測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)方法

測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)方法蘇志勇;于良峰漲麗娜;王洋【摘要】將數(shù)值分析的方法應(yīng)用于測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差(簡稱標(biāo)準(zhǔn)差)的分析上，提出了兩個(gè)用于檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差合理性的參數(shù)，并應(yīng)用工程實(shí)例對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證.文章提出的方法可用于測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和分析，同時(shí)可作為目前標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)部分的補(bǔ)充.【期刊名稱】《可再生能源》【年(卷)，期】2015(033)010【總頁數(shù)】4頁(P1512-1515)【關(guān)鍵詞】風(fēng)資源評(píng)估;標(biāo)準(zhǔn)差;統(tǒng)計(jì);函數(shù)擬合【作者】蘇志勇;于良峰漲麗娜;王洋【作者單位】濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司,山東濟(jì)南250022;濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司,山東濟(jì)南250022;山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院,山東濟(jì)南250000;濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司,山東濟(jì)南250022【正文語種】中文【中圖分類】TK81近年來，由于風(fēng)電場(chǎng)工程選址所處地形日益復(fù)雜，因此業(yè)主及整機(jī)制造商對(duì)機(jī)組安全性的關(guān)注度也隨之提高，為此，行業(yè)內(nèi)已普遍采用CFD軟件來提升計(jì)算精度。目前，商用CFD軟件在計(jì)算方面較之前軟件最大的不同是在流場(chǎng)計(jì)算時(shí)輸入的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)除風(fēng)向與風(fēng)速外還添加了風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差SD(StandardDeviation，SD)這一項(xiàng)，其輸出的結(jié)果中湍流這一參數(shù)則直接受標(biāo)準(zhǔn)差影響。但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》(GB/T18710-2002)內(nèi)數(shù)據(jù)驗(yàn)證章節(jié)中未包含對(duì)于風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差方面的驗(yàn)證方法，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因估計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)水平和軟件技術(shù)有關(guān)［1］。通過分析《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》并對(duì)比其與所弓I用標(biāo)準(zhǔn)《WindResourceAssessmentHandbook》之間的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)所引用標(biāo)準(zhǔn)中給出的標(biāo)準(zhǔn)差值域的參考范圍為0~3，而現(xiàn)行國標(biāo)未引入這一參考范圍［2］。通過對(duì)比近幾年所接觸項(xiàng)目的測(cè)塔數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)差值域?yàn)?~3在國內(nèi)工程中的適用性不好，大量有效記錄的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)大于該限值。初步分析其原因，是近幾年國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)地形及風(fēng)況與國夕卜標(biāo)準(zhǔn)編制時(shí)所參考的樣本相比復(fù)雜程度高。為重新確定標(biāo)準(zhǔn)差值域范圍，作者收集了近幾年國內(nèi)多地共20座測(cè)塔數(shù)據(jù)并進(jìn)行了整理，基于工程保密的因素，所有測(cè)塔一律以編號(hào)區(qū)別。所有測(cè)塔數(shù)據(jù)均選取測(cè)塔最頂層數(shù)據(jù)，高度一般為70m，部分為90m，數(shù)據(jù)均已按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理，有效數(shù)據(jù)完整率都在90%以上。將各測(cè)塔各風(fēng)速段的SD值按0.5m/s為步長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。分別計(jì)算測(cè)風(fēng)塔各區(qū)段頻率值，如圖1所示。根據(jù)上述分布圖，對(duì)照常用分布函數(shù)，采用Pulse分布擬合，該分布函數(shù)如下。式中：y0為偏移量；x0為中心點(diǎn)；A為波幅系數(shù)；e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)；t1為寬度系數(shù)；t2為寬度系數(shù)；p為振動(dòng)指數(shù)。用數(shù)值分析的方法進(jìn)行函數(shù)擬合，擬合的相關(guān)性參數(shù)R2SD=0.87498，擬合結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，SD值的值域可取0~5,代入所擬合函數(shù)，計(jì)算SD值超位于0~5之間的概率為PSD(x<5)=0.9999759。根據(jù)計(jì)算結(jié)果和之前測(cè)塔數(shù)據(jù)分析，標(biāo)準(zhǔn)差值域范圍可采用0~5,此數(shù)值可作為初步檢測(cè)SD合理性的依據(jù)。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來講，波動(dòng)數(shù)值記錄幾個(gè)比較重要的特征量是均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值及最小值。而作為測(cè)風(fēng)塔實(shí)際記錄來講，一條完整的記錄同樣包含均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值。在風(fēng)速要素記錄數(shù)據(jù)充足的情況下，判斷某一數(shù)據(jù)的有效性還可以借助分析數(shù)據(jù)的最大值和最小值。本文主要分析記錄的最大值。目前常用測(cè)塔設(shè)備數(shù)據(jù)記錄最小的時(shí)間間隔是10min，數(shù)據(jù)均值為10min記錄的平均值，最大值為該10min內(nèi)3s均值的最大值。10min均值與3s均值之間的關(guān)系在無實(shí)際數(shù)值參考的情況下，可參照GL[3]標(biāo)準(zhǔn)中3s均值為10min均值1.4倍的關(guān)系，計(jì)算出對(duì)應(yīng)時(shí)刻的3s均值。計(jì)算各測(cè)塔3s均值與最大值之差，并進(jìn)行歸一化處理；計(jì)算測(cè)塔10min記錄最大值與計(jì)算出的3s均值之差并統(tǒng)計(jì)其頻率如圖3所示。由圖3可知，對(duì)照常用分布函數(shù)，采用Extreme分布擬合，該分布函數(shù)如下：式中：y0為偏移量；A為波幅系數(shù)；e為自然對(duì)數(shù)底數(shù)；x0為中心點(diǎn)；3為寬度系數(shù)。擬合的相關(guān)性參數(shù)R2diff=0.87542，擬合結(jié)果如圖4所示。由圖3可知，差值檢驗(yàn)的閥值可設(shè)為15，計(jì)算差值不大于15的概率為Pdiff(x<15)=0.9999641。綜上所述，在檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)除可直接采用標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值外還可檢測(cè)1.4倍均值與最大值的差值，閥值為15。通過上述標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比和差值對(duì)比方法可判斷標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)的有效性，將其與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的其它規(guī)定結(jié)合，可方便確定測(cè)塔數(shù)據(jù)記錄的有效性?，F(xiàn)有一測(cè)塔(mast21)數(shù)據(jù)，經(jīng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)處理后，有效數(shù)據(jù)完整率超過90%，計(jì)算該測(cè)塔湍流強(qiáng)度IT如下：式中：IT為湍流強(qiáng)度；8為10min風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差；V為10min平均風(fēng)速。整理測(cè)塔70m高度湍流強(qiáng)度圖，如圖5所示。根據(jù)湍流強(qiáng)度等級(jí)［4］相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從湍流數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，該測(cè)塔湍流為IEC-S級(jí)。由圖5可知，該測(cè)塔在大風(fēng)速段（風(fēng)速＞10m/s）湍流較大，如按現(xiàn)有風(fēng)資源評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)無法剔除無效的SD數(shù)據(jù)，下面取大風(fēng)段即風(fēng)速＞10m/s數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。3.1標(biāo)準(zhǔn)差分析整理測(cè)塔數(shù)據(jù)，并將標(biāo)準(zhǔn)差以5m/s為步長統(tǒng)計(jì)如圖6所示。通過計(jì)算可知，標(biāo)準(zhǔn)差在5以上的記錄較少，符合前文推論。3.2最大值差值統(tǒng)計(jì)將記錄的10min最大值與計(jì)算3s均值相減，并按5m/s為步長進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖7所示。由圖7可知，差值大于15的數(shù)據(jù)較少，同樣符合本文結(jié)論。對(duì)照原測(cè)塔數(shù)據(jù)并參照標(biāo)準(zhǔn)［1］中其它規(guī)定，分析上述不滿足條件數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)上述兩參數(shù)都不符合的24組數(shù)據(jù)，全部為不合理數(shù)據(jù)，而不滿足差值檢測(cè)參數(shù)的數(shù)據(jù)可重新劃歸為合理數(shù)據(jù)。篩選出不滿足本文所提出檢測(cè)要求的數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)陸上風(fēng)速統(tǒng)計(jì)規(guī)律并結(jié)合測(cè)塔當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源情況分析，上述篩選最大值為不合理數(shù)值，本文所用篩選依據(jù)是合理的。應(yīng)用本文方法全面分析該測(cè)塔數(shù)據(jù)，將上述篩選方法應(yīng)用到小風(fēng)速段（風(fēng)速＜10m/s），又篩選出15項(xiàng)不合理數(shù)據(jù)。將測(cè)塔數(shù)據(jù)剔除不合理數(shù)據(jù)后，重新繪制測(cè)塔70m高度湍流強(qiáng)度圖，如圖8所示。經(jīng)本文所用方法篩選后，該測(cè)塔湍流強(qiáng)度屬于IEC-A級(jí)，并非之前結(jié)果IEC-S級(jí)。上述工程如直接應(yīng)用未篩選數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)組強(qiáng)度校核，則存在湍流過大的問題，計(jì)算機(jī)組安全性時(shí)必須對(duì)機(jī)組進(jìn)行特定場(chǎng)址設(shè)計(jì)，勢(shì)必會(huì)增加部件的強(qiáng)度、造成設(shè)計(jì)的浪費(fèi)，而通過剔除無效SD數(shù)據(jù)后，機(jī)組設(shè)計(jì)則只需校核機(jī)組強(qiáng)度即可。針對(duì)國內(nèi)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)方法缺失的問題，本文通過數(shù)值分析的方法提出檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差的兩條規(guī)則。標(biāo)準(zhǔn)差值不大于5。記錄最大值與均值1.4倍之差應(yīng)不大于15。通過該方法可剔除測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)中無效的數(shù)據(jù)，計(jì)算出湍流，可更加真實(shí)地反映風(fēng)場(chǎng)的湍流情況，降低機(jī)組計(jì)算時(shí)不必要的載荷，同時(shí)本文所提出的方法可作為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的有益補(bǔ)充?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】GB/T18710-2002，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法（2002版）[S].GB/T18710-2002，Methodologyofwindenergyresourceassessmentforwindfarm（2002）[S].NREL/SR-440-22223，風(fēng)資源評(píng)估手冊(cè)（1997版）[S].NREL/SR-440-22223，WindResourceAssessmentHandbook（1997）[S].GL2010，工業(yè)類規(guī)則及指南IV第一部分風(fēng)機(jī)認(rèn)證導(dǎo)則（2010版）[S].GL2010，Rulesandsuidelinesindustrialservices