IEC 61400-50-22022 风能发电系统.第50-2部分风力测量.地面安装遥感技术的应用标准立项发展报告

风能发电系统第50-2部分：风力测量地面安装遥感技术的应用标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Windenergygenerationsystems–Part50-2:Windmeasurement–Applicationofground-mountedremotesensingtechnology摘要随着全球风电产业向大型化、智能化方向快速发展，传统测风塔在高度、成本、可移动性及复杂地形适应性等方面的局限性日益凸显。地面安装遥感技术（如激光雷达和声雷达）因其可测量轮毂高度及以上高度的风资源参数、具备高时空分辨率、便于移动部署等优势，已成为风资源评估与风电机组功率特性测试的关键技术手段。然而，缺乏统一的国际标准导致不同厂商的设备在测量方法、数据质量、验证流程及报告格式上存在显著差异，严重制约了技术的推广应用与数据互认。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2022年8月30日正式发布IEC61400-50-2:2022《风能发电系统第50-2部分：风力测量地面安装遥感技术的应用》。该标准是IEC61400系列标准体系的重要组成部分，系统规定了地面安装遥感设备的风力测量程序、数据质量控制、与测风塔参照测量的比对验证方法、测量不确定度评估以及报告编写要求，填补了国际风电标准体系中遥感测风标准化领域的空白。本报告对该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及行业应用价值进行系统分析，并对标准的未来发展方向进行展望。关键词：风能发电系统；风力测量；地面安装遥感；激光雷达；声雷达；IEC标准；标准立项Keywords:Windenergygenerationsystems;Windmeasurement;Ground-mountedremotesensing;Lidar;Sodar;IECstandard;Standardizationdevelopment1引言1.1标准立项背景全球能源转型加速推进，风电作为最具规模化开发条件的可再生能源形式之一，正经历前所未有的技术变革与产业升级。据全球风能理事会（GWEC）统计，截至2022年底，全球风电累计装机容量已超过900吉瓦。新一代风电机组的单机容量持续攀升，轮毂高度已从早期的50~80米提升至120~160米乃至更高，叶轮直径亦超过200米。在此背景下，精确获取风电场场址范围内从叶轮底部到叶轮顶部区域的风资源时空分布特征，成为风资源评估、微观选址、发电量预测以及功率特性测试的基础性技术需求。传统测风塔作为风资源测量的主要手段，在应对上述需求时面临显著挑战：其一，建设高度超过120米的测风塔成本急剧上升，且受到航空管制、土地审批、环境影响等多重限制；其二，测风塔为固定式结构，难以在复杂地形条件下灵活部署至多个拟选机位；其三，测风塔仅能提供有限高度层（通常为10米、50米、70米、100米等离散高度层）的风速风向数据，难以完整刻画风轮扫掠面内的风廓线特征。地面安装遥感技术，主要包括激光雷达（Lidar）和声雷达（Sodar），能够在近地面部署的情况下，通过光学或声学原理实现数十米至数百米高度范围内风廓线的连续测量，具备测量高度覆盖全风轮区域、空间分辨率高、部署灵活机动、无须建设永久性基础设施等突出优势。经过近二十年的技术演进与工程验证，该技术已从实验室研究阶段进入商业化应用阶段，在风资源评估、功率曲线测试、风电场后评估及复杂流场研究等领域获得广泛应用。1.2标准化需求的提出尽管地面安装遥感技术在风电行业中应用日益广泛，但缺乏统一的国际标准带来的问题愈发突出。不同制造商的遥感设备在测量原理、光束/声波发射方式、扫描策略、数据采样与处理算法、数据过滤规则以及输出格式等方面存在较大差异。这些差异导致：（1）用户难以对不同设备在同一场址的测量结果进行有效比对，影响了数据的一致性与可信度；（2）风资源评估机构、项目开发商与融资方对遥感测量数据的接受程度不一，制约了遥感数据在项目融资决策中的应用；（3）设备制造商各自为政的验证流程和报告格式，增加了用户的评估成本和技术风险。在此背景下，国际电工委员会风能发电系统技术委员会（IEC/TC88）认识到制定统一的国际标准对于规范地面安装遥感技术的应用至关重要，于2015年前后启动了相关标准制定工作。1.3标准制定过程IEC61400-50-2标准的制定工作由IEC/TC88下设的项目团队（ProjectTeam,PT）负责推进，项目编号为PT61400-50-2。该团队汇集了来自全球主要风电设备制造商、遥感技术开发商、风资源评估机构、检测认证机构及科研院所的技术专家。标准制定过程严格遵循IEC的国际标准制定程序，经历了以下几个关键阶段：-2016–2017年：工作草案（WD）阶段。项目团队在广泛收集行业需求和技术现状的基础上，起草标准的工作草案初稿，明确标准的适用范围、技术框架和核心条款。-2018年：委员会草案（CD）阶段。工作草案经过多轮讨论和修改后形成委员会草案，分发至各国家委员会征求意见。-2019–2020年：委员会投票草案（CDV）阶段。根据各国家委员会反馈意见对草案进行修订，形成委员会投票草案，进行正式投票。-2021年：最终国际标准草案（FDIS）阶段。CDV投票通过后，编制最终国际标准草案，进行最终批准投票。-2022年8月30日：正式发布。IEC61400-50-2:2022经IEC正式发布，成为国际标准。2标准核心内容解读2.1标准的适用范围与体系定位IEC61400-50-2:2022是IEC61400系列标准的第50-2部分。“50”系列专门针对风力测量相关主题，其中IEC61400-50-1（对应原IEC61400-12-1）为测风塔测量方法标准，而本部分（50-2）聚焦于地面安装遥感技术的应用。标准明确指出其适用于在地面安装的、用于风力测量的遥感设备，包括但不限于连续波激光雷达、脉冲式激光雷达以及声雷达。标准主要面向以下两类应用场景：（1）风资源评估，即为风电场选址、设计及发电量预测提供风况数据；（2）风电机组功率特性测试，即为验证机组功率特性曲线提供测量数据。值得注意的是，该标准不适用于安装在机舱或轮毂上的遥感设备，此类设备的应用由IEC61400-50-3等后续标准另行规定。2.2测量系统要求标准对地面安装遥感测量系统提出系统性的技术要求，涵盖设备分类、测量参数、性能指标和环境适应性等方面。在设备分类方面，标准根据测量原理的不同，将遥感设备分为相干激光雷达和非相干激光雷达、脉冲式和连续波式激光雷达，以及声雷达等类型，并针对不同类型设备的特点提出了差异化的技术要求。在测量参数方面，标准要求遥感系统应具备测量水平风速、水平风向、垂直风速等基本参数的能力。对于用于功率特性测试的测量系统，还要求具备与测风塔相当的测量精度和采样频率。标准规定的测量高度范围应覆盖风电机组叶轮最低点到最高点的全部区域，测量数据的时间分辨率应满足应用场景的需求。在性能指标方面，标准从测量精度、空间分辨率、时间稳定性、环境适应性等维度规定了基本要求。例如，标准要求遥感系统的工作温度范围应覆盖设备使用地的气候条件，并具备在降雨、沙尘、结冰等恶劣天气条件下维持基本功能的能力。在数据输出与记录方面，标准要求遥感系统应能输出原始测量数据、筛选后的平均数据以及必要的质量标识信息，数据格式应具备良好的可读性和可追溯性，便于后续处理和分析。2.3测量程序与方法IEC61400-50-2:2022对测量程序的规定遵循“以测风塔为参照基准”的基本原则，要求遥感系统在实际使用前和定期使用过程中，通过与测风塔的并置比对验证测量性能。在测量高度设置方面，标准要求遥感系统的测量高度层设置应覆盖完整的风轮扫掠面范围，且至少与参照测风塔的测量高度层保持一致性，以便于进行比对验证和偏差修正。在测量周期与时长的规定方面，标准建议风资源评估用测量的最短持续时长不宜少于一个月，以确保测量数据能够覆盖具有统计学意义的多种大气条件。对于功率特性测试应用，测量时长应满足IEC61400-12-1规定的数据累积要求。在测量期间，标准要求同时记录遥感设备的环境气象参数，包括温度、湿度、气压、降水等，以便于数据质量评估与环境因素影响分析。2.4数据质量控制与验证数据质量控制和验证是IEC61400-50-2:2022的核心技术内容，也是确保遥感测量数据准确性和可靠性的关键保障。在数据筛选规则方面，标准规定了对原始测量数据进行筛选的具体准则，包括信噪比阈值设置、数据可用率判定、降水或大气湍流导致的异常数据剔除、测风塔阴影效应对比测数据的干扰排除等。标准要求原始数据的筛选和后处理过程具备完整可追溯性，用户能够根据筛选日志还原数据处理全过程。在参照比对验证方面，标准明确规定遥感测量系统须与符合IEC61400-50-1要求的测风塔进行至少一定时长的并置比对测量。标准给出了比对结果的统计评价指标，包括平均偏差、均方根误差、相关系数、线性回归斜率与截距等，并规定了各项指标的合格判定阈值。在测量不确定度评估方面，标准引入了基于测量不确定度表示指南（GUM）的评估框架，要求对遥感测量的风速测量不确定度进行系统评定。不确定度来源包括：设备标定不确定度、与参照测量比对的回归不确定度、测量期间大气条件差异引起的不确定度、空间代表性和时间代表性不确定度等。标准提供了各类不确定度分量的量化方法和合成公式，并给出了不同类型遥感设备和不同应用场景下的典型不确定度参考值。2.5报告编写要求IEC61400-50-2:2022对遥感测量报告的内容和格式提出明确要求。报告应至少包含以下关键信息：-测量目的与应用场景说明；-遥感设备的技术参数与配置信息（包括设备型号、序列号、软件版本、光学或声学参数配置等）；-测量场址的地形、地貌描述及测站坐标信息；-参照测风塔的配置信息与数据采集系统描述；-并置比对验证的结果与统计分析；-测量期间的数据可用率统计与环境条件记录；-测量数据处理流程与筛选规则的详细说明；-测量不确定度评定报告；-原始数据及处理后数据的存档说明。标准要求报告内容应翔实、透明，使报告使用方能够在独立审查的基础上复现数据处理过程，并对测量结果的可靠性和适用性进行独立判断。3标准的技术创新与突破IEC61400-50-2:2022在多个技术维度上实现了标准层面的创新与突破，具体体现在以下方面：3.1首次确立遥感测风的国际标准化框架作为国际标准体系中第一部专门针对地面安装遥感技术风力测量的标准，IEC61400-50-2:2022首次系统确立了一套涵盖设备要求、测量程序、质量控制、验证方法和报告格式的完整标准化框架。这一框架的建立使遥感测风技术从“设备制造商各自为战”的格局走向了规范化、互认化的发展轨道。3.2提出基于风险分级的验证要求标准在要求遥感系统与测风塔进行并置比对验证的基础上，综合考虑了测量应用的风险等级和设备制造商提供的验证数据充分性。对于风资源评估和功率特性测试等不同风险等级的应用场景，标准在比对时长、数据筛选严格度、不确定度评定深度等方面设置了差异化的要求，体现了基于风险的管理理念，兼顾了标准的严谨性和实施的灵活性。3.3引入完整的不确定度评定框架相比过去各厂商自行报告测量精度指标的分散做法，IEC61400-50-2:2022要求按照统一的框架对遥感测量的不确定度进行系统评定。该框架将不确定度评定贯穿于测量过程的各个环节，确保测量结果能够以统一的置信水平与其他测量手段进行比较。这一创新性规定显著增强了遥感数据的计量可比性。3.4强调测量数据全生命周期的可追溯性标准高度重视数据的可追溯性要求，从原始采样数据、筛选判据、平均算法到最终报告数据，每一环节均要求留有完整的记录和审计线索。这一要求使得遥感测量数据能够满足项目融资、保险理赔、电网接入等严谨应用场景的审计需求。4标准实施与行业影响4.1对风资源评估行业的影响IEC61400-50-2:2022的发布为风资源评估行业带来了显著的规范化效应。评估机构在采用遥感测量技术进行风资源评估时，有了统一的设备选型依据、测量实施指南和数据质量判据。这有助于提高不同评估机构之间数据成果的可比性和互信度，降低项目开发前期技术不确定性。4.2对风电机组功率特性测试的影响功率特性测试是验证风电机组实际发电性能的关键环节，也是风电机组型式认证和项目验收的必要条件。IEC61400-50-2:2022的发布使遥感设备可作为功率特性测试的合法测量手段，这为在测风塔建设困难的场址开展功率测试提供了可行的技术路径，特别是对海上风电和复杂地形陆上风电具有重要意义。4.3对遥感设备制造商的影响对于遥感设备制造商而言，IEC61400-50-2:2022既是挑战也是机遇。标准对设备性能、数据质量、验证流程等方面提出了系统性要求，促使制造商持续改进产品设计、算法性能、文档规范和质量保证体系。同时，符合IEC标准也成为产品进入国际市场的有力竞争条件。4.4对风电项目投融资的影响风资源数据的可靠性直接关系到风电项目的发电量预测可信度和投资回报评估。遥感测量数据的标准化程度和计量可追溯性的提升，将增强项目开发商、融资银行和保险机构对遥感测量数据的接受度和信心，有助于降低项目融资的风险溢价。5主要起草单位介绍IEC61400-50-2:2022的制定凝聚了全球风能行业众多技术专家和领先企业的智慧与经验。以下介绍该标准制定过程中贡献突出的主要参与单位之一——丹麦沃旭能源（ØrstedA/S）。5.1单位概况沃旭能源（ØrstedA/S）总部位于丹麦腓特烈西亚，是全球领先的海上风电开发商和可再生能源企业，前身为丹麦石油与天然气公司（DONGEnergy）。公司在全球范围内开发、建设和运营大规模海上风电场，市场覆盖欧洲、北美和亚洲。截至2022年，沃旭能源的运营风电装机容量已超过15.6吉瓦，被彭博新能源财经（BNEF）持续评为全球最可持续的能源公司之一。5.2在标准制定中的贡献沃旭能源作为是IEC/TC88的积极成员单位，深度参与了IEC61400-50-2标准的立项论证和编制工作。在标准编制过程中，沃旭能源主要贡献了以下方面的技术经验：第一，海上风电场遥感测量的实践经验。海上风电场测风塔建设成本极高且受海洋工程条件制约严重，沃旭能源是最早在大规模海上风电开发中系统性采用漂浮式和固定式遥感技术的企业之一。其在北海、波罗的海及东亚海域的多个项目中积累了大量遥感设备海上部署、数据采集和质量控制的工程经验，为标准中关于海上应用场景的条款设计提供了重要参考。第二，风资源评估中遥感数据与传统测风数据的融合方法。沃旭能源在长期实践中开发了一套融合遥感测量数据与短期测风塔数据的方法论，能够在保证数据精度的前提下缩短场址测量周期、降低测量成本。这一方法论的核心思想为标准的比对应答机制和数据融合策略提供了有益借鉴。第三，遥感测量在功率曲线验证中的应用。沃旭能源在其海上风电场已投入商业运营的机组功率性能验证中，广泛采用激光雷达进行现场功率曲线测试，积累了大型海上风电机组（8MW以上级别）功率特性测量的丰富数据和技术认知，为IEC61400-50-2中功率特性测试相关条款的制定提供了扎实的实践基础。第四，不确定度量化的工程实践。沃旭能源在多年的项目开发中，建立了一套针对遥感测量数据不确定度的内部评估体