一种基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法及系统与流程
本发明属于风电场工程规划设计的技术领域，特别是涉及一种基于风机智能分组的风电场架空集电线路的路径设计。
背景技术：
风能发电作为可再生能源中最具有经济开发价值的清洁能源，风资源的开发利用是我国能源发展战略和调整电力结构的重要措施之一。风能既是绿色环保的可再生能源，同时也是目前技术成熟的，可作为产业开发的可持续发展的重要能源，大规模发展风力发电是解决我国能源和电力短缺的最现实的战略选择。
风电场工程规划设计主要包括风机选址选型、变电站设计(含选址)、场内道路设计、风机基础设计、场内集电线路设计。风电场工程主体为分散于各处，相互之间保持一定间距的风电机组，由于一般风机发电机的出口端电压为690v，属于低压电源，为减少场内联接线路的线路损耗，经升压后，由场内的高压联络线路统一送至升压站，需建设的高压联络线路按风电场工程的定义成为场内集电线路，风机点位和变电站位置确定后通过集电线路将风机所发电能输送至变电站，以实现与电网的连接。
根据风电场的装机容量，需要确定风电场的主界限形式。根据风机特点，目前更多的采用一机一变的单元接线，即在每台风机边设置一台满足风机单机容量输出的箱式变压器。同时，为了提高整个风电场的安全可靠运行，以50mw风电场装机容量规模为例，3-4回左右的主接线方式较为适宜。在既有风机的控制保护又有箱变的保护配置下可以达到风电机组的安全运行要求，而且通过合杆方式可以节约一定的集点线路工程量。
风电场内的集电线路方式可以采取架空线路方式，还可以采取电缆敷设方式。而根据电力市场的现状，一般电力电缆线路的投资远远高于架空线路，高倍数级的投资。因此，除了个别地区风电场由于土地资源和环境因素制约场内只可以采取直埋敷设电缆外，大部分的风电场有雨地处偏远地区，人烟稀少，同时对环境影响较小的前提下，较多的形式是场内集电线路采用架空线路的方式。而架空集电线路作为风电场设计的一部分，路径的选择对线路整体设计质量至关重要，路径选择的正确与否将直接影响到集电线路是否安全、经济、合理。
风电场集电线路路径选取一般应遵循以下几点：
1、容量限制。目前风电场单回35kv线路所带机组总容量一般不超过30mw，单回10kv线路容量一般不超过10mw。
2、路径选择尽量短。线路路径短，工程造价就低，施工维护量就少，线路中电能损耗也少，这也就意味着路径要尽可能的选择直线，避免曲折迂回，因此较理想的线路路径是一条直线。但由于风机分布以及各种障碍物的影响实际上所选择的路径往往是由许多转角点联成的折线，因此在选择线路路径时，应根据线路走直线的原则尽量避免转角或少转角尤其是要避免度数大的转角使线路达到最短。
3、避开限制区域。风电场内线路路径要避开风电机组、送出线路以及易燃易爆、村庄、保护区等需要避让的区域。
4、避免线路间交叉跨越。风电场集电线路分支线较多，路径选择时尽量避免分支间、分支与主干线间的交叉跨越，增加施工及运检难度，分支线与主干线连接时，一般采用t接方式。
5、线路路径转角点外角角度不超过90度。
现有技术中没有对于架空集电线路路径规划的成熟的设计方法，如中国专利申请cn107357965a，通常是设计人员根据经验针对具体项目结合上述设计规则进行多次路径规划的尝试，在有限的时间和成本下选择相对优选的集电线路路径，从而造成风电场集电线路工程设计的精准度低，往往还会由于设计人员经验不足以及对气象资料的分析成都不够造成工程成本增加，另外如果不能对风电场风机进行合理分组，就不能根据每个项目机组特点生成较优路径，从而不能按照不同的机型排布，快速生成不同的路径方案，供设计人员对比分析。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法及系统，可对风电场风机进行合理分组，可根据每个项目机组特点生成较优路径，可按照不同的机型排布，快速生成不同的路径方案，供设计人员对比分析。
为此，本发明的目的在于提供一种基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法，该方法包括如下步骤：
(1)将风机进行智能分组，限制其单回容量，使集电线路、送出线路之间不交叉，所带风机台数尽量均匀；
(2)设计综合成本函数和限制因子；
(3)执行寻径算法，以升压站为终点，每回集电线路最远机位点为起点，以dijkstra算法位基础，在满足主线路限制条件的同时，尽可能多的串联风机机位点，确定线路主路径；
(4)获取分支线路径，按照路径最短、避免交叉、转角度数不超过90度的原则和改进的寻径算法，确定分支线路径和t接塔位；
(5)利用上一级计算结果对分级分组和选线结果进行迭代运算，对生成路径进行方案比选；
(6)按照分组及路径，结合三维地形因素，自动调整塔位至平坦区域，减少施工成本，调整线路以避让限制区域，生成最终线路路径。
优选的，所述步骤(1)包括：根据风电场单回容量限制，以及单风机容量，确定分组数量g，和每组风机位点数量n1，n2，……ng，利用扇区分组的方法，将风机点位归至不同组中。
优选的，所述步骤(2)包括如下步骤：
(2.1)设计综合成本函数：
首先，以线路实际长度作为主要成本考虑因素,即三维空间中两节点的空间距离：
wdis＝dis+fnum×dis+floss×dis+dt×nt-da；
(2.2)设置限制因子：
根据最大转角不超过90°，主线不能t接，即主线只能节点与节点之间相连，线路不交叉，即线段无交点，限制区域，即限制区域边界顺时针存储，线路不能存在边界线的右侧的原则设置限制因子。
优选的，所述步骤(3)以dijkstra寻径算法为基础，扩展距离函数为所述步骤(2)的总和成本函数，改进搜索判断，完成单回集电线路的主线规划，包括：
(3.1)将单组所有风机点位、升压站点位一起构建delaunary三角网，确定点与点之间的最佳邻接关系；
(3.2)开始主线路径搜寻，设置升压站为终点，以距离升压站最远的点为起点；
(3.3)依次判断与起点相邻的所有点，判断是否满足限制条件，即转角是否大于90°、是否与已有线路交叉、是否进入避让区域以及主线是否t接，若不满足则跳过该点；若满足，则计算由起点到该相邻点的综合成本wdis，存入待比较的集合a中；
(3.4)判断集合a中最小值对应的节点node是否为终点。若是，则结束搜寻，返回最佳线路。反之，搜索当前节点node的相邻节点，同样计算满足限制条件的节点，并将上一点的综合成本wdis累积到下一点中，并存入集合a；
(3.5)重复步骤(3.4)，直到搜索到终点，返回最佳线路；
(3.6)若还存在剩余点，则以剩余点中，距离主线路最远的点作为起点，升压站为终点，重复步骤(3.3)-(3.5)，此时之前选择的线路会作为已有线路da，在综合成本中被减去，以避免重复选线，重复计算成本，搜索最短距离的线路，当支线与主线垂直相接时，保留垂足，即t接塔位置；若不存在剩余点，则支线选择结束；
(3.7)执行步骤(3.3)，直到不存在剩余点，即所有点都有了对应的输电线路，返回线路桩点，完成以最短线路为主，满足限制条件，避让限制区域的最优线路设计和t接塔位设计。
优选的，所述步骤(5)包括：距离探测和气象分析优化，所述距离探测为当风机机头的叶片扫风面旋转到正好垂直到线路路径时，探测叶片尖距离地线的距离是否大于5m，如果大于5m，则所选择的为最优选线路径；所述气象分析优化包括根据风电场所在地的基本风速、最大风速、最低气温以及雷暴日在多条备选中进行路径优选。
优选的，所述步骤(6)还包括根据风机安全半径和转角塔建设施工土石方量成本，进行塔位优化调整，具体包括：
(6.1)利用数字高程模型(dem)数据，在每个风机安全半径范围外建立格网模型，所述数据由无人机获取，且所述数据分辨率越高，则格网模型精度越高，格网模型建立在风机安全半径的1.5倍以内，倍数可手动调整；
(6.2)根据精细的格网模型，电塔的施工面积和设计标高，计算施工平面与对应范围格网表面构成的柱体体积，若格网比施工平面高，则需要挖方，体积为挖放量，反之，则为填方，体积为填方量；
(6.3)在格网中，依次判断每一个格网，当塔位放置在该格网处时风机与线路的距离是否大于安全半径，若是，则计算填挖方量，并将结果存在集合b中；反之，则跳过该格网；
(6.4)取b中填挖量最小的点作为当前风机机位处电塔调整的塔位点；
(6.5)对每一个风机机位附近的电塔重复步骤(6.1)-(6.4)，进行塔位调整，最终得到避让风机安全半径并且施工成本优化后的塔位分布。
本发明的目的还在于提供一种基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划系统，该系统包括：
(1)风机智能分组系统：将风机进行智能分组，限制其单回容量，使集电线路、送出线路之间不交叉，所带风机台数尽量均匀；
(2)函数计算器：设计综合成本函数和限制因子；
(3)集电线主线路巡径系统：执行寻径算法，以升压站为终点，每回集电线路最远机位点为起点，以dijkstra算法位基础，在满足主线路限制条件的同时，尽可能多的串联风机机位点，确定线路主路径；
(4)集电线分支线路巡径系统：获取分支线路径，按照路径最短、避免交叉、转角度数不超过90度的原则和改进的寻径算法，确定分支线路径和t接塔位；
(5)路径优化器：利用上一级计算结果对分级分组和选线结果进行迭代运算，对生成路径进行方案比选；
(6)路径生成器：按照分组及路径，结合三维地形因素，自动调整塔位至平坦区域，减少施工成本，调整线路以避让限制区域，生成最终线路路径。
优选的，所述基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划系统还包括风电场三维图显示器，显示三维地形、风机机位、施工道路、主要地物、等高线和坐标数据信息。
优选的，所述路径优化器还包括距离探测器，风机机头的叶片扫风面旋转到正好垂直到线路路径时，探测叶片尖距离地线的距离是否大于5m，如果大于5m，则所选择的为最优选线路径。
优选的，所述路径优化器还包括气象分析仪，根据风电场所在地的基本风速、最大风速、最低气温以及雷暴日在多条备选中进行路径优选。
采用本发明的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法及其系统，可对风电场风机进行合理分组，可根据每个项目机组特点生成较优路径，可按照不同的机型排布，快速生成不同的路径方案，供设计人员对比分析。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
附图1为根据本发明实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法流程图；
附图2为根据本发明实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法细分流程图；
附图3为根据本发明实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径系统框图；
附图4为根据本发明实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径自动规划集电线路结果；
附图5为根据本发明实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划自动塔位调整，避让风机安全半径结果；
附图6为根据本发明实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法流程图结合三维地形进行的塔位优化示意图。
具体实施方式
本实施例为实施新疆某市风电场项目集电线路路径设计的工作的实施例，从风机箱变35kv出线到升压站35kv母线这一段线路，该风电项目选址具有如下特点：地形条件差、制约性因素多、气候恶劣、分支线路较多、电缆、光缆分别与导线、地线连接点多，并且可变因素很多。而路径规划为设计过程中最为重要的一个环节，与通常的架空线路不同，风电场架空集电线路需要汇集多台风机的电力，因而整个路径需要尽可能靠近位于风机平台上的升压箱变，通过电缆接到附近的铁塔或者架设的导线上。
参见附图1标识一种基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法流程图，该方法包括如下步骤：
(1)将风机进行智能分组，限制其单回容量，使集电线路、送出线路之间不交叉，所带风机台数尽量均匀；
(2)设计综合成本函数和限制因子；
(3)执行寻径算法，以升压站为终点，每回集电线路最远机位点为起点，以dijkstra算法位基础，在满足主线路限制条件的同时，尽可能多的串联风机机位点，确定线路主路径；
(4)获取分支线路径，按照路径最短、避免交叉、转角度数不超过90度的原则和改进的寻径算法，确定分支线路径和t接塔位；
(5)利用上一级计算结果对分级分组和选线结果进行迭代运算，对生成路径进行方案比选；
(6)按照分组及路径，结合三维地形因素，自动调整塔位至平坦区域，减少施工成本，调整线路以避让限制区域，生成最终线路路径。
参见附图2，其中步骤(1)包括：根据风电场单回容量限制，以及单风机容量，确定分组数量g，和每组风机位点数量n1，n2，……ng，利用扇区分组的方法，将风机点位归至不同组中。步骤(2)包括如下步骤：(2.1)设计综合成本函数：首先，以线路实际长度作为主要成本考虑因素,即三维空间中两节点的空间距离：
参见图3，根据本实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划系统框图包括：
(1)风机智能分组系统：将风机进行智能分组，限制其单回容量，使集电线路、送出线路之间不交叉，所带风机台数尽量均匀；
(2)函数计算器：设计综合成本函数和限制因子；
(3)集电线主线路巡径系统：执行寻径算法，以升压站为终点，每回集电线路最远机位点为起点，以dijkstra算法位基础，在满足主线路限制条件的同时，尽可能多的串联风机机位点，确定线路主路径；
(4)集电线分支线路巡径系统：获取分支线路径，按照路径最短、避免交叉、转角度数不超过90度的原则和改进的寻径算法，确定分支线路径和t接塔位；
(5)路径优化器：利用上一级计算结果对分级分组和选线结果进行迭代运算，对生成路径进行方案比选；路径优化器还包括距离探测器以及气象分析仪，风机机头的叶片扫风面旋转到正好垂直到线路路径时，探测叶片尖距离地线的距离是否大于5m，如果大于5m，则所选择的为最优选线路径，气象分析仪根据风电场所在地的基本风速、最大风速、最低气温以及雷暴日在多条备选中进行路径优选；
(6)路径生成器：按照分组及路径，结合三维地形因素，自动调整塔位至平坦区域，减少施工成本，调整线路以避让限制区域，生成最终线路路径。
(7)风电场三维图显示器：显示三维地形、风机机位、施工道路、主要地物、等高线和坐标数据信息。
参见图4根据本发明实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径自动规划集电线路结果，图5根据本发明实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划自动塔位调整，避让风机安全半径结果，以及图6根据本发明实施例的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法流程图结合三维地形进行的塔位优化示意图都显示出采用本发明的基于风机智能分组的风电场集电线路三维路径规划方法及其系统，可对风电场风机进行合理分组，可根据每个项目机组特点生成较优路径，可按照不同的机型排布，快速生成不同的路径方案，供设计人员对比分析。
虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。
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