一种风电场微观智能布机方法与流程

本发明涉及一种风电场微观智能布机方法，属于地形分类领域和地学选址技术领域。

背景技术：

能源就是能够提供能量的物质资源，风能就是这样的自然能源之一。风能是太阳能在地球上的一种转化形式，是一种不产生任何污染排放的可再生的能源。风力发电在可再生能源的利用中有着巨大的发展前景，而风电场选址作为风电场建设项目的前期工程，对风力发电场建设的成败及其今后的效益起着至关重要的作用。所以，随着风力发电技术的发展，对风电场选址的研究显得愈发重要。

风电场微观选址是在宏观选址的基础上，考虑预建风电场处的风能资源、地理条件及风机布局的过程。国内外学者对风机的选址布局问题进行了大量的研究，mosetti等人于1994首次将遗传算法引入到风电场优化问题的研究之中；saavedra-moreno等人采用种子优化算法研究了风电场中的风力机选址，并考虑了地形起伏对风速的影响；rodman等人采用gis中空间分析的方法，研究了北加州的风力机微观选址问题；serwanm.jbabana等人采用基于gis的综合指数法研究了英国风电场的微观选址问题；陈爱等采用基于计算流体力学(cfd)数值模拟方法，对过山气流在低空复杂地形中的三维湍流进行模拟，最终确定了风力机安装的最佳位置；许昌等人采用jensen尾流模型和lissaman尾流模型，通过改进的浮点值编码遗传算法，对风力机选址进行研究。

随着风电资源开发的不断深入，风电场的地形越来越复杂，而对复杂地形微观选址时风机布置的研究成果并不多见。目前的大多数的研究方法只针对平坦地形，选址时往往将复杂地形与平坦地形混为一谈，对于山区、山丘等复杂地形，不能简单地按平坦地形的原则确定风机位置，很多研究者并没有在风机布置前，将研究区域分为平坦地形和复杂地形两类地形，针对不同的地形选择不同的选址原则，造成了风机选址不准确，风机实际工作达不到预期效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用全新构思，综合考虑平坦地形与复杂地形，并分别制定相应合理解决方案，能够有效提高风机布设准确性的风电场微观智能布机方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种风电场微观智能布机方法，用于实现目标区域风电场的布机操作，包括如下步骤：

步骤a.基于目标区域原始dem数据图像，获得目标区域地形起伏度数据、以及目标区域地形坡度数据，然后进入步骤b；

步骤b.基于预设地形起伏度阈值和预设地形坡度阈值，按平坦地形、以及除平坦地形外的复杂地形的划分方法，针对目标区域中的地形进行划分分析，并进入步骤c；

步骤c.若目标区域中仅包含平坦地形区域，则进入步骤d；若目标区域中仅包含复杂地形区域，则进入步骤f；若目标区域中同时包含平坦地形区域和复杂地形区域，则同时分别进入步骤d和步骤f；

步骤d.获取目标区域风场数据的时空特征，并利用风场数据中平均u分量和平均v分量的正切变换获得风向夹角，从而获得目标区域的盛行风向，然后进入步骤e；其中,u和v分别代表预设两个相互垂直的的地理方向；

步骤e.根据目标区域中的平坦地形区域dem数据，结合目标区域的盛行风向，针对目标区域中的平坦地形区域进行风电场的布机操作；

步骤f.根据目标区域原始dem数据图像，获得目标区域中复杂地形区域的山脊区域；同时，根据目标区域原始dem数据图像，获得目标区域中复杂地形区域的山顶点区域，然后进入步骤g；

步骤g.按预设风速阈值与风功率密度阈值，基于目标区域风场数据中的风速与风功率密度，确定目标区域中复杂地形区域的最佳风能资源区域，然后进入步骤h；

步骤h.基于目标区域中复杂地形区域的山脊区域、山顶点区域，针对目标区域中复杂地形区域中最佳风能资源区域的山脊区域、山顶点区域进行风电场的布机操作。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤a中，采用均值变点分析法，获得第一最佳尺寸窗口，并基于第一最佳尺寸窗口，针对目标区域原始dem数据图像，获得目标区域地形起伏度数据、以及目标区域地形坡度数据。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤a包括如下步骤：

步骤a1.分别基于各预设尺寸窗口，利用arcmap应用中的空间分析模块，获得目标区域中各窗口位置的地形起伏度，进而获得目标区域分别对应各预设尺寸窗口下、各窗口位置地形起伏度组成的序列，然后进入步骤a2；

步骤a2.分别针对目标区域对应各预设尺寸窗口下、地形起伏度序列，按平均值求取法，获得目标区域分别对应各预设尺寸窗口的地形起伏度值，然后进入步骤a3；

步骤a3.按照各预设尺寸窗口由小至大顺序，针对目标区域分别对应各预设尺寸窗口的地形起伏度值进行排序，构成序列{xi}，i∈{1、…、n}，n表示各预设尺寸窗口的数量，xi表示基于各预设尺寸窗口由小至大顺序中、目标区域对应第i个预设尺寸窗口的地形起伏度值，然后进入步骤a4；

步骤a4.基于变量i的范围，针对序列{xi}，分别获得x1、…、xi-1的平均值xi1，以及获得xi-1、…、xn的平均值xi2，然后进入步骤a5；

步骤a5.根据如下公式：

获得各si的值，然后进入步骤a6；

步骤a6.基于各预设尺寸窗口由小至大顺序，获得s2、…、sn中最小值下标所对应的预设尺寸窗口，即为第一最佳尺寸窗口，然后进入步骤a7；

步骤a7.将目标区域对应第一最佳尺寸窗口的地形起伏度值，作为目标区域地形起伏度数据，同时，基于第一最佳尺寸窗口，利用arcmap应用中的空间分析中坡度模块，获得目标区域地形坡度数据。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤d中，应用经验正交函数分析法，获取目标区域风场数据的时空特征，并利用风场数据中平均u分量和平均v分量的正切变换获得风向夹角，从而获得目标区域的盛向风向，然后进入步骤e；其中,u和v分别代表预设两个相互垂直的的地理方向。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤e包括如下步骤：

步骤e1.采用arcmap应用中的栅格转矢量工具，将目标区域中的平坦地形区域dem数据转换为一个矢量多边形，然后进入步骤e2；

步骤e2.采用arcmap应用中数据管理工具中最小边界几何模块,求得矢量多边形的最小外接矩形，然后进入步骤e3；

步骤e3.获取最小外接矩形的顶点坐标，利用arcmap应用中的渔网工具，按预设单元格尺寸，生成覆盖目标区域中平坦地形区域所对应最小外接矩形的渔网，然后进入步骤e4；

步骤e4.根据目标区域的盛行风向，计算风机的符号方向，并基于最小外接矩形所对应渔网的各个网格，隔行或逐行设置风机放置位置，然后进入步骤e5；

步骤e5.删除落在目标区域所对应矢量多边形外的风机放置位置，更新获得目标区域中平坦地形区域的风机放置位置，进而实现目标区域中平坦地形区域进行风电场的布机操作。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤e4中，根据目标区域的盛行风向，按如下规则，实现风机放置位置的排列分布；

若目标区域的盛行风向为单一方向时，则风机放置位置的排列分布为矩阵式分布，且各风机的排列方向与盛行风向相垂直，以及前后两排交错；

若目标区域的盛行风向为非单一方向时，则风机放置位置的排列分布为对行排列或者交错排列。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤f中，根据预设坡位类型，针对目标区域原始dem数据图像，应用聚类算法，获得目标区域中复杂地形区域的山脊区域。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤f中，采用如下步骤，获得目标区域中复杂地形区域的山顶点区域；

步骤f21.采用均值变点分析法，基于窗口分析最大值，由各预设尺寸窗口中，获得第二最佳尺寸窗口，并进入步骤f22；

步骤f22.采用arcmap应用中的邻域分析中焦点统计模块，结合第二最佳尺寸窗口，针对目标区域原始dem数据图像进行处理，获得处理后的目标区域dem数据图像，然后进入步骤f23；

f23.采用地图代数中的栅格计算器模块，提取目标区域dem数据图像与目标区域原始dem数据图像之间数值相等的点，这些点即是山顶点区域，即获得目标区域中复杂地形区域的山顶点区域。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤h包括如下步骤：

步骤h1.针对目标区域中复杂地形区域的山脊区域与山顶点区域，进行图层叠加，相交区域即为目标区域中复杂地形区域的最佳地形区域，然后进入步骤h2；

步骤h2.针对目标区域中复杂地形区域的最佳风能资源区域与最佳地形区域，进行图层叠加，相交的区域即为目标区域中复杂地形区域的风机布设最佳位置，进而进行风电场的布机操作。

本发明所述一种风电场微观智能布机方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所述一种风电场微观智能布机方法，首先利用dem生成坡度和起伏度；以坡度结合起伏度，将地形分为平坦与复杂两类地形；然后分别针对两种地形，进行个性化分析与设计，构建分别对应不同地形的风机布机方案；本方法对于风电场微观布机全程智能化，无需人工决策，提高了风机布设的准确性，同时快速而简单地选择出最佳的布机位置。

附图说明

图1是本发明所设计风电场微观智能布机方法的流程示意图；

图2是平坦地形、单一方向盛行主风向下风机排列结构示意图；

图3a、图3b是平坦地形、非单一方向盛行主风向下风机排列结构示意图；

图4是实施例中复杂地形应用本发明设计方法的示意图；

图5是实施例中平坦地形应用本发明设计方法的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明设计了一种风电场微观智能布机方法，用于实现目标区域风电场的布机操作，包括如下步骤：

步骤a.采用均值变点分析法，获得第一最佳尺寸窗口，并基于第一最佳尺寸窗口，针对目标区域原始dem数据图像，获得目标区域地形起伏度数据、以及目标区域地形坡度数据，然后进入步骤b。

上述步骤a在实际应用中，具体包括如下步骤：

步骤a1.分别基于各预设尺寸窗口，利用arcmap应用中的空间分析模块，获得目标区域中各窗口位置的地形起伏度，进而获得目标区域分别对应各预设尺寸窗口下、各窗口位置地形起伏度组成的序列，然后进入步骤a2。

实际应用中，各预设尺寸窗口诸如采用3×3、5×5、7×7…,移动步距为2,终止窗口为30×30。

步骤a2.分别针对目标区域对应各预设尺寸窗口下、地形起伏度序列，按平均值求取法，获得目标区域分别对应各预设尺寸窗口的地形起伏度值，然后进入步骤a3。

步骤a3.按照各预设尺寸窗口由小至大顺序，针对目标区域分别对应各预设尺寸窗口的地形起伏度值进行排序，构成序列{xi}，i∈{1、…、n}，n表示各预设尺寸窗口的数量，xi表示基于各预设尺寸窗口由小至大顺序中、目标区域对应第i个预设尺寸窗口的地形起伏度值，然后进入步骤a4。

步骤a4.基于变量i的范围，针对序列{xi}，分别获得x1、…、xi-1的平均值xi1，以及获得xi-1、…、xn的平均值xi2，然后进入步骤a5。

步骤a5.根据如下公式：

获得各si的值，然后进入步骤a6。

步骤a6.基于各预设尺寸窗口由小至大顺序，获得s2、…、sn中最小值下标所对应的预设尺寸窗口，即为第一最佳尺寸窗口，然后进入步骤a7。

步骤a7.将目标区域对应第一最佳尺寸窗口的地形起伏度值，作为目标区域地形起伏度数据，同时，基于第一最佳尺寸窗口，利用arcmap应用中的空间分析中坡度模块，获得目标区域地形坡度数据。

步骤b.基于预设地形起伏度阈值和预设地形坡度阈值，按平坦地形、以及除平坦地形外的复杂地形的划分方法，针对目标区域中的地形进行划分分析，并进入步骤c。

步骤c.若目标区域中仅包含平坦地形区域，则进入步骤d；若目标区域中仅包含复杂地形区域，则进入步骤f；若目标区域中同时包含平坦地形区域和复杂地形区域，则同时分别进入步骤d和步骤f。

步骤d.应用经验正交函数分析法，获取目标区域风场数据的时空特征，并利用风场数据中平均u分量和平均v分量的正切变换获得风向夹角，从而获得目标区域的盛行风向，然后进入步骤e；其中,u和v分别代表预设两个相互垂直的的地理方向。

步骤e.根据目标区域中的平坦地形区域dem数据，结合目标区域的盛行风向，针对目标区域中的平坦地形区域进行风电场的布机操作。

上述步骤e应用中，具体包括如下步骤：

步骤e1.采用arcmap应用中的栅格转矢量工具，将目标区域中的平坦地形区域dem数据转换为一个矢量多边形，然后进入步骤e2。

步骤e2.采用arcmap应用中数据管理工具中最小边界几何模块,求得矢量多边形的最小外接矩形，然后进入步骤e3。

步骤e3.获取最小外接矩形的顶点坐标，利用arcmap应用中的渔网工具，按预设单元格尺寸，生成覆盖目标区域中平坦地形区域所对应最小外接矩形的渔网，然后进入步骤e4。

步骤e4.根据目标区域的盛行风向，计算风机的符号方向，并基于最小外接矩形所对应渔网的各个网格，隔行或逐行设置风机放置位置，然后进入步骤e5。

具体来讲，步骤e4中，根据目标区域的盛行风向，按如下规则，实现风机放置位置的排列分布。

若目标区域的盛行风向为单一方向时，如图2所示，则风机放置位置的排列分布为矩阵式分布，且各风机的排列方向与盛行风向相垂直，以及前后两排交错。

若目标区域的盛行风向为非单一方向时，如图3a和图3b所示，则风机放置位置的排列分布为对行排列或者交错排列。

步骤e5.删除落在目标区域所对应矢量多边形外的风机放置位置，更新获得目标区域中平坦地形区域的风机放置位置，进而实现目标区域中平坦地形区域进行风电场的布机操作。

步骤f.根据预设坡位类型，针对目标区域原始dem数据图像，应用聚类算法，获得目标区域中复杂地形区域的山脊区域，这里具体可以应用专利申请号201810550983.4，一种地形坡位分类自适应的聚类方法实现目标区域中复杂地形区域的山脊区域获得。

同时，根据目标区域原始dem数据图像，采用如下步骤f21至步骤f23，获得目标区域中复杂地形区域的山顶点区域，然后进入步骤g。

步骤f21.采用均值变点分析法，基于窗口分析最大值，由各预设尺寸窗口中，获得第二最佳尺寸窗口，并进入步骤f22。

步骤f22.采用arcmap应用中的邻域分析中焦点统计模块，结合第二最佳尺寸窗口，针对目标区域原始dem数据图像进行处理，获得处理后的目标区域dem数据图像，然后进入步骤f23。

f23.采用地图代数中的栅格计算器模块，提取目标区域dem数据图像与目标区域原始dem数据图像之间数值相等的点，这些点即是山顶点区域，即获得目标区域中复杂地形区域的山顶点区域。

步骤g.按预设风速阈值与风功率密度阈值，基于目标区域风场数据中的风速与风功率密度，确定目标区域中复杂地形区域的最佳风能资源区域，然后进入步骤h。

步骤h.基于目标区域中复杂地形区域的山脊区域、山顶点区域，针对目标区域中复杂地形区域中最佳风能资源区域的山脊区域、山顶点区域进行风电场的布机操作，具体包括如下步骤：

步骤h1.针对目标区域中复杂地形区域的山脊区域与山顶点区域，进行图层叠加，相交区域即为目标区域中复杂地形区域的最佳地形区域，然后进入步骤h2。

步骤h2.针对目标区域中复杂地形区域的最佳风能资源区域与最佳地形区域，进行图层叠加，相交的区域即为目标区域中复杂地形区域的风机布设最佳位置，进而进行风电场的布机操作。

将上述所设计风电场微观智能布机方法应用于具体实施例中，则如图4、图5所示，分别获得对应实施例中复杂地形、平坦地形的风机布设位置示意图。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。