基于AutoCAD平台的光伏智能化设计应用

孙凯航

（中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，河北 石家庄 050031）

1 引言

太阳能作为可再生能源的重要组成部分，是我国双碳目标实现的重要支撑能源，也是全球可再生能源发展的必然趋势。根据国家能源局统计数据，2022年全国各省光伏电站总配置规模为89.28GW，规划大型光伏电站容量超过了60GW，2022年安装容量为87.41GW，呈现出了爆发式的业务增长量。

电力设计单位作为光伏能源生产过程中的重要的智力服务型单位，影响着光伏电站的建设周期、经济效益等。根据本单位的统计数据，2021年光伏电站工程数量同比增长了35.5%，建设规模容量增加了4.7GW。但是近期的光伏工程设计周期不断压缩，反复次数不断增加，例如单体100MW光伏电站的设计周期由3个月缩短至2个月，工程方案优化次数增加了2~3次，设计人员的生产压力不断增大。

因此有必要面向光伏电站的整个设计过程，尤其是提升光伏场区阵列的设计效率。采用智能化的的手段解决总图、资源及电气等专业设计难点，在保证设计准确度的基础上提高设计效率。

2 功能模块

通过对专业人员进行需求调查，专业人员更愿意面向图纸，以效率提升的工具性开发，同时结合PVSyst、Candela等专业工具进行数据协同，功能互补、优势互补，在各个专业功能模块低耦合，降低应用难度，结合关键技术问题进行重点突破。

按照光伏电站的系统配置构成，需要设计的核心内容是光伏组件布置、方阵支架和基础设计、电缆设计内容，结合专业需求反馈，将设计规范[1]和设计经验进行规则化算法整理，基于AutoCAD平台开发光伏电站快速设计工具，并串联Candela、PVSyst等软件，实现光伏电站智能化设计应用[2]，完成功能模块的软件开发，光伏阵列智能化设计功能模块如图1所示。

图1 光伏阵列智能化设计功能模块

3 阵列设计

3.1 地形分析

地形分析的智能化实现思路如图2所示，设计人员首先根据输入的等高线地形图进行地块边界确认绘制，采用图块识别和定义的方式，对范围内的建筑物、设施及道路等进行不可用区域标记，筛选划分出可用地形区域，完成对山地地形的日照分析，并通过输入的坡度条件自动筛选光伏阵列布置区域，从而减少设计人员人工干预工作量[3]。

图2 地形分析智能化设计流程

CAD地形分析的结果如图3所示，其中浅色区域代表最优布置区域，该区域遮挡率较低且坡度满足布置光伏阵列要求；颜色越深，则说明该区域不适合布置光伏阵列。软件根据地形分析结果，完成工作区域范围的创建。

图3 CAD地形分析效果

3.2 阴影分析

进行阴影分析前首先要进行组件布置，确定组件在支架上的布置形式。软件可根据组件特征数据信息，按照输入组串并联、倾角及间距值参数信息，确定组件布置，并按照日照数据分析组件间的阴影长度遮挡，对阵列可用区域进一步优化调整，如图4和5所示。

图4 阴影分析智能化设计流程

图5 优化后的光伏阵列区域

3.3 阵列布置及分区

目前设计人员一般采用手动方式进行阵列布置，存在着大量重复性、反复性的工作，极大地影响了设计的效率。软件通过布置区域的自动识别，智能化的按照组件布置方案进行各种样式的布置。并可按照指定单元容量，同时把设计人员的经验和想法进行显性化定制，形成了对称分区、矩形分区智能化算法，实现了对发电单元的自动划分，进一步减少设计人员的重复性工作内容，如图6和图7所示。

图6 光伏阵列智能化设计流程

图7 阵列布置及分区效果

4 电缆敷设

软件完成光伏阵列布置设计后，进而需要电气专业布置汇流箱、逆变器及箱变等设备，再按光伏分区电气逻辑关系、通道完成电缆布置。最终智能化电缆敷设核心问题可以归纳为设备布置、通道设计及电缆统计，电缆敷设设计流程如图8所示。

图8 电缆敷设设计流程

4.1 设备布置

软件结合箱变、汇流箱及逆变器设备的功能和定位，分别制定了布置规则，以达到设计效率的提升。箱变布置根据CAD图纸中划分的发电单元和子单元数据，按照设置条件和设备尺寸信息布置到阵列，并绑定到划分的发电单元；根据阵列接线方式，软件需选定阵列接线方式，再按组串式逆变器或集中式汇流箱设备手动布置，或按近电缆通道、近变压器规则进行批量自动化放置。

4.2 通道设计

软件的通道绘制功能主要是通过手动多段线的方式完成，在视图中按发电单元沿着汇流设备绘制低压主通道，最后由一条通道汇集至箱变。软件的通道设置功能模块则对组串间、组串内、组串到汇流及汇流到低压通道等端点搭接长度，预留长度系数、通道类型、型号及安装方式进行确认，电缆设置用于设计各级电缆接线设置、电缆埋地深度设置、设备接线高度设置及组串内电缆长度设置。单元分区路径拓扑如图9所示。

图9 单元分区路径拓扑

4.3 电缆统计

软件通过寻优电缆主通道，根据路径导航算法，自动导航电缆路由，计算寻路成功后的电缆路径长度，并内置了压降算法计算相应的压降线损，用于进行电缆选型。电缆敷设结果如图10所示。

图10 电缆敷设结果

5 支架设计

5.1 立柱布置

光伏阵列布置完成后，由结构专业考虑阵列支架的布置参数、支架参数等，完成支架立柱的布置及标识相关立柱坐标。软件实现了可视化、参数化的立柱布置设计，利用光伏阵列布置信息，实现分区批量自动化绘制，效率大为提升。

5.2 支架参数化绘制

软件结合山地、平原光伏工程中典型结构型式的光伏支架，实现了通过改变支架尺寸、角度和构件尺寸等参数信息，快速生成光伏支架立面、平面、组件、立柱、拉杆、节点详图等图纸，并根据绘制信息生成支架材料表，实现一键出图。

6 交互接口

软件实现了与Candela、PVSyst进行接口，根据不同类型工程，采用不同工作流，完成光伏区阴影分析及组件排布，进一步优化光伏电站的设计效率和准确度。

目前越来越多的光伏工程要求采用在BIM平台上进行数字化设计，软件打通了与Revit平台的接口，通过读取CAD平台的光伏阵列块数据，实现了光伏阵列、地形等三维模型的快速生成，进一步对工程实现优化设计，并可以开展全寿命周期内的数据利用[4]。BIM模型数据交互如图11所示。

图11 BIM模型数据交互

7 工程应用

以中广核宁晋234MWp光伏发电工程为例，该工程区域地块分散、面积大，且为农光互补发电工程，中间夹杂大量不可用地块，光伏阵列区规划布局困难；其次该工程为公司总包工程，为保证电缆算量准确，要求精度进一步提升；最后该工程要求66天完成首批光伏阵列并网，设计时间大为压缩，迫切需要效率的提升。

将光伏阵列智能化设计应用到该工程项目，总图、电气及土建等专业在设计过程中分别应用阵列布置、电缆敷设及支架设计等功能模块，缩短了地形分析、光伏系统布置、逻辑管理、设备布置、电缆敷设及支架绘制等环节设计周期，有效提高工作效率约30%，节约80个日工，且减少工程电缆用量6.76%，为工程创造利润价值150余万元。

8 总结

由于目前市场上缺少成熟、贴合设计人员需求的光伏系统设计工具，我院分析了设计人员需求，基于AutoCAD软件搭建了光伏阵列智能设计平台，解决了诸如阵列布置、电缆敷设等制约效率提升问题，解决了光伏工程量日益增多与设计人员少、设计周期长的突出矛盾。目前软件在专业设计人员中装机率达到了95%以上，软件解决了设计人员的主要痛点，效率得到了明显提升，但是在应用中也暴露出了一些问题，需要后续不断开发完善。

1）软件功能覆盖面不够，后续要完善集电线路专业塔位排布、路径规划等功能，以及光伏阵列分图、多段线工具等辅助功能。

2）软件的智能化与人工经验还存在着矛盾，在光伏阵列区域设备布置、路径规划等设计，软件智能化应用反而造成设计人员工作量的增加，提升效率的人工辅助工具是有必要的。

3）最后设计人员提出了通过光伏阵列布置、场区方位角、组件倾角及容配比相结合，实现工程技术方案经济比选的需求，对于工程的方案优化、发电量效益分析具有重大意义。