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# 海上风电场集电线路设计优化工具
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## 项目简介
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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。
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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。
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## 核心功能
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### 1. 多种布局生成与导入
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- **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。
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- **Excel导入**：支持从 `coordinates.xlsx` 导入自定义的风机和升压站坐标。
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- 格式要求：包含 `Type` (Turbine/Substation), `ID`, `X`, `Y`, `Power` 列。
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### 2. 智能拓扑优化算法
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- **最小生成树 (MST)**：
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- 计算全局最短路径长度。
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- *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。
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- **扇区聚类 (Angular K-means)**：
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- **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。
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- **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。
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### 3. 精细化电气计算与选型
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- **动态电缆选型**：
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- 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。
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- 规格库：覆盖 35mm² 至 400mm² 海缆。
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- 参数：电压等级 **66kV**，功率因数 0.95。
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- **成本与损耗评估**：
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- 考虑海缆材料及敷设成本（约为陆缆的5倍）。
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- 计算全场集电线路的 $I^2R$ 损耗。
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### 4. 工程级可视化与输出
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- **可视化图表**：
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- 生成直观的拓扑连接图。
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- **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）。
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- 自动保存为高清 PNG 图片。
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- **CAD (DXF) 导出**：
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- 使用 `ezdxf` 生成 `.dxf` 文件。
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- 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。
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## 安装说明
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### 环境要求
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- Python >= 3.10
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- 推荐使用 [uv](https://github.com/astral-sh/uv) 进行依赖管理。
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### 安装依赖
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```bash
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# 使用 uv (推荐)
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uv add numpy pandas matplotlib scipy scikit-learn networkx ezdxf openpyxl
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# 或使用 pip
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pip install numpy pandas matplotlib scipy scikit-learn networkx ezdxf openpyxl
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```
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## 使用方法
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### 1. 运行主程序
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```bash
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# 使用 uv
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uv run main.py
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# 或直接运行
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python main.py
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```
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### 2. 数据输入模式
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程序会自动检测当前目录下是否存在 `coordinates.xlsx`：
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- **存在**：优先读取 Excel 文件中的坐标数据进行计算。
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- **不存在**：自动生成 30 台风机的规则布局（Grid Layout）进行演示。
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### 3. 结果输出
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程序运行结束后会：
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1. 在终端打印详细的成本、损耗及电缆统计数据。
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2. 弹窗显示拓扑对比图，并保存为 `wind_farm_design_imported.png` (或 `offshore_...png`)。
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3. 生成 CAD 图纸文件 `wind_farm_design.dxf`。
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## 关键参数说明
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可以在 `main.py` 中调整以下核心常量以适配不同项目：
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```python
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VOLTAGE_LEVEL = 66000 # 集电系统电压 (V)
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POWER_FACTOR = 0.95 # 功率因数
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cost_multiplier = 5.0 # 海缆相对于陆缆的成本倍数
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```
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## 输出示例
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```text
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系统设计参数: 总功率 2000.0 MW, 单回路最大容量 50.4 MW
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计算建议回路数(簇数): 48 (最小需求 40)
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[Sector Clustering] 电缆统计:
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70mm²: 48 条
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185mm²: 37 条
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400mm²: 40 条
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成功导出DXF文件: wind_farm_design.dxf
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```
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## 许可证
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本项目仅供学习和研究使用。 |