本發(fā)明涉及風(fēng)電場布置，尤其涉及一種基于深度學(xué)習(xí)的風(fēng)電場布置方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、風(fēng)電場布置是風(fēng)電項目開發(fā)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，旨在尋找風(fēng)能資源豐富、風(fēng)向穩(wěn)定、地形地貌適宜、建設(shè)條件良好的區(qū)域，以確保風(fēng)電場能夠高效、安全、可持續(xù)地運行；傳統(tǒng)風(fēng)電場布置方法主要依賴于氣象數(shù)據(jù)、地形地貌分析、地質(zhì)勘探以及社會經(jīng)濟條件評估等多方面因素的綜合考量；

2、然而，傳統(tǒng)風(fēng)電場布置方法在風(fēng)向穩(wěn)定性和尾流效應(yīng)評估方面仍存在不足；風(fēng)向的穩(wěn)定性直接影響風(fēng)電機組的運行效率和壽命，傳統(tǒng)方法雖然會評估風(fēng)向，但往往側(cè)重于主導(dǎo)風(fēng)向，對于風(fēng)向穩(wěn)定性考慮不足；而在尾流效應(yīng)方面，傳統(tǒng)方法大多考慮尾流效應(yīng)對發(fā)電量的影響，但在區(qū)位選擇上往往只進行粗略估算，未能充分考慮尾流效應(yīng)對風(fēng)電機組布局和風(fēng)電場整體效率的影響；

3、近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)以其強大的數(shù)據(jù)處理能力和模式識別能力，為此問題的解決提供了可能的方案，通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)分析海量的氣象數(shù)據(jù)，捕捉風(fēng)向的細微變化與穩(wěn)定性特征，為風(fēng)電場提供更為精細的風(fēng)向穩(wěn)定性評估；同時，精確模擬尾流效應(yīng)的動態(tài)變化，進而調(diào)整機組間距與朝向，最大限度減少尾流干擾，提升風(fēng)電場的整體運行效率和經(jīng)濟效益，因此，有必要引入深度學(xué)習(xí)技術(shù)來優(yōu)化風(fēng)電場布置方法，提高布置的合理性和科學(xué)性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于深度學(xué)習(xí)的風(fēng)電場布置方法及系統(tǒng)；獲取風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)以及輸電線路分布數(shù)據(jù)，并進行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)；根據(jù)預(yù)處理后的風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)計各風(fēng)向頻率，確定主導(dǎo)風(fēng)向，并提取出風(fēng)向穩(wěn)定性特征；根據(jù)預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)，以及風(fēng)向穩(wěn)定性特征，計算第一風(fēng)電評分；根據(jù)輸電線路分布數(shù)據(jù)，更新第一風(fēng)電評分，得到第二風(fēng)電評分；根據(jù)風(fēng)向穩(wěn)定性特征計算尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量，并對第二風(fēng)電評分進行更新，得到第三風(fēng)電評分；對第三風(fēng)電評分進行正序排序，并選擇第三風(fēng)電評分最高的柵格作為新風(fēng)機位置，然后更新尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量；重復(fù)此步驟，直到所有風(fēng)機位置選擇完畢。除了傳統(tǒng)的風(fēng)速和主導(dǎo)風(fēng)向，本發(fā)明還綜合考慮了風(fēng)向穩(wěn)定性、輸電距離成本以及尾流效應(yīng)的影響，提高了風(fēng)電場布置的合理性。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

3、獲取風(fēng)電場的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)以及輸電線路分布數(shù)據(jù)，并進行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)和地形柵格數(shù)據(jù)；

4、根據(jù)預(yù)處理后的風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)計各風(fēng)向頻率，確定主導(dǎo)風(fēng)向，并提取出風(fēng)向穩(wěn)定性特征；

5、根據(jù)預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)，以及風(fēng)向穩(wěn)定性特征，計算第一風(fēng)電評分；

6、根據(jù)輸電線路分布數(shù)據(jù)，更新第一風(fēng)電評分，得到第二風(fēng)電評分；

7、根據(jù)風(fēng)向穩(wěn)定性特征計算尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量，并對第二風(fēng)電評分進行更新，得到第三風(fēng)電評分；

8、對第三風(fēng)電評分進行正序排序，并選擇第三風(fēng)電評分最高的柵格作為新風(fēng)機位置，然后更新尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量；重復(fù)此步驟，直到所有風(fēng)機位置選擇完畢。

9、進一步的，獲取風(fēng)電場的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)以及輸電線路分布數(shù)據(jù)，并進行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)和地形柵格數(shù)據(jù)，包括：

10、獲取風(fēng)電場的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)和地形柵格數(shù)據(jù)；所述風(fēng)電場的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)和地形柵格數(shù)據(jù)為數(shù)值型標量數(shù)據(jù)，分別表示該柵格位置的風(fēng)速大小、風(fēng)向角、高程值；獲取輸電線路分布數(shù)據(jù)，所述輸電線路分布數(shù)據(jù)為線狀形式，包含輸電線路的地理坐標信息；

11、對風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)，進行異常值去除，并采用克里金插值法填補空值柵格，得到預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)；

12、對輸電線路分布數(shù)據(jù)，采用arcgis中的格式轉(zhuǎn)換工具進行格式轉(zhuǎn)換，從shapefile格式轉(zhuǎn)換為線段集格式。

13、進一步的，根據(jù)預(yù)處理后的風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)計各風(fēng)向頻率，確定主導(dǎo)風(fēng)向，并提取出風(fēng)向穩(wěn)定性特征，包括：

14、遍歷預(yù)處理后的風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)，統(tǒng)計每種風(fēng)向角出現(xiàn)的次數(shù)；

15、根據(jù)每種風(fēng)向角出現(xiàn)的次數(shù)計算出各風(fēng)向頻率，并將頻率最高的風(fēng)向作為主導(dǎo)風(fēng)向，計算方式為：

16、

17、

18、其中，為第i種風(fēng)向的頻率，i為風(fēng)向索引，為第i種風(fēng)向角出現(xiàn)的次數(shù)，n為風(fēng)向角總數(shù)，b為主導(dǎo)風(fēng)向，為取最大值，為取使得達到最大時的i的值；

19、計算風(fēng)向角的標準差，計算方式為：

20、

21、其中，為第i種風(fēng)向角的角度值，為風(fēng)向角的加權(quán)平均數(shù)；

22、構(gòu)建風(fēng)向特征提取網(wǎng)絡(luò)，提取風(fēng)向穩(wěn)定性特征，計算方式為：

23、

24、

25、其中，為風(fēng)向編碼特征，為全卷積網(wǎng)絡(luò)操作，為預(yù)處理后的風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)中第n個柵格風(fēng)向角的角度值，n為柵格索引，為風(fēng)向穩(wěn)定性特征，為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作，所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作輸出的特征圖大小與風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)尺寸相同；

26、本發(fā)明首先根據(jù)風(fēng)向頻率確定主導(dǎo)風(fēng)向，再計算風(fēng)向角的標準差來量化風(fēng)向的波動性，然后將風(fēng)向角的標準差作為增強特征，輸入到作為編碼器的全卷積網(wǎng)絡(luò)中，再將全卷積網(wǎng)絡(luò)輸出的風(fēng)向編碼特征輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，處理柵格數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，并解碼得到風(fēng)向穩(wěn)定性特征；相較于傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計的風(fēng)向穩(wěn)定性評價方法，本發(fā)明采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進行特征融合，能夠更好的表示風(fēng)向穩(wěn)定性特征的非線性變化規(guī)律；而此步驟計算出的風(fēng)向穩(wěn)定性特征與主導(dǎo)風(fēng)向，也將作為后續(xù)的風(fēng)電評分計算的輸入數(shù)據(jù)，增強模型對風(fēng)電場風(fēng)向變化的理解。

27、進一步的，根據(jù)預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)，以及風(fēng)向穩(wěn)定性特征，計算第一風(fēng)電評分；包括：

28、將預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)進行疊加，并采用地形因子修正法對風(fēng)速進行修正計算，得到修正后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)；

29、將修正后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)與預(yù)處理后的風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)進行疊加，并結(jié)合主導(dǎo)風(fēng)向，計算初步風(fēng)電評分，計算方式為：

30、

31、

32、

33、其中，為第n個柵格風(fēng)向角與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角的絕對值，為取最小值操作，為風(fēng)向偏差特征，為初步風(fēng)電評分，為全連接層操作，為修正后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)中第n個柵格中的風(fēng)速，為修正后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)中的風(fēng)速最大值；

34、相較于傳統(tǒng)的依賴于單一風(fēng)速數(shù)據(jù)或經(jīng)驗公式進行風(fēng)電潛力評估的方式，此步驟首先通過地形因子修正風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)，使得風(fēng)速數(shù)據(jù)更加貼近真實環(huán)境；其次，將風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)以及風(fēng)向穩(wěn)定性特征等多源數(shù)據(jù)有機融合，風(fēng)向與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角計算風(fēng)向偏差，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型（全連接層和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），使得模型能夠根據(jù)大量數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)學(xué)習(xí)，實現(xiàn)了多維度信息的綜合評估；同時，計算出的初步風(fēng)電評分，也為后續(xù)計算第一、第二、第三風(fēng)電評分提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

35、根據(jù)初步風(fēng)電評分，結(jié)合風(fēng)向穩(wěn)定性特征，計算第一風(fēng)電評分，計算方式為：

36、

37、其中，為第一風(fēng)電評分。

38、進一步的，根據(jù)輸電線路分布數(shù)據(jù)，更新第一風(fēng)電評分，得到第二風(fēng)電評分，包括：

39、根據(jù)輸電線路分布數(shù)據(jù)，采用arcgis中的緩沖區(qū)分析工具，創(chuàng)建輸電線路緩沖區(qū)；

40、根據(jù)輸電線路緩沖區(qū)，計算輸電成本得分，計算方式為：

41、

42、其中，為輸電成本得分，為自然常數(shù)，為距離系數(shù)，為目標柵格到輸電線路的直線距離，為輸電線路緩沖區(qū)的半徑；

43、根據(jù)輸電成本得分，結(jié)合第一風(fēng)電評分，計算第二風(fēng)電評分，計算方式為：

44、

45、

46、其中，為第二風(fēng)電評分，為距離懲罰函數(shù)，為懲罰系數(shù)；

47、在此步驟中，本發(fā)明引入了輸電成本得分，以綜合考慮風(fēng)電場建設(shè)與輸電線路之間的空間關(guān)系；在輸電線路緩沖區(qū)內(nèi)的柵格，由于電磁干擾、安全距離要求等因素，不能在此區(qū)域修建風(fēng)機，因此通過指數(shù)衰減函數(shù)給予較大的負向成本得分，而在緩沖區(qū)外的柵格，隨著距離的增加，輸電布線成本逐漸升高，通過，給予成本考慮；而在計算第二風(fēng)電評分時，通過結(jié)合第一風(fēng)電評分和輸電成本得分，并利用距離懲罰函數(shù)進行調(diào)整，使得風(fēng)電評分更加貼近實際情況。

48、進一步的，根據(jù)風(fēng)向穩(wěn)定性特征計算尾流效應(yīng)的風(fēng)速衰減量，并對第二風(fēng)電評分進行更新，得到第三風(fēng)電評分，包括：

49、選擇jensen模型作為尾流效應(yīng)評估模型，并根據(jù)風(fēng)向穩(wěn)定性特征，計算尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量，計算方式為：

50、

51、其中，為尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量，為尾流影響系數(shù)，為尾流擴散系數(shù)，為下游距離，為風(fēng)輪中心位置；

52、根據(jù)尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量，對第二風(fēng)電評分進行更新，得到第三風(fēng)電評分，計算方式為：

53、

54、其中，為第三風(fēng)電評分；

55、傳統(tǒng)方法通常忽略或簡化尾流效應(yīng)的計算，或者僅采用靜態(tài)的風(fēng)速衰減模型，無法準確反映風(fēng)電場中風(fēng)機之間的復(fù)雜相互作用；本發(fā)明通過引入jensen模型并結(jié)合風(fēng)向穩(wěn)定性特征來計算尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量，不僅考慮了尾流擴散的物理過程，還融入了風(fēng)向變化對尾流效應(yīng)的影響，實現(xiàn)了多維度信息的綜合評估，提高了尾流效應(yīng)評估的準確性和動態(tài)性；基于第三風(fēng)電評分，可以更加精確地評估風(fēng)電場中各位置的風(fēng)能資源潛力和尾流效應(yīng)影響，從而優(yōu)化風(fēng)電場的布局設(shè)計，減少風(fēng)機之間的相互影響，提高整體發(fā)電效率。

56、本發(fā)明還公開了一種基于深度學(xué)習(xí)的風(fēng)電場布置系統(tǒng)，包括：

57、數(shù)據(jù)預(yù)操作單元：獲取風(fēng)電場的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)以及輸電線路分布數(shù)據(jù)，并進行預(yù)處理，得到預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)和地形柵格數(shù)據(jù)；

58、風(fēng)向穩(wěn)定性特征提取單元：根據(jù)預(yù)處理后的風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)計各風(fēng)向頻率，確定主導(dǎo)風(fēng)向，并提取出風(fēng)向穩(wěn)定性特征；

59、第一風(fēng)電評分計算單元：根據(jù)預(yù)處理后的風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、地形柵格數(shù)據(jù)，以及風(fēng)向穩(wěn)定性特征，計算第一風(fēng)電評分；

60、第二風(fēng)電評分計算單元：根據(jù)輸電線路分布數(shù)據(jù)，更新第一風(fēng)電評分，得到第二風(fēng)電評分；

61、第三風(fēng)電評分計算單元：根據(jù)風(fēng)向穩(wěn)定性特征計算尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量，并對第二風(fēng)電評分進行更新，得到第三風(fēng)電評分；

62、迭代計算單元：對第三風(fēng)電評分進行正序排序，并選擇第三風(fēng)電評分最高的柵格作為新風(fēng)機位置，然后更新尾流效應(yīng)風(fēng)速衰減量；重復(fù)此步驟，直到所有風(fēng)機位置選擇完畢。

63、本發(fā)明具備以下有益效果：

64、1、本發(fā)明集成了風(fēng)速柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向柵格數(shù)據(jù)、風(fēng)向穩(wěn)定性以及輸電線路成本等多源數(shù)據(jù)，設(shè)計多層次的風(fēng)電評分計算單元，逐步細化風(fēng)電評分，確保各種影響風(fēng)電站位置的因素都能得到全面的考量；同時，在選擇每一個新風(fēng)機的位置時，都考慮當前已有風(fēng)機的尾流效應(yīng)，實現(xiàn)了對風(fēng)電站選址的全方位考量。

65、2、本發(fā)明提出風(fēng)向穩(wěn)定性特征提取單元，通過統(tǒng)計各風(fēng)向頻率確定主導(dǎo)風(fēng)向，再計算風(fēng)向角的標準差來量化風(fēng)向的波動性，并將風(fēng)向角的標準差作為增強特征，輸入到作為編碼器的全卷積網(wǎng)絡(luò)中，再將全卷積網(wǎng)絡(luò)輸出的風(fēng)向編碼特征輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，處理柵格數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，并解碼得到風(fēng)向穩(wěn)定性特征據(jù)此評估風(fēng)資源的穩(wěn)定性。

66、3、在第三風(fēng)電評分計算單元中，考慮了風(fēng)機之間的尾流效應(yīng)，并基于風(fēng)向穩(wěn)定性特征計算風(fēng)速衰減量，不僅考慮了尾流擴散的物理過程，還融入了風(fēng)向變化對尾流效應(yīng)的影響，實現(xiàn)了多維度信息的綜合評估，提高了風(fēng)電場內(nèi)部風(fēng)資源分布的預(yù)測精度，減輕了尾流效應(yīng)對風(fēng)電場發(fā)電效率的負面影響。