基于AutoCAD平臺的光伏智能化設計應用

孫凱航

（中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

1 引言

太陽能作為可再生能源的重要組成部分，是我國雙碳目標實現的重要支撐能源，也是全球可再生能源發展的必然趨勢。根據國家能源局統計數據，2022年全國各省光伏電站總配置規模為89.28GW，規劃大型光伏電站容量超過了60GW，2022年安裝容量為87.41GW，呈現出了爆發式的業務增長量。

電力設計單位作為光伏能源生產過程中的重要的智力服務型單位，影響著光伏電站的建設周期、經濟效益等。根據本單位的統計數據，2021年光伏電站工程數量同比增長了35.5%，建設規模容量增加了4.7GW。但是近期的光伏工程設計周期不斷壓縮，反復次數不斷增加，例如單體100MW光伏電站的設計周期由3個月縮短至2個月，工程方案優化次數增加了2~3次，設計人員的生產壓力不斷增大。

因此有必要面向光伏電站的整個設計過程，尤其是提升光伏場區陣列的設計效率。采用智能化的的手段解決總圖、資源及電氣等專業設計難點，在保證設計準確度的基礎上提高設計效率。

2 功能模塊

通過對專業人員進行需求調查，專業人員更愿意面向圖紙，以效率提升的工具性開發，同時結合PVSyst、Candela等專業工具進行數據協同，功能互補、優勢互補，在各個專業功能模塊低耦合，降低應用難度，結合關鍵技術問題進行重點突破。

按照光伏電站的系統配置構成，需要設計的核心內容是光伏組件布置、方陣支架和基礎設計、電纜設計內容，結合專業需求反饋，將設計規范[1]和設計經驗進行規則化算法整理，基于AutoCAD平臺開發光伏電站快速設計工具，并串聯Candela、PVSyst等軟件，實現光伏電站智能化設計應用[2]，完成功能模塊的軟件開發，光伏陣列智能化設計功能模塊如圖1所示。

圖1 光伏陣列智能化設計功能模塊

3 陣列設計

3.1 地形分析

地形分析的智能化實現思路如圖2所示，設計人員首先根據輸入的等高線地形圖進行地塊邊界確認繪制，采用圖塊識別和定義的方式，對范圍內的建筑物、設施及道路等進行不可用區域標記，篩選劃分出可用地形區域，完成對山地地形的日照分析，并通過輸入的坡度條件自動篩選光伏陣列布置區域，從而減少設計人員人工干預工作量[3]。

圖2 地形分析智能化設計流程

CAD地形分析的結果如圖3所示，其中淺色區域代表最優布置區域，該區域遮擋率較低且坡度滿足布置光伏陣列要求；顏色越深，則說明該區域不適合布置光伏陣列。軟件根據地形分析結果，完成工作區域范圍的創建。

圖3 CAD地形分析效果

3.2 陰影分析

進行陰影分析前首先要進行組件布置，確定組件在支架上的布置形式。軟件可根據組件特征數據信息，按照輸入組串并聯、傾角及間距值參數信息，確定組件布置，并按照日照數據分析組件間的陰影長度遮擋，對陣列可用區域進一步優化調整，如圖4和5所示。

圖4 陰影分析智能化設計流程

圖5 優化后的光伏陣列區域

3.3 陣列布置及分區

目前設計人員一般采用手動方式進行陣列布置，存在著大量重復性、反復性的工作，極大地影響了設計的效率。軟件通過布置區域的自動識別，智能化的按照組件布置方案進行各種樣式的布置。并可按照指定單元容量，同時把設計人員的經驗和想法進行顯性化定制，形成了對稱分區、矩形分區智能化算法，實現了對發電單元的自動劃分，進一步減少設計人員的重復性工作內容，如圖6和圖7所示。

圖6 光伏陣列智能化設計流程

圖7 陣列布置及分區效果

4 電纜敷設

軟件完成光伏陣列布置設計后，進而需要電氣專業布置匯流箱、逆變器及箱變等設備，再按光伏分區電氣邏輯關系、通道完成電纜布置。最終智能化電纜敷設核心問題可以歸納為設備布置、通道設計及電纜統計，電纜敷設設計流程如圖8所示。

圖8 電纜敷設設計流程

4.1 設備布置

軟件結合箱變、匯流箱及逆變器設備的功能和定位，分別制定了布置規則，以達到設計效率的提升。箱變布置根據CAD圖紙中劃分的發電單元和子單元數據，按照設置條件和設備尺寸信息布置到陣列，并綁定到劃分的發電單元；根據陣列接線方式，軟件需選定陣列接線方式，再按組串式逆變器或集中式匯流箱設備手動布置，或按近電纜通道、近變壓器規則進行批量自動化放置。

4.2 通道設計

軟件的通道繪制功能主要是通過手動多段線的方式完成，在視圖中按發電單元沿著匯流設備繪制低壓主通道，最后由一條通道匯集至箱變。軟件的通道設置功能模塊則對組串間、組串內、組串到匯流及匯流到低壓通道等端點搭接長度，預留長度系數、通道類型、型號及安裝方式進行確認，電纜設置用于設計各級電纜接線設置、電纜埋地深度設置、設備接線高度設置及組串內電纜長度設置。單元分區路徑拓撲如圖9所示。

圖9 單元分區路徑拓撲

4.3 電纜統計

軟件通過尋優電纜主通道，根據路徑導航算法，自動導航電纜路由，計算尋路成功后的電纜路徑長度，并內置了壓降算法計算相應的壓降線損，用于進行電纜選型。電纜敷設結果如圖10所示。

圖10 電纜敷設結果

5 支架設計

5.1 立柱布置

光伏陣列布置完成后，由結構專業考慮陣列支架的布置參數、支架參數等，完成支架立柱的布置及標識相關立柱坐標。軟件實現了可視化、參數化的立柱布置設計，利用光伏陣列布置信息，實現分區批量自動化繪制，效率大為提升。

5.2 支架參數化繪制

軟件結合山地、平原光伏工程中典型結構型式的光伏支架，實現了通過改變支架尺寸、角度和構件尺寸等參數信息，快速生成光伏支架立面、平面、組件、立柱、拉桿、節點詳圖等圖紙，并根據繪制信息生成支架材料表，實現一鍵出圖。

6 交互接口

軟件實現了與Candela、PVSyst進行接口，根據不同類型工程，采用不同工作流，完成光伏區陰影分析及組件排布，進一步優化光伏電站的設計效率和準確度。

目前越來越多的光伏工程要求采用在BIM平臺上進行數字化設計，軟件打通了與Revit平臺的接口，通過讀取CAD平臺的光伏陣列塊數據，實現了光伏陣列、地形等三維模型的快速生成，進一步對工程實現優化設計，并可以開展全壽命周期內的數據利用[4]。BIM模型數據交互如圖11所示。

圖11 BIM模型數據交互

7 工程應用

以中廣核寧晉234MWp光伏發電工程為例，該工程區域地塊分散、面積大，且為農光互補發電工程，中間夾雜大量不可用地塊，光伏陣列區規劃布局困難；其次該工程為公司總包工程，為保證電纜算量準確，要求精度進一步提升；最后該工程要求66天完成首批光伏陣列并網，設計時間大為壓縮，迫切需要效率的提升。

將光伏陣列智能化設計應用到該工程項目，總圖、電氣及土建等專業在設計過程中分別應用陣列布置、電纜敷設及支架設計等功能模塊，縮短了地形分析、光伏系統布置、邏輯管理、設備布置、電纜敷設及支架繪制等環節設計周期，有效提高工作效率約30%，節約80個日工，且減少工程電纜用量6.76%，為工程創造利潤價值150余萬元。

8 總結

由于目前市場上缺少成熟、貼合設計人員需求的光伏系統設計工具，我院分析了設計人員需求，基于AutoCAD軟件搭建了光伏陣列智能設計平臺，解決了諸如陣列布置、電纜敷設等制約效率提升問題，解決了光伏工程量日益增多與設計人員少、設計周期長的突出矛盾。目前軟件在專業設計人員中裝機率達到了95%以上，軟件解決了設計人員的主要痛點，效率得到了明顯提升，但是在應用中也暴露出了一些問題，需要后續不斷開發完善。

1）軟件功能覆蓋面不夠，后續要完善集電線路專業塔位排布、路徑規劃等功能，以及光伏陣列分圖、多段線工具等輔助功能。

2）軟件的智能化與人工經驗還存在著矛盾，在光伏陣列區域設備布置、路徑規劃等設計，軟件智能化應用反而造成設計人員工作量的增加，提升效率的人工輔助工具是有必要的。

3）最后設計人員提出了通過光伏陣列布置、場區方位角、組件傾角及容配比相結合，實現工程技術方案經濟比選的需求，對于工程的方案優化、發電量效益分析具有重大意義。