基于權(quán)重算法篩選無效測風數(shù)據(jù)的方法研究

文 | 李長亮

測風數(shù)據(jù)的處理直接關系到風電場發(fā)電量的測算，進而影響整個項目的決策。國標GB/T18709－2002《風電場風能資源測量方法》和GB/T18710－2002《風電場風能資源測量方法》中規(guī)定了風能資源測風數(shù)據(jù)的一些原則，具體指標如表1所示。

國標中規(guī)定的參數(shù)是小時平均值，而實際中獲取的測風數(shù)據(jù)是10分鐘平均值，所以，根據(jù)國標參數(shù)進行處理時首先需要進行時間轉(zhuǎn)化。此外，國標發(fā)布時間較早，隨著近15年風電的發(fā)展，測風高度和地點發(fā)生了較大變化，在較為復雜的山地地形得到的測風數(shù)據(jù)也是非常復雜的，單獨使用國標方法處理已經(jīng)不能滿足要求。

在實際工作中，對于測風數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)，一般都是工程師根據(jù)經(jīng)驗手動進行剔除，這種方法對工程師的數(shù)據(jù)處理能力要求較高。本文提出了一種篩選無效數(shù)據(jù)的新方法，將風切變規(guī)律運用于逐時刻數(shù)據(jù)，并采用權(quán)重算法對每個通道每個時刻數(shù)據(jù)（10分鐘平均）進行權(quán)重計算，篩選無效數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)更具有可信度，并采用某項目測風塔驗證了其可行性。

表1 測風數(shù)據(jù)合理性判斷原則

方法說明

在風能資源研究中，風切變指數(shù)表征風速隨高度的變化程度，由于受地形與大氣層穩(wěn)定度等因素的影響，風速隨高度變化的程度不同，風切變指數(shù)的大小也各異。因此，風切變是當今測風數(shù)據(jù)分析中的一項重要指標。一般情況下，風速同測風高度的關系如式（1）所示：

假設z0＝1，那么，以上公式就轉(zhuǎn)化為：

基于權(quán)重算法篩選無效測風數(shù)據(jù)的方法是采用逐時刻數(shù)據(jù)（10分鐘平均）計算風切變值，然后依次去除本時刻某個通道的值，對剩余的通道求取風切變，通過計算這兩個風切變的差值，得到本通道的權(quán)重值（表征這個通道對風切變影響的程度）。若是影響程度過大，則表示此數(shù)據(jù)嚴重偏離統(tǒng)計規(guī)律，應視為無效數(shù)據(jù)。具體步驟為：

假設現(xiàn)有一組測風數(shù)據(jù)，時間序列為10分鐘，每組數(shù)據(jù)包括N個高度通道的風速信息（其余風向、湍流等實測信息與本處理方法無關，因此不提及），下面的數(shù)據(jù)處理不包含同一高度上有兩個通道的情況。

一、對測風數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)范圍判斷

按照國標規(guī)定，對小時平均風速≧40m/s的數(shù)據(jù)進行標記，并刪除標記所涉及的10分鐘數(shù)據(jù)的異常值。

若是測風數(shù)據(jù)由機械風杯測得，則測風數(shù)據(jù)最小值一般為0.4m/s（具體精確值查詢標定值），因此，對測風數(shù)據(jù)中小于0.4m/s的數(shù)據(jù)進行刪除。

二、分類篩選各個時間序列通道

對每個時刻的各個通道進行處理判斷：

a.若是數(shù)據(jù)覆蓋個數(shù)小于等于3，對此通道不做處理；

b.若是數(shù)據(jù)覆蓋個數(shù)大于3，則采用以下方法進行數(shù)據(jù)處理。

（一）求取每一時刻的風切變

直接對10分鐘原始數(shù)據(jù)進行處理：對風速數(shù)據(jù)和高度數(shù)據(jù)進行取自然對數(shù)操作，x軸代表高度lnz，y軸代表速度lnv，采用最小二乘法擬合直線。根據(jù)公式（2）得知，直線的斜率代表測風數(shù)據(jù)本時刻的風切變α，如圖1所示。

（二）求取每一個通道的權(quán)重值

對于給定的m個通道數(shù)據(jù)，有m個權(quán)重值。下面是針對每一時刻各通道數(shù)據(jù)進行操作（同理以圖1中4個點為例進行說明）。

去除通道a的數(shù)值，對剩余的通道b、 c 、d求取風切變α1。

求取本時刻本通道數(shù)據(jù)的權(quán)重值：

同理求取本時刻其余三個通道b、c、d的權(quán)重值Δi2、Δi3、Δi4。

（三）篩選無效數(shù)據(jù)

通過對測風數(shù)據(jù)每個時刻的處理，得到測風數(shù)據(jù)所有點的權(quán)重值，規(guī)定一個合理值Δi，將超出合理值Δi范圍的值標記為異常值，將所涉及的測風數(shù)據(jù)定義為無效數(shù)據(jù)。

圖1 風切變計算示意圖

圖2 a通道風切變計算示意圖

（四）對數(shù)據(jù)進行插補

去除無效數(shù)據(jù)后，為了保證數(shù)據(jù)完整性，對缺失數(shù)據(jù)進行插補。

項目驗證

本文采用基于權(quán)重算法篩選無效測風數(shù)據(jù)的方法對1#測風塔（本測風塔位于江蘇，數(shù)據(jù)截取范圍為2016年6月6日－2017年6月5日，數(shù)據(jù)有90m、80m、70m、50m、30m、10m共6個通道。由于30m通道數(shù)據(jù)損壞，質(zhì)量較差，因此，處理過程中去除了該通道值）測風數(shù)據(jù)進行處理，首先對測風數(shù)據(jù)進行無效數(shù)據(jù)剔除，然后在Windographer里進行數(shù)據(jù)插補，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3－圖12所示。

可以看出70m通道數(shù)據(jù)偏離風切變統(tǒng)計曲線較多，這種現(xiàn)象一般由幾種原因引起：（1）本地區(qū)真實風速確實是這種現(xiàn)象。（2）測量裝置發(fā)生漂移。（3）測量數(shù)據(jù)中某部分的時間數(shù)據(jù)異常。在實際處理中，因為使用統(tǒng)計規(guī)律，要依靠風切變數(shù)值進行后續(xù)的計算以及評判，所以，會手動對偏離統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進行剔除（一般是目測數(shù)據(jù)，然后剔除異常值，以及目測相關性，并剔除相關性較差的數(shù)據(jù)）。

圖3 處理前風切變

圖4 處理后風切變

圖5 處理前90m與80m相關性

圖6 處理后90與80m相關性

圖7 處理前90m與70m相關性

圖8 處理后90m與70m相關性

通過采用本方法進行處理后，各通道數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提高，數(shù)據(jù)相關性也顯著提高。同時，各個通道的風速略有變化，90m通道風速降低了0.11m/s，80m通道風速降低了0.13m/s，70m通道風速升高了0.1m/s，50m通道風速降低了0.15m/s，10m通道風速降低了0.04m/s。風切變規(guī)律更加符合統(tǒng)計規(guī)律。

圖9 處理前90m與50m相關性

圖10 處理后90m與50m相關性

圖11 處理前90m與10m相關性

圖12 處理后90m與10m相關性

表2 1#測風塔處理前風速信息

表3 1#測風塔處理后風速信息

結(jié)論

本文提出的方法，重點在于基于統(tǒng)計規(guī)律思想，識別和剔除質(zhì)量較差的測風數(shù)據(jù)。從現(xiàn)在工程師的目測和手動剔除方式轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器識別和自動處理，是一種新的自動識別方法，可以大幅度提高工程師的工作效率。通過項目驗證可知，本方法可以顯著提高測風數(shù)據(jù)的質(zhì)量，增加通道相關性，快速剔除無效數(shù)據(jù)，得到較好的處理效果。需要注意的是，本方法具有一定的適用范圍，適用于少數(shù)無效數(shù)據(jù)分散在眾多測風數(shù)據(jù)的情況，對于某個時刻多個通道數(shù)據(jù)無規(guī)律異常的情況，從原理上講本方法是不適用的。另外，由于尚未經(jīng)過大量的樣本驗證，因此，對于如何設定約束條件及適用何種類型的測風數(shù)據(jù)等內(nèi)容，都需要進行深入研究。