該距離產(chǎn)生的填挖方，并按照公式(10)(11)計(jì)算成本作為樹的權(quán)值，然后用最小生成樹算法算出成本最小的方案。

在本實(shí)施例中，風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)道路設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。對(duì)其進(jìn)行道路檢修優(yōu)化，優(yōu)化后此風(fēng)電場(chǎng)的道路平面設(shè)計(jì)如圖5所示，通過(guò)線路的優(yōu)化及合理布線，設(shè)計(jì)道路總長(zhǎng)56km，挖方量74244.35m³，填方量76926.06m³，總造價(jià)2866.224萬(wàn)元。

表3：風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)道路設(shè)計(jì)參數(shù)

在風(fēng)電場(chǎng)一體化優(yōu)化過(guò)程中，風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)道路設(shè)計(jì)的自動(dòng)優(yōu)化選線方法，可以對(duì)復(fù)雜地形的風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)道路進(jìn)行快速優(yōu)化，減少工作量，提高最優(yōu)線路選擇的效率，以達(dá)到減少成本的目的。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。