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- 新增工程运行期限、折现率、年损耗小时数参数配置 - 实现总费用计算功能（包含电缆投资NPV和电费损耗NPV） - 修复total_investment函数调用时机问题，确保GUI模式正确计算 - 优化电缆单价显示为万元/km单位 - 总长度显示单位改为公里 - 方案对比结果新增总费用列，支持全生命周期成本比选 - 代码格式化和导入顺序优化 - 添加IFLOW.md项目上下文文档
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# 海上风电场集电线路设计优化系统 - 项目上下文
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## 项目概述
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这是一个用于设计和优化海上风电场集电系统拓扑的综合工具，专为海上能源业务开发部电气专业设计。该系统通过多种先进的拓扑优化算法（MST、旋转扫描法、Esau-Williams等），根据风机坐标、功率以及海缆规格，自动生成投资成本最低、损耗最优的设计方案。
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### 核心功能
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- 🖥️ **图形化界面**：基于 NiceGUI 的现代化桌面应用，支持原生窗口模式
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- 🌊 **多种布局生成**：支持规则网格和随机分布布局的模拟数据生成
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- 🔌 **多算法优化**：
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- MST (Minimum Spanning Tree)：无容量约束基准方案
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- Capacitated Sweep (Base)：基础扇区扫描分组
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- Rotational Sweep：全局最优起始角度旋转扫描优化
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- Esau-Williams：经典启发式算法，在距离与容量间寻找最优平衡
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- ⚙️ **灵活参数配置**：通过 Excel 自定义系统电压、功率因数、电价及电缆规格
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- 📊 **智能方案对比**：自动运行三大场景（标准方案、含可选电缆方案、限制最大截面方案）
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- 📁 **多格式导出**：CAD图纸(.dxf)、Excel报告、压缩包
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### 技术栈
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- **语言**：Python 3.12+
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- **GUI框架**：NiceGUI 3.4.1 + PyWebview 6.1
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- **核心库**：
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- numpy 2.4.0：数值计算
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- pandas 2.3.3：数据处理
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- matplotlib 3.10.8：可视化
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- scikit-learn 1.8.0：聚类算法
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- networkx 3.6.1：图算法
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- ezdxf 1.4.3：CAD导出
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- scipy 1.16.3：科学计算
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## 项目结构
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D:\code\windfarm\
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├── main.py # 核心算法和业务逻辑（1388行）
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├── gui.py # NiceGUI图形界面（1067行）
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├── esau_williams.py # Esau-Williams算法实现（242行）
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├── generate_template.py # Excel模板生成器
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├── make_version.py # 版本号自动生成脚本
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├── pyproject.toml # 项目依赖配置
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├── Makefile # 构建脚本
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├── 使用说明/ # 中文操作手册和截图
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├── build/ # 构建输出目录
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└── dist/ # 打包输出目录
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## 构建和运行
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### 环境配置
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项目使用 `uv` 作为包管理器，也支持 `pip`：
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```bash
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# 使用 uv（推荐）
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uv sync
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# 或使用 pip
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pip install -r requirements.txt # 如果有requirements.txt
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# 或手动安装依赖
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pip install numpy pandas matplotlib scikit-learn scipy networkx ezdxf nicegui openpyxl pywebview
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```
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### 运行方式
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#### 1. 图形化界面（推荐）
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```bash
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python gui.py
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```
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启动后，程序将弹出独立窗口，提供完整的交互式界面。
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#### 2. 命令行模式
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```bash
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python main.py --excel your_data.xlsx
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```
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### 构建可执行文件
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使用 Makefile 进行构建：
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```bash
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# 构建exe文件（自动生成版本号）
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make build
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# 重新构建（先清理再构建）
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make rebuild
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# 清理构建文件
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make clean
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# 查看帮助
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make help
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```
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构建过程：
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1. 运行 `make_version.py` 生成版本号
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2. 使用 `nicegui-pack` 打包为单文件exe
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3. 重命名输出文件包含版本号
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构建输出位于 `dist/` 目录，文件名格式：`海上风电场集电线路设计优化系统_{VERSION}.exe`
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## 输入数据规范
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### Excel文件格式
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输入Excel文件应包含以下三个Sheet：
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#### 1. Coordinates（坐标数据）- 必需
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| Type | ID | X | Y | Power | PlatformHeight |
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|------|----|---|---|-------|----------------|
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| Substation | Sub1 | 4000 | -800 | 0 | 0 |
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| Turbine | 1 | 0 | 0 | 8.0 | 25 |
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- **Type**: `Substation` 或 `Turbine`
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- **X/Y**: 投影坐标（米），建议使用高斯投影坐标
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- **Power**: 功率（MW），升压站填0
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- **PlatformHeight**: 塔筒/平台高度（米）
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#### 2. Cables（电缆规格）- 必需
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| CrossSection | Capacity | Resistance | Cost | Optional |
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|--------------|----------|------------|------|----------|
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| 35 | 150 | 0.524 | 80 | |
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| 400 | 580 | 0.0470 | 600 | Y |
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- **CrossSection**: 导体截面（mm²）
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- **Capacity**: 额定载流量（A），需考虑降容系数
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- **Resistance**: 交流电阻（Ω/km）
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- **Cost**: 综合单价（元/m）
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- **Optional**: 可选标记（Y表示可选大截面电缆）
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**重要规则**：
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- 电缆必须按截面从小到大排列
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- `Optional` 为 'Y' 的电缆最多只能有一条
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- 若存在可选电缆，它必须是列表中截面最大的一条
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#### 3. Parameters（系统参数）- 必需
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| Parameter | Value |
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|-----------|-------|
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| Voltage (kV) / 电压 (kV) | 66 |
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| Power Factor / 功率因数 | 0.95 |
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| Electricity Price (元/kWh) / 电价 (元/kWh) | 0.4 |
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## 核心算法说明
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### 1. MST（最小生成树）
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- **原理**：基于 Kruskal 或 Prim 算法，寻找连接所有风机且总路径长度最短的树状结构
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- **特点**：不考虑电缆载流量限制，仅作为理论距离基准参考
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- **适用场景**：小规模风电场的理论分析
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### 2. Capacitated Sweep（基础扇区扫描）
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- **原理**：以升压站为中心，将平面划分为扇区，按顺时针扫描风机
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- **特点**：计算速度快，拓扑结构简单清晰
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- **局限**：对起始扫描角度敏感，可能产生"长尾巴"连线
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### 3. Rotational Sweep（旋转扫描优化）
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- **原理**：尝试 0° 到 360° 之间的所有起始扫描角度
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- **优势**：比基础扫描法节省 3%~8% 的线缆成本
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- **适用场景**：最接近人工精细化排布的自动化算法
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### 4. Esau-Williams 启发式算法
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- **原理**：约束最小生成树（CMST）算法，迭代计算互联操作的成本节省
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- **优势**：能发现树状、多分叉等复杂但更经济的拓扑结构
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- **适用场景**：风机分布不规则、离岸距离较远或电缆造价极高的情况
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## 方案场景说明
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系统自动运行三种场景：
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1. **Scenario 1 (Standard)**：仅使用非可选（标准）电缆进行优化
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2. **Scenario 2 (With Optional)**：包含标记为 'Y' 的大型电缆，适用于尝试增加单回路容量
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3. **Scenario 3 (No Max)**：排除最大截面电缆，测试电缆供应受限时的最优拓扑
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## 输出文件说明
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- **Excel报告**：`[文件名]_result.xlsx` - 包含所有方案总览及详细连接清单
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- **CAD图纸**：`design_[方案名].dxf` - 分层分色的拓扑图
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- **全部方案**：`[文件名]_result.zip` - 包含所有图纸及Excel报告
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## 关键常量和配置
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### 电气参数
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- **系统电压**：66,000 V (66kV)
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- **功率因数**：0.95
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- **电价**：0.4 元/kWh
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### 电缆规格示例
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- 最小截面：35mm² (载流量150A)
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- 最大截面：400mm² (载流量580A)
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- 降容系数：0.8（实际载流量 = 额定载流量 × 0.8）
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### 算法参数
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- 默认风机数量：30台
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- 默认布局：随机分布或网格
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- 默认间距：800米（网格布局）
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## 开发约定
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### 代码风格
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- 使用中文注释和文档字符串
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- 函数命名使用 snake_case
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- 类名使用 PascalCase
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- 常量使用 UPPER_CASE
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### 版本管理
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- 版本号通过 `make_version.py` 自动生成
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- 版本号格式：v{major}.{minor}.{patch}
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- 版本号存储在 `version.py` 文件中
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### 构建约定
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- 使用 `nicegui-pack` 进行打包
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- 单文件模式（--onefile）
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- 无窗口模式（--windowed）
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- 输出文件名包含版本号
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### 测试约定
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- GUI测试使用 frontend-tester agent
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- Python代码测试使用 python-pro agent
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- 测试覆盖率要求：核心算法部分 > 80%
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## 常见问题
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### Q1: MST算法显示极高的成本和损耗？
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**A**: 这是预期行为。MST算法不考虑载流量约束，会产生单一树状结构导致根部电缆严重过载。这仅作为理论基准参考。
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### Q2: 如何在CAD图纸中找到图形？
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**A**: 双击鼠标滚轮（Zoom Extents）全屏显示。风机坐标通常是大地坐标（数值很大），如果CAD当前视口在(0,0)附近，可能会找不到图形。
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### Q3: 可选电缆的使用规则是什么？
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**A**:
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- 可选电缆（Optional='Y'）最多只能有一条
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- 必须是列表中截面最大的电缆
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- 用于特定场景（如增加单回路容量）
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## 技术支持
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- **适用对象**：海上能源业务开发部 - 电气专业
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- **技术支持**：杜孟远
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- **文档版本**：v1.0
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- **编制日期**：2026年1月5日
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## 许可证
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本项目仅供工程学习、研究和初步设计评估使用。详细计算应以专业设计院规范为准。 |