本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)海底電纜規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在環(huán)境問題和氣候變化日益突出的背景下得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用。電力負(fù)荷較大的沿海地帶卻由于傳統(tǒng)能源儲量低而常常出現(xiàn)用電緊張的現(xiàn)象。因此穩(wěn)定性更高的海上風(fēng)電成為本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。海上風(fēng)電場一般由風(fēng)機(jī)群、集電系統(tǒng)、升壓站、輸電系統(tǒng)等部分組成。其中，集電系統(tǒng)作為海上風(fēng)電場的主要部分，又包含電纜線路、斷路器、匯流母線，其主要作用是將電能通過海底電纜和開關(guān)設(shè)備以一定的拓?fù)浼械斤L(fēng)電場出口的匯流母線上。因此，集電系統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)對海上風(fēng)電場運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

目前，關(guān)于集電系統(tǒng)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)方案，主要集中在拓?fù)洳季盅芯浚負(fù)溟_關(guān)配置研究，拓?fù)潆姎庑阅苎芯浚娤到y(tǒng)輸電方式比較等，其中集電系統(tǒng)拓?fù)溥B線設(shè)計(jì)常用的方法是采用最小生成樹算法，Prim算法是逐步擴(kuò)大樹中所含頂點(diǎn)的數(shù)目，直到遍及連通圖的所有頂點(diǎn)，它不止從當(dāng)前一次連通圖向外擴(kuò)展，而是從多個連通圖上同時向外擴(kuò)展，其執(zhí)行速度比較快。對于最短路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)，常用的是Dijkstra算法、Bellman-Ford算法、A*算法等。在所有求解最短路徑的算法中，Dijkstra算法被認(rèn)為是目前最好的算法之一。Dijkstra算法雖然在理論上可行，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于頂點(diǎn)數(shù)太多，因而導(dǎo)致搜索算法的效率很低。由于這些算法在應(yīng)用的時候，都是基于傳統(tǒng)的地圖和路徑資料進(jìn)行的，工作量大，準(zhǔn)確性低，而且通常沒有考慮到海上風(fēng)電場建設(shè)過程中障礙區(qū)的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對上述技術(shù)問題，提供一種海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化方法和系統(tǒng)。

一種海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化方法，包括：

獲取海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)中的障礙區(qū)域，利用GIS技術(shù)對障礙區(qū)域進(jìn)行圖層化處理；

對GIS處理后的障礙區(qū)域進(jìn)行幾何化處理，獲取障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒；

確定障礙區(qū)路徑優(yōu)化的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并根據(jù)所述起點(diǎn)和終點(diǎn)確定路徑區(qū)域范圍；

根據(jù)所述路徑區(qū)域范圍和最小面積矩形包圍盒獲取含有障礙區(qū)的路徑可視圖；

利用最佳路徑算法在所述路徑可視圖上尋找避開障礙物的最優(yōu)路徑，并完成海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

一種海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

圖層化處理模塊，用于獲取海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)中的障礙區(qū)域，利用GIS技術(shù)對障礙區(qū)域進(jìn)行圖層化處理；

幾何化處理模塊，用于對GIS處理后的障礙區(qū)域進(jìn)行幾何化處理，獲取障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒；

路徑區(qū)域范圍確定模塊，用于確定障礙區(qū)路徑優(yōu)化的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并根據(jù)所述起點(diǎn)和終點(diǎn)確定路徑區(qū)域范圍；

路徑可視圖獲取模塊，用于根據(jù)所述路徑區(qū)域范圍和最小面積矩形包圍盒獲取含有障礙區(qū)的路徑可視圖；

最優(yōu)路徑尋找模塊，用于利用最佳路徑算法在所述路徑可視圖上尋找避開障礙物的最優(yōu)路徑，并完成海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

上述海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化方法和系統(tǒng)，先利用地理信息系統(tǒng)對障礙區(qū)域進(jìn)行圖層化處理，然后結(jié)合最小面積矩形包圍盒法對障礙區(qū)域進(jìn)行幾何化處理，確定障礙區(qū)路徑優(yōu)化的起點(diǎn)和終點(diǎn)及路徑區(qū)域范圍，再通過形成含有障礙區(qū)的路徑可視圖尋找避開障礙物的最優(yōu)路徑，并規(guī)劃海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的拓?fù)?。本發(fā)明充分考慮到海上風(fēng)電場建設(shè)過程中障礙區(qū)的影響，減少了尋找最優(yōu)路徑的工作量大，提高了尋找結(jié)果的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化方法流程圖；

圖2為障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒的示意圖；

圖3為某一含有障礙物的海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)和升壓站布置圖；

圖4至圖7分別為障礙區(qū)1～4的最小面積矩形包圍盒的示意圖；

圖8表示某路徑區(qū)域障礙區(qū)的可視圖；

圖9為本發(fā)明的海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖10海上風(fēng)電場存在障礙區(qū)的集電系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化方法和系統(tǒng)的實(shí)施例。

參考圖1所示，圖1為本發(fā)明的海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化方法流程圖，包括：

步驟S10，獲取集電系統(tǒng)路徑設(shè)計(jì)中的障礙區(qū)域，利用GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))技術(shù)對障礙區(qū)域進(jìn)行圖層化處理。

在集電系統(tǒng)路徑設(shè)計(jì)中，由于海區(qū)障礙物數(shù)量多，應(yīng)該考慮風(fēng)機(jī)之間存在障礙物時對路徑設(shè)計(jì)的影響，若風(fēng)機(jī)之間有障礙物，則不宜直接鋪設(shè)海底電纜，而應(yīng)改變路徑以避開障礙區(qū)。一般情況下，以下地區(qū)都可被視為障礙區(qū)域：

(1)用地類型區(qū)域：例如海上石油勘探平臺、碼頭、橋梁樁、人工島嶼、軍事設(shè)施等；

(2)地方規(guī)劃區(qū)域：例如海底動物棲息地、海洋漁業(yè)等；

(3)地質(zhì)地貌區(qū)域：例如地質(zhì)災(zāi)害帶、礁石、海巖等；

(4)海底沉積物區(qū)域：沉船。

在一個實(shí)施例中，利用GIS技術(shù)對障礙區(qū)域進(jìn)行圖層化處理的步驟，可以包括過程：

首先，選取路徑區(qū)域范圍內(nèi)的一個GIS圖層，對圖層中每個像素進(jìn)行判斷，如果符合障礙區(qū)域的判斷條件，則將該區(qū)域標(biāo)記為障礙區(qū)；然后選取其他圖層的像素點(diǎn)逐個進(jìn)行掃描標(biāo)記，其中，若一像素點(diǎn)在之前圖層掃描中已標(biāo)記為障礙區(qū)，則跳過該圖層的掃描；再將所有圖層標(biāo)記為障礙區(qū)域的像素點(diǎn)進(jìn)行整合，得到障礙區(qū)域，其他像素點(diǎn)整合為非障礙區(qū)域。

以障礙區(qū)域“用地類型”這層為例，對路徑區(qū)域范圍內(nèi)的GIS地圖的用地類型圖層中每個像素(對應(yīng)到實(shí)際中的長度為米/像素，視GIS地圖分辨率而定)中用地類型進(jìn)行判斷，如果為軍事設(shè)施、海上石油勘探平臺或人工島嶼等，則將此點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)記為障礙區(qū)域?！坝玫仡愋汀眻D層掃描標(biāo)記完后，對“地方規(guī)劃”“地質(zhì)地貌”“海底沉積物”等圖層逐個進(jìn)行掃描標(biāo)記。如果某一點(diǎn)在之前圖層掃描中已標(biāo)記為障礙區(qū)域，則可以跳過這一圖層的掃描。將標(biāo)記為“障礙區(qū)”的點(diǎn)整合起來作為障礙區(qū)域，其余點(diǎn)作為非障礙區(qū)域。

步驟S20，對GIS處理后的障礙區(qū)域進(jìn)行幾何化處理，獲取障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒。

基于GIS處理過的海上障礙區(qū)域并不是規(guī)則的幾何多邊形，因此，在設(shè)計(jì)最優(yōu)路徑之前，可以用最小面積矩形包圍盒法進(jìn)一步處理障礙區(qū)域。

在一個實(shí)施例中，步驟S20獲取障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒的步驟，可以包括如下：

計(jì)算障礙區(qū)域輪廓的外接矩形，其中，所述外接矩形為最大最小x坐標(biāo)和最大最小y坐標(biāo)所構(gòu)成的矩形；將外接矩形的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)任意角度θ，使得旋轉(zhuǎn)后包圍障礙區(qū)域的面積為最小；根據(jù)在x-y坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，計(jì)算在旋轉(zhuǎn)任意角度θ后，所述外接矩形在u-v坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；在新的u-v坐標(biāo)計(jì)算外接矩形面積，獲取外接矩形面積最小外接矩形面積的作為障礙區(qū)輪廓的最小面積矩形包圍盒，并存儲該最小面積矩形包圍盒四個頂點(diǎn)在x-y坐標(biāo)軸下的坐標(biāo)。

如圖2所示，圖2為障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒的示意圖，可以采用AABB(Aixe align bounding box，軸向平行包圍盒)法求出障礙區(qū)輪廓的外接矩形，即最大最小x坐標(biāo)和最大最小y坐標(biāo)所構(gòu)成的矩形；然后將坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)任意角度θ(以π/180為步長遞增，且θ∈[0,π/2])，使得旋轉(zhuǎn)后包圍障礙區(qū)的面積為最小。

假設(shè)封閉的障礙區(qū)包圍盒輪廓線上任意一點(diǎn)在x-y坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(a，b)，在旋轉(zhuǎn)任意角度θ后，該點(diǎn)在u-v坐標(biāo)系下的坐標(biāo)設(shè)為(m，n)，坐標(biāo)變換如式

求出在新的u-v坐標(biāo)下AABB法求得的外接矩形面積S，這些外接中最小面積的外接矩形即為障礙區(qū)域輪廓的最小面積矩形包圍盒；存儲矩形包圍盒四頂點(diǎn)在x-y坐標(biāo)軸下的坐標(biāo)。

如圖3所示，圖3為某一含有障礙物的海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)和升壓站布置圖；圖中有升壓站和海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)等14個點(diǎn)，其中有障礙區(qū)1～4，求取障礙區(qū)1～4如圖4至圖7所示，圖4至圖7分別為障礙區(qū)1～4的最小面積矩形包圍盒的示意圖；

步驟S30，確定障礙區(qū)路徑優(yōu)化的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并根據(jù)所述起點(diǎn)和終點(diǎn)確定路徑區(qū)域范圍。

在一個實(shí)施例中，對于確定障礙區(qū)路徑優(yōu)化的起點(diǎn)和終點(diǎn)的方法，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的位置坐標(biāo)分別設(shè)為路徑的起點(diǎn)與終點(diǎn)，并在GIS地圖上進(jìn)行標(biāo)注。

例如，由海上風(fēng)電場的設(shè)計(jì)人員提供各臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的位置，將兩個風(fēng)力發(fā)電機(jī)位置設(shè)置為路徑的起點(diǎn)與終點(diǎn)，并在GIS地圖上進(jìn)行標(biāo)注。

通過測量所述起點(diǎn)與終點(diǎn)的直線距離，以起點(diǎn)和終點(diǎn)為基準(zhǔn)，分別在GIS地圖上進(jìn)行延伸，構(gòu)造矩形；以所述矩形為基準(zhǔn)各邊向外延伸構(gòu)造新矩形，獲得路徑區(qū)域范圍。

測量所述起點(diǎn)與終點(diǎn)的直線距離，以起點(diǎn)和終點(diǎn)為基準(zhǔn)，分別在GIS地圖上的南北方向和東西方向延伸，構(gòu)造矩形；以所述矩形為基準(zhǔn)各邊向外延伸構(gòu)造新矩形，獲得路徑區(qū)域范圍；其中，所述路徑范圍坐標(biāo)沿用GIS地圖默認(rèn)坐標(biāo)。

通過測量起點(diǎn)與終點(diǎn)的直線距離(單位km，下同)，以起點(diǎn)和終點(diǎn)為基準(zhǔn)，分別在地圖上的南北方向和東西方向延伸，構(gòu)造矩形，為了留有一定裕度，以此矩形為基準(zhǔn)，各邊向外延伸，構(gòu)造新矩形，即路徑區(qū)域范圍。得到的路徑范圍坐標(biāo)沿用GIS地圖的默認(rèn)坐標(biāo)。

步驟S40，根據(jù)所述路徑區(qū)域和最小面積矩形包圍盒獲取含有障礙區(qū)的路徑可視圖。

在一個實(shí)施例中，獲取路徑可視圖的方法，可以包括如下：

將每個障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒在GIS地圖上進(jìn)行標(biāo)注；以所述所述起點(diǎn)與終點(diǎn)為起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，獲取從起始點(diǎn)經(jīng)過所述最小面積矩形包圍盒到目標(biāo)點(diǎn)的可行路徑可視圖。

參考圖8所示，圖8表示某路徑區(qū)域障礙區(qū)的可視圖，將每個障礙區(qū)域的矩形包圍盒用O_i(i＝1,2,...n)表示，在GIS地圖上對應(yīng)為障礙物，s、g分別表示起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，O₁和O₂表示兩個障礙物，虛線為從起始點(diǎn)s到目標(biāo)點(diǎn)g的可行路徑。

步驟S50，利用最佳路徑算法在所述路徑可視圖上尋找避開障礙物的最優(yōu)路徑；由這些路徑可以規(guī)劃海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)的拓?fù)洹?/p>

在此，本發(fā)明采用Path-best算法進(jìn)行尋優(yōu)，考慮實(shí)際工程情況，針對海上風(fēng)電場中存在障礙物區(qū)域，結(jié)合Path-best算法和Prim兩種算法，提出一種綜合型最短路徑生成樹算法。

在一個實(shí)施例中，最優(yōu)路徑的步驟可以包括如下：

利用最短路徑生成樹算法在所述路徑可視圖上進(jìn)行搜索，當(dāng)搜索到障礙區(qū)域時，采用求取最短路徑方法避開障礙物的最短邊，然后將搜索到的邊放入拓?fù)鋬?yōu)化中所有邊的集合中，然后繼續(xù)最短路徑生成樹算法算法，直到遍歷路徑可視圖的所有頂點(diǎn)。

作為一個實(shí)施例，所述尋找避開障礙物的最優(yōu)路徑算法流程，包括如下：

(1)確定初始集合：S₁＝{s}，F(xiàn)＝{f_i|i＝1,2,...n-1}，L＝{}；其中，s為圖中升壓站，即最小生成樹的初始點(diǎn)，f_i為各個風(fēng)機(jī)點(diǎn)，為第k個障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒的各頂點(diǎn)，L為拓?fù)鋬?yōu)化中所有邊的集合；

(2)從集合S₁中的頂點(diǎn)s出發(fā)，判斷s與f_i相連的邊是否與障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒的邊相交，若不相交，說明兩風(fēng)機(jī)點(diǎn)之間不含障礙物，從所有與s關(guān)聯(lián)的邊中選擇權(quán)值最小的邊(s,f)放入L中，將f放入S₁中并將其從集合F中刪除；若相交，說明兩點(diǎn)之間存在障礙物，則執(zhí)行步驟(3)；

(3)將s和f_i分別設(shè)為p和q，其中，p為起點(diǎn)，q為終點(diǎn)，令S₂＝{p}；

從集合R中選取一個距離p最小的頂點(diǎn)m，把m放入S₂中，如果m和q之間無障礙區(qū)域，直接將p,m,q相連接，放到S₂中，并將尋找到的最短路徑放入L中，如果有障礙區(qū)域，在m所屬最小面積矩形包圍盒的頂點(diǎn)中選取下一個點(diǎn)m₂，其中，m₂滿足與m相鄰且距終點(diǎn)q最近的條件；

(4)判斷m₂和終點(diǎn)q之間是否存在障礙區(qū)域，若存在，則把m₂作為新的起點(diǎn)p，重復(fù)執(zhí)行步驟(4)；若不存在，則將p、m、m₂、q相連接，并放入S₂中，并將尋找到的最短路徑放入集合L中；

(5)若f與f_t相連的邊同障礙物的外接最小矩形的邊不相交，擇權(quán)值最小的邊(f,f_t)放入L中，將f_t放入S₁中并將其從集合F中刪除，其中f∈S₁，f_t∈F；若相交，則依次執(zhí)行步驟(3)、(4)、(5)；

(6)重復(fù)執(zhí)行步驟(6)，直到集合為止，此時，由集合L中的邊組成圖的一個最小生成樹，從而得到最優(yōu)路徑。

上述實(shí)施例，提出一種綜合型最短路徑生成樹算法，隨著Prim算法的進(jìn)行，當(dāng)搜索到障礙區(qū)時，采用求取最短路徑的方法獲得避開障礙物的最短邊，然后將這些邊放入L(拓?fù)鋬?yōu)化中所有邊的集合)中，然后繼續(xù)采用Prim算法，直到所有頂點(diǎn)都已遍歷。

參考圖9所示，圖9為本發(fā)明的海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括：

圖層化處理模塊，用于獲取海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)中的障礙區(qū)域，利用GIS技術(shù)對障礙區(qū)域進(jìn)行圖層化處理；

幾何化處理模塊，用于對GIS處理后的障礙區(qū)域進(jìn)行幾何化處理，獲取障礙區(qū)域的最小面積矩形包圍盒；

路徑區(qū)域范圍確定模塊，用于確定障礙區(qū)路徑優(yōu)化的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并根據(jù)所述起點(diǎn)和終點(diǎn)確定路徑區(qū)域范圍；

路徑可視圖獲取模塊，用于根據(jù)所述路徑區(qū)域范圍和最小面積矩形包圍盒獲取含有障礙區(qū)的路徑可視圖；

最優(yōu)路徑尋找模塊，用于利用最佳路徑算法在所述路徑可視圖上尋找避開障礙物的最優(yōu)路徑，并完成海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

本發(fā)明的海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化系統(tǒng)與本發(fā)明的海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化方法一一對應(yīng)，在上述海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化方法的實(shí)施例闡述的技術(shù)特征及其有益效果均適用于海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化系統(tǒng)的實(shí)施例中，特此聲明。

參考圖10所示，圖10為一個采用本發(fā)明的海上風(fēng)電場集電系統(tǒng)避障路徑優(yōu)化技術(shù)獲得的海上風(fēng)電場存在障礙區(qū)的集電系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實(shí)施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。