彭懷午，胡己坤，田偉輝，呂 昶

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 前 言

在《關(guān)于完善風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》(發(fā)改價(jià)格[2019]882號(hào)文)中，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)明確了2019年I～Ⅳ類(lèi)資源區(qū)新核準(zhǔn)陸上風(fēng)電指導(dǎo)價(jià)分別調(diào)整為0.34、0.39、0.43、0.52元/(kW·h)，2020年指導(dǎo)價(jià)分別調(diào)整為0.29、0.34、0.38、0.47元/(kW·h)，2021年新核準(zhǔn)陸上風(fēng)電項(xiàng)目全面實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)，國(guó)家不再補(bǔ)貼。

風(fēng)電場(chǎng)選型、選址[1-2]和建設(shè)條件日益復(fù)雜，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)成為影響風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)成敗的決定性因素。受益于大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算等信息技術(shù)的飛速發(fā)展，大量的創(chuàng)新技術(shù)正成為風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)[3- 4]的重要基礎(chǔ)?；谌斯ぶ悄芎痛髷?shù)據(jù)等技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)智能化設(shè)計(jì)[5-7]正在革命性地改變傳統(tǒng)風(fēng)電設(shè)計(jì)行業(yè)，為平價(jià)風(fēng)電開(kāi)發(fā)提供有力的技術(shù)支撐。本文從風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的各個(gè)專(zhuān)業(yè)角度，對(duì)智能化設(shè)計(jì)云平臺(tái)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 風(fēng)資源智能化評(píng)估研究

以測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)、氣象站數(shù)據(jù)和中尺度數(shù)據(jù)作為輸入，重點(diǎn)研究中小尺度嵌套計(jì)算、大數(shù)據(jù)的自動(dòng)整理分析、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)智能化插補(bǔ)延長(zhǎng)及代表年分析等風(fēng)資源評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 中尺度風(fēng)資源數(shù)據(jù)降尺度嵌套計(jì)算

研究風(fēng)資源計(jì)算中從中尺度數(shù)據(jù)到小尺度數(shù)據(jù)的跨尺度框架，提出將中尺度計(jì)算數(shù)據(jù)降尺度應(yīng)用到風(fēng)資源評(píng)估軟件的方法及相關(guān)參數(shù)設(shè)置方案，開(kāi)發(fā)基于云計(jì)算技術(shù)的全國(guó)范圍中尺度數(shù)據(jù)平臺(tái)，提供高質(zhì)量的中尺度與小尺度的嵌套數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。

目前主要采用成熟先進(jìn)的WRF模式和共享再分析數(shù)據(jù)搭建中尺度風(fēng)速數(shù)值模擬平臺(tái)。采用云服務(wù)的方式，對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目所在省市區(qū)域范圍的中尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，并結(jié)合已掌握的1∶2 000～1∶10 000高精度地形圖、實(shí)際測(cè)風(fēng)資料和氣象站資料，使用已有的Windsim或WT軟件進(jìn)行高精度的降尺度數(shù)據(jù)計(jì)算及精度修正，提供高質(zhì)量的中、小尺度的嵌套數(shù)值模擬數(shù)據(jù)[8-9]，具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 基于中尺度與小尺度模型進(jìn)行降尺度計(jì)算

首先利用全球環(huán)流模式的長(zhǎng)期再分析數(shù)據(jù)，基于WRF模式，對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目所在省市區(qū)域進(jìn)行中尺度風(fēng)速數(shù)值模擬計(jì)算，并采用測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行MOS數(shù)據(jù)校正，獲得分辨率在公里級(jí)的中尺度計(jì)算結(jié)果。其次將測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行MCP相關(guān)分析，得到具備多年代表性的風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，并嵌套中尺度的風(fēng)能資源圖譜，結(jié)合實(shí)測(cè)地形圖、實(shí)地繪制的地表粗糙度和實(shí)際計(jì)算的大氣穩(wěn)定度，利用CFD軟件最終計(jì)算得到高分辨率的小尺度風(fēng)能資源分布圖。

1.2 大數(shù)據(jù)智能診斷與管理

研究針對(duì)測(cè)風(fēng)項(xiàng)目的海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集、處理和分析的方法模型，建立一套完整的數(shù)據(jù)智能管理和分析體系，形成風(fēng)資源數(shù)據(jù)管理分析模塊。針對(duì)測(cè)風(fēng)項(xiàng)目的海量數(shù)據(jù)[10]，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和分析，技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 大數(shù)據(jù)智能診斷與管理技術(shù)路線

通過(guò)大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)Hadoop和Spark對(duì)各類(lèi)結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的不同格式的風(fēng)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一收集，存儲(chǔ)在單位風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)等方式處理和分析測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，建立一套完整的數(shù)據(jù)管理和分析體系。具有數(shù)據(jù)可視化[11]、自動(dòng)檢驗(yàn)、智能診斷與修補(bǔ)、數(shù)據(jù)異常自動(dòng)報(bào)警及一鍵生成各類(lèi)報(bào)表等功能。測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)中心可將所有測(cè)風(fēng)項(xiàng)目的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，通過(guò)積累逐步形成全國(guó)范圍的風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)于風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段。

1.3 風(fēng)資源智能化分析計(jì)算

建立一套具有排查數(shù)據(jù)缺失和異常、智能化修補(bǔ)延長(zhǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、多種代表年訂正方法比較、輪轂高度風(fēng)速外推計(jì)算等功能的風(fēng)資源智能化分析模塊，能夠應(yīng)用人工智能技術(shù)，對(duì)海量的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、中尺度數(shù)據(jù)及再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、回歸及聚類(lèi)等處理，技術(shù)路線如圖3所示。整合出風(fēng)資源數(shù)據(jù)各物理量的表現(xiàn)模式后，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和人工智能算法，對(duì)各種因素造成的數(shù)據(jù)缺失和異常，開(kāi)展質(zhì)量分析、異常數(shù)據(jù)自動(dòng)判定機(jī)制、塔影分析[12]、數(shù)據(jù)智能插補(bǔ)延長(zhǎng)、長(zhǎng)系列訂正[13]、湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變、最大風(fēng)速計(jì)算等工作，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量水平。對(duì)于不同階段的風(fēng)資源專(zhuān)業(yè)分析報(bào)告，平臺(tái)擁有快捷的按照用戶需求定制的分析報(bào)告生成、審批、發(fā)布的自動(dòng)化流程。

圖3 風(fēng)資源智能化分析計(jì)算技術(shù)路線

2 智能布機(jī)全局優(yōu)化研究

以無(wú)人機(jī)航拍圖、衛(wèi)星圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景拍攝圖為基礎(chǔ)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及三維互動(dòng)技術(shù)，構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)三維可視化場(chǎng)景?；陲L(fēng)能資源專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件輸出的高精度風(fēng)資源圖譜，將風(fēng)電機(jī)組智能布置優(yōu)化、集電線路智能優(yōu)化與場(chǎng)區(qū)道路自動(dòng)優(yōu)化三者進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)耦合，完成風(fēng)電機(jī)組布置的全局優(yōu)化。

智能布機(jī)全局優(yōu)化技術(shù)路線如圖4所示。主要采用GIS技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)及Dijkstra算法[14]與最小生成樹(shù)算法[15]，將真實(shí)的風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)景在桌面上進(jìn)行三維可視化呈現(xiàn)，并將集電線路優(yōu)化與道路優(yōu)化成果集成到風(fēng)電機(jī)組布置優(yōu)化中，經(jīng)過(guò)大量的方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后，自動(dòng)推薦最優(yōu)的風(fēng)電機(jī)組布置、集電線路路徑及場(chǎng)區(qū)道路路徑，并實(shí)現(xiàn)三維交互環(huán)境下的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖4 智能布機(jī)全局優(yōu)化技術(shù)路線

2.1 三維可視化平臺(tái)

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)航拍影片疊加衛(wèi)星圖片與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拍攝圖片，建立風(fēng)電場(chǎng)三維可視化平臺(tái)；基于風(fēng)資源評(píng)估軟件的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合人工智能優(yōu)化算法，綜合考慮發(fā)電量、道路與集電線路成本，全局優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組布置。友好型的交互設(shè)計(jì)可以使得風(fēng)電機(jī)組人工移動(dòng)后，自動(dòng)生成新的道路與集電線路及其工程量，形成新的布置方案，方便結(jié)合實(shí)地情況對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行調(diào)整。由于智能算法需要大量的迭代，加上考慮道路與集電線路成本造成的單次迭代計(jì)算量大大增加，全局優(yōu)化算法必須引入到并行計(jì)算框架。

2.2 線路優(yōu)化

結(jié)合GIS技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)，利用無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)航拍影片、衛(wèi)星圖片與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拍攝圖片對(duì)地形特征的識(shí)別，自動(dòng)識(shí)別出河流、高坡度區(qū)及多植被區(qū)等敏感區(qū)域，使風(fēng)機(jī)布置和道路及電纜鋪設(shè)避開(kāi)嚴(yán)重影響安全運(yùn)行地區(qū)；科學(xué)地對(duì)風(fēng)電機(jī)組群進(jìn)行區(qū)域劃分，使用智能算法并結(jié)合最小生成樹(shù)方法在坡度等限制下對(duì)各分區(qū)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的電纜布置進(jìn)行優(yōu)化，形成最優(yōu)化路徑。

2.3 道路優(yōu)化

通過(guò)綜合考慮場(chǎng)內(nèi)和場(chǎng)外物流成本，以及道路挖填平衡、安裝平臺(tái)最小、水土保持、機(jī)位點(diǎn)位置等因素，以道路和平臺(tái)的綜合造價(jià)最優(yōu)為目標(biāo)，使用智能算法并結(jié)合最小生成樹(shù)方法優(yōu)化道路選線，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)的方案，技術(shù)路線如圖5所示。結(jié)合地形識(shí)別技術(shù)，將河流、高坡度、地質(zhì)條件差等不能鋪設(shè)道路的區(qū)域設(shè)置為敏感區(qū)域。同時(shí)，在道路建設(shè)前的路勘階段，依靠智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集風(fēng)場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)道路與設(shè)計(jì)道路的環(huán)境數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化3D道路模擬平臺(tái)，提前識(shí)別道路運(yùn)輸與施工過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并輸出解決方案，確保施工質(zhì)量和最終的運(yùn)輸過(guò)程安全。

圖5 道路優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)路線

3 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

基于風(fēng)電場(chǎng)各個(gè)機(jī)位處實(shí)際的風(fēng)速、湍流等風(fēng)資源特征，對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行定制化處理，結(jié)合基礎(chǔ)技經(jīng)庫(kù)，進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)內(nèi)基礎(chǔ)的分區(qū)分類(lèi)的差異化設(shè)計(jì)。通過(guò)軟件內(nèi)部模塊計(jì)算，得到每個(gè)機(jī)位點(diǎn)的風(fēng)機(jī)所受的載荷，結(jié)合相應(yīng)機(jī)位點(diǎn)的地質(zhì)條件、基礎(chǔ)工程投資及施工工期、環(huán)境保護(hù)對(duì)基礎(chǔ)施工的特殊要求等幾個(gè)方面，自動(dòng)選擇合適的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)類(lèi)型。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)路線如圖6所示。

3.1 載荷優(yōu)化

研究風(fēng)機(jī)廠家載荷計(jì)算方法，綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)程規(guī)范，形成對(duì)風(fēng)機(jī)廠家載荷初步校核的計(jì)算方法。編制并優(yōu)化相關(guān)計(jì)算算法，通過(guò)統(tǒng)一的交互式平臺(tái)鏈接，達(dá)到對(duì)不同建設(shè)條件下風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)載荷計(jì)算個(gè)性分析的目的。

3.2 土建數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)

建立完善的風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)土建數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，采用云服務(wù)的方式，鏈接該數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)輸入的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)完成風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)初期設(shè)計(jì)工作。該初期設(shè)計(jì)工作主要為對(duì)已有數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)參數(shù)綜合分析后，形成匹配度最高的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

通過(guò)統(tǒng)一的交互平臺(tái)，與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件無(wú)縫對(duì)接，建立設(shè)計(jì)資料輸入接口，完成風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算工作，通過(guò)設(shè)置統(tǒng)一的出圖模板，滿足相關(guān)圖紙出圖，并輸出設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)。

圖6 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)路線

4 風(fēng)電場(chǎng)升壓站選址及優(yōu)化研究

考慮進(jìn)場(chǎng)道路、集電線路、送出線路及升壓站本身建設(shè)施工成本，對(duì)升壓站位置進(jìn)行定量?jī)?yōu)化，并智能推薦升壓站布置、自動(dòng)選配升壓站的電氣設(shè)備。

升壓站的位置選擇對(duì)集電線路設(shè)計(jì)的成本控制具有很大的影響，通過(guò)建立產(chǎn)品化升壓站選址能力，將軟件化的集電線路工程設(shè)計(jì)能力應(yīng)用在升壓站選址中，在項(xiàng)目前期給出綜合考慮建設(shè)條件、集電線路、道路的最優(yōu)升壓站位置選取[16]。風(fēng)電場(chǎng)升壓站站址應(yīng)根據(jù)電力規(guī)劃及風(fēng)電場(chǎng)中長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)容量、運(yùn)輸條件、地區(qū)自然條件、環(huán)境保護(hù)要求等因素全面考慮。根據(jù)《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》并結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)前期工作經(jīng)驗(yàn)，制定風(fēng)電場(chǎng)升壓站選址及優(yōu)化研究方法如圖7所示。

圖7 升壓站選址及優(yōu)化技術(shù)路線

4.1 自動(dòng)避開(kāi)敏感區(qū)域

根據(jù)相關(guān)資料，自動(dòng)圖像識(shí)別[17]或人工劃出自然保護(hù)區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、礦藏區(qū)等區(qū)域。同時(shí)，考慮臨近設(shè)施、周?chē)h(huán)境和相互影響和協(xié)調(diào)，站址距飛機(jī)場(chǎng)、導(dǎo)航臺(tái)、收發(fā)信臺(tái)、地震臺(tái)、鐵路信號(hào)等設(shè)施應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 站址優(yōu)化

研究影響升壓站選址的各項(xiàng)因素，在綜合考慮風(fēng)電場(chǎng)地形、地質(zhì)、征地、標(biāo)高、交通運(yùn)輸、出線走廊、集電線路、場(chǎng)內(nèi)道路等建設(shè)條件的基礎(chǔ)上，自動(dòng)識(shí)別地形與坡度，構(gòu)建技經(jīng)庫(kù)，智能算法遍歷風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)范圍，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)選升壓站站址位置。

4.3 布置與設(shè)備優(yōu)化

根據(jù)選定站址地質(zhì)及氣象情況，綜合考慮占地、運(yùn)維、造價(jià)等因素，構(gòu)建技經(jīng)庫(kù)，自動(dòng)進(jìn)行比選，推薦出升壓站布置最佳方案(戶外敞開(kāi)式、戶外GIS、戶內(nèi)GIS等)。

同時(shí)，根據(jù)輸入的裝機(jī)容量、風(fēng)電機(jī)組機(jī)型、場(chǎng)址條件、接入系統(tǒng)要求等邊界條件，基于目標(biāo)函數(shù)與約束條件，智能選配風(fēng)場(chǎng)及升壓站的電氣設(shè)備形式及參數(shù)[18]。

5 結(jié)論與展望

基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與人工智能等技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)智能化設(shè)計(jì)云平臺(tái)，將風(fēng)資源智能化評(píng)估、智能全局布機(jī)優(yōu)化(含場(chǎng)內(nèi)道路優(yōu)化與集電線路優(yōu)化)、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)優(yōu)化、升壓站選址優(yōu)化等系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一的交互平臺(tái)在云端有機(jī)融合，完成風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)全專(zhuān)業(yè)協(xié)同優(yōu)化，以及對(duì)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析及計(jì)算的快速響應(yīng)。

該平臺(tái)為行業(yè)提供規(guī)范的工作流程和高效的自動(dòng)化處理機(jī)制，有效促進(jìn)各專(zhuān)業(yè)的緊密協(xié)作，降低協(xié)調(diào)溝通成本，提升設(shè)計(jì)水平，提高工作效率。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)智能化設(shè)計(jì)云平臺(tái)將作為風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的動(dòng)力引擎，源源不斷引入前沿創(chuàng)新技術(shù)，使得風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品在精準(zhǔn)、降本、增效各個(gè)維度取得持續(xù)提升，推動(dòng)我國(guó)風(fēng)電行業(yè)科技進(jìn)步及風(fēng)電事業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。