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dmy 61fa870778 feat: 完善经济性分析功能和优化界面显示

- 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

2026-01-06 15:09:52 +08:00

8.3 KiB

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海上风电场集电线路设计优化系统 - 项目上下文

项目概述

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。

核心功能

🖥️ 图形化界面：基于 NiceGUI 的现代化桌面应用，支持原生窗口模式
🌊 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
🔌 多算法优化：
- MST (Minimum Spanning Tree)：无容量约束基准方案
- Capacitated Sweep (Base)：基础扇区扫描分组
- Rotational Sweep：全局最优起始角度旋转扫描优化
- Esau-Williams：经典启发式算法，在距离与容量间寻找最优平衡
⚙️ 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
📊 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）
📁 多格式导出：CAD图纸(.dxf)、Excel报告、压缩包

技术栈

语言：Python 3.12+
GUI框架：NiceGUI 3.4.1 + PyWebview 6.1
核心库：
- numpy 2.4.0：数值计算
- pandas 2.3.3：数据处理
- matplotlib 3.10.8：可视化
- scikit-learn 1.8.0：聚类算法
- networkx 3.6.1：图算法
- ezdxf 1.4.3：CAD导出
- scipy 1.16.3：科学计算

项目结构

D:\code\windfarm\
├── main.py                 # 核心算法和业务逻辑（1388行）
├── gui.py                  # NiceGUI图形界面（1067行）
├── esau_williams.py        # Esau-Williams算法实现（242行）
├── generate_template.py    # Excel模板生成器
├── make_version.py         # 版本号自动生成脚本
├── pyproject.toml          # 项目依赖配置
├── Makefile                # 构建脚本
├── 使用说明/               # 中文操作手册和截图
├── build/                  # 构建输出目录
└── dist/                   # 打包输出目录

构建和运行

环境配置

项目使用 uv 作为包管理器，也支持 pip：

# 使用 uv（推荐）
uv sync

# 或使用 pip
pip install -r requirements.txt  # 如果有requirements.txt
# 或手动安装依赖
pip install numpy pandas matplotlib scikit-learn scipy networkx ezdxf nicegui openpyxl pywebview

运行方式

1. 图形化界面（推荐）

python gui.py

启动后，程序将弹出独立窗口，提供完整的交互式界面。

2. 命令行模式

python main.py --excel your_data.xlsx

构建可执行文件

使用 Makefile 进行构建：

# 构建exe文件（自动生成版本号）
make build

# 重新构建（先清理再构建）
make rebuild

# 清理构建文件
make clean

# 查看帮助
make help

构建过程：

运行 make_version.py 生成版本号
使用 nicegui-pack 打包为单文件exe
重命名输出文件包含版本号

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

输入数据规范

Excel文件格式

输入Excel文件应包含以下三个Sheet：

1. Coordinates（坐标数据）- 必需

Type	ID	X	Y	Power	PlatformHeight
Substation	Sub1	4000	-800	0	0
Turbine	1	0	0	8.0	25

Type: Substation 或 Turbine
X/Y: 投影坐标（米），建议使用高斯投影坐标
Power: 功率（MW），升压站填0
PlatformHeight: 塔筒/平台高度（米）

2. Cables（电缆规格）- 必需

CrossSection	Capacity	Resistance	Cost	Optional
35	150	0.524	80
400	580	0.0470	600	Y

CrossSection: 导体截面（mm²）
Capacity: 额定载流量（A），需考虑降容系数
Resistance: 交流电阻（Ω/km）
Cost: 综合单价（元/m）
Optional: 可选标记（Y表示可选大截面电缆）

重要规则：

电缆必须按截面从小到大排列
Optional 为 'Y' 的电缆最多只能有一条
若存在可选电缆，它必须是列表中截面最大的一条

3. Parameters（系统参数）- 必需

Parameter	Value
Voltage (kV) / 电压 (kV)	66
Power Factor / 功率因数	0.95
Electricity Price (元/kWh) / 电价 (元/kWh)	0.4

核心算法说明

1. MST（最小生成树）

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
特点：不考虑电缆载流量限制，仅作为理论距离基准参考
适用场景：小规模风电场的理论分析

2. Capacitated Sweep（基础扇区扫描）

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
特点：计算速度快，拓扑结构简单清晰
局限：对起始扫描角度敏感，可能产生"长尾巴"连线

3. Rotational Sweep（旋转扫描优化）

原理：尝试 0° 到 360° 之间的所有起始扫描角度
优势：比基础扫描法节省 3%~8% 的线缆成本
适用场景：最接近人工精细化排布的自动化算法

4. Esau-Williams 启发式算法

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
优势：能发现树状、多分叉等复杂但更经济的拓扑结构
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

方案场景说明

系统自动运行三种场景：

Scenario 1 (Standard)：仅使用非可选（标准）电缆进行优化
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
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

输出文件说明

Excel报告：[文件名]_result.xlsx - 包含所有方案总览及详细连接清单
CAD图纸：design_[方案名].dxf - 分层分色的拓扑图
全部方案：[文件名]_result.zip - 包含所有图纸及Excel报告

关键常量和配置

电气参数

系统电压：66,000 V (66kV)
功率因数：0.95
电价：0.4 元/kWh

电缆规格示例

最小截面：35mm² (载流量150A)
最大截面：400mm² (载流量580A)
降容系数：0.8（实际载流量 = 额定载流量 × 0.8）

算法参数

默认风机数量：30台
默认布局：随机分布或网格
默认间距：800米（网格布局）

开发约定

代码风格

使用中文注释和文档字符串
函数命名使用 snake_case
类名使用 PascalCase
常量使用 UPPER_CASE

版本管理

版本号通过 make_version.py 自动生成
版本号格式：v{major}.{minor}.{patch}
版本号存储在 version.py 文件中

构建约定

使用 nicegui-pack 进行打包
单文件模式（--onefile）
无窗口模式（--windowed）
输出文件名包含版本号

测试约定

GUI测试使用 frontend-tester agent
Python代码测试使用 python-pro agent
测试覆盖率要求：核心算法部分 > 80%

常见问题

Q1: MST算法显示极高的成本和损耗？

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。

Q2: 如何在CAD图纸中找到图形？

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。

Q3: 可选电缆的使用规则是什么？

可选电缆（Optional='Y'）最多只能有一条
必须是列表中截面最大的电缆
用于特定场景（如增加单回路容量）

技术支持

适用对象：海上能源业务开发部 - 电气专业
技术支持：杜孟远
文档版本：v1.0
编制日期：2026年1月5日

许可证

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。

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