海上风电场集电线路设计优化工具

项目简介

这是一个用于海上风电场集电线路拓扑设计和优化的Python工具。它专注于解决大规模海上风电场的集电系统规划问题，通过算法比较不同设计方案的经济性和技术指标。

本项目特别针对海上风电场景进行了优化，考虑了海缆的高昂成本、大功率风机（6-10MW）以及严格的电缆载流量约束。

核心功能

1. 多种布局生成与导入

• 自动生成：支持生成规则的矩阵式（Grid）风机布局，模拟海上风电场常见排布。
• Excel导入：支持从 coordinates.xlsx 导入自定义的风机和升压站坐标。
  • 格式要求：包含 Type (Turbine/Substation), ID, X, Y, Power 列。

2. 智能拓扑优化算法

• 最小生成树 (MST)：
  • 计算全局最短路径长度。
  • 注意：在大规模风电场中，纯MST往往会导致根部电缆严重过载，仅作为理论最短路径参考。
• 扇区聚类 (Angular K-means)：
  • 无交叉设计：基于角度（扇区）进行聚类，从几何上杜绝不同回路间的电缆交叉。
  • 容量约束：自动计算所需的最小回路数（Clusters），确保每条集电线路的总功率不超过海缆极限。

3. 精细化电气计算与选型

• 动态电缆选型：
  • 基于实际潮流计算（Power Flow），为每一段线路选择最经济且满足载流量的电缆。
  • 规格库：覆盖 35mm² 至 400mm² 海缆。
  • 参数：电压等级 66kV，功率因数 0.95。
• 成本与损耗评估：
  • 考虑海缆材料及敷设成本（约为陆缆的5倍）。
  • 计算全场集电线路的 I^2R 损耗。

4. 工程级可视化与输出

• 可视化图表：
  • 生成直观的拓扑连接图。
  • 颜色编码：使用不同颜色和粗细区分不同截面的电缆（如绿色细线为35mm²，红色粗线为400mm²）。
  • 自动保存为高清 PNG 图片。
• CAD (DXF) 导出：
  • 使用 ezdxf 生成 .dxf 文件。
  • 分层管理：风机、升压站、各规格电缆分层显示，可直接导入 AutoCAD 进行后续工程设计。

安装说明

环境要求

• Python >= 3.10
• 推荐使用 uv 进行依赖管理。

安装依赖

# 使用 uv (推荐)
uv add numpy pandas matplotlib scipy scikit-learn networkx ezdxf openpyxl

# 或使用 pip
pip install numpy pandas matplotlib scipy scikit-learn networkx ezdxf openpyxl

使用方法

1. 运行主程序

# 使用 uv
uv run main.py

# 或直接运行
python main.py

2. 数据输入模式

程序会自动检测当前目录下是否存在 coordinates.xlsx：

• 存在：优先读取 Excel 文件中的坐标数据进行计算。
• 不存在：自动生成 30 台风机的规则布局（Grid Layout）进行演示。

3. 结果输出

程序运行结束后会：

1. 在终端打印详细的成本、损耗及电缆统计数据。
2. 弹窗显示拓扑对比图，并保存为 wind_farm_design_imported.png (或 offshore_...png)。
3. 生成 CAD 图纸文件 wind_farm_design.dxf。

关键参数说明

可以在 main.py 中调整以下核心常量以适配不同项目：

VOLTAGE_LEVEL = 66000  # 集电系统电压 (V)
POWER_FACTOR = 0.95    # 功率因数
cost_multiplier = 5.0  # 海缆相对于陆缆的成本倍数

输出示例

系统设计参数: 总功率 2000.0 MW, 单回路最大容量 50.4 MW
计算建议回路数(簇数): 48 (最小需求 40)

[Sector Clustering] 电缆统计:
  70mm²: 48 条
  185mm²: 37 条
  400mm²: 40 条

成功导出DXF文件: wind_farm_design.dxf

许可证

本项目仅供学习和研究使用。