Optimal Planning of Power Collection System for Offshore Wind Farm Based on Large-scale Mixed-integer Programming

GAO Wenhao; SHEN Xinwei; DING Xiaochi; JI Xinzhe; LI Hongke; WANG Ke; YANG Wenbin

doi:10.7500/AEPS20241224007

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Optimal Planning of Power Collection System for Offshore Wind Farm Based on Large-scale Mixed-integer Programming

Basic Research | 更新时间：2026-02-28

- Optimal Planning of Power Collection System for Offshore Wind Farm Based on Large-scale Mixed-integer Programming
- Automation of Electric Power Systems Vol. 50, Issue 1, Pages: 168-177(2026)
- 作者机构：
  
  1.清华大学深圳国际研究生院，广东省深圳市 518055
  2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52477102);Basic and Applied Basic Research Funding of Guangdong with Offshore Wind Power(2023A1515240055);Excellent Youth Basic Research Fund of Shenzhen(RCYX20231211090430053)
- DOI：10.7500/AEPS20241224007
  CLC：
- Received：24 December 2024，
  
  Revised：2025-04-11，
  
  Online First：22 July 2025，
  
  Published：10 January 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
高闻浩,沈欣炜,丁骁驰等.基于大规模混合整数规划的海上风电场集电系统优化规划[J].电力系统自动化,2026,50(1):168-177.

GAO Wenhao,SHEN Xinwei,DING Xiaochi,et al.Optimal Planning of Power Collection System for Offshore Wind Farm Based on Large-scale Mixed-integer Programming[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(1):168-177.
高闻浩,沈欣炜,丁骁驰等.基于大规模混合整数规划的海上风电场集电系统优化规划[J].电力系统自动化,2026,50(1):168-177. DOI： 10.7500/AEPS20241224007.

GAO Wenhao,SHEN Xinwei,DING Xiaochi,et al.Optimal Planning of Power Collection System for Offshore Wind Farm Based on Large-scale Mixed-integer Programming[J].Automation of Electric Power Systems,2026,50(1):168-177. DOI： 10.7500/AEPS20241224007.

摘要

近年来，海上风电产业得到了快速的发展，海上风电平价上网逐渐成为主流趋势。大型海上风电场建设中，降本增效成为海上风电行业能否持续发展的关键。基于此，提出了一种基于混合整数规划的海上风电场集电系统优化规划方法，以最小化集电系统投资、全生命周期网损成本为目标函数，考虑海缆选型、风机高程、节点进出度等因素建立数学优化模型。为保证所提优化模型的计算效率和收敛性，提出采用简化模型作为热启动的加速求解策略。基于两个实际的海上风电场案例进行了算例分析，将所提方法与行业内现广泛采用的规划软件的规划结果进行对比，结果显示在两个海上风电场中采用所提方法可有效降低集电系统的整体投资成本，体现出良好的优化特性，证实了所提模型与算法在海上风电场集电系统规划领域的应用前景。

Abstract

In recent years

the offshore wind power industry has experienced rapid development

with levelized grid parity gradually becoming the mainstream trend. In the construction of large-scale offshore wind farms

cost reduction and efficiency improvement have emerged as critical factors for the sustainable development of offshore wind farms. Based on this

this paper proposes an optimal planning method of power collection systems for offshore wind power based on mixed-integer programming. The mathematical optimization model considers submarine cable selection

turbine elevation

node connectivity

and other factors

with objectives of minimizing both power collection system investment and life-cycle network loss costs. To enhance computational efficiency and convergence

an acceleration solving strategy using a simplified model for hot-start initialization is introduced. Based on two actual offshore wind farm cases

a numerical analysis is conducted to compare the planning results of proposed method and widely used planning software in the industry. Results show that using the proposed method in two offshore wind farms can effectively reduce the overall investment cost of the power collection system

demonstrating good optimization characteristics and confirming the application prospects of the proposed model and algorithm in the field of power collection system planning for offshore wind farms.

关键词

Keywords

references

中国政府网 . 我国已形成完整海上风电产业链［EB/OL］.［ 2024-03-19 ］. https：//www.gov.cn/yaowen/liebiao/202312/content_6918166.htm https://www.gov.cn/yaowen/liebiao/202312/content_6918166.htm .

The State Council of China . China has formed a complete offshore wind power industry chain ［EB/OL］. ［ 2024-03-19 ］. https：//www.gov.cn/yaowen/liebiao/202312/content_6918166.htm https://www.gov.cn/yaowen/liebiao/202312/content_6918166.htm .

中国可再生能源学会风能专业委员会，中国能源研究会可再生能源专业委员会，全球风能理事会 . 海上风电回顾与展望2023 ［R］. 唐山：第八届全球海上风电大会， 2023 .

Chinese Renewable Energy Society Wind Energy Professional Committee ， Chinese Energy Research Society Renewable Energy Committee ， Global Wind Energy Council . Offshore wind power review and outlook 2023 ［R］. Tangshan ： The 8th Global Offshore Wind Conference ， 2023 .

余宙，袁智勇，宋强，等 . 面向大规模海上风电基地低频交流送出的功率集线器［J］. 电力系统自动化， 2024 ， 48 （ 21 ）： 16 - 27 .

YU Zhou ， YUAN Zhiyong ， SONG Qiang ， et al . Power hub for low-frequency AC transmission for large-scale offshore wind power base ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2024 ， 48 （ 21 ）： 16 - 27 .

魏书荣，刘昆仑，符杨，等 . 基于拓扑冗余度评估的大型海上风电场集电系统优化［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 18 ）： 84 - 90 .

WEI Shurong ， LIU Kunlun ， FU Yang ， et al . Optimization of power collector system for large-scale offshore wind farm based on topological redundancy assessment ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 18 ）： 84 - 90 .

FISCHETTI M ， KRISTOFFERSEN J R ， HJORT T ， et al . Vattenfall optimizes offshore wind farm design ［J］. Informs Journal on Applied Analytics ， 2020 ， 50 （ 1 ）： 80 - 94 .

符杨，吴靖，魏书荣 . 大型海上风电场集电系统拓扑结构优化与规划［J］. 电网技术， 2013 ， 37 （ 9 ）： 2553 - 2558 .

FU Yang ， WU Jing ， WEI Shurong . Topology optimization and planning of power collection system for large-scale offshore wind farm ［J］. Power System Technology ， 2013 ， 37 （ 9 ）： 2553 - 2558 .

符杨，徐涵璐，黄玲玲 . 海上风电场集电系统全寿命周期成本分析［J］. 电力系统自动化， 2016 ， 40 （ 21 ）： 161 - 167 .

FU Yang ， XU Hanlu ， HUANG Lingling . Life-cycle cost analysis of power collection system in offshore wind farm ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2016 ， 40 （ 21 ）： 161 - 167 .

车文学 . 海上风电场微观选址及集电系统优化研究［D］. 北京：华北电力大学， 2017 .

CHE Wenxue . Research on micro-siting and collection system optimization of offshore wind farms ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2017 .

刘小龙 . 海上风电场尾流效应与微观选址优化［D］. 北京：华北电力大学， 2019 .

LIU Xiaolong . Offshore wind farm wake effect and micro-siting optimization ［D］. Beijing ： North China Electric Power University ， 2019 .

TAO S Y ， XU Q S ， FEIJÓO A ， et al . Joint optimization of wind turbine micrositing and cabling in an offshore wind farm ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2021 ， 12 （ 1 ）： 834 - 844 .

FISCHETTI M ， FISCHETTI M . Integrated layout and cable routing in wind farm optimal design ［J］. Management Science ， 2022 ， 69 （ 4 ）： 2147 - 2164 .

PÉREZ-RÚA J A ， STOLPE M ， CUTULULIS N A . Integrated global optimization model for electrical cables in offshore wind farms ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 3 ）： 1965 - 1974 .

PÉREZ-RÚA J A ， STOLPE M ， DAS K ， et al . Global optimization of offshore wind farm collection systems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 3 ）： 2256 - 2267 .

ZUO T J ， MENG K ， TONG Z Y ， et al . Offshore wind farm collector system layout optimization based on self-tracking minimum spanning tree ［J］. International Transactions on Electrical Energy Systems ， 2019 ， 29 （ 2 ）： 2729 .

ZUO T J ， ZHANG Y C ， MENG K ， et al . Collector system topology for large-scale offshore wind farms considering cross-substation incorporation ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2020 ， 11 （ 3 ）： 1601 - 1611 .

ZUO T J ， ZHANG Y C ， MENG K ， et al . Collector system topology design for offshore wind farm’s repowering and expansion ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2021 ， 12 （ 2 ）： 847 - 859 .

ZUO T J ， ZHANG Y C ， MENG K ， et al . A two-layer hybrid optimization approach for large-scale offshore wind farm collector system planning ［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics ， 2021 ， 17 （ 11 ）： 7433 - 7444 .

陈献慧，王冰，曹智杰，等 . 计及全寿命周期成本的海上风电场集电系统环形拓扑结构优化设计［J］. 电力学报， 2019 ， 34 （ 4 ）： 315 - 321 .

CHEN Xianhui ， WANG Bing ， CAO Zhijie ， et al . Optimization design for ring collection grids of offshore wind farms considering life cycle cost ［J］. Journal of Electric Power ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 315 - 321 .

CHEN Y H ， CASTO A ， WANG F Y ， et al . Improving large scale day-ahead security constrained unit commitment performance ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2016 ， 31 （ 6 ）： 4732 - 4743 .

CHEN Y H ， WANG F Y ， MA Y M ， et al . A distributed framework for solving and benchmarking security constrained unit commitment with warm start ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 1 ）： 711 - 720 .

孔凡旭，杜银昌，张永革，等 . 海洋工程中电缆载流量敷设校正系数选取方法探讨［J］. 电线电缆， 2016 （ 5 ）： 43 - 46 .

KONG Fanxu ， DU Yinchang ， ZHANG Yongge ， et al . Discussion on the selecting of correction factors for cable grouping in offshore oil engineering ［J］. Electric Wire & Cable ， 2016 （ 5 ）： 43 - 46 .

潘晓春 . 海上风电升压站平台高程确定标准的合理性研究［J］. 海洋技术学报， 2019 ， 38 （ 6 ）： 83 - 88 .

PAN Xiaochun . Study on the rationality of platform elevation standard for offshore wind farm substation ［J］. Journal of Ocean Technology ， 2019 ， 38 （ 6 ）： 83 - 88 .

SUN H Y ， YANG H X ， TAO S Y . Optimization of the number， hub height and layout of offshore wind turbines ［J］. Journal of Marine Science and Engineering ， 2023 ， 11 （ 8 ）： 1566 .

ZUO T J ， ZHANG Y C ， XIONG L S ， et al . Complete joint-optimization for offshore wind farm planning ［J］. International Journal of Electrical Power & Energy Systems ， 2024 ， 157 ： 109832 .

SHEN X W ， WU Q W ， ZHANG H C ， et al . Optimal planning for electrical collector system of offshore wind farm with double-sided ring topology ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2023 ， 14 （ 3 ）： 1624 - 1633 .

WANG Y ， XU Y ， LI J X ， et al . On the radiality constraints for distribution system restoration and reconfiguration problems ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 4 ）： 3294 - 3296 .

LI H M ， XIA Q Y ， WANG Y . Research and improvement of kruskal algorithm ［J］. Journal of Computer and Communications ， 2017 ， 5 （ 12 ）： 63 - 69 .

SHARMA D K ， SINHA U ， GUPTA A ， et al . Modified minimum spanning tree based vertical fragmentation， allocation and replication approach in distributed multimedia databases ［J］. Multimedia Tools and Applications ， 2022 ， 81 （ 26 ）： 37101 - 37118 .

JOTHI R ， RAGHAVACHARI B . Approximation algorithms for the capacitated minimum spanning tree problem and its variants in network design ［J］. ACM Transactions on Algorithms ， 2005 ， 1 （ 2 ）： 265 - 282 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

海上风电场集电系统全寿命周期成本分析

Coordinated Control of Inertia Support for Offshore Wind Power Based on DRU-HVDC Transmission System

Frequency Control Method for Offshore Wind Farm Based on Trajectory Optimization and Pinning Consensus Algorithm

Optimal Planning of Power System Considering N-1 Safety Criteria and Low-carbon Economic Contribution

Related Author

GAO Wenhao

SHEN Xinwei

DING Xiaochi

FU Yang

HUANG Baolong

ZHAO Jinbin

MAO Ling

PAN Chao

Related Institution

Electric Power Engineering, Shanghai University of Electric Power

College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power

Engineering Research Center of Offshore Wind Technology Ministry of Education (Shanghai University of Electric Power)

Electrical and Power Engineering School, Hohai University

State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company

⁰