T_JSREA 32-2023 机舱式测风激光雷达标定规范.docx

学兔兔标准下载ICS 27.180CCS F11JSREA江苏省可再生能源行业协会团体标准T/JSREA 322023机舱式测风激光雷达标定规范Calibration specification for nacelle-mounted wind lidars2023 - 12 - 08 发布2024 - 01 - 08 实施江苏省可再生能源行业协会发 布学兔兔标准下载T/JSREA 322023目次前言 . II1  范围 . 12  规范性引用文件 . 13  术语和定义 . 14  符号和缩略语 . 25  设备技术指标 . 26  标定方法 . 37  标定报告规范要求 . 5附录 A（规范性） 机舱式测风雷达性能参数指标的数据精度范围 . 7附录 B（规范性） 视向速度不确定度 . 8附录 C（资料性） 统计线性回归分析方法 . 9I学兔兔标准下载T/JSREA 322023前言本文件按照GB/T 1.12020标准化工作导则  第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由江苏省可再生能源行业协会提出并归口。本文件起草单位：南京牧镭激光科技股份有限公司、深能南京能源控股有限公司、中广核新能源投资（深圳）有限公司江苏分公司、国华（江苏）风电有限公司、扬州大学、中况检测技术（南京）有限公司、南京工业职业技术大学。本文件主要起草人：肖增利，刘知新，王怡然，徐经纬，杨翔宇，王进伟，朱大为，常峰，尚庆栋，史二祯，林逊，陈馨睿，徐少兵，任鹏飞，杨华，王相军，刘一君，杨战民，罗乔，常颖。II学兔兔标准下载T/JSREA 322023机舱式测风激光雷达标定规范1 范围本文件规定了机舱式测风激光雷达标定过程的设备技术指标、标定方法和标定报告规范要求。本文件适用于相干探测机制下的机舱式测风激光雷达标定过程。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2423.10电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验：振动（正弦）GB/T 4028  外壳防护等级(IP代码)GB/T 12506  测风雷达通用规范GB/T 17626.5电磁兼容-试验和测量技术-浪涌（冲击）抗扰度试验GB/T 18451.2风力发电机组 功率特性测试GB/T 33629  风力发电机组 雷电防护IEC-61400-1  Wind energy generation systems-Part1: DesignIEC-61400-50-3  Wind energy generation systems-Part 50-3: Use of nacelle-mounted lidarsfor wind measurements3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1机舱式测风激光雷达 nacelle-mounted lidar安装在风力发电机组机舱上的测风激光雷达。3.2视向 line-of-sight激光源发射的激光束的轴方向，即光束的传播路径。3.3视向速度 line-of-sight speed视向方向上风速（分量）的大小。3.4数据可用率 data availability基于预定义数据质量的可接受测量点数与给定测量周期内可获取的最大测量点数的比值。3.5距离门 range gate风速计算过程中选择的一定时间序列内测量的数据点的加权函数的半峰全宽（FWHM）水平之间的距离。注：距离门的中心所在位置为机舱雷达测量的实际距离。3.6时间分辨率 temporal resolution对于不同时刻的风速，雷达能够测量的最小时间间隔。3.7翻滚角 roll angle激光雷达围绕翻滚轴相对于定义为水平的激光雷达设计方向的旋转角度。1学兔兔标准下载T/JSREA 322023注：翻滚轴沿代表激光雷达平均测量的方向穿过激光雷达坐标系的原点。翻滚轴的准确定义应由激光雷达制造商提供文档说明。对于扫描式激光雷达，建议将翻滚轴定义为单位矢量，与描述光束轨迹的单位矢量的平均值方向相同。对于固定波束激光雷达，建议将翻滚轴定义为，与描述激光雷达固定波束的单位矢量的平均值方向相同。3.8俯仰角 tilt angle激光雷达围绕俯仰轴的旋转角度。注：俯仰轴穿过激光雷达坐标系的原点，垂直于翻滚轴，并且当激光雷达处于定义为水平的设计方向时，俯仰轴为水平。3.9偏航角 yaw angle激光雷达围绕偏航轴的旋转角度。注：偏航轴沿代表穿过激光雷达坐标系原点，且垂直于翻滚轴和俯仰轴。3.10载噪比 carrier to noise ratio检测带宽中外差电流功率与总噪声功率之比。4 符号和缩略语DUData Unit数据存储单元OHOptics Head光学头RHRelative Humidity相对湿度LOSLine of Sight视向WFRWind Field Reconstruction风场重构FWHMFull Width at Half Maxima半峰全宽WTGWind Turbine Generator风力发电机GNSSGlobal Navigation Satellite System全球导航卫星系统ACAlternating Current交流电EMCElectromagnetic Compatibility电磁兼容性5 设备技术指标5.1 数据功能要求激光雷达应能够预估水平风速、风向（相对于激光雷达光学轴）以及气流湍流强度值，或可以提供用于重构水平风速、风向和气流湍流强度估计值的中间值。数据功能具体要求如下：a)  应提供支持校准过程中的视向速度；b)  激光雷达应配备一个（或多个）倾角仪，而且倾角仪的数据采样率应大于或等于水平风速重建所需的数据采样率；c)  俯仰角和翻滚角的测量值（以及 WFR 所需的任何其他参数）应能在数据流中报告记录；d)  激光雷达应能够在其前面的一个或多个已知距离（范围）进行测量，测量距离应满足相应用例的要求；e)  激光雷达测量数据应具有相对于已知参考值的精确时间戳(±6s)，时间参考值可由 GNSS 提供；f)  测量设备应对准在参考基准线的±1°以内；g)  激光雷达应能够报告数据质量控制编码；h)  激光雷达应至少提供 10min 及以上时间段的统计数据包。5.2 工作条件机舱式雷达产品的工作条件包括供电条件和工作环境温度，其具体参数要求如下：a)  供电电压：AC 220 V ± 22 V（50 ± 5 Hz）/DC 24V（照明-测控）；b)  供电功率：> 240 W；c)  工作环境温度：-40   +60 ；2学兔兔标准下载201  ··················································· (1)T/JSREA 322023d)  防雷要求：机舱式测风激光雷达防雷要求应满足 GB/T 33629 的相关标准；e)  振动要求：机舱式测风激光雷达应满足 GB/T 2423.10 正弦振动和随机振动测试试验相关标准；f)  EMC 要求：机舱式测风激光雷达应满足 GB/T 17626.5 严酷等级 3 级的浪涌抗扰度试验相关标准。5.3 性能参数指标机舱式测风激光雷达的性能指标主要包含聚焦距离精度、风速测量准确度、翻滚角标定准确度、俯仰角标定准确度、偏航角标定准确度、激光束夹角标定准确度、系统时间标定准确度、10min平均风速拟合因子（如拟合斜率、拟合截距、数据拟合度等）等参数。具体参数指标参考附录A。6 标定方法6.1 概述机舱式激光测风雷达的标定方法主要用于标定机舱式测风激光雷达WFR算法的输入量，包括激光雷达姿态和视向风速等。该标定方法包含激光雷达光束光轴指向角标定和激光雷达视向风速标定两个部分。6.2 激光雷达光束光轴指向角标定6.2.1 激光雷达光束几何形状标定激光雷达光束几何形状标定应对激光雷达各个光束的相对位置进行标定，具体标定过程如下：a)  利用实体障碍物阻挡光束的轨迹，测量光束在空间中的落点位置；b)  通过光束发射点位置和空间中被检光束在空间中的落点位置，计算被检光束间的夹角；c)  最终测试结果应与激光雷达特定几何形状规定的角度值一致，且标准雷达和测试雷达对应编号光束间的夹角测量精度符合推荐的性能参数指标；d)  以双光束机舱激光雷达为例，如图 1 所示，光束几何形状标定主要为标定两光束间的指向夹角。其中，距离 L0、L1、L2 由测距仪器测量得出。角度计算公式如下：01 = acos 2+22式中，A点表示光束发射点；L0和L1分别是A点到被检测光束位置B点和C点的距离；L2是B点到C点的距离。图 1 双光束机舱激光雷达光束几何形状标定6.2.2 激光雷达望远镜基座位置标定激光雷达望远镜基座位置标定应在标准雷达和测试雷达的望远镜基座上安装双天线GNSS定位定向装置，同步获取雷达的偏航角、俯仰角、横滚角等姿态信息。通过调节测试雷达的摆放位置和地脚，使测试雷达与标准雷达的姿态保持一致。GNSS装置安装示意图如图2所示。3学兔兔标准下载T/JSREA 322023图 2 GNSS 装置安装示意图(a：望远镜基座；b：GNSS 接收机；c：GNSS 天线)激光雷达望远镜基座位置具体标定流程如下：a)  将标准雷达和测试雷达放置在同一测试场地相同高度的坚硬测试平台上，空间位置相距 5m 以内；b)  利用 GNSS 双天线定位定向装置采集标准雷达偏航角、俯仰角、横滚角的 1min 数据，分别计算其平均值并作相应记录；c)  调节测试雷达的摆放位置和地脚；d)  采集调整后的测试雷达偏航角、俯仰角、横滚角的 1min 数据，计算平均值并作相应记录；e)  测试雷达与标准雷达的偏航角、俯仰角、横滚角平均值测量精度均应符合标定推荐技术指标。6.3 激光雷达视向风速标定6.3.1 标定环境条件在对机舱式激光测风雷达进行标定测试前，应选择合适的测试场地。测试场地应满足锥型视向风场200m内无障碍物，如图3所示，测试场地前方开阔无临近山峰或建筑阻挡，能见度应大于5km。在选择合适的测试场地后，才能安装标准雷达和测试雷达，进行后续标定工作。4学兔兔标准下载T/JSREA 322023图 3 无障碍物空间范围示意图6.3.2 视向速度标定应将测试雷达各光束上采集到的视向风速和标准雷达对应光束采集到的同时段同一距离门的视向风速信息进行对比，如图4所示。图 4 视向风速标定测试示意图测试雷达和标准雷达的时间戳应保持一致并满足如下同步精度要求：a)  测试标定数据应采用标准雷达和测试雷达同步测量 10min 平均径向风速数据；b)  数据采集时长不应小于 48h（测量数据点数应不少于 288），数据有效率应达到 95%以上；c)  数据分析前应基于外部情况对测量数据进行过滤，例如排除来自地面或平台的风流扭曲效应影响的风速数据及风速绝对值低于 1m/s 的风速数据的影响；d)  数据分析应适用统计线性回归分析方法，拟合度检验结果应满足标定推荐技术指标（详见附录 A）。6.3.3 视向速度不确定度测试雷达视向速度不确定度的具体计算方法应依据附录B所述内容进行。7 标定报告规范要求7.1 激光雷达通用信息激光雷达通用信息如下：a)  激光雷达装置：生产厂家信息、标定单位信息、型号、生产日期、序列号、固件信息、光束配置；b)  距离门设置信息。7.2 光束几何形状标定信息光束几何形状标定信息如下：a)  角度的定义，例如两个共面光束视向方向之间的半开角/全开角等；b)  测量装置说明；c)  描述测量角度方法；d)  测量设备说明；e)  测量角度结果，与标准雷达参考角度间的差异值以及测量的不确定度信息。7.3 GNSS 标定信息GNSS标定信息如下：a)  测量装置说明；5学兔兔标准下载T/JSREA 322023b)  测量方法说明（参考 IEC 61400-50-3 标准中附录 B 的内容）；c)  测量设备说明；d)  记录标准雷达偏航角、俯仰角和翻滚角的角度值；e)  标定结果信息：测试雷达偏航角、俯仰角、翻滚角角度值，与标准雷达参考角度值间的差异值以及测量的不确定度信息。7.4 视向速度标定结果视向速度标定结果如下：a)  空气能见度；b)  环境温湿度；c)  视向速度采集数据信息；d)  拟合度检验结果；e)  视向速度不确定度。7.5 历史标定结果返厂设备所有历史标定记录结果。6参数指标名称数据精度范围聚焦距离精度±5m风速数据有效率> 95%风速测量准确度±0.1 m/s风速偏差标准差0.15 m/s翻滚角标定准确度±0.02°俯仰角标定准确度±0.02°偏航角标定准确度±0.02°激光束夹角标定准确度±0.1°系统时间标定准确度±6s10min 平均风速拟合因子-拟合斜率±0.01510min 平均风速拟合因子-拟合截距±0.2210min 平均风速拟合因子-数据拟合度（R ）0.99标兔学兔准下载T/JSREA 322023A              A附录A（规范性）机舱式测风雷达性能参数指标的数据精度范围表 A.1  机舱式测风雷达性能参数指标的数据精度范围7标准下载兔学兔T/JSREA 322023B              B附录B（规范性）视向速度不确定度B.1 总则测试雷达视向速度根据标准雷达视向速度𝑟校准，因此测试雷达视向速度的不确定度𝐿与标准雷达视向速度的不确定度、测试雷达和标准雷达光束指向的不确定度、测试雷达视向速度和标准雷达视向速度之间偏差的统计不确定度𝑏有关。B.2 标准雷达视向速度不确定度标准雷达视向速度的不确定度𝑟应根据如下公式进行计算：2222𝑟 =  + 𝑠 + 𝑎 + ····································· (B.1)式中，是用于测量𝑟的标准雷达的校准不确定度；𝑠是用于测量𝑟的标准雷达的运行（分级）不确定度；𝑎是用于测量𝑟的标准雷达因安装而产生的不确定度；是用于测量𝑟的标准雷达因数据采集而产生的不确定度。B.3 不同测量空间尺度不确定度由标准雷达和测试雷达的相对位置和不同测量尺度（相比于校准的视向探测长度）引起的不确定度𝑠表示为：22 =  + ··············································· (B.2)式中，是由于激光雷达探针长度内的气流变化引起的不确定度；是由视向方向姿态位置和测量距离层引起的不确定度。B.4 偏差的统计不确定度测量偏差的统计不确定度𝑏表达式为：2𝑏 = 𝑟····················································(B.3)式中，𝑟是区间中差值 = (𝐿  𝑟)的标准差（每间隔10min计算一次，然后在视向速度区间内计算其标准差）；是区间中的数据量。B.5 测试雷达视向风速不确定度测试雷达视向风速不确定度可表示为：2𝐿 = 𝑟 + 𝑠2 + 𝑏2········································(B.4)将𝑟、𝑠和𝑏代入上式可得：2222222𝐿 =  + 𝑠 + 𝑎 +  +  +  + 𝑟························(B.5)8学兔兔标准下载()2  ··················································· (C.2)T/JSREA 322023C              C附录C（资料性）统计线性回归分析方法测试数据分析的主要方法为统计线性回归分析方法。其方法中的拟合度检验是利用标准雷达和测试雷达的数据对函数 = 𝑘 + 的拟合情况，比较标准雷达和测试雷达的视向速度数据吻合程度，值越大表明拟合的越好（2 > 0.99）。数据拟合度：二元线性回归分析是确定两变量间相互依赖关系的一种统计分析方法，设待验收设备测量值为，标准设备测量值为，利用最小二乘法可以得出二者之间的线性关系为： = 𝑘 +  + ················································· (C.1)式中，和分别为斜率和截距，为拟合残差。该曲线的拟合效果由拟合度确定，计算公式为：2 = ()2式中， = 𝑘 + ，为标准设备测量值均值。数据绝对偏差：绝对偏差为随机变量与标准值之差，即 =    ···················································· (C.3)式中，为待验收设备测量值，为标准设备测量值。9