基于AutoCAD平臺的光伏智能化設(shè)計(jì)應(yīng)用

孫凱航

（中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計(jì)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(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要支撐能源，也是全球可再生能源發(fā)展的必然趨勢。根據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年全國各省光伏電站總配置規(guī)模為89.28GW，規(guī)劃大型光伏電站容量超過了60GW，2022年安裝容量為87.41GW，呈現(xiàn)出了爆發(fā)式的業(yè)務(wù)增長量。

電力設(shè)計(jì)單位作為光伏能源生產(chǎn)過程中的重要的智力服務(wù)型單位，影響著光伏電站的建設(shè)周期、經(jīng)濟(jì)效益等。根據(jù)本單位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年光伏電站工程數(shù)量同比增長了35.5%，建設(shè)規(guī)模容量增加了4.7GW。但是近期的光伏工程設(shè)計(jì)周期不斷壓縮，反復(fù)次數(shù)不斷增加，例如單體100MW光伏電站的設(shè)計(jì)周期由3個(gè)月縮短至2個(gè)月，工程方案優(yōu)化次數(shù)增加了2~3次，設(shè)計(jì)人員的生產(chǎn)壓力不斷增大。

因此有必要面向光伏電站的整個(gè)設(shè)計(jì)過程，尤其是提升光伏場區(qū)陣列的設(shè)計(jì)效率。采用智能化的的手段解決總圖、資源及電氣等專業(yè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在保證設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上提高設(shè)計(jì)效率。

2 功能模塊

通過對專業(yè)人員進(jìn)行需求調(diào)查，專業(yè)人員更愿意面向圖紙，以效率提升的工具性開發(fā)，同時(shí)結(jié)合PVSyst、Candela等專業(yè)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同，功能互補(bǔ)、優(yōu)勢互補(bǔ)，在各個(gè)專業(yè)功能模塊低耦合，降低應(yīng)用難度，結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行重點(diǎn)突破。

按照光伏電站的系統(tǒng)配置構(gòu)成，需要設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是光伏組件布置、方陣支架和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、電纜設(shè)計(jì)內(nèi)容，結(jié)合專業(yè)需求反饋，將設(shè)計(jì)規(guī)范[1]和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)則化算法整理，基于AutoCAD平臺開發(fā)光伏電站快速設(shè)計(jì)工具，并串聯(lián)Candela、PVSyst等軟件，實(shí)現(xiàn)光伏電站智能化設(shè)計(jì)應(yīng)用[2]，完成功能模塊的軟件開發(fā)，光伏陣列智能化設(shè)計(jì)功能模塊如圖1所示。

圖1 光伏陣列智能化設(shè)計(jì)功能模塊

3 陣列設(shè)計(jì)

3.1 地形分析

地形分析的智能化實(shí)現(xiàn)思路如圖2所示，設(shè)計(jì)人員首先根據(jù)輸入的等高線地形圖進(jìn)行地塊邊界確認(rèn)繪制，采用圖塊識別和定義的方式，對范圍內(nèi)的建筑物、設(shè)施及道路等進(jìn)行不可用區(qū)域標(biāo)記，篩選劃分出可用地形區(qū)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(qū)域，從而減少設(shè)計(jì)人員人工干預(yù)工作量[3]。

圖2 地形分析智能化設(shè)計(jì)流程

CAD地形分析的結(jié)果如圖3所示，其中淺色區(qū)域代表最優(yōu)布置區(qū)域，該區(qū)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(qū)域不適合布置光伏陣列。軟件根據(jù)地形分析結(jié)果，完成工作區(qū)域范圍的創(chuàng)建。

圖3 CAD地形分析效果

3.2 陰影分析

進(jìn)行陰影分析前首先要進(jìn)行組件布置，確定組件在支架上的布置形式。軟件可根據(jù)組件特征數(shù)據(jù)信息，按照輸入組串并聯(lián)、傾角及間距值參數(shù)信息，確定組件布置，并按照日照數(shù)據(jù)分析組件間的陰影長度遮擋，對陣列可用區(qū)域進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，如圖4和5所示。

圖4 陰影分析智能化設(shè)計(jì)流程

圖5 優(yōu)化后的光伏陣列區(qū)域

3.3 陣列布置及分區(qū)

目前設(shè)計(jì)人員一般采用手動方式進(jìn)行陣列布置，存在著大量重復(fù)性、反復(fù)性的工作，極大地影響了設(shè)計(jì)的效率。軟件通過布置區(qū)域的自動識別，智能化的按照組件布置方案進(jìn)行各種樣式的布置。并可按照指定單元容量，同時(shí)把設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和想法進(jìn)行顯性化定制，形成了對稱分區(qū)、矩形分區(qū)智能化算法，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電單元的自動劃分，進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性工作內(nèi)容，如圖6和圖7所示。

圖6 光伏陣列智能化設(shè)計(jì)流程

圖7 陣列布置及分區(qū)效果

4 電纜敷設(shè)

軟件完成光伏陣列布置設(shè)計(jì)后，進(jìn)而需要電氣專業(yè)布置匯流箱、逆變器及箱變等設(shè)備，再按光伏分區(qū)電氣邏輯關(guān)系、通道完成電纜布置。最終智能化電纜敷設(shè)核心問題可以歸納為設(shè)備布置、通道設(shè)計(jì)及電纜統(tǒng)計(jì)，電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)流程

4.1 設(shè)備布置

軟件結(jié)合箱變、匯流箱及逆變器設(shè)備的功能和定位，分別制定了布置規(guī)則，以達(dá)到設(shè)計(jì)效率的提升。箱變布置根據(jù)CAD圖紙中劃分的發(fā)電單元和子單元數(shù)據(jù)，按照設(shè)置條件和設(shè)備尺寸信息布置到陣列，并綁定到劃分的發(fā)電單元；根據(jù)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(shè)備手動布置，或按近電纜通道、近變壓器規(guī)則進(jìn)行批量自動化放置。

4.2 通道設(shè)計(jì)

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(fā)電單元沿著匯流設(shè)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(shè)置功能模塊則對組串間、組串內(nèi)、組串到匯流及匯流到低壓通道等端點(diǎn)搭接長度，預(yù)留長度系數(shù)、通道類型、型號及安裝方式進(jìn)行確認(rèn)，電纜設(shè)置用于設(shè)計(jì)各級電纜接線設(shè)置、電纜埋地深度設(shè)置、設(shè)備接線高度設(shè)置及組串內(nèi)電纜長度設(shè)置。單元分區(qū)路徑拓?fù)淙鐖D9所示。

圖9 單元分區(qū)路徑拓?fù)?/p>

4.3 電纜統(tǒng)計(jì)

軟件通過尋優(yōu)電纜主通道，根據(jù)路徑導(dǎo)航算法，自動導(dǎo)航電纜路由，計(jì)算尋路成功后的電纜路徑長度，并內(nèi)置了壓降算法計(jì)算相應(yīng)的壓降線損，用于進(jìn)行電纜選型。電纜敷設(shè)結(jié)果如圖10所示。

圖10 電纜敷設(shè)結(jié)果

5 支架設(shè)計(jì)

5.1 立柱布置

光伏陣列布置完成后，由結(jié)構(gòu)專業(yè)考慮陣列支架的布置參數(shù)、支架參數(shù)等，完成支架立柱的布置及標(biāo)識相關(guān)立柱坐標(biāo)。軟件實(shí)現(xiàn)了可視化、參數(shù)化的立柱布置設(shè)計(jì)，利用光伏陣列布置信息，實(shí)現(xiàn)分區(qū)批量自動化繪制，效率大為提升。

5.2 支架參數(shù)化繪制

軟件結(jié)合山地、平原光伏工程中典型結(jié)構(gòu)型式的光伏支架，實(shí)現(xiàn)了通過改變支架尺寸、角度和構(gòu)件尺寸等參數(shù)信息，快速生成光伏支架立面、平面、組件、立柱、拉桿、節(jié)點(diǎn)詳圖等圖紙，并根據(jù)繪制信息生成支架材料表，實(shí)現(xiàn)一鍵出圖。

6 交互接口

軟件實(shí)現(xiàn)了與Candela、PVSyst進(jìn)行接口，根據(jù)不同類型工程，采用不同工作流，完成光伏區(qū)陰影分析及組件排布，進(jìn)一步優(yōu)化光伏電站的設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確度。

目前越來越多的光伏工程要求采用在BIM平臺上進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，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(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了光伏陣列、地形等三維模型的快速生成，進(jìn)一步對工程實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并可以開展全壽命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)利用[4]。BIM模型數(shù)據(jù)交互如圖11所示。

圖11 BIM模型數(shù)據(jù)交互

7 工程應(yīng)用

以中廣核寧晉234MWp光伏發(fā)電工程為例，該工程區(qū)域地塊分散、面積大，且為農(nóng)光互補(bǔ)發(fā)電工程，中間夾雜大量不可用地塊，光伏陣列區(qū)規(guī)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(zhǔn)確，要求精度進(jìn)一步提升；最后該工程要求66天完成首批光伏陣列并網(wǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)間大為壓縮，迫切需要效率的提升。

將光伏陣列智能化設(shè)計(jì)應(yīng)用到該工程項(xiàng)目，總圖、電氣及土建等專業(yè)在設(shè)計(jì)過程中分別應(yīng)用陣列布置、電纜敷設(shè)及支架設(shè)計(jì)等功能模塊，縮短了地形分析、光伏系統(tǒng)布置、邏輯管理、設(shè)備布置、電纜敷設(shè)及支架繪制等環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)周期，有效提高工作效率約30%，節(jié)約80個(gè)日工，且減少工程電纜用量6.76%，為工程創(chuàng)造利潤價(jià)值150余萬元。

8 總結(jié)

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

1）軟件功能覆蓋面不夠，后續(xù)要完善集電線路專業(yè)塔位排布、路徑規(guī)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(jīng)驗(yàn)還存在著矛盾，在光伏陣列區(qū)域設(shè)備布置、路徑規(guī)劃等設(shè)計(jì)，軟件智能化應(yīng)用反而造成設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員提出了通過光伏陣列布置、場區(qū)方位角、組件傾角及容配比相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)比選的需求，對于工程的方案優(yōu)化、發(fā)電量效益分析具有重大意義。