在海上風電場建設過程中，集電線路的成本是影響項目全生命周期收益的重要環節。以廣東省某項目為例，海纜投資成本在總投資中的占比約為9.64%，僅次于風機設備與基礎建筑工程的投資比例，如圖1所示。因此，集電線路的布局優化對降低整個海上風電場投資具有至關重要的意義。
圖1 廣東某海上風電場建設投資成本占比圖
集電線路的合理布局，可以優化不同規格截面海纜長度的搭配，減少風電機組之間的海纜連接用量，降低風電場建設成本和場內輸變電損耗，助力實現海上風場收益最大化。
數據顯示，在設計階段通過優化35kV海上集電線路，每節約1km的海纜長度，根據不同規格海纜的市場價格，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，目前行業主流的基于經驗的手動設計方法難以精準鎖定設備投運成本最優的集電線路連線方案，造成真金白銀的流失。且隨著海上風電場的容量越來越大，離岸越來越遠，更科學的海纜布局變得越來越重要。
為破解上述難題，明陽智能海上研發團隊嘗試了10余種優化算法，通過上萬次迭代測試，最終研發出行業首個放射區域樹算法，集成到海上整體解決方案軟件MY Offshore WindFarm中，并在海上風電項目中得以成功應用，為客戶節省千萬投資成本。
明陽智能如何通過這個軟件實現最優集電線路優化設計的呢？簡單來說分解為兩個步驟：第一步劃分放射性區域，將風電場放射性分割為若干子區域，確保各子區域均包含指定數量的風機。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節省了大量計算時間。第二步進行回路內連線，將用戶輸入的不同規格的海纜價格作為權重因子，以海纜成本最低為目標將回路內風機串聯起來，從而保證回路內海纜總成本最低，實現海上風場35kV集電線路自動優化的最終目標。
圖2 集電線路拓撲結構設計原理
這套算法應用便捷，用戶只需采用明陽智能自主開發的機位優化排布模塊的輸出結果，輸入所用機型和風場容量，根據海纜選型及價格，便可在10分鐘內，從千余個集電線路布局方案中精準捕捉經濟性最優的海纜布局。
以某海上風場項目為例，風場規劃安裝55臺單機容量為5.5MW的風電機組，輸出的電力通過35kV海纜匯集到位于風電場內部靠近陸地側的海上升壓站，如圖3所示。
圖3 風機、升壓站布局示意圖
通過集電線路自動優化計算程序，放射區域樹算法在約8分鐘的計算時長內捕捉滿足拓撲約束的方案共3630個，并快速計算出相應方案海纜成本金額，從中遴選出成本最低的海纜布局方案。
行業主流基于經驗的手動設計方案，與采用明陽智能放射區域樹算法進行集電線路自動優化后的線路對比如圖4所示。
優化前 優化后
圖4 優化前后集電線路對比圖
表1 海纜連線方案對比
由表1可見，采用明陽智能集電線路自動優化算法的海纜布局方案，比優化前的手動設計方案減少35kV海纜總長度4.55km，按不同規格海纜的價格測算，項目投資可節省約1200萬元。
明陽智能以先進的智能化技術為手段，不斷突破傳統的技術經驗限制，通過放射區域樹算法實現了海上風場35kV集電線路的自動優化，為實現海上整體解決方案最優奠定基礎。
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