劉二偉 蘇桂曉 賈天翼 闞童利 陸海梅

摘??要：針對沙戈荒大基地風(fēng)電項目的特殊氣候與地質(zhì)條件，系統(tǒng)進(jìn)行了集電線路的選型及優(yōu)化研究。首先，對集電線路的回路數(shù)量與路徑進(jìn)行了分析，根據(jù)負(fù)荷需求明確了回路劃分原則；其次，依據(jù)載流量需求確定了導(dǎo)線截面，選定了適宜的桿塔型式與構(gòu)造；再次，分析了地質(zhì)條件，優(yōu)化了基礎(chǔ)型式以降低基礎(chǔ)成本并提升穩(wěn)定性；最后，研究了防風(fēng)拉線金具的設(shè)計與固沙方案的實施。項目預(yù)測集電線路優(yōu)化將實現(xiàn)成本節(jié)約并提高運行可靠性，為風(fēng)電項目提供經(jīng)濟、有效的集電線路設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：集電線路??優(yōu)化設(shè)計??風(fēng)電項目??沙戈荒

中圖分類號：TM614

Research?on?the?Selection?and?Optimization?of?the?Current?Collection?Lines?for?Wind?Power?Projects?in?the?General?Desert-Gobi-Huangriness?Base

LIU?Erwei??SU?Guixiao??JIA?Tianyi??KAN?Tongli??LU?Haimei

New?Energy?Technology?Development?Company，?China?Huadian?Engineering?Co.，?Ltd.，Beijing，?100160?China

Abstract：?This?paper?conducts?a?systematic?study?of?the?selection?and?optimization?of?current?collection?lines?in?view?of?the?special?climate?and?geological?conditions?of?wind?power?projects?in?the?general?desert-gobi-huangriness?base.?First，?it?analyzes?the?number?and?path?of?circuits?in?the?current?collection?line，?and?clarifies?the??division?principle?of?circuits?based?on?load?demand.?Then，?it?determines?the?cross-section?of?conductors?based?on?the?requirements?of?the?current?carrying?capacity，?and?selects?suitable?the?type?and?structure?of?poles?and?towers.?Again，?it?analyzes?geological?conditions?and?optimizes?foundation?forms?to?reduce?foundation?costs?and?improve?stability.?Finally，?it?studies?the?design?of?windproof?wire?fittings?and?the?implementation?of?sand?fixation?schemes.?The?project?predicts?that?the?optimization?of?current?collection?lines?will?save?costs?and?improve?operational?reliability，?which?provides?an?economical?and?effective?design?solution?of?current?collection?lines?for?wind?power?projects.

Key?Words：?Current?collection?line;?Optimization?design;?Wind?power?project;?Desert，?gobi?and?hungriness

隨著我國“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的提出，可再生能源尤其是風(fēng)電項目的開發(fā)日益受到重視。沙戈荒地區(qū)因其特殊的氣候與地質(zhì)條件，使得風(fēng)電項目集電線路面臨著更多挑戰(zhàn)。本研究旨在針對這一問題，提出集電線路選型及優(yōu)化方案，以期降低投資成本和提升系統(tǒng)的運行可靠性。通過對沙戈荒地區(qū)集電線路的專項分析與優(yōu)化設(shè)計，本項目將為風(fēng)電場設(shè)計提供具有針對性的參考方案，有望實現(xiàn)在惡劣環(huán)境下集電線路的經(jīng)濟性與可靠性的雙重提升。

1??項目背景和意義

隨著全球應(yīng)對氣候變化的緊迫性日益提升，中國提出了2030年前碳達(dá)峰和2060年前實現(xiàn)碳中和的宏偉目標(biāo)。為實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)，大力發(fā)展新能源項目，尤其是在沙漠、戈壁、荒漠等地區(qū)建設(shè)大型風(fēng)電與光伏基地，成為推動國家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與優(yōu)化的關(guān)鍵措施。沙戈荒地區(qū)由于其獨有的氣候與地質(zhì)條件，對風(fēng)電項目的集電線路設(shè)計與施工提出了更高的要求。傳統(tǒng)的集電線路設(shè)計往往無法滿足該地區(qū)特殊環(huán)境下的運行需求，因此，對于大基地風(fēng)電項目的集電線路進(jìn)行優(yōu)化選型設(shè)計具有重大的實用意義。通過科學(xué)的規(guī)劃和先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠有效降低投資成本，提升電能輸送的可靠性，還能在全生命周期內(nèi)顯著降低度電成本，進(jìn)一步促進(jìn)新能源的經(jīng)濟效益[1]。

2??風(fēng)電項目集電線路選型及優(yōu)化方案

2.1??集電線路回路劃分優(yōu)化

2.1.1??回路數(shù)量與路徑分析

在沙戈荒大基地風(fēng)電項目的集電線路設(shè)計中，對回路數(shù)量和路徑的細(xì)致規(guī)劃是確保能效和經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。針對該項目，研究人員采取了一系列的路徑優(yōu)化算法和模擬評估方法，以確定最佳回路數(shù)量。通過系統(tǒng)地分析風(fēng)電場的地理布局、風(fēng)機分布及其與變電站的相對位置，結(jié)合電力流的模擬結(jié)果和線損計算，本研究綜合評估了不同回路配置對于整體系統(tǒng)效率的影響。

2.1.2?負(fù)荷分析與回路劃分

根據(jù)負(fù)荷的時間分布特性和空間分布特性，合理劃分集電線路的回路，確保在最大負(fù)荷時段內(nèi)，系統(tǒng)依然可以穩(wěn)定運行，同時也避免了在低負(fù)荷時段資源的浪費。針對沙漠環(huán)境下可能出現(xiàn)的突發(fā)性大風(fēng)導(dǎo)致的負(fù)荷波動，本研究還特別考慮了回路設(shè)計的冗余和彈性，以保障系統(tǒng)在面對不確定因素時的可靠性。劃分回路時，還特別注意到避免或減少跨越沙丘等難以維護(hù)的地段，以降低后期的維護(hù)成本和風(fēng)險。

2.2??導(dǎo)線截面與桿塔型式選型

2.2.1??載流量需求與導(dǎo)線截面確定

為滿足沙戈荒大基地風(fēng)電項目的電力傳輸需求，準(zhǔn)確確定導(dǎo)線的載流量是確保集電線路安全和高效運行的基礎(chǔ)。在這一過程中，首先對風(fēng)電場的最大發(fā)電能力進(jìn)行了預(yù)測，并以此為基準(zhǔn)，計算了集電線路的最大負(fù)載需求。其次，考慮到導(dǎo)線在長期運行中的熱穩(wěn)定性和電氣性能，選取了能夠承受預(yù)期最高載流量的導(dǎo)線截面。

2.2.2?桿塔型式與構(gòu)造功能性選擇

結(jié)合地區(qū)特定的環(huán)境條件和土壤特性，選擇了最適宜的桿塔型式。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了桿塔設(shè)計的成本效益，確保在保障結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)固的同時，也能夠經(jīng)濟合理。針對沙戈荒地區(qū)桿塔基礎(chǔ)可能遇到的沙土流失問題，特別增加了對桿塔基礎(chǔ)的加固設(shè)計，以確保長期穩(wěn)定提供支撐功能[2]。

2.3??基礎(chǔ)型式的確定與優(yōu)化

2.3.1?地質(zhì)條件分析與基礎(chǔ)型式選型

針對沙漠地帶常見的松散沙質(zhì)土壤，通過地質(zhì)勘探和土壤承載力測試，評估了地表下不同深度的土壤穩(wěn)定性?；诳碧綌?shù)據(jù)，結(jié)合集電線路塔架的荷載特點，選定了能適應(yīng)軟土層和防止沙土流失的基礎(chǔ)型式?？紤]到沙漠地區(qū)地基受力特點，選擇了深基礎(chǔ)或擴大型基礎(chǔ)設(shè)計，以確保足夠的承載力和穩(wěn)定性。

2.3.2?基礎(chǔ)成本與穩(wěn)定性能的優(yōu)化

在基礎(chǔ)成本與穩(wěn)定性能的優(yōu)化過程中，綜合考量了材料成本、施工難度以及長期維護(hù)費用。通過采用經(jīng)濟效益分析和生命周期成本分析方法，優(yōu)化了基礎(chǔ)設(shè)計，確保在不犧牲穩(wěn)定性的前提下最大程度地降低投資和運維成本。應(yīng)用創(chuàng)新的建筑材料和施工技術(shù)，如使用高性能混凝土和地基加固新技術(shù)，提高了基礎(chǔ)的承載能力和抗風(fēng)化能力，同時減少了材料的使用量，從而降低了整體成本。

2.4??防風(fēng)壓沙與固沙技術(shù)

2.4.1??防風(fēng)拉線金具的設(shè)計與選型

本項目中，設(shè)計團隊選擇了能夠承受極端風(fēng)速影響的高強度拉線金具，并對其進(jìn)行了氣候適應(yīng)性評估，確保在沙塵暴等惡劣天氣下仍能保持穩(wěn)定。金具的選材也充分考慮了防腐蝕需求，以適應(yīng)沙漠地區(qū)的高鹽堿環(huán)境。

2.4.2?固沙方案的研究與實施

項目中采取了一系列固沙技術(shù)，如植被恢復(fù)、風(fēng)網(wǎng)設(shè)置和地表覆蓋等，來提高地表穩(wěn)定性和防止沙塵暴。植被方案考慮了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，選用了耐旱、耐鹽堿的植物，以減少對本地生態(tài)的干擾[3]。同時，通過設(shè)置風(fēng)網(wǎng)和覆蓋物，減少了風(fēng)在土壤表面的侵蝕作用。具體如表1所示。

3??項目實施與效果預(yù)測

3.1??集電線路設(shè)計方案的具體實施步驟

3.1.1??施工圖設(shè)計與審核

施工圖的設(shè)計是項目實施的藍(lán)圖，需綜合考慮地質(zhì)、氣候等因素，以及后期運維的便捷性。在設(shè)計階段，專業(yè)團隊會利用最新的工程軟件進(jìn)行建模，模擬各種環(huán)境下的線路表現(xiàn)，從而優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計完成后，通過內(nèi)外部審核以確保施工圖的科學(xué)性和合規(guī)性。

3.1.2??施工方案的制訂與實施

方案會詳述各類資源的配置、施工流程、時間管理以及風(fēng)險應(yīng)對策略。在具體實施前，施工團隊會接受相關(guān)的技術(shù)和安全培訓(xùn)，以確保每個成員都能夠了解并遵守施工規(guī)程。實施過程中，項目管理團隊會密切監(jiān)控工程進(jìn)度和質(zhì)量，及時調(diào)整施工計劃，確保項目在預(yù)定的時間內(nèi)完成。

3.2??經(jīng)濟效益分析

3.2.1??成本節(jié)約預(yù)測與分析

在沙戈荒大基地風(fēng)電項目中，成本節(jié)約的預(yù)測與分析是項目可持續(xù)性的關(guān)鍵。項目團隊將運用先進(jìn)的成本管理體系，精細(xì)跟蹤所有成本點，包括直接和間接成本。動態(tài)監(jiān)控這些成本要素有助于項目團隊及時調(diào)整策略，降低不必要開支。預(yù)測成本節(jié)約還需基于對市場動向的深入分析。項目采用的新技術(shù)會進(jìn)行量化分析，以評估對整體成本的影響。項目團隊將綜合運用精益施工和價值工程原則，探索提高施工效率和降低材料浪費的方法。例如：通過優(yōu)化設(shè)計減少施工作業(yè)和采用模塊化施工技術(shù)縮短施工周期[4]。

3.2.2??全生命周期度電成本降低估算

度電成本的降低估算涉及項目從籌備、建設(shè)、運營到最后退役的整個周期。在估算過程中，項目團隊會綜合考慮資本投資、運營維護(hù)成本、設(shè)備更換成本以及項目融資成本等多個方面。首先，沙戈荒大基地風(fēng)電項目在建設(shè)初期就通過采用高效的施工技術(shù)和管理方法，如同步化工程計劃和資源優(yōu)化配置，力求縮短建設(shè)時間，降低資本投資成本。

3.3??運行可靠性提升預(yù)測

3.3.1??線路運行可靠性的預(yù)測模型

建立預(yù)測模型對沙戈荒大基地風(fēng)電項目很關(guān)鍵，能預(yù)測運維問題，確保項目順利運行。模型考慮多種因素，如歷史氣候、線路材料疲勞特性、運行負(fù)荷歷史和預(yù)測等。模型利用數(shù)據(jù)分析評估線路在特定條件下的失效概率，并采用統(tǒng)計和機器學(xué)習(xí)方法預(yù)測未來的可靠性表現(xiàn)。模型還會模擬不同維護(hù)方案對可靠性的影響，幫助決策者優(yōu)化資源分配和維護(hù)計劃。為提高預(yù)測準(zhǔn)確性，模型會持續(xù)更新最新的運行數(shù)據(jù)和監(jiān)測信息。實現(xiàn)高級預(yù)測模型能及時識別風(fēng)險，實施預(yù)防性維護(hù)，減少停電時間，提高風(fēng)電場的發(fā)電效率和經(jīng)濟效益。

3.3.2?可靠性提升措施的效果評估

為確保沙戈荒大基地風(fēng)電項目線路運行可靠性，采取多項措施，評估措施效果通過定量和定性分析，量化措施成效，長期跟蹤分析以確定對運行穩(wěn)定性的持續(xù)影響[5]。例如：高材料質(zhì)量或改進(jìn)設(shè)計，監(jiān)控歷史故障數(shù)據(jù)并與改進(jìn)后性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證改進(jìn)措施有效性。

4??結(jié)語

通過針對沙戈荒大基地風(fēng)電項目的集電線路選型及優(yōu)化研究，本項目提出了一系列切實可行的設(shè)計方案和技術(shù)措施。這些成果不僅預(yù)計將實現(xiàn)成本的有效節(jié)約，而且還有望大幅提升風(fēng)電項目集電線路在極端氣候條件下的運行可靠性。本研究的實施，將為沙漠、戈壁等特殊區(qū)域風(fēng)電場集電線路的開展提供理論與實踐的支持，從而促進(jìn)新能源項目在更廣闊區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張仲香，劉寶鋒，方晨鑫，等.沙戈荒環(huán)境下風(fēng)電葉片中復(fù)合材料耐高溫性能研究[J/OL].復(fù)合材料科學(xué)與工程：1-5[2023-12-19]http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1683.TU.20230718.1004.004.html.

[2] 謝輝，陳眾，古純松，等.基于多重雷擊的風(fēng)電機組集電線路雷電暫態(tài)過電壓分析[J].電瓷避雷器，2022（4）：43-51.

[3] 辛雙喬.雙饋風(fēng)電場送出線路與集電線路單相接地故障測距方法研究[D].?天津：天津大學(xué)，2022.

[4] 楊樂.論規(guī)?；瘍δ茉陲L(fēng)、光發(fā)電項目中的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程，?2021（16）：181-182.

[5] 趙裕童.風(fēng)電場集電線路及其T接送出線路保護(hù)方案研究[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2019.