风资源数据统计绘图应用软件的开发研究

尚 宝（1.太原理工大学信息学院，山西 太原 030001；2.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

风资源数据统计绘图应用软件的开发研究

尚 宝1,2
（1.太原理工大学信息学院，山西 太原 030001；2.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

建立了电力设计行业风力资源数据统计计算模型，以microsoft visual 2005.net为平台利用其中的VB.net以access数据库、microsoft office为支撑软件,利用威布尔分布、瑞利分布等计算模型来进行图表绘制、风速风功率的日变化及年分布统计、风能评估等统计法分析计算，并给出最终的所选地域的风资源评估结果。探讨以VB.net为开发平台，crystal reports控件作为报表平台结合microsoft office生成最终评估图表，并以access数据库完成工程数据的存储与校验，通过风能评估所应用的模型公式开发研制具有数据编辑、查询、分析、图表绘制等功能的风电场风能资源评估应用软件。

风电设计；图表；统计；风能评估

0 引言

随着电子技术手段的更新发展，特别是各类气象信息数据采集工具的快速研发和面世，大量数据可通过更为先进的设备仪器快速精准地采集后，数据的整理和分析工作相对出现了瓶颈，从而导致施工工期的延误。为满足工程进度的要求，需要加快数据处理方式和手段来改变以往大部分人工手工统计分析工作。气象风力资源想要分析精确，就需要大规模搜集气象信息数据，人工进行数据处理出错概率非常大，且数据处理速度不能满足整体工程进度的要求。为了确保工程设计精准、快速，避免数据分析出现错误，从大量原始信息数据中鉴别出可进行信息评估的工作就必须借助计算机信息化处理手段。

我国具有丰富的风力资源，有着很大的开发利用潜力，风资源的建设水平逐步接近美国、德国、西班牙等发达国家。近年来，我国大力发展环保清洁能源的开发，风能评估是建设风电厂选址过程的主要工作，但国内大多电力设计企业在进行风电厂选址中要么采用国外的评估系统、要么对于风场评估大部分风资源数据统计工作依靠设计人员手工统计分析，工作量大、统计计算时间长，很难满足现行的工程进度的要求，因此为方便勘测水文专业设计人员分析统计风资源数据，必须更新辅助设计工具以提高设计效率。以此为契机按照中华人民共和国国家质量监督检疫总局2002-04-28《风电场风能资源评估方法》规范的要求，对风资源数据统计和绘制工作进行一条龙的自动化软件设计，使设计与施工联系更加紧密、规范。

micorsoft cisual 2005是目前常用的软件开发环境，其中的可视化basic系语言VB.net（visual basic.net）是目前较流行的可视化开发编程工具之一，支持面向对象和事件驱动机制的程序开发。利用其强大的集成开发环境，软件编制人员通过简单的代码即可生成丰富多样的“windows”界面，并且其内置的集成组件可方便地形成各种报表、图例等。

1 风资源数据统计绘图应用软件设计思想

风电场所产生的经济效益在很大程度上取决于风电场所处地域的风力资源，而在风电场开发建设前期，最主要的工作就是风能评估。目前，风能评估软件一般都是使用丹麦实验室开发的riso wap软件，但这一软件是基于欧洲较为平坦的地形条件设计的，直接用于评估山西省所处的复杂地形、地貌和气候将产生较大的出入。

由于风资源评估所需的气象数据都是由气象站经过至少1年的时间记录得出的，数据的采集频率越小、越精准则分析结果愈加准确。气象采集在各个气象站所使用的仪器并非一致，且有些采集的数据会产生错误数据或遗漏数据，这样就需要对这些数据进行校验检查，经过准确鉴别再将正确的数据进行排序整理。如此就需要应用一种稳定的数据库进行数据的存储与筛选、排序、鉴别。软件设计上为了方便软件的使用者，在后续程序应用过程中，尽量减少附加程序的安装，所以选用目前大多数用户在装机时所必备安装的microsoft office工具包中的微软关系数据库管理系统access（microsoft office access） 为程序运行的数据库存储工具，数据通过风功率密度、风能密度等模型分析计算后将数据导入microsoft office图表显示功能中形成所需的风玫瑰图等图形报表。

软件能够显著提高风电场设计过程中对风资源评价的设计质量和效率，具有明显的经济效益和社会效益，在工程应用上具有实际指导意义和广阔的应用前景。

2 软件系统总体架构与功能

勘测风电场评估软件主要包括原始气象数据读入鉴别、数据查询、工程评估计算3大模块。通过数据读入模块读入测风塔测风数据、测风通道标识数据、工程信息等数据。在数据的读入过程中，对采集的数据进行鉴别，去除错误的测风数据（例如：风力值超过了合理范围）或监测出数据中有大部分不连续数据。由于所采集的测风塔测风数据为矢量数据，既包含大小又具有方向，目前软件可选用10 min和60 min设备自动采集数据。如果有太多的错误数据会引起评估不准确，程序会自动停止评估分析计算。数据查询包括工程原始数据的查询，主要包括数据的修改、删除、增加等功能，并将数据存入access数据库。工程评估计算模块主要有两个功能：一是数据的统计计算，二是图表绘制及形成对应的结果文件。数据统计模块中主要完成对不同高度风况的统计、风频分布、风向分析和风速随时间变化来估算风能资源状态、年风向、风能和各月风向、风能统计、年不同高度风速和风功率统计绘制、不同高度各月风速和风功率日变化统计、年各风速区间风速风能频率分布统计等功能。所形成的表格包括风能风向excel玫瑰图（年风向、风能和各月风向、风能玫瑰图）、年不同高度风速和风功率图表绘制、不同高度各月风速和风功率日变化图表绘制、年各风速区间风速风能频率分布图表绘制等。

2.1 软件总体架构

为了更好地适应勘测设计人员在工程设计及野外勘测施工的工作方式及使用习惯，风资源数据统计绘图软件总体架构结构按照图1进行设计。

图1 风资源数据统计绘图软件总体架构结构图

2.2 软件评估方法及模型说明

风能资源评估所需的数据为当地气象站近30年的常规气象资料和预建风电场场址处至少连续1年的10 m高处的测风数据，该数据包含风速、风向、气压、空气密度温度和海拔高度，该组数据应按照软件读入要求进行整编的数据，且该数据为不小于收集期90%以下的有效数据，其公式参考《风电场风能资源评估方法》GB/T18710—2002 5.24所示。

数据的鉴别采用循环的方式，根据所录入数据的年份分析数据的完整性及是否满足至少连续1年的测风数据，再根据国家标准逐一鉴别数据的有效性。在数据通过筛选后再将工程信息与对应的气象数据完整地录入到数据库中，数据库中以该工程的工程编号为主建立索引，管理整个该工程所包含的关联数据。

程序在工程数据管理上利用access数据库为基础将工程编号定义为文本型关键字，以工程编号为唯一索引，控制整个工程相关联的数据存储与计算。软件中将插入、更新、删除数据表功能语句定义为结构化模块函数，可方便程序进行整体规划和后期维护，语句上采用对象连接与嵌入OLE（object linking and embedding）数据库操作方式进行数据库操作，工程基本信息数据表中还包含工程名称、地区名称、气象采集塔编号、基站编号等。

相对应每一个基站数据库表中又包含基站编号、日期和12个常用仪器采集通道数据列，每个采集通道又包含测风平均值、测风标准值、测风最大值、测风最小值数据列。测风仪器所得数据可通过该模块直接导入到相应的数据表中。软件结构流程图如图2所示。

图2 软件结构流程图

3 风能评估绘图及属性数据管理

3.1 风能评估及绘图功能

风能的计算主要分析计算风流动所产生的能量，程序中用风功率密度和风能密度对风场资源进行评估，程序利用威布尔分布 （weibull distribution） 模型进行数据处理[1]，该模型形式较简单且与实际风速分布较趋近。通过用户所选年的风能资料进行分析，各日的逐时风速变化能反映风的日风速变化规律，月的逐日风速变化能反映风的月风速变化规律，并绘制各日逐时、各月逐日和年逐月的风速分布柱状图、风速频率曲线、风向玫瑰图、风能玫瑰图、日风速变化曲线、风能密度等主要参数。影响风力发电量的因素主要考虑自然风的能量，自然风的风功率和风能密度可以按式 (2)进行计算[2]。

式中:Dwp——平均风功率密度；

n——在设定时段内的记录数；

ρ——空气密度，kg/m3；

vi3——第i记录的风速值的立方。

式 (2)为自然风的风功率。

式中：Dwe——风能密度；

m——风速区间数目；

ρ——空气密度，kg/m3；

tj——某扇区全方位第j个风速区间的风速发生时间。

式 (3)为风能密度。

程序评估模块的设置考虑到以后程序的可升级和易维护，将此功能分成多个小的计算模块，彼此间独立，通过参数进行相互调用，并且在每一个过程的计算中都存在容错功能，以保证程序在出现问题时不会出现程序无响应的现象。

数据的分析统计程序大量依靠数据库中的相应排序筛选功能来完成，以减少程序中可能出现的大量循环调用，达到尽可能减少程序大量消耗内存和采集所得出的相同数据和非正确范围值数据而有可能导致运算失败的出错概率；根据GB/T 18710—2002标准规定，风电场测风数据检验的内容包括：数据的完整性检验和合理性检验，其中合理性检验又包括合理性范围的检验、相关性检验与趋势性检验等[3]。所有的数据检验都通过数据检验合理性检验模块和access数据库自带功能完成。对于所出现的不合理数据将自动被丢弃，合理的数据在整理完毕后，程序将再次检查数据是否满足采集期限为1年的最小数据完整性要求，若不满足，程序将给出提示暂停执行。对于程序结果中的图形文件展示采用美国微软公司的开发工具包VS(microsoft visual studio） 内置的水晶报表插件来完成，这样不仅更深动地展示了统计计算的结果，让程序的展示性更加直观，而且用户在使用此软件时不需要额外安装其他控件就可以在本机运行此程序。

根据对全年小时空气密度的统计，根据公式计算的空气密度、风能密度、各风速区间风能密度、风切变幂率指数等数据形成最终的风电场风力评估所需的各高度各月的风速和风功率密度日变化图，如图3所示；月变化图及各高度风向与风能玫瑰图，如图4所示。

图3 风速和风功率密度日变化图

图4 风能玫瑰图 (%)

图3风速和风功率密度日变化图为设计人员反应出实测风速和风功率密度在不同时刻对应的大小，通过对应的数据，可以辅助设计人员对风场、风机高度等进行筛选分析。通过对应的风能玫瑰图（如图4所示）统计分析出该地区16个方向区间内风向频率的大小，辅助用户界定风能品质和机组布置方案。最终通过综合比较分析，选出最优的符合本风电场国际电工委员会 IEC（international electrotechnical commission） 等级的机型方案。

3.2 属性数据管理功能

风资源数据统计绘图应用软件在编制前期考虑到系统的应用为可支持多人联机使用或单机使用，所以属性数据库采用关系型数据库，采用access关系数据库可以管理属性数据资源包括数据访问对象DAO(data access object)、开放数据库连接 ODBC（open database connectivity） 等数据源，并提供数据集 (data set)类来管理属性数据集。通过对数据集对象的操作实现对数据进行添加、删除、修改等操作，用以管理用户、密码、工程信息、气象数据、测风通道数据、风场位置等。数据库本身通过密码验证进行访问保护，为了工程数据的安全，程序将用户分为程序使用者和程序管理员，程序的使用由管理员进行分配，后期可将数据库的修改权限交由管理员指定，同时在数据库中，建立了6个临时数据表，用于计算并绘制当前工程数据的风资源评估所需要的风功率、风能频率、风玫瑰图等；这样大大减轻了access数据库对于数据的存储所占用的空间，在每次计算完毕后，程序通过清空模块将计算时所产生的临时数据表进行清空，最终的工程数据以原始测风数据为准，达到数据所占资源最小化和唯一化。所归档的气象数据可根据用户的需要通过自定义或规定字段对数据库中管理的数据进行快速查询，以方便专业设计人员借鉴已有的工程进行参考和学习，同时也可以作为企业内部的工程质量库进行管理，对今后的风力发电选址提供了更多的评估参考。

4 结束语

风力发电已作为我国能源开发不可或缺的一部分，软件在应用现有成熟的各种风能计算的数学模型的基础上，根据风速分布模型的特点，结合我国特殊地形和气候特征，依托我国国家标准建立了适合我国风能资源评估数学模型并以VB.net为基础结合多种图形、图表显示辅助开发工具来方便直观地显示统计绘图结果。该系统的设计开发符合我国风能资源评估发展方向与技术手段，并通过实测风参数分析验证了本系统的可行性和正确性，实现了风能资评估系统的准确性与高效性；为今后我国电力设计行业在风电设计上节约了人力，提高了劳动生产力；并且能够更加快速精准地为未来风电厂选址设计提供参考依据。

[1]施鹏飞，朱瑞兆，娄慧英.风电场风能资源评估方法 GB/T 18710—2002[S].北京：中国标准出版社，2002：1-8.

[2]王达邦.风力发电场风资源评估方法及其应用 [M].华东水电技术，1992：16-20.

[3]王承煦，张源.风力发电 [M].北京：中国电力出版社，2002：16-31.

Research on the Development of Wind Source Data Statistics& Drawing Application Software

SHANG Bao1，2
（1.Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China; 2.China Energy Engineering Group Shanxi Electric Power Exploring and Design Institute Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030001,China）

The data calculation model of wind power data in electric power design industry is established.The Microsoft visual 2005. net is used as the platform,and the access database and Microsoft office are used as supporting software to make diagrams,record daily change of wind speed and wind power,carry out annual distribution statistics and wind energy evaluation based on Weibull distribution and Rayleigh distribution calculation models.Wind source evaluation result of selected areas is consequently presented.VB.net is used as development platform,crystal reports controller is used as reporting platform and access database is adopted to store and examine data to develop the technology of wind power resource assessment software with the functions of data editing,query,analysis and chart drawing.

wind power design;diagram;statical;wind energy assessment

TP391.7

A

1671-0320（2017）03-0035-05

2016-12-02，

2017-04-09

尚 宝（1980），男，河南沁阳人，2006年毕业于太原理工大学计算机科学与技术专业，工程师，从事电力信息化工作。