风电场集电系统方案评估方法、设备及存储介质

技术领域

本申请属于风资源领域，具体涉及一种风电场集电系统方案评估方法。

背景技术

集电系统作为连接风电机群和输电系统的重要电气部分，电气设备众多，其经济成本在风电场中占有较大比重，且海洋环境恶劣，海上风电场可靠性差，其运维成本远远高于陆上风电场，一旦集电系统发生故障，运维困难，维修时间长，可能造成整个风电场大量的电力损失，从而影响经济效益，因此集电系统的可靠性对整个海上风电场的规划投资和可靠运行具有重要的影响和意义。

现有技术在整个风电场规划投资中常常仅考虑初始成本或者主要考虑可靠性不注重成本控制，亦或者考虑初始成本的同时定性的考虑可靠性问题带来的维修成本。当前技术缺乏一套完整科学定量计算全生命周期的初始成本和维修成本以获取最大经济效益的方法。

发明内容

本申请提供一种风电场集电系统方案评估方法、设备及存储介质，从而解决现有技术中缺乏科学的综合计算初始成本和维修成本的方法，实现对风电场集电系统全生命周期内最优的成本控制。

第一方面，本申请提供一种风电场集电系统方案评估方法，计算各个风电场集电系统方案投入运行全生命周期的现值成本，所述现值成本包含可靠性因素带来的维修成本，比较各个风电场集电系统方案的所述现值成本，所述现值成本最小值对应的具体风电场集电系统方案为目标方案。

进一步的，根据元件或部件故障率获取风电场集电系统全生命周期的维修成本，获取风电场集电系统全生命周期后的固定资产回收净残值，根据所述初始投资成本、所述全生命周期的维修成本、所述固定资产回收净残值计算得到所述风电场集电系统的所述现值成本。

这里，将全生命周期总成本定义为初始投资成本与全生命周期的维修成本之和减去固定资产回收净残值，维修成本包括故障元件或部件置换成本和故障期间发电量损失收入。此外，每年发生的维修成本和生命周期结束年固定资产价值均折算为现值成本。

第二方面，本申请实施例提供一种风电场集电系统方案评估设备，包括：至少一个处理器和存储器；存储器存储计算机执行指令；至少一个处理器执行存储器存储的计算机执行指令，使得至少一个处理器执行如上第一方面以及第一方面各种可能的风电场集电系统方案评估方法。

第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机执行指令，当处理器执行计算机执行指令时，实现如上第一方面以及第一方面各种可能的风电场集电系统方案评估方法。

本申请实施例提供的风电场集电系统方案评估方法、设备及存储介质，包括：计算各个风电场集电系统方案投入运行全生命周期的现值成本；所述现值成本包含可靠性因素带来的维修成本；比较各个风电场集电系统方案的所述现值成本，所述现值成本最小值对应的具体风电场集电系统方案为目标方案。从而使得包含故障元件或部件置换成本和故障期间发电量损失收入的维修成本科学系统的计算至全生命周期的现值成本中，特别对于海上风电场集电系统方案投资规划具有重要意义。

附图说明

图1为海上风场结构组成示意图；

图2为海上风电场集电系统连接结构示意图；

图3为不同集电系统成本与风电场容量关系示意图；

图4为本申请实施例中不同结构集电系统生命周期现值成本比较示意图；

图5为本申请实施例中的风电场集电系统方案评估方法流程图；

图6为本申请实施例提供的风电场集电系统方案评估设备的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的风电场集电系统方案评估设备装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”及“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

海上风力发电原理是以海上产生的海风为发电动力，通过风力发电机运作，后通过一系列机械运转使其变成电能。如图1所示，海上风场主要包括：输电系统、集电系统、风机群组和升压站等。各风机发出的电能，通过集电系统汇集到海上变压站，后通过升压将电能输送到岸上并网点。海上风电场集电系统电能汇集过程是将多台风力发电机组发出的电能，通过开关设备和海底电缆进行传输，然后按一定的组合方式将电能集中到风电场出口汇流母线。

一直以来都有专家学者进行海上集电线路系统相关的工作，大多集中在优化算法的相关研究工作，或者更聚集于风电场集电接入配电网的影响，较少的关注风电场集电系统本身的可靠性对经济性的影响。海底光缆的设计研究、海上集电线路系统评估工作均仅仅是基于可靠性考虑进行的。也有采用遗传算法针对大型海上风电的集电线路优化研究工作，均是考虑投资规划成本而进行的；另有如图2所示，对于海上风电场组网方式的评估比较了不同的集电线路系统结构，链形连接结构、单边环形连接结构、双边环形连接结构有功损耗与经济性，也没有对于可靠性结合初始投资成本进行系统评估。

海上集电线路系统的优化，主要需要解决三个问题，电气效能、可靠性以及经济性。海上集电线路需要合理布局来保障风机电缆的正常运行，使用损耗和误差降到可接受的范围，避免发生过电压与过电流；同时要保障电能质量的合格及电能的连续性。同时大型海上风电场目前的开发建设成本相对较高，其中集电线路系统和设备连接在总成本中占了相当大的比例，需要合理的设计以降低成本。

通过现有资料，结合海上风电场集电系统连接结构，集电系统使用链形连接结构是最为经济的方案，所需的线缆与开关设备等元件更少，在成本上更节约；而从电气的性能上来说，而使用单边环形连接结构的方案的可靠性更高，有功损耗最低，但是所需要的开关设备等元件也更多，冗余线缆也较多，成本最高。特别是现在海上风电场的规模较以往在不断增长，随容量的增加，可靠性对经济性的影响也更加突出。

现在有许多的专家学者投入到海上风电场集电系统排布方案的优化算法工作中，在基础连接结构上发展各类复合式的连接结构，那么如何从众多的方案从选取最适合的方案，就需要一个综合的评估方法。

本申请提供的一种实施例中，风电场集电系统方案评估方法，包括：计算各个风电场集电系统方案投入运行全生命周期的现值成本；现值成本包含可靠性因素带来的维修成本；比较各个风电场集电系统方案的现值成本，现值成本最小值对应的具体风电场集电系统方案为目标方案。

进一步的，计算风电场集电系统方案投入运行全生命周期的现值成本，包括：获取风电场集电系统的初始投资成本；根据元件或部件故障率获取风电场集电系统全生命周期的维修成本；获取风电场集电系统全生命周期后的固定资产回收净残值；根据初始投资成本、全生命周期的维修成本、固定资产回收净残值计算得到风电场集电系统的所述现值成本。

具体的，计算风电场集电系统方案投入运行全生命周期的现值成本，包括：

初始投资成本与所述全生命周期的维修成本之和减去所述固定资产回收净残值计算得到所述风电场集电系统的所述现值成本；

本申请提供的一个实施方式中，计算风电场集电系统方案投入运行全生命周期的现值成本，计算公式为：

（1）

其中IC为初始投资成本，Cc为故障置换维修成本，Sv为生命周期结束时固定资产回收净残值，

采用费用现值比较法来综合评估方案的优劣，即通过计算各个集电系统方案的现值成本进行比较，以现值成本较低的方案为优。

本申请提供的一个实施方式中初始投资成本包括自集电线路初始投资成本和集电升压站初始投资成本，计算公式为：

（2）

其中IC为集电系统总的初始投资成本，IC

本申请提供的实施例中，全生命周期的维修成本包括失效元件置换成本和维修期间损失的发电量收入，计算公式为：

（3）

Cc为集电系统中元件故障置换产生的期望损失成本，Ci为每次故障产生的维修、置换费用, Pi为维修期间损失的发电量，E为上网电价。

计算生命周期中由于故障维修、置换产生的成本的期望值，即期望损失成本。本申请中的期望损失成本包含直接损失期望成本和间接损失期望成本。直接损失期记成本为包括对故障元件的维修和置换成本；间接损失期望成本，指集电系统的元件故障会降低出力所产生的损失。那么通过上后续可靠性模型可以计算得到不同元件的故障率及故障维修时长，对应其置换费用或者维修费用，即期望损失成本。

风机输出功率与风速之间的关系表达为：

（4）

P为风机输出功率，当风速v小于切入风速

故障期间损失的发电量为集电系统故障率、风机输出功率、一年小时数、风机数量四者相乘之积；所在故障期间损失的发电量计算公式为：

（5）

其中

本申请提供的一种实施例中，通过蒙特卡罗模拟建立集电系统可靠性模型，计算集电系统故障率。

详细的，使用蒙特卡罗建立集电系统可靠性模型，逐小时仿真试算，年限为项目计划生命周期，一般为20年或25年，。将集电系统中各个元件逐个标记，元件正常运行记为1，故障则记为0。随机生一组高斯分布的随机数来表示 i元件正常工作状态，i=1,2,……N，随机生成一个（0，1）之间的随机数y，若yi≥λi则元件正常工作，yi≤λi，则元件处于故障状态。假设故障率函数λ(t)随运行时间t呈高斯分布，则：

（6）/>

FN 为λ(t)的累积分布。那么，如果λ(t)的期望分布概率为p(t), 则：

(7)

元件正常运行时长即为元件故障间隔时间，其为泊松事件流，服从指数分布，则:

(8)

(9)

其中F(t)为元件故障间隔概率密度，则：

(10)

(11)

其中P(t)为元件故障分布函数，并且：

(12)

其中R(t) 为可靠度，所以：

(13)

其中tr为故障维修时长。

集电线路系统为串并联混合系统,元件可靠度为R(t),则系统可靠度Rc(t)为：

（14）

对于集电系统的故障率Λ：

(15)

通过蒙特卡罗仿真，可以得到海上风电场集电系统方案的可靠度、故障率、元件故障率和故障维修时长。故障期间不能运行的收入损失可以根据集电系统发电损失量和上网单价相乘之积得到。

采用该方法，对处于风电场集电系统前期投资规划尤为重要，特别是对于比如可靠性问题严重的海上风电场集电系统，使用结合可靠性问题带来的维修成本对经济性的影响方案评估有利于客观的选择出合适的目标方案；此方案维修成本不仅考虑故障期间元件或部件置换成本，还考虑了由于故障期间不能运行的收入损失，是非常科学综合系统的计算方法。

为方便理解，本申请详细举例说明如下：

S1: 获取基础数据

海上风电场装机容量400MW，单机容量5MW风机共80台。获取海上风电场数据，包括测风数据，风机排布坐标，额定容量、额定电压等风机参数，截面积、电阻、电导等线缆参数，开关配置参数。

S2: 获取海上风电场集电系统拓扑结构

获取不同的集电系统接线方案，其接线方式参考图2所示。各集电系统接线方案特点介绍如下：

表1 不同集电系统方案优缺点

S3: 计算集电系统初始投资资本成本

计算不同集电系统方案的初始投资资本成本；需要考虑不同的接线方案元件配置不同位置、不同数量、不同成本。不同集电系统成本与风电场容量关系如图3所示。

S4：建立集电系统可靠性模型，计算系统故障率

使用蒙特卡洛模拟建立集电系统可靠性模型计算风电产集电系统故障率；计算过程前面有详细描述，在此不进行赘述。相关数据和计算结果如下表，主要元部件的故障率数据借鉴已有海上风电场发布的运行数据。

表 2 故障停运及维修时长

S5：计算维修成本

计算生命周期中由于故障维修、置换产生的成本的期望值；不同接线方式，由于元件故障而造成的系统故障率不同，也因此不同集电系统方案直接损失期望成本与间接损失期望成本均不同。维修成本包括故障元件或部件置换成本和故障期间发电量损失收入。

S6：计算项目全生命周期现值成本

首先计算风电场集电系统全生命周期后的固定资产回收净残值，一般其为原固定资产3%~5%，可根据不同项目实际情况取值；然后根据初始投资成本与全生命周期的维修成本之和减去固定资产回收净残值计算得到风电场集电系统的现值成本。

最后，根据各个方案的风电场集电系统的现值成本值进行比较，选出目标方案。在本例中，使用混合接线结构的集电系统为最优方案。

图7为本申请实施例提供的风电场集电系统方案评估设备的结构示意图。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不限制本文中描述的和/或者要求的本申请的实现。

如图7所示，该风电场集电系统方案评估设备包括：处理器和存储器，各个部件利用不同的总线互相连接，并且可以被安装在公共主板上或者根据需要以其它方式安装。处理器可以对在风电场集电系统方案评估设备内执行的指令进行处理，包括存储在存储器中或者存储器上以在外部输入/输出装置（诸如，耦合至接口的显示设备）上显示的图形信息的指令。在其它实施方式中，若需要，可以将多个处理器和/或多条总线与多个存储器和多个存储器一起使用。

存储器作为一种非瞬时计算机可读存储介质，可用于存储非瞬时软件程序、非瞬时计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的风电场集电系统方案评估方法对应的程序指令/模块（例如，附图6所示的第一获取模块、第一处理模块、输入模块和判断模块）。处理器通过运行存储在存储器中的非瞬时软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的风电场集电系统方案评估的方法。

风电场集电系统方案评估还可以包括：输入装置和输出装置。处理器、存储器、输入装置和输出装置可以通过总线或者其他方式连接，图7中以通过总线连接为例。

输入装置可接收输入的数字或字符信息，以及风电场集电系统方案评估设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入，例如触摸屏、小键盘、鼠标、或者多个鼠标按钮、轨迹球、操纵杆等输入装置。输出装置可以是风电场集电系统方案评估的显示设备等输出设备。该显示设备可以包括但不限于，液晶显示器（LCD）、发光二极管（LED）显示器和等离子体显示器。在一些实施方式中，显示设备可以是触摸屏。

本申请实施例的风电场集电系统方案评估设备，可以用于执行本申请上述各方法实施例中的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本申请实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。