风能资源测量网络建设初探

赵龙;汪宁渤;刘光途;马彦宏;王建东

【摘 要】随着风电占比的不断增加,风电的预测预报已成为电网调度不可或缺的一部分.而作为风电超短期预测预报系统中的重要组成部分,实时测风数据是预测预报系统中必不可少的一环.实时测风数据的获取,是通过风电场周围的测风塔实测并上传至中心站.而针对大规模风电基地,实时测风塔的布局以及测风塔所需的数量都有待解决.本文针对酒泉风电基地,介绍了测风塔分布情况及现有单个测风塔建设标准,分析了未来测风网络建设的相关研究及标准,探讨了测风网络建设的研究思路及下一步工作重点.另外,本文还介绍了实时测风塔改造方案以及存在的实际问题.

【期刊名称】《风能》

【年(卷),期】2011(000)009

【总页数】5页(P58-62)

【关键词】风电基地;测风塔;测风网络;相关性;上下游效应

【作 者】赵龙;汪宁渤;刘光途;马彦宏;王建东

【作者单位】甘肃省电力公司风电技术中心;甘肃省电力公司风电技术中心;甘肃省电

力公司风电技术中心;甘肃省电力公司风电技术中心;甘肃省电力公司风电技术中心

【正文语种】中 文

1 引言

2010年中国风力发电装机容量超过40GW，已超越美国成为全球风电装机容量最大的国家。我国规划到2020年，将建成8个千万千瓦级风电基地。以酒泉风电基地为例，截止到2011年6月，已完成吊装560万kW，并网发电420万kW。

随着我国风电的快速建设和发展，大规模风电已不再是电网中可以忽略的部分。国家电网公司为了规范风电场的并网管理和电网的安全稳定运行，发布了《风电场接入电力系统技术规定》，对风电场要求配置风电功率预测系统，实现风电的0小时～48小时短期风电功率预测，以及15分钟～4小时的超短期风电功率预测。国家电网公司相继在甘肃、吉林、内蒙古、江苏、宁夏等电网公司，建设了风电短期预测预报系统。此外，超短期风电功率预测预报系统也已在甘肃省电力公司投入建设实施。

在超短期风电功率预测预报系统中，实时的风速、风向信息是用来验证以及修正超短期风能预测的结果，并辅助对数值天气预报进行降尺度处理，依据上下游效应以及实时测风塔数据进行风电场超短期的风速预测。所以实时测风塔的数据，是超短期风电功率预测预报系统中必不可少的组成部分。

对于单个风电场的超短期风电功率预测系统建设，只需要在风电场周围立1～2根测风塔，满足测风塔离风电场的距离要求即可。而各电网公司所建立的超短期风电功率预测

预报系统，针对的是整个风电基地，由于各风电机组之间的尾流效应，以及各风电场之间的相互影响，测风塔的布局不能仅仅考虑满足单个风电场需求。针对整个风电基地的测风网络建设方案，是各电网公司建设超短期风电预测预报系统中所要面对的一个技术问题。

2 酒泉地区测风塔现状

甘肃酒泉地区面积19.12万km²，接近两个浙江省的面积。酒泉地区的玉门和瓜州县风况较好，是酒泉千万千瓦级风电基地的主要所在地。为做好酒泉风电基地建设的前期准备工作，甘肃汇能公司在玉门和瓜州地区共建设了81座测风塔，用于酒泉风电基地一期、二期风电场的选址、前期可研及后评估工作。

图1 甘肃省酒泉风电基地风电场及测风塔位置布置图

甘肃省酒泉风电基地风电场及测风塔位置分布，请见图1。

用于风电场风能资源评估的测风塔主要有70m和100m两种。70m塔的风速仪设在10m、30m、50m、70m处，也有部分70m塔设在10m、40m、70m处，风向仪设在10m、70m处。100m塔风速仪设在 10m、30m、50m、70m、90m、100m处，风向仪设在10m、70m、100m处。

现有测风塔使用目前国内普遍应用的设备和系统（选用的是赛风和莱维塞尔两个厂家的成套产品）。测风塔每天可在用户设定的时间，分别上传2次数据包至客户的终端。现有测风塔上配有的数据采集卡每秒就可完成一次数据的采集，通过测风评估软件的处理可得到不同高度每10分钟的风速、风向平均值，技术人员通过对数据的计算处理以及结合

评估软件可生成风速频率图、风能及风向玫瑰图。

现有测风塔数据的获取主要有两种方式，一种是人工获取方式，另一种是采用远程无线GPRS传输方式，把数据传到存储服务器上。人工获取方式主要应用于地处偏远的测风塔，无线GPRS信号无法达到这些地方。

人工获取的优点是在数据提取时，可对现场设备进行检查维护。缺点是由于地处偏远，一般半年至一年提取1次，无法做到数据的实时传输及使用，另外对数据提取的人工成本也较大。提取1个塔的数据，可能需要1天的时间。

远程无线传输方式需要通讯系统把现场数据采集器与中心计算机连接起来。通讯系统一般由直接电缆、调制解调器、电话线、移动电话设备或遥测设备组成。远程数据获取类型一般分为两类：一类需要用户引入通讯设备（呼出模式），另一类自动与中心计算机联系（呼入模式）。酒泉地区现有测风塔数据的无线获取主要采用移动公司提供的GPRS上网模式的CMNET方式，每天发送两次数据包。

3 测风塔的选址标准

测风塔的选址方法及原则也有部分的规范及文献，如中国气象局2008年印发的《风能资源详查和评价工作测风塔选址技术指南》，指南中对于测风塔的位置选择提出“在保证代表性的条件下，测风塔的位置选择要考虑人员比较容易到达，无线传输信号较好等环境条件。测风塔选址应避开不宜建设风电场的区域。平坦地形通常在4km～6km半径范围内（距风电场）”。指南中同时针对高原台地、丘陵、山地、沿海四种不同地形，提出

了测风塔布置中应注意的事项。

在GB/T 18709风电场风能资源测量方法里，也提出了测风塔的选址方法——测量位置的风况应基本代表该风场的风况。测量位置附近应无高大建筑物、树木等障碍物，与单个障碍物距离应大于障碍物高度的3倍，与成排障碍物距离应保持在障碍物最大高度的10倍以上。

除了以上国家标准之外，相关的文章中关于测风塔的选址，都只强调测风塔的安装应设在最能代表风电场风能资源的位置上，需远离高大树木和障碍物。如测风塔位于障碍物附近，则在盛行风向的下风向与障碍物的水平距离不应小于该障碍物高度的10倍。除此之外，在与测风领域相关人员沟通中，普遍采用的方法是测风塔立于风电场主导风向的上风向，或上风向方向上测风塔平行于风电场，距离风电场2km～8km，最好在2km～5km范围内。而此方法都是针对单独测风塔的立塔方法，只是考虑了单一风电场或单一被测目标。

以上的方法和规范，都是主要针对测风塔的微观选址，对中尺度范畴，尺度在10km～50km尺度上的测风塔选址问题，却很少有文章涉及。测风塔的微观选址适用于单个风电场的建设，而随着我国风电基地的建设发展，风电基地内的风电场已形成成片分布和连续分布的特点。例如酒泉风电基地，仅瓜州地区风电场又可再分为干河口、北大桥、安北等片区，每个片区内有数个至十几个20万kW的风电场，各个片区又基本彼此相连。风电基地内风电场之间的间距规划有时只有1km～2km，在建设过程中实际间距可能更小。对此，单个风电场周围有时已不满足建设测风塔的条件。此外，风电基地中成片的风电场，更应该以片区考虑测风塔的布局和建设，以满足对整个片区风况的测量工作。针对

风电基地的测风网络布局方法还未有成熟的理论和经验可供应用。

4 酒泉风电基地测风网络建设方案

酒泉风电基地风电超短期预测预报系统正在紧张建设中，作为超短期预测系统中必不可少的一部分，实时测风塔的建设及改造工作已于2009年12月开始。针对酒泉风电基地一期560万kW的规划布局，结合甘肃汇能公司在酒泉已建成的81座测风塔，我们选取了其中条件较好的18座测风塔分3批进行了实时改造，完成了测风塔测风数据由1天发送两次，改为每5分钟发送1次的改造工作，测风数据包括各层的风速及部分层高的风向信息。

此18座测风塔基本涵盖了酒泉风电基地一期的布局，可以基本满足对酒泉风电基地一期风电超短期预测预报的需要。但随着2010年底酒泉风电基地一期建设的完工，2011年3月，酒泉风电基地二期规划获得国家批准，现有的18座实时测风塔，已无法满足二期及以后更大规模风电预测预报的需要。针对酒泉一期、二期风电基地的测风网络建设已列入国家电网公司的科技项目计划。

2011年，国家电网公司“酒泉地区测风、测光网络优化布局研究及网络建设”科技项目，已批准甘肃省电力公司开始实施建设。该项目研究的目的即解决酒泉地区中尺度范围上的测风塔选址问题，先通过酒泉地区部分测风塔的历史数据，分析得出酒泉地区的主导风向和风能密度的方向；再研究主导风向上测风塔之间的相关性，即通过研究在主导风向上，后一测风塔在前一测风塔的风速变化后测得风速变化需要的时间，及风速变化的大小，然后结合酒泉地区的风速频率情况，以此确定两个测风塔之间的相关性；利用得到的

测风塔之间的相关性系数，反推后一测风塔与前一测风塔的距离，从而可以较准确的通过前塔预知后塔的风速变化。通过研究众多测风塔之间的相关性，便可知道酒泉地区后一测风塔与前一测风塔之间的距离，把后一测风塔考虑为风电场，即可知道测风塔在一定相关系数下，在酒泉地区测风塔建设离风电场的距离要求。除此之外，还通过数值天气预报得出风电基地的风速风向，与实际测风塔测得风速相关联，找出其中的相关性，从而得到某一片区的数值天气预报与实测风速之间关系，从而通过数值天气预报以此外推本片区其它地区的实际风速。以上述两种方法作为指导，结合酒泉风电基地一期及二期布局，考虑未来三期布局，便可设计测风塔的布局。再结合现有测风塔的情况，进行测风塔的迁移和实时改造工作，并完成测风塔实时数据的上传工作，用于风电超短期预测预报系统的使用。

该项目在18座已改造的实时测风塔的基础上，再改造17座现有测风塔，新建18座实时测风塔，达到53座实时测风塔的规模，以覆盖酒泉风电基地一期、二期兼顾三期的测风需要。项目预计于2012年完成，现已开始进行前期的数据分析工作。该项目中对测风塔相关性的确定，以及一定相关性系数条件下对测风塔之间距离的确定，将用来指导测风塔与风电基地以及风电场的距离。而此方法的确定，将改变中尺度情况下，大面积风电基地测风塔布局无理论依据的局面，对其他风电基地的实时测风网络建设具有借鉴指导作用。

5 实时测风塔的改造方法及存在的问题

风电超短期预测系统中每15分钟进行1次预测预报，而作为风电超短期预测预报的基础数据，测风数据要求具有良好的实时性。以1分钟级的测风数据上传，存在接收数据较多、中心站无法负担这么多测风塔数据上传及存储的问题。综合考虑实时性及操作性，

测风数据的上传定为每5分钟上传1次。

汇能公司之前建设的81座测风塔，主要是用于风电场选址的前期可研，测风塔每10分钟记录一次风况信息，每天发送两次至中心站。对测风的实时改造，是把测风塔测风数据的传输方式由每天传两次，改为每5分钟上传1次，并及时把测风塔数据应用于风电超短期预测预报系统中。

在先期18座测风塔的改造中，选取了条件较好的测风塔。条件较好测风塔主要是指：（1）在风电场的周围，距风电场2km～5km。（2）测风塔尽量不在一期及二期所规划单个风电场内，以防止风电场建成之后，测风塔位于风电场内，所测风况受风电机组尾流影响，数据失去使用价值。（3）兼顾酒泉风电基地一期布局，能尽量照顾好一期风电场所有方向上的测风，同时在可能的情况下兼顾风电基地二期的规划布局。

测风塔的分钟级的实时改造工作，与南京南瑞集团公司合作，在原有测风塔基础上，加装相应的数据采集器，以实现测风数据5分钟的传输，数据采集器由南瑞集团提供。原有的测风数据传输通路保持不变，而在测风塔适配器上加装另外的旁路，把测风仪数据引入数据采集器，通过数据采集器上的GPRS模块，把测风数据发送至中心站。数据采集器的电源系统，由太阳能电池提供电力，同时配套一个蓄电池，以保证数据采集器在夜间及阴雨天能正常工作。数据采集器信号发送除了GPRS流量方式之外，还可以通过GSM短信的方式发送，短信的方式用以辅助GPRS流量方式。整个系统见图2。

测风塔一般都处于偏远地区，个别测风塔所在地的GPRS信号较差，经常处于无信号状态。而测风数据是通过GPRS流量或短信方式上传，GPRS流量方式较之短信方式更依

赖信号的好坏。信号不好时，GPRS流量数据发送不到中心站，但短信的方式还可以发送过来。从实际改造情况看，个别偏远测风塔由于信号不好，导致测风数据无法通过GPRS上传。而纯粹依靠短信方式上传，运行费用太高，原本一年的信息传输费用，在不到2个月时间就被用完。因为1个测风塔5分钟发送1次测风数据，1次需要发送两条短信，1天就需要发送576条短信，1个测风塔1天就需要花费57.6元，1年的费用则达到2万多元，相关费用太高以致无法承受。

在关闭测风塔短信上传方式后，个别测风塔的数据就无法传送至中心站，对这些信号不好的测风塔的改造方案现已开始着手准备。由于北斗卫星最低收费也是每条短信0.1元，相关费用同短信模式一样，因此原本打算使用的卫星传输方式也被迫放弃。

图2 实时测风数据传输系统

6 总结

本文简要介绍了酒泉地区现有测风塔布局，探讨了测风塔的选址标准。文中提及正准备开展针对大规模风电基地的测风塔布局的研究，以及简要介绍了研究的思路。同时介绍了为超短期预测预报服务的实时测风塔改造情况，以及改造过程中所遇到的问题，相关的技术改进措施还在探讨中。

酒泉风电基地测风网络的建设与研究还处于起步阶段，其中酒泉地区风能资源的分析以及测风塔之间的相关性，及测风塔之间的上下游效应问题还在研究之中。待风能资源相关性的分析研究有了一定的成果之后，即可以结合酒泉风电基地一期、二期乃至三期的规

划布局，来布置测风塔的位置，以形成良好的测风网络布局。本研究中分析测风塔之间的相关性，以及数值天气预报与测风塔之间的相关性，用以得出测风塔与风电场之间间距的理论结论，虽然是以酒泉地区风况分析得出，但对我国其他地区的测风塔设立也有指导意义。

风能资源的相关性及上下游效应分析，数值天气预报与测风塔之间的相关性确定，乃至偏远测风塔信号改造的方案确定及实施，将是下一步要开展的工作。

参考文献

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