基于塔影效應(yīng)分析的風(fēng)電信息化管理和評估系統(tǒng)

劉葉青　帖軍　鄭祿

摘要：在風(fēng)力機大型化發(fā)展的趨勢下，塔架越來越高，葉片半徑越來越長，塔影效應(yīng)對風(fēng)力機性能和風(fēng)電機組輸出功率的影響也越發(fā)顯著。為了探究塔影效應(yīng)的具體影響并縮小影響利于風(fēng)電評估，風(fēng)電信息化管理和評估系統(tǒng)將采集到的測風(fēng)數(shù)據(jù)進行抽取和清洗，通過算法分析，得到同一高度下統(tǒng)一的測風(fēng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動化的準確的風(fēng)資源評估，同時提供風(fēng)電場信息化的管理，助于推動風(fēng)電產(chǎn)業(yè)智能化與現(xiàn)代化，以及環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：計算機應(yīng)用；評估系統(tǒng)；塔影效應(yīng)；風(fēng)電；測風(fēng)數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003 6970.2016.05.015

本文著錄格式：劉葉青，帖軍，鄭祿.基于塔影效應(yīng)分析的風(fēng)電信息化管理和評估系統(tǒng).軟件，2016，37（5）：59-62

0.引言

隨著我國經(jīng)濟與社會水平的全面發(fā)展與進步，電力行業(yè)發(fā)展迅速，電網(wǎng)規(guī)模日益擴大，電力設(shè)備數(shù)據(jù)海量化；同時在國家電網(wǎng)深化改革、轉(zhuǎn)換經(jīng)營機制的背景下，對于電能供應(yīng)質(zhì)量以及輸變電設(shè)備的監(jiān)測評估的要求越來越高，以大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)為支撐的智能電網(wǎng)應(yīng)運而生。目前能源現(xiàn)狀依舊是化石能源為主，而其日漸枯竭的資源問題和帶來的日益嚴重的環(huán)境問題使得可再生能源成為實現(xiàn)能源多樣化、應(yīng)對全球氣候變化和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要替代能源。風(fēng)能作為一種綠色可再生能源，從目前技術(shù)成熟度和經(jīng)濟可行性來看極具競爭力，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊。在我國風(fēng)電倍增式發(fā)展之下，一批批大型、特大型風(fēng)電場如雨后春筍般迅速崛起，風(fēng)電場管理方式也在相應(yīng)發(fā)生著變化。但由于各電力企業(yè)積極拓展風(fēng)電疆土，發(fā)展重心偏于風(fēng)電場基礎(chǔ)建設(shè)，對風(fēng)電場的運行管理尚未引起足夠的重視；另外風(fēng)電機組在實際運行中，因塔影效應(yīng)等因素對風(fēng)電機組輸出功率的波動性以及電網(wǎng)的穩(wěn)定性有很大影響，所以針對其開發(fā)出現(xiàn)代化的風(fēng)電場信息管理和測風(fēng)數(shù)據(jù)評估系統(tǒng)，通過三個模塊的協(xié)同作用——風(fēng)電場信息管理模塊，測風(fēng)數(shù)據(jù)管理模塊和測風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊，實現(xiàn)風(fēng)電場信息化的運營，智能化的測評，實時化的監(jiān)控，可視化的輸出，提供風(fēng)資源評估及發(fā)電量評估的決策支持，將有利于解決目前風(fēng)電場管理經(jīng)驗不足及管理人才匱乏等問題，并有助于維持電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定和保證電能質(zhì)量。

1.塔影效應(yīng)

塔影效應(yīng)是風(fēng)力發(fā)電機在發(fā)電的過程中出現(xiàn)的一種負面效果，風(fēng)流過塔架時會產(chǎn)生流場的變化，影響風(fēng)矢量的方向和大小，主要是對于下風(fēng)向風(fēng)力機，由于一部分空氣通過塔架后再吹向風(fēng)輪，塔架干擾了流過葉片的氣流而形成所謂塔影效應(yīng)。如圖1所示，對于桁架式測風(fēng)塔，當橫向支桿與主導(dǎo)風(fēng)向垂直設(shè)置時，風(fēng)流過塔架時會產(chǎn)生流場的變化，氣流在主風(fēng)向上受到塔架阻擋時開始減速并從兩側(cè)繞流，導(dǎo)致塔架兩側(cè)靠后特定位置氣流壓縮，風(fēng)速變大，但垂直于主風(fēng)向的氣流受影響較小，保持了其原有的真實速度，使得同一座測風(fēng)塔同一高度的兩個風(fēng)速計在同一時刻觀測的風(fēng)速值大小不同。風(fēng)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的中間環(huán)節(jié)，風(fēng)電機組輸出功率的波動來源于風(fēng)電機組運行工程中非恒定的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩的不穩(wěn)定不但與風(fēng)速的變化有關(guān)，而且還受機組自身固有特性如塔影效應(yīng)的影響，測風(fēng)數(shù)據(jù)的準確描述是研究風(fēng)電機組輸出特性的基礎(chǔ)而又重要的工作。

2.塔影分析算法

為更準確地對風(fēng)資源和發(fā)電量作評估，塔影分析算法在不斷地實驗和改進之后，通過以下算法過程可以得到在輪轂高度下統(tǒng)一的風(fēng)速均值數(shù)據(jù)，進一步獲得有力的分析結(jié)果。首先對于導(dǎo)入算法的數(shù)據(jù)要求如下：

1.數(shù)據(jù)的格式及數(shù)據(jù)類型：

（1）行數(shù)：≤52560或≤8760，分別對應(yīng)逐10min和逐小時數(shù)據(jù)；

（2）列數(shù)：1+n×4，其中第一列為時間序列，”由測風(fēng)通道的數(shù)量確定，通常包含5-6個風(fēng)速信息，2個風(fēng)向信息，一個氣壓信息，一個溫度信息，每個通道包含Avg（均值），Std（標準差），Max（最大值），Min（最小值）；

（3）通道數(shù)據(jù)為雙精度浮點格式；

（4）各通道數(shù)據(jù)單位約定：風(fēng)速：m/s，風(fēng)向：。，溫度：℃，氣壓：kpa。

2.時間序列補齊：

（1）根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的類型和起始時間，實現(xiàn)長度為一年（52560行或8760行）的時間序列的填充完整；

（2）其他列數(shù)據(jù)在相應(yīng)位置空出。

3.合理性檢驗：

（1）極值范圍檢驗：風(fēng)速的變化范圍0m/s～90m/s；風(fēng)向的變化范圍0°～360°；氣溫的變化范圍-60℃～60℃；氣壓的變化范圍50 kPa～110 kPa；

（2）一致性檢驗：要求各高度風(fēng)速的一致性|V50-V30|<4.0m/s和|V50-V10|<8.0 m/s，各高度風(fēng)向的一致性|D50-D30|<30°或|D50-D30|>330°；

（3）趨勢性檢驗：1小時平均風(fēng)速變化<6.0 m/s；1小時平均溫度變化<5℃；3小時平均氣壓變化<1 kPa。

4.風(fēng)向數(shù)據(jù)插補：

（1）本塔同高度臨近通道數(shù)據(jù)移植；

（2）鄰近塔同高度同時段數(shù)據(jù)移植；

（3）本塔同高度臨近時段數(shù)據(jù)移植。

5.風(fēng)速數(shù)據(jù)插補：

（1）相關(guān)性插補：對全時段、分時段或分扇區(qū)的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，計算原理參考Excel中的correl、slope、intercept函數(shù)，根據(jù)返回的相關(guān)系數(shù)進行缺測數(shù)據(jù)的相互插補；

（2）復(fù)制和平均插補：復(fù)制（移植）即直接替換，求均值則將所選時段的數(shù)據(jù)計算求取平均值，再將結(jié)果插補到目標列的對應(yīng)空缺時段。

經(jīng)過以上測風(fēng)數(shù)據(jù)的規(guī)范化和完整化處理之后，執(zhí)行如下算法過程：

（1）選擇目標塔的兩個風(fēng)速、一個風(fēng)向的通道數(shù)據(jù)，根據(jù)表1對風(fēng)向數(shù)據(jù)進行扇區(qū)劃分，如風(fēng)向為100°則屬于E扇區(qū)，并分別計算兩個風(fēng)速通道的平均風(fēng)速；

（2）逐扇區(qū)計算兩個平均風(fēng)速的差值，并找到差值最大的扇區(qū)；

（3）對差值最大的扇區(qū)對應(yīng)的兩個平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，選取較大值作為該扇區(qū)塔影分析結(jié)果；

（4）對其他扇區(qū)對應(yīng)的兩個平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，選取其均值作為該扇區(qū)塔影分析結(jié)果，如表2所示。

3.算法實現(xiàn)

將原始測風(fēng)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)人本系統(tǒng)，并依次完成數(shù)據(jù)處理各個過程，塔影分析功能即可實現(xiàn)獲得同一高度下統(tǒng)一的測風(fēng)數(shù)據(jù)，并輸出直觀化分析結(jié)果如圖2所示。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以從模糊的、有噪聲的數(shù)據(jù)中提取隱藏在其中的、人們事先未知的、但又起潛在作用的信息和知識。數(shù)據(jù)挖掘在電力設(shè)備中的應(yīng)用已得到關(guān)注。該系統(tǒng)中，在經(jīng)過塔影分析后的結(jié)果值的基礎(chǔ)之上，測風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊可以進行歷史數(shù)據(jù)的特征分析及相應(yīng)的公式估算獲得發(fā)電量預(yù)估值，同時，利用報表等技術(shù)可以獲得其他具有行業(yè)深度和價值的統(tǒng)計結(jié)果，利于決策。

4.結(jié)語

在風(fēng)電場中測風(fēng)塔的位置和數(shù)量選擇對測風(fēng)數(shù)據(jù)有著極大影響，尤其在地形較為復(fù)雜的地區(qū)，塔影效應(yīng)對風(fēng)電機組輸出功率波動性的影響不可忽視——不僅造成風(fēng)力機性能下降，也會嚴重影響風(fēng)電并網(wǎng)和電能質(zhì)量。因此通過塔影分析對測風(fēng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一化的處理從而獲得準確合理的風(fēng)資源評估結(jié)果有極大的重要性。風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)驗證和評估系統(tǒng)，在國家鼓勵風(fēng)電企業(yè)管理信息化和智能化的政策下，與湖北省電力勘測設(shè)計院合作，與風(fēng)電行業(yè)深度融合，是互聯(lián)網(wǎng)時代潮流下的產(chǎn)物，有助于促進風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的進步、推動環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。