2023漂浮式激光雷達系統(tǒng)測風(fēng)規(guī)范

漂浮式激光雷達系統(tǒng)測風(fēng)規(guī)范目 次前言 4152范引文件 53語定義 54術(shù)格求選型 6激雷達 7浮7水氣傳7供系統(tǒng) 7數(shù)傳系統(tǒng) 7安系統(tǒng) 7錨系統(tǒng) 8選原則 85浮激雷系性能8據(jù)8據(jù)8能9估達統(tǒng)量確定度 106量126.1概述 13測前13數(shù)采集 13數(shù)篩選 137放137.1海運輸 137.2138維14附A規(guī)性）上測塔器15單頂安風(fēng)15頂并安的15233側(cè)式15雷1755漂浮式激光雷達系統(tǒng)測風(fēng)規(guī)范本文件規(guī)定了漂浮式激光雷達系統(tǒng)的測風(fēng)技術(shù)規(guī)格及選型、性能校驗、測量流程、布放及運維要求。本文件適用于工程前期漂浮式激光雷達對風(fēng)的觀測。當(dāng)水深超過20米時，可使用漂浮式激光雷達系統(tǒng)進行測風(fēng)；水深超過30米時，推薦使用漂浮式激光雷達系統(tǒng)進行測風(fēng)。下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改版本）適用于本文件。IEC61400-12-1:2017,WindEnergygenerationsystems-Part12-1PowerperformancemeasurementsofelectricityproducingwindturbinesIEC61400-1:2019,Windturbines-Part1:DesignrequirementsJCGM200:2012,Internationalvocabularyofmetrology-Basicandgeneralconceptsandassociatedterms(VIM)JCGM100:2008,Evaluationofmeasurementdata-GuidetotheexpressionofuncertaintyinmeasurementISO28902-1,Airquality-Environmentalmeteorology-Part1:round-basedremotesensingofvisualrangebylidarISO28902-2,Airquality-Environmentalmeteorology-Part2:round-basedremotesensingofwindbyheterodynepulsedDopplerlidarGB/T18709—2002GB/T18710—2002GB/T549—2017電焊錨鏈GB4696—2016中國海區(qū)水上助航標(biāo)志GB/T14914—2006海濱觀測規(guī)范NB/T31147—2018風(fēng)電場工程風(fēng)能資源測量與評估技術(shù)規(guī)范NB/T31029—2019海上風(fēng)電場工程風(fēng)能資源測量及海洋水文觀測規(guī)范HY/T037—2017海洋資料浮標(biāo)作業(yè)規(guī)范OWAFloatingLiDARRoadmapUpdate–DeploymentsofFloatingLiDARSystemsGB/T2298、GB/T2900.53、GB/T20921界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1漂浮式激光雷達FloatingLidar一種測風(fēng)設(shè)施，包括測量激光雷達、浮標(biāo)體等。3.266測風(fēng)塔MeteorologicalMast一種測風(fēng)設(shè)施，包括測量風(fēng)參數(shù)設(shè)備和塔架。3.3數(shù)據(jù)采集器DataLogger用于對測量儀器測量輸出信號進行采集、記錄、編譯、存儲和傳輸?shù)碾娮觾x器。3.4數(shù)據(jù)完整率DataIntegrityRate測風(fēng)期間通過觀察獲得的數(shù)據(jù)記錄數(shù)占期望獲得數(shù)據(jù)記錄數(shù)的比例。3.5有效數(shù)據(jù)完整率EffectiveDataIntegrityRate實測數(shù)據(jù)通過檢驗確認(rèn)的有效數(shù)據(jù)記錄數(shù)占評估時段內(nèi)期望獲得數(shù)據(jù)記錄數(shù)的比例。3.6測量精度MeasurementAccuracy被測量的量值與被測量的真實量值之間的接近程度。3.7測量偏差MeasurementBias系統(tǒng)測量誤差的估計。3.8測量不確定度MeasurementUncertainty由于測量誤差的存在，對被測量值不能肯定的程度，不確定度越小，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價值越高。3.9湍流強度TurbulenceIntensity在指定時間段內(nèi)采集的同一組風(fēng)速樣本中的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差和風(fēng)速平均值的比值。3.10風(fēng)切變WindShear風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪高度范圍內(nèi)的風(fēng)速變化。3.11風(fēng)切變指數(shù)WindShearExponent風(fēng)速隨高度變化的冪指數(shù)α，冪方程為：

????????

????式中???????是輪轂高度（m）；????????????ziα是風(fēng)切變指數(shù)。

????????????=???????????

（1）3.12浮標(biāo)站位buoyposition海洋資料浮標(biāo)運行的地理位置，通常用WGS84(WorldGeodeticSystem1984）坐標(biāo)表示。77漂浮式激光雷達系統(tǒng)由激光雷達、浮標(biāo)體、水文氣象傳感器、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)組成。漂浮式激光雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性、有效數(shù)據(jù)完整率要求見表1。表1漂浮式激光雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整率及有效性要求完整率要求數(shù)據(jù)有效率要求每月數(shù)據(jù)90%80%全部數(shù)據(jù)95%85%激光雷達應(yīng)至少滿足以下要求：a) 10～2000.1m/s；0m/s～70m/s0.1m/s；1°。浮標(biāo)體應(yīng)滿足以下要求：（（）漂浮式激光雷達系統(tǒng)宜預(yù)留水文測量傳感器接口，包括且不限于波浪、洋流、水溫、鹽度等。傳（GB/T14914—2006）供電系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：453數(shù)據(jù)應(yīng)采用加密方式進行傳輸。若采用衛(wèi)星通訊傳輸數(shù)據(jù)，則應(yīng)使用北斗衛(wèi)星進行加密傳輸。安全系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：（GB4696—2016）國家標(biāo)準(zhǔn)，在夜晚可有效提示周圍過往船只注意避讓，同時裝有雷達反射器，能夠反射船載AIS88的碰撞；浮標(biāo)內(nèi)部安裝有報警系統(tǒng)，包括位移報警、艙門打開報警以及進水報警，在發(fā)生浮標(biāo)移位、錨泊系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：錨鏈應(yīng)符合《電焊錨鏈》(GB/T549)(GB/T18674—2018)的要求，錨鏈和纜繩的規(guī)格尺寸應(yīng)根據(jù)浮標(biāo)布放海域水深及浮標(biāo)系統(tǒng)受力情況漂浮式激光雷達系統(tǒng)在進行測風(fēng)時，選型原則如下：IEC61400-12-1b和ca每次使用漂浮式激光雷達系統(tǒng)時，漂浮式激光雷達系統(tǒng)宜進行性能校驗，以保證漂浮式激光雷達系統(tǒng)在測試期間數(shù)據(jù)有效且未發(fā)生偏移。數(shù)據(jù)采集應(yīng)包括同期和同地的漂浮式激光雷達系統(tǒng)和參考海上測風(fēng)塔測量的結(jié)果。具體要求如下：10對設(shè)備進行準(zhǔn)確度分級和測量分析時，應(yīng)盡量減少影響漂浮式激光雷達系統(tǒng)和參考傳感器測1%10.5m/s0.5m/s；5.23m/s16m/s318099）參考風(fēng)杯風(fēng)速計應(yīng)不受冰凍等影響，可通過任何合適的方法來去除影響，但要求記錄詳細方漂浮式激光雷達系統(tǒng)和參考傳感器記錄的每個平均時間間隔的測量值，應(yīng)代表一個連續(xù)的時如1表2圖23m/s16m/s（）（OLS）線、2應(yīng)將漂浮式激光雷達系統(tǒng)測量值和參考測量值的區(qū)間平均偏差與校準(zhǔn)試驗的標(biāo)準(zhǔn)不確定度進（2）????2 ???

?

2 (2)式中：

??????????,????

????,????

??????,???????????,????RD??????,??????????????,????????2??????????,????可以基于校準(zhǔn)測試結(jié)果來校正漂浮式激光雷達系統(tǒng)的風(fēng)速測量結(jié)果以消除偏差。如果區(qū)間內(nèi)平均（1010圖1對比漂浮式激光雷達系統(tǒng)和杯式風(fēng)速計測得的水平風(fēng)速分量的10分鐘平均值圖2漂浮式激光雷達系統(tǒng)和杯式風(fēng)速計水平風(fēng)速測量的區(qū)間比較1111為評估漂浮式激光雷達系統(tǒng)測量的不確定度，應(yīng)考慮下列內(nèi)容：假設(shè)不同的不確定度分量是相互獨立的，應(yīng)累加各個不確定度，獲得最終的不確定度。（漂浮式激光雷達系統(tǒng)的測量結(jié)果與校準(zhǔn)測試產(chǎn)生的以下系統(tǒng)不確定度（B類不確定度）有關(guān)，應(yīng)對漂浮式激光雷達系統(tǒng)的每個測試區(qū)間進行計算：5.4.1漂浮式激光雷達系統(tǒng)測量值和參考傳感器測量值的平均偏差。如果使用漂浮式激光雷達系統(tǒng)測漂浮式激光雷達系統(tǒng)測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，按照測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以每個區(qū)間的數(shù)據(jù)記錄數(shù)校準(zhǔn)測試的A）5.4.4當(dāng)漂浮式激光雷達系統(tǒng)和參考傳感器測風(fēng)塔之間相隔較大的距離時，則應(yīng)將場地影響視為一個額1%的質(zhì)心與用于測試的參考傳感器之間的距離。測量高度是參考傳感器和漂浮式激光雷達系統(tǒng)之間相對須注意的是漂浮式激光雷達系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不確定度已納入到校準(zhǔn)測試結(jié)果中，不應(yīng)另行考慮。在計算不確定度時假設(shè)不同的不確定度分量彼此獨立，并為每個風(fēng)速區(qū)間添加正交分量。計算示例如表2所示。表2基于系統(tǒng)不確定度的漂浮式激光雷達系統(tǒng)校準(zhǔn)不確定度計算示例????????????????????R????????數(shù)據(jù)集數(shù)量最大最小????R????????????????????/√????平均偏差????????????????不確定度安裝不確定度RSD????R????????不確定度[m/s][m/s][-][m/s][m/s][m/s][m/s][%][%][%][%]4.1334.148154.304.000.0900.02.44.5284.525334.854.280.1390.0240.05.0645.086265.314.740.1410.0280.42.0385.593475.925.280.1660.0241.05.9856.025446.275.720.1410.02.01212????????????????????R????????數(shù)據(jù)集數(shù)量最大最小????R????????????????????/√????平均偏差????????????????不確定度安裝不確定度RSD????R????????不確定度6.5136.546456.806.260.1580.01.96.9957.019877.336.730.1510.01.87.5007.5011097.837.140.1560.0150.08.0108.0131188.417.690.1600.0150.08.5128.5371458.978.220.1830.01.68.9939.0331469.458.710.1760.01.69.4989.5541219.979.160.1710.01.610.00810.05916610.579.630.1810.01.610.50610.53610610.9110.250.1410.01.511.00311.0377811.5210.680.1850.01.511.50211.5105911.9211.130.1880.01.412.00012.0356312.6211.680.2170.021.512.51912.5216812.9712.150.1820.0220.012.95712.9986413.4012.640.1860.01.413.46913.4704013.8713.170.1770.0280.014.01114.0142514.3613.670.1920.0380.014.44414.4903014.8314.210.1720.031.414.98314.9511415.4814.620.2460.066-1.415.50915.5851715.9215.380.1350.031.415.99016.0381616.2415.770.1300.031.416.47516.4791016.6916.220.1490.0470.017.06617.1401217.5016.750.2270.061.417.51517.6821317.9117.440.1530.0421.018.00118.020818.3217.820.1570.051.318.43018.5491318.8218.250.1730.041.518.84918.980419.1618.800.1490.071.519.41519.430319.6719.230.2230.121.4注：測量體積內(nèi)由于非均勻流動造成的不確定度假定為零。漂浮式激光雷達系統(tǒng)測量的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)不確定度是由漂浮式激光雷達系統(tǒng)和參考傳感器測量偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差給出的，該標(biāo)準(zhǔn)不確定度與校準(zhǔn)試驗產(chǎn)生的被測變量的單個10分鐘平均值有關(guān)。由于漂浮式激光雷達系統(tǒng)應(yīng)用過程中的氣象條件可能與校準(zhǔn)試驗過程中的氣象條件不同，不同條件下漂浮式激光雷達系統(tǒng)的靈敏度會帶來不確定度。因此標(biāo)準(zhǔn)不確定度將為最終精度等級數(shù)除以√3。漂浮式激光雷達系統(tǒng)假定測量體積內(nèi)具有明顯空間間隔的區(qū)域具有等效風(fēng)條件。應(yīng)評估由于設(shè)備的不理想水平而導(dǎo)致的漂浮式激光雷達系統(tǒng)的不確定度，評估值可參考IEC61400-12-1。不確定度高度依賴于所用儀器的類型。1313測量程序的目標(biāo)是采集滿足一系列明確定義要求的數(shù)據(jù)，測量程序應(yīng)確保這些數(shù)據(jù)有足夠的數(shù)量和質(zhì)量，以精確確定漂浮式激光雷達系統(tǒng)測風(fēng)的準(zhǔn)確度。測量開始前應(yīng)準(zhǔn)備一份檢查列表，檢查清單包含但不限于：風(fēng)速數(shù)據(jù)應(yīng)以大于等于1Hz的采樣頻率連續(xù)采集。氣溫、氣壓、濕度以及降雨量應(yīng)宜至少每分鐘一次的采樣頻率采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)存儲采樣數(shù)據(jù)的以下統(tǒng)計值：平均值最大值最小值所選數(shù)據(jù)組應(yīng)為10min的連續(xù)測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)應(yīng)采集直到滿足數(shù)據(jù)樣本量的要求。應(yīng)確保只有在漂浮式激光雷達系統(tǒng)正常運行下采集的數(shù)據(jù)用于分析，且數(shù)據(jù)沒有被破壞。下列情況下的數(shù)據(jù)組應(yīng)從數(shù)據(jù)庫中剔除：漂浮式激光雷達系統(tǒng)布放運輸應(yīng)滿足以下要求：6節(jié)；布放23倍；1414為確保漂浮式激光雷達系統(tǒng)可正常運行，其運維要求如下：漂浮式激光雷達系統(tǒng)回廠維修周期不得大于兩年，小型浮標(biāo)錨鏈更換時間不大于兩年，大中41515附錄A（規(guī)范性）海上測風(fēng)塔儀器安裝為使在盡可能寬的風(fēng)向范圍內(nèi)，風(fēng)速測量的氣流畸變可以忽略不計，單個頂部安裝的風(fēng)速計是理想的配置。如果采用這種配置，則應(yīng)滿足本節(jié)的所有規(guī)定。尤其當(dāng)海上測風(fēng)塔的橫截面積較大且因此導(dǎo)致較低位置的風(fēng)速計比頂部安裝的風(fēng)速計受到更顯著的測風(fēng)塔干擾影響時，或當(dāng)遇到較大的風(fēng)切變時，應(yīng)當(dāng)仔細考慮這種配置是否能實現(xiàn)較低高度風(fēng)速計自洽性核查的高魯棒性。支撐風(fēng)速計的器件，應(yīng)使杯式風(fēng)速計至少高出海上測風(fēng)塔或者其他能夠引起氣流擾動部件1.5m，支撐部件或者測風(fēng)塔的任何部位都不能超出以風(fēng)杯頂端為頂點的11：1的半錐體。風(fēng)速計應(yīng)安裝在一個豎直圓管上，圓管尺寸與校準(zhǔn)（和分級）時使用的圓管外徑尺寸一致（±0.1mm），（測量至風(fēng)杯不小于0.75m了達到風(fēng)速計應(yīng)該保持穩(wěn)定的目的，建議使用一個直徑較小的垂直圓管同心安裝另一個直徑較大的圓1.5m3圈/m）。風(fēng)速計應(yīng)當(dāng)在校準(zhǔn)時使用與現(xiàn)場一致的電纜附件和布線配置。風(fēng)速計（和安裝管）與垂直方向的2°1.5m4m11：14m6m的距離內(nèi)，否則應(yīng)滿足A.3在兩側(cè)并排安裝中，除了在此規(guī)定的條件外，還應(yīng)滿足A.1中的所有安裝條件。20252.5m且不超過4.0m任何部分都不得超出11：1（頂部橫桿本身不需要符合該要求，前提是它符合上述尺寸標(biāo)準(zhǔn)）。所有其他儀器的安裝位置應(yīng)與風(fēng)速計風(fēng)杯的距離不小于1.5m，也不能距離風(fēng)速計風(fēng)杯下方至少4m11：1側(cè)向安裝的設(shè)備，例如風(fēng)速計和風(fēng)向傳感器等受到測風(fēng)塔，橫桿和拉繩的氣流畸變的影響。在橫桿上方200.5%畸變應(yīng)保持在0.5%分類20徑。這種距離要求適用于將側(cè)裝式風(fēng)速計用作另一側(cè)裝風(fēng)速計在不同高度的參考風(fēng)速計以及不同高度1616的側(cè)裝式風(fēng)速計用于風(fēng)切變測量的情況。在側(cè)裝式風(fēng)速計用作另一側(cè)裝式風(fēng)速計的參考風(fēng)速計的情況4m6m在測風(fēng)塔尾流運行的風(fēng)速計受到很大的干擾。在這種條件下得到的測量結(jié)果不能用于漂浮式激光雷達系統(tǒng)測試校準(zhǔn)中。測風(fēng)塔上風(fēng)向的氣流畸變可能很大。在測風(fēng)塔尾流運行中的分速記會受到很大的干擾，在漂浮式激光雷達系統(tǒng)測試校準(zhǔn)中這種數(shù)據(jù)應(yīng)剔除掉。測風(fēng)塔上風(fēng)向的氣流畸變的可能性也1%A.3.1和A.3.2給來自測風(fēng)塔拉線的尾流會在相當(dāng)長的距離內(nèi)對風(fēng)速計有較強影響。風(fēng)速計安裝位置應(yīng)避免在拉線的下風(fēng)向。應(yīng)該避免使測風(fēng)塔和橫桿引起的氣流畸變分別大于1%和0.5%。測風(fēng)塔可以是圓柱形或桁架式。風(fēng)速計與測風(fēng)塔的間隔取決于測風(fēng)塔的形狀和實度。管狀測風(fēng)塔一般情況下，測風(fēng)塔氣流上風(fēng)向有減速，測風(fēng)塔附近加速，測風(fēng)塔后面有尾流，與風(fēng)向差45°時受到的影響最小。桁架測風(fēng)塔氣流受測風(fēng)塔影響的程度與測風(fēng)塔實度、各部件的空氣阻力、風(fēng)向、觀測點相對測風(fēng)塔的距離有關(guān)。氣流畸變假定是推力系數(shù)????????的函數(shù)，????????又取決于測風(fēng)塔硬度和各個部件的空氣阻力。????????可視為測風(fēng)塔單元長度的總阻力除上動壓和支架間距????????﹡????????。風(fēng)速計的典型距離????????>2倍測風(fēng)塔支架間距，測風(fēng)塔方位（無論面或角迎風(fēng)）引起的氣流擾動非常小，