風電場集電線路回路數量及路徑優化研究

孫旺成

（景泰新能源（上海）有限公司，上海 200051）

風電場內部組成中的集電線路，作為風電場運行的基礎設施，用于連接風電場各個環節，承載著風電場的核心工作內容：匯集每臺風機產出電量，輸送匯集電量至升壓站。風電場的風機數量較多，容量設置在50MW，集電線路的電壓等級標準在35kV。在輸送容量、線路長度等標準化背景下，集電線路擁有2～3個線路輸送電量。在集電線路設計中，回路數量成為設計人員的工作重點。

1 風電場集電線路中回路數研究

1．1 導線截面

導線截面，為線路運行與檢修提供便利，減少設備備用種類，有助于優化運行成本，3回路的連接特征為：每回路最大輸送容量為16.5MW，導線橫截面選擇有多種，比如：LGJ-185、LGJ-195；2回路連接特點為：每回路輸最多輸電量為25.5MW，導線截面為的選擇為：LGJ-1、LGJ-95、LGJ-240、LGJ-185等；由此發現導線截面選擇中，2回路比3回路多一種截面方式。

1．2 桿塔集電線路設計

當前送電線路所包含的混凝土桿與鐵塔，其電壓值具有一致性。為節省經濟成本，優化線路布局，風電場所采取的集電線路與桿塔設計，主要以鋼筋混凝土為基礎，讓混凝土桿與鐵塔相互融合，規格在185以下的截面導線采用此方法。3回路的集線電路設計中，全部應用了鋼筋混凝土桿，2回路設計中，使用的是二者混合的方式。鋼筋混凝土的直線基礎位置，裝置了設卡盤，在轉角桿位置采用的設計裝置為底盤與拉線盤。鐵塔基礎一般采用的設計有兩種，分別是灌注樁基礎、混凝土臺階基礎。

1．3 升壓站終端集電線路分析

集電線路電壓值在35kV時，采用的方式為戶內與戶外相結合；架空電力線間的電壓值為35kV，電力線之間的間距最小值為5m；記錄橫擔的實際寬度，升壓站外面布置的終端桿塔，其排列方式為雙回路，終端桿塔與線路中心，二者間距的最小值為12.2m；單回路的終端桿塔到達線路中心，產生的最小距離為10.2m。

1．4 集電線路回路數確認

規劃容量擴大時，建設期數總計產值與線路總回路數相應增加，終端桿塔內部在與配電室連接時，電纜線相應加長，圍墻外終端桿布置較為復雜，升壓結構架排列方式有所增長，致使征用土地面積擴大。3回路中線路經過所占用的實際面積超過2回路的1/2，故而選擇2回路，有利于減少施工開挖的實際面積，維護生態環境，節約土地資源。基于規劃總容量背景下，2回路的適用條件為200MW規劃容量。

1．5 地形分析

風電場建設在平原地區的，地勢平坦，區域特征為：荒地、草甸子。在不考慮客觀因素時，風機布置排列按照一定序列展開，風電場的中心位置是升壓站，此種連接特點是：距離較短。由此發現，3回路與2回路，雙方所需要的連接路徑長度幾乎一致，投資成本3回路具有優勢。

風電場建設在丘陵或者山區位置的，基于地形特征、規劃制度、環境質量等條件，風電場布置狀態較為松散，呈現狹長形狀。升壓站的位置，應綜合考慮c場地與系統等因素，與風電場保持距離，在風機連接后，與升壓站相連，2回路產生的路徑實際長度應小于3回路，并且具有經濟適用性。

風電場建設在荒廢區域內，工程建設制約成分較少，風電場內地勢復雜，電力線路為配合交通運輸，形成的復雜線路結構，包括鐵路電線、高速線、耕地農業線、林地生態線等。風電場布置期間，應避免與之重疊，布置理念以梅花形為主，形成散亂形態。與此同時，線路連接期間，應注意避讓敏感線路，布置路徑以多邊形為主，分支線路多元化，路徑長度要求較高，并且場區內集電線路連接期間，途徑鐵路、高速路等地段，在需要砍伐林地期間，應獲取相關文件審批。砍伐林地與敏感物重疊問題，均須盡可能避免，由此發現2回路比3回路的布置方式更具優勢。

2 風電場集電線路擇優路徑

2．1 集電線路優化路徑建模

（1）線路回數與經濟函數建模。線路回數的具體數量，直接關系著升壓站應配置的開關柜個數，通常情況下，線路與開關柜的設計比例為1:1；建模函數為：C1=mxc；其中，C1代表的是m條線路時，開關柜所需的總資金，單位為元；c代表的是每個開關柜的定價，單元為元；m表示的是線路回數。

Rm=rm×lm；式中，l表示的是：第m條集電線路工作期間產生的電流，單位為A；rm表示的是：第m條線路，其每千米產生的電阻值，單位為Ω；其具體的取值有11個，分 別 為：0.815，0＜Sj＜70；0.610，70＜Sj＜95；0.481，95＜Sj＜120；0.394，120＜Sj＜150；0.319，150＜Sj＜185；0.278，185＜Sj＜210；0.197，240＜Sj＜300；0.147，300＜Sj＜400；0.117，400＜Sj＜500；0.093，500＜Sj＜630。

（3）集電線路規劃建模。MinF=KA+BPm+KCm；F表示的是線路建設期間所產生資金總數，回路產生的電線路投資所需資金及其年度消損值、年度線損費用，三者總和；B代表的是線路運輸期間電收費單價，單位為元/kWh。

2．2 粒子群擇優路徑

（1）粒子群算法描述。粒子群算法在回路數擇優期間，具有計算速度高效率，并且收斂性極佳，并且結合遺傳算法原理，使用交叉與變異的計算思想，是集電線路回路擇優的最佳方案。

將粒子群m初始化，自動隨機生成序列為m個1與33+M-1之間的數列集合，計算粒子個體優秀值Pi，將Xi初始化，將全部優秀值g初始化，在所有粒子中選擇最優秀的Xi值，形成矩陣K。

每個單獨粒子與其他粒子進行最優交換，如果交換期間發生的適應值更為優秀，則保留粒子替換結果，并且輸出優秀值；粒子具有動態變化特征，變化規律參考矩陣K，如果變化結果的適應值更為優秀，則粒子替換成功，保留優秀值。

更新單獨粒子的優秀值Pi：將每個粒子的適應值與自身優秀值Pi進行對比分析，如果適應值高于Pi，則替換優秀值。

更新所有粒子的優秀值g：每個獨立的粒子，令其適應值與全局優秀值進行對比分析g，如果其適應值高于g，則以其適應值替換g。

檢查結束條件，如若條件，結束擇優流程，如果不滿足條件，從第二條重復擇優過程。

（2）回路擇優分析。擬建風電場，其裝機容量假設為49.5MW，安裝風機設備為33臺，對應的發電機組33個，每個機組的容量為1500kW，風電機組的連接方式為：一對一連接。擇優運算參數設定：選擇粒子群的序列集為50，擇優次數為100，回路數為1～33；計算結果：6～9回路較為優秀；將取值擴大10倍，序列集為50，擇優次數1000，回路數選擇6～9，進行回路擇優，計算結果為：7回路數；將擇優次數擴大到2000，運行程序次數增加至10次，對比擇優結果，均為7回路數。

3 結語

風電場內部集電線路，其回路選擇問題，應結合風電場實際規劃、風機布置特征、升壓站的具體位置、風電場建設地理位置等因素，并且參考工程造價，開展綜合分析后，再行確定。

當風電場規劃容量不小于200MW時，或者是風電場地理位置在丘陵山區時，應采用2回路。

當風電場集電線路布置期間，途經林地、高度路等地段時，應選擇2回路。

風電場規劃容量不大于200MW時，并且風電場內部環境地勢平坦，風機數量較多時，應選擇3回路。

運用粒子群算法，分析風電場集電線路中回路數的最優狀態；詳細開展模型設定，明確分析流程，并且依據粒子群擇優原則，開展回路數擇優程序。計算結果為：回路數為7時，集電線路為最優狀態。