內(nèi)蒙古風能資源評估軟件的設計與實現(xiàn)

摘 要：基于內(nèi)蒙古自治區(qū)風能資源豐富以及風能資源評估在風電場建設中的重要性，采用C#程序設計語言與MATLAB軟件進行開發(fā)，SQL Server 2008部署數(shù)據(jù)庫，設計與實現(xiàn)了內(nèi)蒙古風能資源評估軟件。主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)導入導出，風資源評估參數(shù)的計算、圖表的繪制，以及生成評估報告等功能，滿足了基本的風資源評估工作的需要。

關鍵詞：內(nèi)蒙古；風能資源評估；C#；MATLAB

中圖分類號：TP311.52

目前，能源問題和污染問題日益嚴峻。尋求無污染的可再生能源來替代化石燃料并推廣應用是世界能源發(fā)展的重大問題。在新能源中，風能具有蘊藏量大、可再生、無污染、不淹地、占地少、建設周期短、投資靈活、自動控制水平高、運行管理人員少等優(yōu)點。發(fā)展風力發(fā)電對解決電力短缺問題和環(huán)境問題有著重要的作用。在我國，內(nèi)蒙古自治區(qū)具有豐富的風能資源風能儲量居全國各省區(qū)第一位，是我國21世紀重要的能源基地，風力發(fā)電的潛力很大。

風電資源開發(fā)和風電場建設的前提是風能資源評估。評估的水平和準確性直接影響著風電場的效益。目前，風資源評估普遍采用的是丹麥實驗室開發(fā)的WAsP（Wind Atlas Analysis and Application Program）軟件。它是行業(yè)標準的風資源評估軟件，其功能很強大，對于我國風電場的選址和風電開發(fā)具有重大的意義。然而每種評估軟件都有一定的適用性，WAsP是基于歐洲比較平坦的地形設計的，對簡單的地區(qū)比較適用，而內(nèi)蒙古地區(qū)的地形相對復雜，這就導致了評估結(jié)果的偏差。因此，針對內(nèi)蒙古自治區(qū)這一風能資源豐富但地形復雜的地區(qū)設計和開發(fā)一個使用靈活、計算精確、評估準確的風資源評估軟件就變得尤為重要。

1 軟件總體設計介紹

1.1 總體設計思路

在對內(nèi)蒙古風能資源評估軟件的設計與實現(xiàn)中，采用Visio Studio 2010工具進行軟件開發(fā)，SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行部署。首先利用C#程序?qū)庀笳静杉牡孛鏆庀髷?shù)據(jù)導入到數(shù)據(jù)庫中，再利用C#編程和MATLAB軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的計算和對風資源圖表的繪制，最后能夠?qū)⒂嬎愫头治鼋Y(jié)果導出并給出評估報表。預期達到的目標是：

1.1.1 根據(jù)內(nèi)蒙古各地區(qū)風場的實測數(shù)據(jù)得到該地區(qū)的風切變指數(shù)等地形地貌參數(shù)，并針對內(nèi)蒙古各地不同的地形分別做出評估。

1.1.2 將氣象站采集到的地面氣象數(shù)據(jù)或風場實測數(shù)據(jù)讀取進來作為軟件的原始數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析和計算，得出風能評估參數(shù)，Bladed參數(shù)和仿真隨機風的動態(tài)函數(shù)。

1.1.3 采用程序（C#和MATLAB及其他程序）之間無縫連接或相互調(diào)用的方法給出實時的動態(tài)數(shù)據(jù)圖和評估報表。

1.2 總體流程圖

1.3 開發(fā)工具介紹

C#是微軟開發(fā)的面向?qū)ο蟮摹⑦\行于.NET Framework之上的高級編程語言。C#簡單、功能強大、類型安全，可實現(xiàn)應用程序的快速開發(fā)。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等。SQL Server是微軟公司開發(fā)的基于C/S的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它具有使用方便、可伸縮性好等優(yōu)點，也提供了與很多高級語言的接口。

2 系統(tǒng)功能概述

根據(jù)上述的風資源評估軟件的總體設計，其主要功能包括內(nèi)蒙古自治區(qū)各地區(qū)（呼和浩特，包頭，烏海，烏蘭察布，通遼，赤峰，鄂爾多斯，巴彥淖爾，錫林郭勒，興安盟，阿拉善盟，呼倫貝爾等）數(shù)據(jù)的導入導出模塊、參數(shù)的計算模塊、風資源圖表的繪制與顯示模塊、生成風資源評估報告模塊。

2.1 數(shù)據(jù)的導入導出模塊

對風能資源的評估是否準確是風電場建設能否取得良好效益的關鍵，而評估的準確性受到數(shù)據(jù)的直接影響。因此，要對氣象站采集的數(shù)據(jù)進行處理，才能進行后續(xù)的分析和計算等工作。

由于氣象站在內(nèi)蒙古自治區(qū)各個地區(qū)不同風電場采集得到的數(shù)據(jù)以不同的格式存儲，所以首先應把這些格式的數(shù)據(jù)讀取到程序中來，然后將處理后的數(shù)據(jù)存儲到相應的數(shù)據(jù)庫中，以供后面風資源分析時對數(shù)據(jù)的查詢，調(diào)用和計算。最后，將用戶查詢或計算得到的結(jié)果能以不同的文件格式導出，以供用戶他用。

2.2 參數(shù)的計算模塊

本軟件提供對風資源的相關參數(shù)計算的功能。這是由于氣象觀測的數(shù)據(jù)量很龐大，用人力進行統(tǒng)計計算是很難實現(xiàn)的，采用本軟件的參數(shù)計算功能可以使人們從對冗雜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、計算和分析中擺脫出來，同時方便了風況圖表的繪制。另外，在風力發(fā)電行業(yè)中，Bladed是風機生產(chǎn)和性能測試的一個權(quán)威性軟件，它在進行風電機測試和仿真時需要很詳細的風能參數(shù)，本軟件將為Bladed提供這些參數(shù)，方便用戶的使用。也就是為風電機組的設計、生產(chǎn)和測試提供重要參數(shù)。

能夠使用本軟件進行計算的風資源參數(shù)包括：（年、月）平均風速，風速頻率，風向頻率，風切變指數(shù)，（平均、有效）風功率密度，weibull下的（平均、有效）風功率密度，風能方向頻率，年有效風能，年有效小時數(shù)，湍流強度等。提供的Bladed參數(shù)有：時變風，風剪切指數(shù)，湍流風，風向，風向傾角，尾流水平偏移量和垂直偏移量，尾流半寬，尖速比等。

2.3 風資源圖表的繪制與顯示模塊

利用二維曲線、直方圖、餅圖、表格等來反應風資源參數(shù)的變化關系，可以使用戶很直觀、明了的看到各參數(shù)的關系，有利于表現(xiàn)某地某時的風況。本軟件繪制的風資源圖表包括風能玫瑰圖，風向玫瑰圖，weibull曲線，風速和風功率（年、日）變化圖等。

2.4 生成風資源評估報告模塊

本軟件可以根據(jù)風資源參數(shù)的計算和生成的風況圖表等自動生成內(nèi)蒙古自治區(qū)某一地區(qū)的風能資源評估報告，報告符合《全國風能資源評價技術規(guī)定》。報告內(nèi)容包括氣候狀況綜述；整體風能資源評價（即評價區(qū)域的整體風能資源狀況），局部特征及其氣候成因分析；風能資源儲量、技術可開發(fā)量；風能資源數(shù)據(jù)庫所涉及到的數(shù)據(jù)項目等內(nèi)容。

報告的格式按照統(tǒng)一格式編寫，由封面、封底、說明、正文、圖表、附件等部分組成。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫的建立

本軟件評估所用的數(shù)據(jù)是內(nèi)蒙古自治區(qū)內(nèi)各地區(qū)氣象站的實測數(shù)據(jù)，因此要根據(jù)用戶需要動態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)表。用戶動態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)表要在以下兩個基本表的基礎上創(chuàng)建：city表：（cityID，cityName）；site表：（siteID，siteName，cityID）。

3.2 數(shù)據(jù)的導入導出

測風塔輸出的數(shù)據(jù)一般以TXT格式存儲，要利用C#程序完成對TXT文件的讀取并顯示在窗體中，隨后導出到SQL數(shù)據(jù)庫中。讀取TXT文件時，用OpenFileDialog控件打開文件并獲取其路徑，再利用StreamReader類按行讀取打開的TXT文件中的內(nèi)容，然后用String類中的Split（）方法截取讀取的數(shù)據(jù)字符串并將結(jié)果存入DataTable中，最后通過DataGridview控件顯示在窗體上。接著將數(shù)據(jù)導入到數(shù)據(jù)庫，利用SqlConnection類創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接，創(chuàng)建SqlCommand對象來執(zhí)行SQL語句，可以將DataTable中的數(shù)據(jù)逐一存儲到數(shù)據(jù)庫中。

3.3 參數(shù)的計算與繪圖

設計與開發(fā)風能資源評估軟件既需要開發(fā)圖形界面，方便用戶使用，又要具有對數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計和分析，以及繪制多種復雜風況圖的功能。C#是一種很強大的語言，在運行速度、界面設計、開發(fā)效率等方面都很有優(yōu)勢，但它對數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析以及繪制復雜圖形上略顯不足；MATLAB具有強大的矩陣計算能力，可實現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、仿真等若干領域的數(shù)學計算，但是MATLAB在開發(fā)圖形界面上沒有優(yōu)勢。因此，在編制風資源評估軟件時，應結(jié)合C#程序設計語言與MATLAB進行集成開發(fā)。利用C#開發(fā)用戶界面，利用MATLAB強大的數(shù)據(jù)可視化功能，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化，使得數(shù)據(jù)的描述更為生動、直觀，對風資源評估更直觀、將分析的數(shù)據(jù)以圖形的形式體現(xiàn)，整理。

4 結(jié)束語

本軟件適用于內(nèi)蒙古地區(qū)進行風能資源評估，更具有針對性，使用便捷，實現(xiàn)了較準確的風能資源評估。同時，這一軟件也可以對其他地區(qū)的風能資源進行評估，為風場的宏觀選址及微觀選址提供重要依據(jù)。

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[5]宋長飛，祁文軍，姜超.風資源評估軟件[J].軟件導刊，2011（10-11）：97-99.

作者簡介：徐寶清（1970-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，博士，碩士研究生導師，副教授，主要從事計算機應用和風力發(fā)電技術；吳婷婷（1990-），女，河南開封人，碩士，研究方向：計算機應用技術；李文慧（1983-），開發(fā)技術主管，碩士，主要從事風電場建設方面研究開發(fā)工作。

作者單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學 信息工程學院，呼和浩特 010080；北京天潤新能投資有限公司華北分公司，呼和浩特 010010

基金項目：內(nèi)蒙古工業(yè)大學重點項目（項目編號：ZD201227）。