在海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中，集電線路的成本是影響項(xiàng)目全生命周期收益的重要環(huán)節(jié)。以廣東省某項(xiàng)目為例，海纜投資成本在總投資中的占比約為9.64%，僅次于風(fēng)機(jī)設(shè)備與基礎(chǔ)建筑工程的投資比例，如圖1所示。因此，集電線路的布局優(yōu)化對(duì)降低整個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)投資具有至關(guān)重要的意義。

圖1 廣東某海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)投資成本占比圖

集電線路的合理布局，可以優(yōu)化不同規(guī)格截面海纜長(zhǎng)度的搭配，減少風(fēng)電機(jī)組之間的海纜連接用量，降低風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本和場(chǎng)內(nèi)輸變電損耗，助力實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)場(chǎng)收益最大化。

數(shù)據(jù)顯示，在設(shè)計(jì)階段通過優(yōu)化35kV海上集電線路，每節(jié)約1km的海纜長(zhǎng)度，根據(jù)不同規(guī)格海纜的市場(chǎng)價(jià)格，工程投資可降低150萬至250萬元。但在工程中受施工安全要求、海纜載流量限制、海纜的功率平衡等因素的制約，目前行業(yè)主流的基于經(jīng)驗(yàn)的手動(dòng)設(shè)計(jì)方法難以精準(zhǔn)鎖定設(shè)備投運(yùn)成本最優(yōu)的集電線路連線方案，造成真金白銀的流失。且隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的容量越來越大，離岸越來越遠(yuǎn)，更科學(xué)的海纜布局變得越來越重要。

為破解上述難題，明陽(yáng)智能海上研發(fā)團(tuán)隊(duì)嘗試了10余種優(yōu)化算法，通過上萬次迭代測(cè)試，最終研發(fā)出行業(yè)首個(gè)放射區(qū)域樹算法，集成到海上整體解決方案軟件MY Offshore WindFarm中，并在海上風(fēng)電項(xiàng)目中得以成功應(yīng)用，為客戶節(jié)省千萬投資成本。

明陽(yáng)智能如何通過這個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)最優(yōu)集電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)的呢？簡(jiǎn)單來說分解為兩個(gè)步驟：第一步劃分放射性區(qū)域，將風(fēng)電場(chǎng)放射性分割為若干子區(qū)域，確保各子區(qū)域均包含指定數(shù)量的風(fēng)機(jī)。這種方法可以有效避免回路交叉，確保海纜布局安全性的同時(shí)節(jié)省了大量計(jì)算時(shí)間。第二步進(jìn)行回路內(nèi)連線，將用戶輸入的不同規(guī)格的海纜價(jià)格作為權(quán)重因子，以海纜成本最低為目標(biāo)將回路內(nèi)風(fēng)機(jī)串聯(lián)起來，從而保證回路內(nèi)海纜總成本最低，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)場(chǎng)35kV集電線路自動(dòng)優(yōu)化的最終目標(biāo)。

圖2 集電線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

這套算法應(yīng)用便捷，用戶只需采用明陽(yáng)智能自主開發(fā)的機(jī)位優(yōu)化排布模塊的輸出結(jié)果，輸入所用機(jī)型和風(fēng)場(chǎng)容量，根據(jù)海纜選型及價(jià)格，便可在10分鐘內(nèi)，從千余個(gè)集電線路布局方案中精準(zhǔn)捕捉經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的海纜布局。

以某海上風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目為例，風(fēng)場(chǎng)規(guī)劃安裝55臺(tái)單機(jī)容量為5.5MW的風(fēng)電機(jī)組，輸出的電力通過35kV海纜匯集到位于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部靠近陸地側(cè)的海上升壓站，如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)、升壓站布局示意圖

通過集電線路自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算程序，放射區(qū)域樹算法在約8分鐘的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)內(nèi)捕捉滿足拓?fù)浼s束的方案共3630個(gè)，并快速計(jì)算出相應(yīng)方案海纜成本金額，從中遴選出成本最低的海纜布局方案。

行業(yè)主流基于經(jīng)驗(yàn)的手動(dòng)設(shè)計(jì)方案，與采用明陽(yáng)智能放射區(qū)域樹算法進(jìn)行集電線路自動(dòng)優(yōu)化后的線路對(duì)比如圖4所示。

優(yōu)化前 優(yōu)化后

圖4 優(yōu)化前后集電線路對(duì)比圖

表1 海纜連線方案對(duì)比

由表1可見，采用明陽(yáng)智能集電線路自動(dòng)優(yōu)化算法的海纜布局方案，比優(yōu)化前的手動(dòng)設(shè)計(jì)方案減少35kV海纜總長(zhǎng)度4.55km，按不同規(guī)格海纜的價(jià)格測(cè)算，項(xiàng)目投資可節(jié)省約1200萬元。

明陽(yáng)智能以先進(jìn)的智能化技術(shù)為手段，不斷突破傳統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)限制，通過放射區(qū)域樹算法實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)場(chǎng)35kV集電線路的自動(dòng)優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)海上整體解決方案最優(yōu)奠定基礎(chǔ)。