IEC TS 61400-50-42025 风能发电系统 第50-4部分风力测量用浮动激光雷达系统标准立项发展报告

风能发电系统第50-4部分：风力测量用浮动激光雷达系统标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:WindEnergyGenerationSystems-Part50-4:UseofFloatingLidarSystemsforWindMeasurements摘要关键词：浮动激光雷达；风能资源评估；标准体系；IECTS61400-50-4；海上风电；测量不确定度Keywords:FloatingLidar;WindResourceAssessment;StandardizationSystem;IECTS61400-50-4;OffshoreWindEnergy;MeasurementUncertainty一、引言（一）研究背景在全球能源转型和碳中和目标的双重驱动下，海上风电正经历从近海浅水向深远海跨越的深刻变革。国际能源署（IEA）数据显示，截至2024年底，全球海上风电累计装机容量已超过75GW，其中在建及规划项目的水深条件正加速向50米以上乃至百米级水深延伸。然而，传统海上测风塔的建造成本随水深呈指数级增长，在50米以上水深海域，单座测风塔的建造和安装费用可达数千万元级别，且施工窗口期受限、审批流程复杂，已难以适应深远海风电大规模开发的现实需求。浮动激光雷达技术通过在浮式平台（包括浮标、半潜式平台、自升式驳船等）上集成多普勒测风激光雷达，实现了海上风廓线的高精度、长周期连续观测。相较传统测风塔，其部署成本可降低50%以上，部署周期从数月压缩至数周，且具备可迁移复用、不受水深限制等突出优势。然而，浮动平台的六自由度运动（横摇、纵摇、艏摇、垂荡、纵荡、横荡）会对激光雷达的测量精度产生显著影响，导致测量数据的可靠性和可比性面临严重挑战。在此背景下，制定统一的国际标准，规范浮动激光雷达系统的性能要求、验证流程和数据处理方法，已成为全球风电行业的迫切共识。（二）标准立项的必要性与意义IECTS61400-50-4:2025的发布具有多方面的重要意义。首先，该标准填补了国际标准体系中浮动激光雷达专项标准的空白。此前，IEC61400-12-1:2022虽已包含基于激光雷达的功率曲线测试方法，但未系统涵盖浮动平台的独特动力学特征及其对测量不确定度的影响。其次，标准的发布为各利益相关方提供了统一的技术对话框架——风电场开发商、设备制造商、第三方检测认证机构及电网运营商可在同一技术语言下进行数据交换和结果互认，有效降低了跨国项目开发和认证的技术壁垒。第三，该标准对浮动激光雷达系统的验证流程和数据质量要求作出了明确规定，为金融机构对采用浮动激光雷达数据的风电项目提供投资决策时，提供了可量化、可审计的技术依据。（三）国际标准体系中的定位IECTS61400-50-4归属于IECTC88（风能发电系统技术委员会）下设的IEC61400系列标准体系。该系列标准覆盖风电机组设计（61400-1）、功率性能测试（61400-12系列）、噪声测量（61400-11）、风电场并网要求（61400-21）等核心环节。其中，61400-50子系列专注于风力测量技术：61400-50-1（已发布）规定了扫频式激光雷达（Dopplerwindlidar）的测试与验证方法，61400-50-2（已发布）规定了机舱式激光雷达的应用规范，61400-50-3（在编）涵盖固定式测风设备的应用导则，而本次发布的61400-50-4则专门针对浮动平台激光雷达系统，构成该子系列中技术难度最大、涉及多学科交叉的关键一环。作为技术规范（TechnicalSpecification,TS）类文件，该标准旨在通过试点应用积累经验，为后续升级为国际标准（IS）提供基础。二、标准立项与编制历程（一）立项背景IECTS61400-50-4的立项可追溯至2018年前后。彼时，欧洲多个海上风电大国（英国、德国、荷兰等）已在浮动激光雷达的商业化应用中进行了大量探索，并在单一国家或区域性层面形成了若干推荐性技术导则。然而，由于缺乏统一的国际标准，不同项目间所采用的验证方法、数据筛选原则和不确定度评算方法存在显著差异，导致浮动激光雷达数据的接受度参差不齐。特别是在英国碳信托（CarbonTrust）的OWA（OffshoreWindAccelerator）浮式激光雷达验证推荐做法基础上，行业迫切需要将其上升为更广泛适用的国际标准。2019年，IECTC88在年度全体会议上正式批准成立专项工作组（ProjectTeam,PT61400-50-4），由英国牵头，联合了来自中国、德国、丹麦、荷兰、美国、挪威、西班牙等国的约30余名专家参与编制。工作组成员涵盖全球主要风电开发商（沃旭能源、RWE、壳牌等）、风机制造商（维斯塔斯、西门子歌美飒、金风科技）、激光雷达设备厂商（Leosphere/Vaisala、MitsubishiElectric、ZXLidars等）、认证机构（DNV、UL、TÜVSüd等）以及多所高校和科研机构。（二）关键问题梳理工作组在启动初期即系统梳理了浮动激光雷达标准化面临的五大关键技术问题。第一，平台运动对测量数据的影响机制。浮动平台在不同海况条件下的六自由度运动具有复杂性和耦合性，如何量化这些运动对激光雷达波束指向、聚焦距离及多普勒频移测量的影响，是首要的基础科学问题。第二，运动补偿技术的有效性验证。不同制造商采用了差异化的运动补偿方案，包括机械稳定平台、视线矢量校正算法、后处理修正等，如何建立统一的验证方法以检验各方案的有效性，是标准化的核心挑战。第三，测量不确定度评估方法的统一。浮动激光雷达的测量不确定度来源较固定式平台更为复杂，除仪器自身误差外，还叠加了平台运动引起的视线误差、波浪运动导致的测量高度变化等，需要建立分层次、可追溯的不确定度合成框架。第四，数据质量判定与筛选标准。在恶劣海况下，部分测量数据可能因平台加速度过大、信号信噪比不足等原因导致质量劣化，如何制定合理的数据可用性判定标准和筛选流程，直接关系到后续风资源评估结果的可靠性。第五，与现有标准的衔接兼容。该标准需要与IEC61400-12-1（功率曲线测试）、IEC61400-50-1（激光雷达验证）等既有标准在术语定义、测量参数、报告格式等方面保持一致性，避免形成标准间冲突。（三）编制过程2020年至2023年，工作组围绕上述关键问题组织开展了多轮技术讨论和文件编制工作。在此期间，工作组同步组织了全球范围的浮动激光雷达比对验证活动，利用位于英国东海岸、丹麦荷斯坦堡及中国福建等地的海上验证场，收集了多种环境条件下、不同型号浮动激光雷达系统与参考测风塔的比对数据，为标准的科学性和可操作性提供了翔实的实证基础。2023年底，工作组完成标准委员会草案（CD）编制。2024年，经各国家委员会投票和意见征询，形成最终草案（FDTS）。2025年5月9日，IEC正式出版IECTS61400-50-4:2025。（四）主要编制单位介绍本标准的编制汇聚了全球风电行业产学研用各方的核心力量。以下对标准编制过程中发挥核心作用的主要参与单位进行详细介绍。英国碳信托（CarbonTrust）是本标准编制的重要推动方之一。作为一家全球性气候咨询机构，碳信托自2012年起在海上风电加速计划下连续推行多轮浮动激光雷达验证活动，主导建立了浮动激光雷达技术的第三方独立验证框架。该项目已成功完成对20余种浮动激光雷达平台和设备的测试评估，积累了涵盖不同海况条件、连续超过24个月的比对数据。这些实践经验为标准中的验证方法设计和可接受偏差指标提供了直接的经验输入。碳信托在标准编制中负责牵头起草与验证场地选择、参考测量数据要求及验证流程相关的核心条款，其工程团队全程参与工作组历次会议，为保障标准的技术严谨性和实践可行性发挥了不可替代的作用。此外，DNV作为全球领先的独立能源咨询与认证机构，凭借其在海上风电认证标准的丰富经验，在标准中测量不确定度评定框架的搭建中发挥了关键主导作用。DNV此前发布的DNV-ST-0434和DNV-RP-0363等推荐做法为IEC标准的编制提供了重要的技术基线。Vaisala（芬兰）与ZXLidars（英国）作为全球主要的浮动激光雷达设备供应商，在仪器性能建模、运动补偿算法规范及数据格式标准化方面提供了大量的技术数据和工程经验。沃旭能源（丹麦）及RWE（德国）作为全球领先的海上风电开发商，从用户角度对标准的可操作性、数据报告格式及验收判据提出了大量实践性建议。中国气象科学研究院作为国内风电气象领域的权威研究机构，积极参与了条款的国内适用性讨论和验证数据的国际比对工作。三、标准主要内容与技术要求（一）标准适用范围IECTS61400-50-4:2025规定了使用浮动激光雷达系统进行风力测量的技术要求、验证程序和报告规范。其适用范围涵盖：安装在浮式平台上（包括但不限于浮标、半潜式平台、张力腿平台等）的相干多普勒激光雷达和直接探测激光雷达系统；测量参数包括风速、风向、湍流强度及相关衍生参数；应用场景覆盖风资源评估、功率曲线测试、风电场后评估、风电场运行监测等。（二）浮动平台与激光雷达系统分类标准将浮动激光雷达系统划分为三种基本集成架构类型：一是浮标集成式，即激光雷达传感器整合在专用测风浮标内部或顶部，平台吃水较浅，结构紧凑，适合单点测风；二是现有平台装载式，即激光雷达加装于既有的气象观测浮标、海洋监测平台或海上变电站平台等，利用已有基础设施降低成本；三是多浮体平台式，即承载激光雷达的专用浮式平台采用半潜式等更复杂的设计，平台运动响应特性在海况适应性上更优。针对不同类型，标准分别给出了平台设计、运动响应性能和测量性能的差异化要求。（三）测量性能要求标准明确规定了浮动激光雷达系统的主要测量性能指标：在风速测量方面，标准要求风速测量范围至少覆盖3m/s至30m/s，系统在10分钟平均风速区间内的测量偏差应控制在0.1m/s至0.3m/s以内（视风速区间而定）。在风向测量方面，风向测量的允许偏差不超过5°（10分钟平均）。测量高度的覆盖范围应满足风电机组轮毂高度的典型需求（通常为40米至200米，部分应用场景需扩展至300米）。在环境适应性方面，系统应能在环境温度-10℃至+40℃（可选扩展至-20℃至+50℃）、相对湿度0%至100%的海上高盐雾环境下持续运行，具备抵御雷电、结冰、暴雨等极端天气条件的能力。（四）浮动平台运动学要求标准对浮动平台的运动响应提出了明确的量化控制指标。在正常测量条件下，浮动平台的有义横摇角和纵摇角应控制在±10°以内，垂荡运动幅度不应超过激光雷达测量高度设定值的5%，水平漂移速度应低于特定限值。标准要求，系统制造商应提供平台运动响应模型或实测数据，以证明在对应海况条件下平台运动对测量数据的影响已得到有效控制。在运动补偿方面，标准明确要求浮动激光雷达系统应配置实时运动补偿功能。对于采用后处理补偿的系统，应提供详细的算法描述和验证数据。运动补偿的有效性应通过标准中规定的验证流程加以证明，即在不同海况条件下，补偿后的测量数据与参考数据的偏差应满足标准的精度要求。（五）数据质量与可用性标准数据质量保证是浮动激光雷达标准化中的一个重点方向。标准规定，系统应实时记录以下关键质量参数：载噪比（CNR）、数据采集率、信号置信度、平台运动参数的同步记录（包括姿态角、加速度、位置信息等）。在数据后处理环节，系统应对原始测量数据进行质量控制，标记并剔除受平台剧烈运动、恶劣气象条件（如大雨、浓雾）影响的数据点。标准进一步明确了数据可用性判定的量化要求：在按月统计的时间尺度上，有效数据完整率不应低于90%；在按季节统计的时间尺度上，不应低于95%。数据可用性的计算应剔除设备故障、通信中断及日常维护造成的系统性数据缺失时段，但需在报告中如实记录并说明缺失原因。（六）验证与确认要求标准的验证框架是其核心技术内容之一。验证的目的在于证明浮动激光雷达系统在指定的平台运动和环境条件下，其测量性能达到了预定的指标。在验证场地选择方面，标准要求验证场地应具备以下条件：（1）物理水深不小于20米（以避免浅水效应对波面运动的影响）；（2）测风参考设施（如测风塔或经校准的固定式激光雷达）与浮动激光雷达的水平间距不超过5倍测量高度，且不应存在尾流干扰；（3）验证期间平均风速宜不低于6m/s，以确保激光雷达信号强度满足测量需求。在验证周期与数据采集方面，标准要求验证数据采集时长不宜少于8周，并应覆盖至少两种不同的波高和风速条件组合（通常要求覆盖有义波高大于2.0米的海况）。数据采集的10分钟平均有效数据率不应低于80%。在比对指标方面，标准明确规定了以下核心验收判据：风速测量的均方根偏差（RMSD）不超过0.5m/s，且平均偏差（MBE）不超过0.1m/s。相关系数R²不应低于0.98。风向测量的RMSD不应超过5°。测量高度应覆盖从最低关注高度到最高关注高度的完整范围，测点间隔不大于20米。（七）测量不确定度评定在不确定度评估方面，标准引入了分层次的不确定度合成框架，将浮动激光雷达系统整体测量的不确定度来源划分为三个层级：-第一层级：激光雷达仪器自身的不确定度，包括光束指向误差、频率测量精度、信号处理算法固有误差、安装偏差等，该层级可通过实验室标定和与参照标准比对进行直接评估。-第二层级：浮动平台运动引起的不确定度，具体细分为平台姿态变化引起的波束指向不确定度、平台垂荡引起的测量高度不确定度、平台水平和垂直位移引起的空间代表性不确定度等，该层级需结合平台运动模型、波浪谱分析及实测运动数据进行评估。-第三层级：数据处理与环境影响的不确定度，涉及平均算法选取、数据筛选标准、大气湍流强度和稳定度变化对测量代表性的影响等。标准给出了不确定度评定的合成公式和报告模板，要求测量结果应以“风速测量值±扩展不确定度（k=2）”的形式呈现，并对各分量不确定度的量化方法提供了示例性计算流程。四、标准实施与应用展望（一）标准实施的技术路径IECTS61400-50-4的发布为全球浮动激光雷达系统的规范化应用提供了基准性技术文件。在标准的落地实施过程中，需要产业链各方协同配合。设备制造商应依据标准建立覆盖设计、制造、出厂检验和现场验证的全流程质量控制体系，完善产品出厂性能标定和现场验证报告文档。第三方检测机构应依据标准建立浮动激光雷达系统验证服务的标准化流程，健全验证数据处理和不确定度评估的技术能力，为行业提供独立、可比的验证服务。风电开发商在项目前期应充分依据标准中规定的验证要求，对候选浮动激光雷达系统进行审慎的技术评估，并将