梯度风观测实施方案.doc

梯度风观测实施方案简介1概述利用洁净的能源（可再生能源）是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。也是一个地区环保的重要指标。洁净能源指太阳能、风能、潮汐能、生物能等，这都是可再生取之不尽的能源。特别是风能技术最为成熟，经济可行性较高，是一种较理想的发展能源。地球风能约为2.74109MW, 可利用风能为2107MW，是地球水能的十倍。只要利用上地球1%的风能就能满足全球能源的需要。我国探明风能理论储量为32.26亿KW，而可发利用为2.53亿KW，大于6m/s的风速时间全年3000h以上就可取得较大经济利润效益。从目前经济技术条件和成本效益角度出发，优先考虑发展风能是明智之举。目前风电场造价成本约为80009000元/KW，机组（设备）占75%左右，基础设施占20%，其它占5%。风能利用小时数在27003200小时，其风电成本约0.450.6元/千瓦时，另外风电场运行成本费用很低，一旦建成风电场就是一源源不断的出钱机器（注：一般风电场机组寿命25年）。国家政策重点扶持发展新能源和洁净能源。据有关消息，大于1000KW风电机组进口免征进口关税；风力发电减半征收增值税，优先无条件上网，上网电价优惠等政策都有利和加快风电的发展。那么选择风能电站的位置就需要前期作大量风资源的勘测，梯度风的观测因此而生。就需要对建厂地的空气环境进行缜密的观测，尤其是对建厂地区的风速，风向，温度，湿度等气象观测要素进行数据分析，统计，更加准确科学的确定建厂地点，以及建厂时选择什么样的风机机型提供可靠的依据。一般发电厂都会建在无人的地方，所以对观测气象要素的自动气象站提出了更加严格的要求。我厂在近年对河北、山东、湖北、广州等省份都建了梯度风观测站最长观测的梯度站（大亚湾核电站）于1999年建立于今9年之久。河北涞源风能勘测站也有5年连续数据观测。不同的梯度观测用户的关注点不同，采集的要素也不完全相同。数据处理传输分析也不完全相同。例如核电风站的观测最关注的是风的脉动情况，风能站勘测最关注的是平均风速。本系统是依据中国气候观测系统实施方案中的第284-285页风能观测要求及环渤海及其邻近海域海洋气象灾害监测预警系统中的航线/近海大风塔观测设备的技术要求而定的。观测仪器和方法 风能观测根据地形条件建立50m、70m、100m观测塔，开展风能资源观测。100测风塔上应至少安装5层风速传感器，分别位于10、30、50、70、100米处；至少安装2层风向传感器，分别位于50、100米处；70测风塔上应至少安装4层风速传感器，分别位于10、30、50、70米处；至少安装2层风向传感器，分别位于50、70米处；50测风塔上应至少安装3层风速传感器，分别位于10、30、50米处；至少安装2层风向传感器，分别位于30、50米处。2、系统实施方案2.1采用DZZ2型系列自动气象站DZZ2型系列自动气象站是一种野外全地域型自动气象站。该系统在我厂多个领域多个项目中使用，显示整套系统具有很好的兼容性、一致性与稳定性，能够提供和满足不同任务需要的各种系统工作模式。它采用模块化结构设计，通过软件硬件的不同配置，并配接不同的通讯载体，可作为有线遥测站、全自动无人站使用。适合于气象部门的基准站、基本站、一般站以及各种类型的中、小尺度自动站网络和气候自记站。可广泛应用于海洋、海岛、环保、机场、农林、水文、军事、仓储、科学研究等领域。使用环境广泛，可在各种恶劣自然环境下正常工作，是完全野外型自动气象站；可靠性高、寿命长，可长期在野外环境下连续稳定工作； 数据采集系统精度准确，各观测数据的精度均达到国际先进水平；操作简便，易于安装维护和远、近程监控；工艺精良，具有良好的抗腐蚀性；低功耗，提供多种供电方式；先进完善的多种防雷保护设计，能有效的防治雷电干扰；软件：采用“中国气象局大监项目软件”，具有超强兼容性、功能齐全、稳定可靠。该软件包可以对采集器进行终端操作，诊断到采集系统底层，便于发现和分析各类深层次问题。2.2系统组成说明用于梯度风观测的DZZ2型系列自动气象站与一般站基本一致主要由：传感器（气压、温度、湿度、风向、风速），数据采集器，防雷模块，电源系统，数据管理软件等部分组成。 传感器将对应气象要素的变化转换成电量的相应变化。信号电缆接口与保护电路将各路传感器的信号传输到数据采集器，并提供防感应雷击和电源过载保护，以避免自动站由于过长的信号传输电缆所带来的干扰和损坏。电源系统：由空气开关、防雷模块、蓄电池和充电控制器等组成。多种供电方式：可提供交流供电、直流供电等多种供电方式。安全保护系统：空气开关、电源控制器、防雷板等。不同的是一般站点只有一个风速风向，它有多层风速风向，这些风速风向观测里有的层又有超声波观测。为了减低系统的复杂度、故障率。我们将所有层的风速风向都独立处理为统一RS485方式输出（超声波风传感器输出本身既为RS485），这样整个铁塔只用拉一个电缆线。安装示意图如下图所示：梯度风示意图风能观测：根据地形条件建立50m或70m或100m观测塔，开展风能资源观测。100m测风塔上应安装5层风速传感器，分别位于10、30、50、70、100米处；安装2层风向传感器，分别位于50、100米处；70m测风塔上安装4层风速传感器，分别位于10、30、50、70米处；安装2层风向传感器，分别位于50、70米处；50m测风塔上安装3层风速传感器，分别位于10、30、50米处；安装2层风向传感器，分别位于30、50米处。同时温度湿度和气压都可以安装铁塔上或其30米内的设施上，安装位置高于两米。2.3技术指标2.3.1采集系统主要性能，主采集器型号为芬兰Vaisala QML201 1、 以小时为单位存储气压、温度、湿度、风向、风速配有智能化电源为采集器供电。在市电停电的情况下，电池组可保证十五天以上的正常供电。供电方案多样化。（电源部分包括后备电源箱和太阳能供电系统，其中后备电源箱包括蓄电池和充电器，在无市电和连续阴雨天气的情况下，保证自动气象站系统15天以上正常工作。太阳能供电系统由若干太阳能电池板、若干个蓄电池、电源控制器、线缆、密封机柜、支架等组成。电源箱和太阳能供电系统要具有较强的抗风、防盐雾腐蚀和防雷击能力）。2、 具有实时时钟。3、 通信方式提供了RS485和RS232两种通信接口，可直接使用随机提供的手持终端进行数据查询显示，也可直接使用笔记本电脑进行数据查询显示；支持GPRS/CDMA网络，工作频率稳定，按照中国气象局有关规定，形成1小时正点加密（或按加密指令，实现分钟观测资料）上传数据文件格式，并实现实时上传（采用串口通讯方式，子站计算机接收数据后自动存储并打包上传）。4、 存储容量：1.7M的内部存储单元，能存储至少一星期逐分钟的历史数据，至少三个月逐小时数据，还可以扩展128M外部存储卡用于储存更多数据。5、 整套系统具有很好的防雷保护，每个通道具有过流过压的保护。6、 低功耗、高稳定性、高精度、可无人值守。7、 通道：10个差分模拟量输入，2个计数通道，内部有一个PMT16 气压传感器接口。8、 一个RS232串口，两个扩展口，可扩为RS232，RS485方式主采集器采用国际上具有领先水平的采集器，它是目前世界上最先进的气象专业采集器。技术指标名称描述/参数值处理器32位摩托罗拉单片机A/D变换16位数据存储内部含1.7M Flash存储可外扩到128M Flash存储传感器输入10个差分模拟量输入（20个单端输入）；2个计数/频率输入；内部有一个PMT16气压传感器接口。工作温度-35+55保存温度-50+70工作湿度0100%温度测量范围为:-50+80最好0.06温度测量范围为:-35+50最大误差不超过0.12在0最大误差不超过0.06电压测量2.5V 250mV25mV6.5mV0.08%F.S. 150uV0.18%F.S. 15uV0.18%F.S. 3uV0.18%F.S. 3uV频率测量0.003% +分辩率241ns串口通信标准可选择项一个RS232两个扩展口，可扩为RS232,RS485方式。实时时钟有电源消耗小于10mA/6V供电814VDC2.3.2传感器性能指标要素设备型号技术指标杯式风速风向EL15风向测量范围03600精确度30分辨力30响应灵敏度0.3m/s风向输出7位格雷输出或0V2.5V抗风强度75m/s风速技术参数测量范围0.3m/s60m/s 分辨力0.05m/s启动风速0.3m/s抗风强度75m/s3D超声波风传感器USA-1型3D 超声波风传感器美国贝纳斯测量范围：风速 ：0 50 m/s风分量：-50 50 m/s风向 ：0 359 风向（带磁滞）：0 540 温度：-30 50 C时钟输入（选项）：0 10 HzPt100 输入（选项）：-30 50 C模拟输入（选项）：-10 +10 V 或-5 +5 V测量分辨率：风速： 0.01 m/s风分量 ： 0.01 m/s风向： 1 温度： 0.01 KPt100 输入（选项；12 位 100 C)：0.025 K模拟输入（选项；12 位 10 VDC)： 2.5 mV温度湿度 芬兰Vaisala温湿传感器HMP45D测量范围：-50+60输出：四线制电阻值准确度：0.2分辨率：0.1元件类型：Pt100工作温度：-50+60测量范围：0100% RH输出：0%100%RH，对应01VDC精度：2%RH(0%-90%RH) 3%RH(90%-100%RH)分辨率：1%RH气压芬兰Vaisala气压传感器PTB220测量范围：4501100hPa分辨率：0.1 hPa准确度：0.3 hPa 工作温度：-40 +60工作湿度：不凝结 存储温度：-60 +603、传感器介绍3.1 风向风速传感器3.1.1杯式风速风向传感器 风速测量是利用一个低惯性的风向标部件作为感应部件，风向标部件随风旋转，带动转轴下端的风向码盘，此码盘按8位格雷码编码进行光电扫描输出脉冲信号。本仪器的输入、输出端均采用瞬变抑制二极管进行过载保护。壳体内还装置电子调节加热系统，它一般能提供25W的加热功率，以保证仪器在冬季正常运行。外部零件选用耐腐蚀材料制造并由喷漆涂层保护，密封采用迷宫结构和O型环保护仪器内部的敏感元件不受恶劣环境的影响。传感器有格雷码、电压、电流三种输出方式。风向技术指标：型号EL15-2测量范围03600精确度30分辨力30响应灵敏度0.3m/s风向输出7位格雷输出或0V2.5V供电5-18VDC抗风强度75m/s使用环境0100%RH-40+60：重量1.8kg最大外型尺寸550mm x 415mm风速技术参数测量范围0.3m/s60m/s 分辨力0.05m/s启动风速0.3m/s抗风强度75m/s准确度10m/s：0.3m/s10m/s：(0.03v)m/s高电平14V,低电平1V直流DC15V(风速转换系统)使用环境4O+60：湿度0100% RH(Ell51A)重 量1kg外型尺寸319mm*226mm下面是风速风向传感器示图：3.1.2 USA-1型3D超声波风USA-1型超声波风力计是一个紧凑、无移动部件的风速风向仪。超声波短脉冲在三个不同的方向通过对应的声探头进行交换，每组探头交替使用作为超声波的发射和接收单元，结合不同传播方向的声波速度，这个3D风的矢量就能被确定。3D型超声波风力计能够很精确地、快速响应风的变化。该风向风速仪具有自动化结冰保护系统，不会受到极端气候条件的影响。应用于气象、隧道、汽车高速公路、铁路沿线、桥梁、军事领域、航海及航空等领域特点 通过固态传感器精确的风和湍流的测量 估算完整的 3-D 风的信息 无活动的零部件 能够长时间无人干预的操作 极端的气候条件下仍能可靠运转 内置自检测 不同传感器的头部能够最优化传感器在一个较宽范围上的运用 传感器头部加热的除冰功能 外部模拟信号的同步采样（涡动相关） 瞬时或平均模式可选 现场校准程序技术指标测量范围：风速 .0 50 m/s风分量 .-50 50 m/s风向 .0 359 风向（带磁滞）.0 540 温度 .-30 50 C时钟输入（选项）. 0 10 HzPt100 输入（选项）. -30 50 C模拟输入（选项）. -10 +10 V或 -5 +5 V测量分辨率：风速 . 0.01 m/s风分量 . 0.01 m/s风向 . 1 温度 . 0.01 KPt100 输入（选项；12 位 100 C). 0.025 K模拟输入（选项；12 位 10 VDC). 2.5 mV时间分辨率：采样频率 .0.004 25 Hz0.006 50 Hz（快速版本）平均周期 . 1 65535 个采样时间分辨率（在线计算湍流参数 选项）：采样频率 . 1 10 Hz1 20 Hz（快速版本）平均周期 .0, 5 3600 s模拟数据输出：12 位分辨率，0 (4)20 mA 最大 500 ，或 010 (5) V风速 . 0 60 m/s（最大范围）风分量 . -60 60 m/s（最大范围）风向 . 0 359 风向（带磁滞）. 0 540 温度 . -30 50 C（最大范围）风速和温度的范围可调传感器定位：方位角 . 0 359 （可调）功率消耗：传感器电路 . 约 2.5 W低功率模式（无加热，SF 1000）. 约 1.5 W传感器加热（选项）. 约 50.0 W下面是3D超声波传感器示图：3.2 温湿传感器 温湿度传感器采用Vaisala公司HMP45D温湿传感器。3.2.1 温度传感器结构原理：温度传感器的测温元件是铂电阻（Pt100），铂电阻通常制成的薄膜状，外涂防潮、防腐蚀的保护层，气象用铂电阻还有镀铬的金属防辐射层。 与半导体电阻温度表相比，铂电阻阻值很小，测温灵敏度较小，如果直接用欧姆表测量电阻以换算为相应的温度值，其温度测量的分辨率很低。通常采用平衡电桥法或不平衡电桥法测量，或通过恒流源将电阻变化变为电压变化并进行放大处理，以提高测量的灵敏度。随着电子技术的发展和A/D技术及器件性能的提高，已有集成电路直接将铂电阻的温度感应信号变为数字量。考虑到金属电阻接入测量电路时，电流会产生热效应，测量电流和引线电阻应尽量小。一般，元件电阻约为几十欧姆，而测量电流常取几mA几十mA。需要进行高精度测量时，一般采用四线制接法，以消除引线电阻的影响，满足RT385测温标准。为了避免温度计暴露在外面受雨水和辐射影响，一般将它放在防辐射罩中；这个PT100电阻温度计随环境温度改变，电阻值随之变化。技术指标：测量元件PT100测量范围-50C +50C分辨率0.1C准确度0.2C输出信号四线制电阻3.2.2 湿度传感器在一个玻璃基片上首先用扩散法制做两个金电极，然后涂上有机膜作为介质，形成一个电容器件，如图425所示。感湿膜厚度仅0.51mm，直接关系到测湿特性；太薄会使表面的金属透气膜与底部的电极短路，太厚则使感湿时间常数增大，以至完全不能感湿。基片厚约0.5mm，长、宽约5mm，电极引线很短、极薄，难于焊接，因此两根引线都从基片上引出，形成两个电容串联的形式。 在外界湿度变化时，感湿膜能吸附和释放水汽分子，引起其介电常数发生变化，从而使元件电容量改变。利用元件电容量与相对湿度的函数关系即可测量湿度。 湿敏电容的内部结构技术指标 测量范围：0-100%精度： 2 % 范围, 0 . 90 % 3 % 范围, 90 . 100 %3.3 PTB220气压传感器PTB220是完全补偿的数字气压表，具有较宽的工作温度和气压测量范围。感应元件采用VISALA研制的硅谷电容压力传感器BAROCAP。BAROCAP具有很好的滞后性和重复性及温度特性、长期稳定性。PTB220的工作原理是基于一个先进的RC振荡电路和三个参考内容，并且电容压力传感器及电容温度传感器连续测量。微处理器自动进行压力线性补偿及温度补偿。PTB220在全量程范围内有7个温度调整点，每个温度点有6个全量程压力调整点。所有的调整参数斗存储在EEPROM中，用户不可改变出厂设置。用户可进行多种使用设置，如：串行总线、平均时间、输出间隔、输出格式、显示格式、错误信息、压力单位、压力分辨率；设置可以选择不同的上电数据传输模式，如：RUN、STOP、SEND模式。PTB220有三种输出方式：软件可设的RS232串行输出；TTL电平输出；模拟（电压、电流）输出、脉冲输出。PTB220有两项低功耗工作方式：软件可控的睡眠模式；外部激励触发模式。 技术指标： 类型气压传感器PTB220测量范围5001100hPa工作温度-40+60工作湿度不凝结存储温度-60+60分辨率0.1 hPa精度0.3 hPa气压在8001050 hPa温度在+5+55初始化1s响应300ms电源1030VDC电流25Ma10mA(睡眠模式)0.1mA(停测时)4、供电系统自动气象站的供电系统可以用市电或太阳能两种供电方式。供电设施主要包括太阳能电池板，蓄电池、充电控制器等。若采用太阳能供电，当有太阳光时，由太阳能电池板经充电控制器对蓄电池充电并为系统进行供电。当出现连阴雨天气时，蓄电池的容量能够保证在太阳能供电中断后，自动站能够维持正常工作的时间不低于15天。5、通信系统GPRS组网方案方案1(公网固定IP传输方式)： 使用环境：用户使用的中心管理站搭建在Internet网络平台上，目前要求实现GPRS网络与Internet网之间的数据传输功能。方案优点：系统结构简单，维护方便；投资比较小，系统建设速度快；对终端的能力要求低。缺点：安全性不够高；系统速度受公网影响。方案2(公网动态IP动态域名解析传输方式)： 使用环境：用户使用的中心管理站搭建在Internet网络平台上，目前要求实现GPRS网络与Internet网之间的数据传输功能。方案优点：系统结构简单，维护方便；投资比较小，系统建设速度快；对终端的能力要求低。缺点：安全性不够高；稳定性受域名服务器影响；系统速度受公网影响。方案3（移动GPRS APN专线传输方式）：使用环境：用户使用的中心管理站搭建在GPRS内网，所有的数据传输在GPRS内网完成。采用方案：中心管理站采用GPRS内网APN专线方式进行连接（固定IP地址），直接从移动后台企业网接入服务器牵出一根2M的DDN专线与中心服务器连接。中国移动为这种应用提供了直接接入GPRS网络的方式。中心管理站通过专线方式直接接入GPRS后台，并获得一个固定的IP地址。监测点数据无需路由到Internet网络，监测点DTU也采用该APN的SIM卡方案优点：数据传输速度快；稳定性高；安全性强。缺点：需要和移动交涉，直接接入到移动的数据网上；专线接入、APN租用费用高；对于站点比较多的城市观测站来讲最好采用方案三。本系统中自动气象站与中心站的通讯可以用GPRS方式为主，短信方式为辅的传输方式，实现每个自动站都能够与中心站的数据交互。当然，除了SMS短信通信、GPRS通信这两种，用户还可以采用CDMA通信、卫星通信等方法，建议采用GPRS通信。6、资料传输和存储定时传输：根据用户的业务需要，可对采集器数据传输间隔进行任意设置，采集器根据设定的时间，自动将数据通过通信系统上传。命令调取数据：根据命令定义，用户可以将历史数据或实时数据用命令从中心站调取。采集器存储：采集器具有1.7M的Flash存储单元，所以存储数据至少可以存储7天以上的分钟数据，1个月以上的小时数据。如果通信不正常，正点数据也不会丢失，当通信正常后，中心站软件通过命令调取方式取得数据，以保证数据的完整性和安全性，有必要同时还可以扩展128M外部存储卡用于储存更多数据。7、中心站数据处理管