测风塔系统优化方案

4.2.3.1　技术要求

1.总体要求

（1）测风塔是保证风电功率预测精度的重要技术设备，各风电场须按照相关要求完成测风塔建设，实现测风塔数据的实时上传。

（2）风电场应保证测风塔实时数据采集、传输、上送各环节装置及设备的安全可靠运行。各环节均不允许造成信息安全隐患。

（3）风电场测风塔实时数据除作为本地风电功率预测的基础数据外，还应上传至上级调度部门。

2.气象要素采集的技术要求

风电功率预测系统中气象要素采集技术要求包括测风塔位置、测量高层、测量要素、测量设备、设备安装、测量数据采集、数据上报格式7个方面。

（1）测风塔位置。

1）测风塔位置应在风电场5km 范围内且不受风电场尾流影响，宜在风电场主导风向的上风向。

2）测风塔数量：根据风电场地形地貌、气候特征和装机容量确定测风塔数量。

（2）测量高层。

1）风速风向需要4层测量高层，即测风塔10m、30m 高层，风电机组的轮毂中心高层和测风塔最高层。

2）温度、湿度、气压需要1层测量高层。

（3）测量要素。

1）5min平均风速。每秒采样一次，自动计算和记录每5min 的平均风速，单位为m／s。

2）每小时平均风速。通过5min平均风速值获取每小时的平均风速，单位为m／s。

3）极大风速。每3s采样一次的风速的最大值，单位为m／s。

4）风向采样。与风速同步采集的该风速的风向。

5）风向区域。所记录的风向都是某一风速在该区域的瞬时采样值。风向区域分16等分时，每个扇形区域含22.5°；也可以采用多少度来表示风向。

6）气温。每5min采样并记录采集现场的环境温度，单位为℃。

7）相对湿度。每5min采样并记录采集现场的环境湿度，单位为RH%。

8）气压。每5min采样并记录采集现场的气压，单位为hPa。

（4）测量设备。

测风设备主要是各类测风传感器，测风传感器应通过气象计量部门的检验，使用期间免维护，无需用户做参数标定。测风传感器包括风速传感器、风向传感器、温度计、湿度计、压力计等，其技术参数要求见本书附录1。

（5）设备安装。

1）测风塔。测风塔结构可选择桁架型或圆管型等不同形式，高度应不低于风电机组的轮毂高度。测风塔应具备在现场环境下结构稳定，风振动小等特点；并满足防腐、防雷电要求。

2）测风传感器。测风传感器应固定在桁架型结构测风塔直径的3倍以上、圆管型结构测风塔直径的6倍以上的牢固横梁处，迎主风向安装（横梁与主风向成90°），并进行水平校正。风向标应根据当地磁偏角修正，按实际 “北” 定向安装。

安装数据采集器时，数据采集安装盒应固定在测风塔上适当位置，或者安装在现场的临时建筑物内；安装盒应防水、防冻、防腐蚀和防沙尘。

3）温度计。温度计应安装在近地高层百叶箱内。

4）湿度计。湿度计应安装在近地高层百叶箱内。

5）压力计。压力计应安装在近地高层处。

（6）测量数据采集。

1）风速风向。风速的采样速率为每秒钟1次，计算5min的算术平均值和5min的风速标准偏差；以5min平均值计算小时平均值。风向的采样速率为每秒钟1次，计算5min的矢量平均值。

2）温度、湿度、气压。温度、湿度、气压的采样速率为每10s1次，计算5min的算术平均值。

3）数据采集器。以上各类数据采集器的技术参数应满足的要求见附录。

4）数据采集器供电电源。数据采集器的电源设计应保证不间断的可靠供电，可采用蓄电池与太阳能电板的配套供电方式。

（7）数据上报格式。

1）数据种类。需上报的测量值的具体数据类型及数据精度见表4-1。

表4-1　测风塔上报数据类型及数据精度

续表

2）数据传输。所有测量值需要以不大于5min的时间间隔实时传输到风电场或中心站监测端，数据延迟不超过2min。

3.测风塔实时通信的技术要求

测风塔数据采集系统建设要满足施工简单、数据实时性好、安全性高、设备维护工作量少的要求。测风塔通信系统解决方案如下：

（1）测风数据采集器通常可采用RS232接口，经RS232／光纤转换器后，通过专有光纤线路将测风塔数据传输至升压站主控室的测风塔数据处理装置接收。测风塔数据处理装置将测风塔数据发送给远动装置（或监控系统的规约转换器），再由远动装置将风电场电气数据与测风塔数据整合，上送上级调度部门能源管理系统 （EMS）。

（2）测风塔数据处理装置与远动装置 （或监控系统的规约转换器）的数据传输协议宜采用ModBUS协议，具体实施方案由承建单位与升压站监控系统设备厂家共同制定。

该方案应配套一台便携机，对数据采集器进行远程参数设置及数据通信测试。测风塔通信系统示意如图4-2所示。

测风塔设备技术参数要求详见附录。

4.2.3.2　防雷措施

测风塔高度较高，且本身建设在风能资源丰富的迎风坡、山顶、旷野、风口等雷暴多发区，极易遭受雷击，严重影响观测设备正常工作。因此测风塔在建设时要增设防雷设施，防止雷击对测风塔正常工作的影响。

1.雷击对观测设备损坏途径及方式

由于测风塔本身较高，经分析，对观测设备造成损坏主要有直击雷和闪电感应两方面。

（1）直击雷主要破坏力在于电流特性，雷电击中观测设备时，强大的雷电流可对设备造成直接损坏，从而影响观测设备正常工作。

图4-2　测风塔通信系统示意图

（2）闪电感应是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并经过数据采集馈线侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。闪电感应虽然没有直击雷猛烈，但其发生的概率比直击雷高得多。闪电感应的破坏也被称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。

2.防护设备一：避雷针

测风塔按高度一般有70m、100m 和120m 三种类型。由于测风塔高度较高，其高度超过第三类防雷建筑物滚球半径，且建设位置多为雷雨高发区，对避雷针的设计方式如下：

（1）塔顶接闪杆。在70m、100m、120m 三种类型的测风塔顶部统一安装1支4.5m的接闪杆，当雷暴云形成高度较高时，此接闪杆用于接闪垂直方向的闪电先导。

（2）横臂接闪杆。在塔顶横臂下方0.5m 处安装2只与横臂平行的接闪杆，接闪杆的长度为4m，作为测风塔顶部横向接闪装置 （图4-3），当雷暴云形成高度较低 （由于多数测风塔安装在山顶，雷暴云形成低于测风塔高度），此时该横向臂接闪杆用于接闪侧击发生的闪电先导，减少由于侧击对横臂设备造成直击雷损坏。

（3）利用塔体拉线作为接闪线。三种类型的测风塔安装有风速风向、气压、温湿度等观测仪器，分别在10m、30m、50m、70m、100m、120m 高度层面上，且固定在设备横臂顶端，设备横臂伸出塔体3m。

三种类型的测风塔塔体拉线设置如下：

1）70m 塔拉线安装在15.5m、33.5m、48.5m、63.5m。

2）100m 塔拉线安装在22.5m、54.5m、90m。

3）120m 塔拉线安装在27m、67.5m、108m。

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图4-3　避雷针安装图 （单位：m）

测风塔拉线分别以120°布设在不同水平方向，拉线与地平面成50°，除顶层设备层外，其他设备层均处在拉线下方，设备层与拉线在水平位置上成30°，利用测风塔拉线作为侧击雷防护避雷针 （70m 拉线材料为φ16mm 钢丝绳，100m 拉线材料为φ22mm 钢丝绳，120m 拉线材料为φ24mm 钢丝绳），减小由于侧击对设备造成的直接损坏。

3.防护设备二：引下线

考虑到测风塔是分段组装，为保证雷电流可靠泄流，每座测风塔设置1根独立引下线，引下线采用40mm×4mm 镀锌扁钢，通长焊接，并保持良好的电气连通，焊接点是扁钢宽度的2倍，并在焊接点均匀刷防锈漆，塔顶接闪杆与引下线、引下线与测风塔基础均采用焊接；在基础上设置4条外引接地扁钢，用于连接敷设的人工接地网。当遭受雷击时，拉线可作为雷电流泄流引下线 （70m 拉线材料为φ16mm 钢丝绳，100m 拉线材料为φ22mm 钢丝绳，120m 拉线材料为φ24mm 钢丝绳）。

4.防护设备三：接地装置

接地在整个防雷系统中起着至关重要的作用，当避雷针接闪到雷电流后须迅速通过引下线、接地体将雷电流泄放入地，如果接地电阻过高，雷电流不能迅速泄放，势必对设备带来危害。

参照《气象台（站）防雷技术规范》（QX 4—2015）规定：接地体的接地电阻值不宜大于4Ω，处在高山、海岛等岩石地面土壤电阻率大于1000Ω·m 的气象台 （站），接地体的阻值可适当放宽，但应围绕基础接地体敷设环形接地网，环形地网等效半径不应小于5m，并使用4根以上导体与基础地网连接。

由于我国疆域广阔，由南至北，从东到西地理、地形、地质条件差异很大，使得其土壤电阻率与不尽相同，所以将测风塔土壤分为两种情况设计：①第一类：土壤电阻率ρ≤1000Ω·m；②第二类：土壤电阻率ρ＞1000Ω·m。因此测风塔接地电阻值依据不同情况须满足：

（1）在地质条件复杂的情况下，即第一类时，应尽量将接地电阻降低到最低，同时应接地网应敷设成环形，当受其地理、地质条件的限制时，可采取其他有效措施，降低接地电阻。

（2）第二类时，接地电阻不应大于4Ω。

为有效利用基础作为自然接地体，在测风塔基础垫层下，基础对角上分别打入2 根50mm×50mm×5mm 角钢，作为垂直接地体，并应根据当地地质情况，埋设深度应尽量长。角钢与测风塔基础及塔体应保证有良好的电气通路。

当采用测风塔基础作为自然接地体，不能满足接地电阻的需求时，可根据各地区的具体情况，增设人工垂直接地体和人工水平接地体，当须敷设人工接地体降低接地电阻值时，人工接地体敷设成环形。具体施工方法应根据各测风塔所建地具体情况进行合理施工，所敷设的人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5m，并应埋设在冻土层以下。所有接地体的焊接处均应做防腐处理。

接地电阻的计算有以下两种情况：

（1）垂直接地体接地电阻值计算公式为

式中 ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——垂直接地体长度，m；

d——垂直接地体的直径或等效直径，m。

（2）水平接地体接地电阻值的计算公式为

式中 ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——水平接地体的长度，m；

h——水平接地体的埋深，m；

d——水平接地体的直径或等效直径，m；

A——水平接地体的形状系数。

施工过程中，接地体材料与土壤接触，会产生过渡电阻，工程应用中，当采用普通热镀锌钢材作为垂直接地体时，垂直接地体和土壤总会有一定的缝隙，并未完全接触到土壤，使得过渡电阻升高，从而影响整个地网接地电阻。

在垂直接地体施工时，采用手扶垂直接地极，可减小捶打时由于振动造成的与土壤接触不充分问题，当缝隙较大时，还可用松软的细土填充缝隙，填充时可加入少量水，最后用大锤夯实周围土壤；在回填水平接地体时，先回填少量松软细土，后用大锤夯实再进行完全回填砂石、砾石等电阻率较高的回填料，接地极敷设如图4-4所示。

图4-4　接地极敷设图 （单位：mm）

（1）在施工之前，测出土壤电阻率，依据第一、第二类环形接地体的设计进行施工。在测量土壤电阻率时每测一次应变换一个方位并且多次测量以平均值为准。

（2）垂直接地体设计采用50mm×50mm×5mm×1500mm 的热镀锌角钢，在具体施工过程中，可根据现场情况，如施工难度大，可用φ20mm 的热镀锌圆钢替代热镀锌角钢使用，也可采用其他同类材质接地体。

（1）第一类环形接地体。

对于东部、东南部等沿海土质条件较好，土壤电阻率较低的地区 （土壤电阻率ρ≤500Ω·m）。接地体采取以下敷设方式：

以测风塔基础边缘为准，用40mm×4mm 的热镀锌扁钢设置一圈环形水平接地体，此环形水平接地体距测风塔基础边缘处5m，并在设置的环形水平接地体上，每隔3m 加装一根50mm×50mm×5mm×1500mm 的热镀锌角钢，作为垂直接地体。在测风塔基础上设置4 个接地点，并通过40mm×4mm 的热镀锌扁钢连接到环形接地网上，且每隔3m加装一根50mm×50mm×5mm×1500mm 的热镀锌角钢，如图4-5所示。

图4-5　第一类环形接地体敷设 （单位：mm）

（2） 第二类环形接地体。 在西北戈壁、华南高山及个别土质条件极差的站点 （土壤电阻率ρ＞1000Ω·m），尤其是西北戈壁，土壤中含水量较少，土壤电阻率高，对雷电流泄放有很大影响，所以必须采取有效的措施来降低接地电阻值。同时，一些建设在高山、岩石地的测风塔 （土壤电阻率ρ＞1000Ω·m），由于地理、地质条件的限制，应在考虑经济、合理性的基础上依据 《气象台 （站）防雷技术规范》 （QX 4—2015）规定：处在高山、海岛等岩石地面土壤电阻率大于1000Ω·m 的气象台 （站），接地体的阻值可适当放宽，但应围绕基础接地体敷设环形接地网，环形地网等效半径不应小于5m，并使用4根以上导体与基础地网连接，接地体采取以下敷设方式：

以测风塔基础边缘为准，用40mm×4mm 的热镀锌扁钢设置2 圈环形水平接地体，靠外侧的环形水平接地体距测风塔基础边缘处10m，靠内侧的环形水平接地体距测风塔基础边缘处5m。在所敷设的环形水平接地体上，每隔3m 加装一根50mm×50mm×5mm×1500mm 的热镀锌角钢，作为垂直接地体。在测风塔基础上设置4 个接地点， 并通过40mm×4mm 的热镀锌扁钢连接到环形接地网上，且每隔3m 加装一根50mm×50mm×5mm×1500mm 的热镀锌角钢。此时当地锚设置在人工环形接地体外时，宜将靠测风塔侧的一级地锚采用40mm×4mm 的热镀锌扁钢与环形接地网连接起来，如图4-6 所示。由于施工难度等影响，可采用直径20mm 以上的圆钢或钢管替代角钢使用。在施工过程中可结合当地具体情况，采取加设离子接地棒结合降阻剂、深埋接地体、换土等其他有效措施降低接地电阻。

5.防护设备四：雷电过电压保护

（1）屏蔽。为减小雷击电磁脉冲和感应过电压对设备带来的损害，所有线缆采用金属铠装线缆。将各种采集线缆穿屏蔽槽进入设备端，屏蔽槽应沿测风塔内侧敷设，两屏蔽槽的连接处采取跨接处理，跨接线缆采用162mm 的铜芯线，保证屏蔽槽在跨接处有良好的、可靠的电气连接。金属铠装线缆屏蔽层两端就近做可靠电气接地处理。屏蔽槽每隔20m 和测风塔进行一次可靠的电气连接。

（2）信号线路浪涌防护。为减小雷电过电压通过线缆对采集器造成损坏，在风速、风向、温湿度传感器、超声风速仪、气压传感器等线缆进入采集器前端设备位置处安装信号浪涌保护器，采取雷电过电压防护。

4.2.3.3　测风塔系统的选址方法

测风塔的选址对于风电场获取精确气象数据有重要影响，从而影响风电场功率预测系统的预测精度。在近地层，风的特性在空间上的分布是分散的，在时间上的分布是不稳定和不连续的；风速的大小、品位的高低受到风场地形、地貌等特征的影响。中国是个多山的国家，地形复杂多样，隆升、低凹等各种地形纵横交错；在此种地形下建设的风电场，近地风场情况也是非常复杂的。下文将对各种地形下的风速变化机理进行分析，并结合地质情况、海拔和主导风向等因素，总结出测风塔位置的选取方法。

图4-6　第二类环形接地体敷设 （单位：mm）

1.各种地形特征下的风速变化机理

（1）风电场地形分类。风电场建设区域的地形一般分为平坦地形和复杂地形。平坦地形是指在风电场区及周围5km 半径范围内其地形高度差小于50m，同时地形最大坡度小于3°的地形。复杂地形指平坦地形以外的各种地形，可分为隆升地形和低凹地形。地形局部特征的变化对风的运动有很大的影响，这种影响在总的风能资源图上无法表示出来，需根据实际情况作进一步的分析。

（2）地面粗糙度对风速的影响。在近地层中，由于受地面粗糙度的影响，风速随高度的增加而增大，地面粗糙度越大，风垂直切变越大。

（3）障碍物对风速的影响。气流流过障碍物时，障碍物下游会形成尾流扰动区，风速降低，同时还产生湍流；扰动区的长度约为17 H （H 为障碍物高度）。在障碍物的上风向和其外侧，也将造成湍流涡动区。

（4）平坦地形上的气流运动。平坦地形在场址范围内同一高度层上风速分布是均匀的，风廓线仅与地面粗糙度有关。

（5）隆升地形（山脊、山丘）上的气流运动。盛行风向与山脊脊线成正交时，气流加速最大，倾斜时加速作用减弱；在脊峰处气流速度达到最大。脊线平行于盛行风向时，加速效果最差，但仍大于来流速度。

盛行风向吹向山脊的凹面时，会产生狭管作用使气流增速；反之凸面朝盛行风向，会使气流绕山脊偏转，减少加速作用。

当气流经过剖面为三角形或圆形的山脊时，三角形的山脊顶部产生的加速度最大，圆弧形的山脊次之，钝形的山脊最差。

气流在山脊的两肩部或迎风坡半山腰以上，加速作用明显，在山脊的顶部处气流加速达到最大，气流在山脊的根部处，风速显著地减少，低于山前来流的风速。

气流在顶部平坦的山脊上往往存在着危险的风切变区，山脊的背风侧常会形成紊流区，属于危险气流区。

气流吹向孤立山丘时，在迎风坡上气流显著加速，在山顶风速达到最大，在山丘的背风面，风速降低。

（6）低凹地形（山谷）的气流运动。在山谷轴线与盛行风向一致，盛行风畅通无阻，在谷内气流有显著的加速效应，气流不断加速。

在山谷轴线与盛行风向垂直时气流受到地形的阻碍，风速减弱，可能会出现强的风切变或湍流。

注：盛行风向是指山谷出入口外上风向的主导风向，非谷内气流方向。

2.测风塔的选址流程、方法和注意事项

（1）风电场地形分析。对于在宏观选址已确定的风电场区域，首先获取1∶50000的风电场区域地形图，根据风电场区域给定的各个拐点坐标，确定风电场在地形图上的具体位置，并扩展到外沿5km 的半径范围，根据等高线、疏密和弯曲形状以及标注的高程等对风电场的地形地貌进行分析，确定风电场区域内的高差和坡度，找出影响风力变化的地形特征，如高山、丘陵以及其他障碍物。

（2）测风塔选址及安装要求。风电场测风塔安装时应设在最能代表风电场风能资源的位置上，需远离高大树木和障碍物，如果测风塔必须位于障碍物附近，则在盛行风向的下风向与障碍物的水平距离不应小于该障碍物高度的10倍处安装，如果测风塔必须设立在树木密集的地方，则至少应高出树木顶端10m。

（3）平坦地形测风塔的选址。根据平坦地形气流运动机理，具有均匀粗糙度的平坦地形在场中央安装测风塔即可。地表粗糙度发生变化时风廓线的形状分为上下两部分，分别对应上、下游地表的风廓线形状，在中间衔接发生急剧变化；测风塔应避开此类地区，在地表粗糙度变化前和变化后分别安装测风塔。对有障碍物时，测风塔安装时应避开盛行风向的上风向、障碍物的外侧和尾流区，防止湍流使得测风数据偏小，失去真实性。

（4）复杂地形测风塔的选址。

1）隆升地形。由隆升地形气流运动特点可看出，在盛行风向吹向隆升地形时，山脚风速最小，山顶风速最大，半山坡的风速趋于中间，均不能代表风场的风速，故应在山顶、半山坡和山脚的来流方向分别安装测风塔。

2）低凹地形。由低凹地形的气流运动机理可看出，只有在盛行风向与低凹地形的走向一致，低凹地形内的气流方能加速，适宜建设风电场，否则谷内的气流变化较复杂，不宜建设风电场；故应将测风塔设在低凹地形盛行风向的上风入口处，测风数据才具有代表性，然后根据气流运动机理和风速场数学模型估测出其他地段的风速。

（5）地质情况对测风塔选址的影响。根据当地的水文地质资料，测风塔应避开土质较松、地下水位较高的地段，防止在施工中发生塌方、出水等安全事故。