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풍속고도분포지수

데이터 참조표준 세부평가 절차서

문 서 번 호 NE-WG-0001

제 정 일 자 2015.10.05

개 정 일 자 2015.12.01

개 정 번 호 2

결

재

구 분 작 성 검 토 승 인

직 위 연구원 책 연 센터장

성 명 김유미 김현구 강용혁

서 명

일 자 2015/12/01 2015/12/01 2015/12/01

신재생에너지 데이터센터

대전광역시 유성구 가정로 152

전화 : 042-860-3731 팩스 : 042-860-3462

홈페이지 주소 : http://kredc.kier.re.kr


데이터 참조표준 세부평가절차서

문서번호 NE-WG-0001

제·개정일자 2015.12.01

개정번호 02

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신재생에너지 데이터센터- 2 -

A. 개정이력

순 번 개정번호 제/개정일 주요 제/개정 내용 승인자

01 00 2015.10.05 ⋅초기 제정 강용혁

02 01 2015.11.04⋅주요 용어 수정(풍속분포지수→연직풍속분포지수)

⋅풍속고도분포지수 상세 설명 추가 및 수정 등강용혁

03 02 2015.12.01

⋅국토교통부고시 제2015-769호에 따라 주요 용어

수정(연직풍속분포지수→풍속고도분포지수)

⋅풍속고도분포지수 정의 부분 문장 교정

강용혁




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< 목 차 >

1. 적용범위 ···························································································································································4

2. 인용자료 ···························································································································································4

3. 용어정의 ···························································································································································4

4. 평가기준 ···························································································································································5

5. 풍속고도분포지수 데이터 참조표준 지침 ·································································································9

5.1 풍속고도분포지수 데이터 구축 ··············································································································9

5.2 풍속고도분포지수의 불확도 평가 ·········································································································14

5.3 풍속고도분포지수의 불확도 평가 예시 ······························································································· 17

별첨 1. 풍속고도분포지수 데이터 세부평가 결과서 (예시)

Vertical Wind Power Exponent Data Evaluation Report ····················································22




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1. 적용범위

본 세부평가기준서는 풍속고도분포지수 데이터에 대한 세부평가기준으로 적용한다.

2. 인용자료

2.1 『Wind turbines - Part 12-1 Power performance measurements of electricity producing wind

turbines』, INTERNATIONAL STANDARD, IEC 61400-12-1, 2005.

2.2 『풍력 발전 시스템 - 제12-1부 : 출력성능 측정』, 산업자원부 기술표준원, KS C IEC 61400-12-1,

2008.

2.3 김현구, 강용혁, 「한반도 풍력자원지도-2010년판」, 한국풍공학회지, 제16권, 4호, pp119-124, 2012.

2.4 문서정 외 2인, 「풍력자원 조사를 위한 제주 북동부 연안역의 멱지수 분석」, 한국지형공간정보학회지,

제21권 제4호, pp65-71, 2013.

2.5 고정우 외 2인, 「제주도 풍력발전단지 설계를 위한 조도계수 산정에 대한 연구」, 한국지형공간정보학

회지, 제20권 제2호, pp15-22, 2012.

2.6 Choi J. et al., 「An uncertainty evaluation for multiple measurements by GUM」, Accred Qual

Assur, 8:13-15, 2003

2.7 Choi J. et al., 「An uncertainty evaluation for multiple measurements by GUM, Ⅱ」, Accred Qual

Assur, 8:205-207, 2003

3. 용어 정의

3.1 풍속고도분포지수(Vertical Power Law Exponent): 높이별 풍속 변화특성을 수학적으로 분석하는 지

수법칙(Power Law)의 파라미터인 멱지수

3.2 지수법칙(Power Law): 대기경계층 내에서 높이에 따른 평균풍속의 연직분포를 나타내는 법칙

3.3 표준불확도(standard uncertainty): 표준편차로 표현되는 측정결과의 불확도

3.4 측정불확도(uncertainty in measurement): 측정결과에 관련하여, 측정량을 합리적으로 추정한 값의 산

포 특성을 나타내는 파라미터

3.5 참조데이터: 참조표준으로 등록되기 전의 수치데이터 또는 과학기술적 통계




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4. 평가기준

데이터를 세부적으로 평가하여 등급을 부여하기 위한 평가기준은 (그림1) 과 같은 절차에 따른다. 데이터

의 신뢰성, 정확성 등은 아래의 데이터평가 절차와 각 항목에 해당하는 세부적 평가기준에 따라 평가된다.

4.1 등급부여 기준

모든 데이터는 각각의 평가 단계를 거쳐 다음과 같은 등급(안)이 부여된다.

(1) 유효참조표준 : 참조데이터 중에서 참조표준의 기본요구조건을 만족시키는 참조표준

(2) 검증참조표준 : 유효참조표준 중에서 연관식과 모델링을 통한 예측가능성이 검증된 참조표준

(3) 인증참조표준 : 유효참조표준이나 검증참조표준 중에서 관련분야 제3자의 최종 종합평가를 거쳐 인증

된 최상위 참조표준

참조데이터Y

측정대상

측정방법 / 절차

측정방법 적절성

요인제어 여부

유효참조표준Y

불확도 평가 적절성

재현가능성

측정결과 일관성

검증참조표준Y

예측가능성 검증

인증참조표준Y

전문가 평가

(그림 1) 풍속고도분포지수 평가절차




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풍속고도분포지수 데이터 평가기준 (제 1 ~ 10항)

1. 측정하고자 하는 양이 명확하게 명시되어있는지 여부

측정량 - 풍속고도분포지수 (Vertical Wind Profile Exponent)

(측정량에

포함되어야

할)

측정정보

- 풍속 (Wind Speed)

- 측정위치(측정지점 및 고도)

- 측정시간 및 기간

2. 측정방법과 절차 및 이론 계산에 대한 설명 내용 명시 여부

측정방법

- 측정 장비의 설치, 작동방법 및 측정절차가 명시되었는지 여부

- 풍속계 보정을 위한 보정 절차는 제정되어 있는지 여부

- 지형 보정을 위한 보정 절차는 제정되어 있는지 여부

- 풍속계 보정의 이론적 근거는 적정한지 여부

측정이론- 측정을 위한 요소들의 이론적 정의(모델식, 환산식 등)가 명시되었는지 여부

- 풍속 등의 측정값을 보정하는 이론이 적정(근거) 한가 여부

3. 측정방법의 적절성 및 그 근거의 명기 여부

측정지

구성

- 측정지의 선정이 적절한지에 대한 여부

- 복잡지형일 경우 전문가의 의견 및 지형평가 여부

측정시스템

조건

- 측정시스템의 구성은 KS C IEC 61400-12-1 규격 만족 여부

- 측정시스템의 출력(풍속 등)은 적정한 방법(근거)으로 측정 되었는가 여부

- 풍속계 설치 위치와 설치 방법은 적정(근거)한가 여부

자료수집 및

처리- 측정데이터의 수집과 처리는 적절히 이루어지고 있는지 여부




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4. 측정결과에 영향을 주는 요인의 제어 여부

측정기기

- 풍속계, 데이터로거 등이 측정기간 내 지속적으로 점검하고 있는지 여부

- 풍속계 보정을 위한 설비 및 측정기기는 적정한 것을 사용하고 있으며 설치

방법은 적당(근거)한가 여부

측정 영향량- 측정량에 영향을 주는 요인(위치, 고도, 시간, 방위 등)은 적절히 제어되고

있는지 여부

5. 측정방법의 불확도 평가 및 측정소급성 확보 여부

측정기기- 풍력측정에 사용되는 풍속계는 등급이 평가되었는지 여부

- 풍속계의 교정주기는 설정되어 있으며 주기적으로 교정을 받고 있는지 여부

불확도

평가절차- 측정 결과의 불확도 평가기준이 수립되어 있는지 여부

6. 측정결과의 불확도 추정에 대한 적정성 여부

불확도

평가

- GUM(Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement)에 따른 불확도 평가

· A형 표준 불확도 (KS C IEC 61400-12-1 참조)

· B형 표준 불확도 (KS C IEC 61400-12-1 참조)

○풍속계 교정, 풍속계 특성, 풍속계 설치, 데이터 로거

○풍속계 특성 : 풍속계의 기기적 특성




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7. 측정의 상세절차와 측정의 재현조건 명기 여부

측정절차

- 제3자가 같은 절차로 측정하거나 측정결과를 참조할 수 있도록 측정절차를

상세히 명시하였는지 여부

- 제3자가 같은 조건(방법, 기기, 환경 등)으로 측정하거나 측정결과를 참조할

수 있도록 측정의 조건을 명시하였는지 여부

8. 다른 경로에 의해 얻어진 결과와 측정결과의 일관성 여부

일관성

비교- 이론 및 다른 측정결과에 대한 비교 여부

9. 연관식과 모델링을 통한 데이터의 예측가능성 검증

예측 가능성

- 측정 자료가 없는 부분의 측정값을 예측하기 위한 모델은 적정히 설정 되었

는지 여부

- 위성관측 데이터와 실측치와 상관관계 분석

10. 2인 이상 관련분야 제3자의 종합 검토를 받았는지 여부

종합검토

방법2인 이상의 제3의 전문가의 종합 검토를 받았는지 여부

▶ 기 타

기술위원회는 “참조표준 제정 및 보급에 관한 운영요령” 제7조 제2항 제4호 규정에 따라 참조

데이터를 평가할 때에는 데이터의 속성을 충분히 고려하여야한다




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5. 풍속고도분포지수 데이터 참조표준 지침

5.1. 풍속고도분포지수 데이터 구축

5.1.1 풍속고도분포지수의 정의

(1) 풍속고도분포지수(Vertical Wind Profile Exponent) 정의

풍속고도분포(Vertical Wind Profile)는 지면 위 고도에 따른 풍속의 분포를 나타낸다. 풍력자원 평가를

위하여 (식.1)의 지수법칙(Power Law)으로 표현된 수학적인 분포 모델을 사용한다.

(식.1)

여기서 V(Z)는 높이 Z에서의 평균 풍속을, VR은 기준높이(Reference Height) ZR에서의 평균 풍속을 나타

내고, 지수 α를 풍속고도분포지수(Vertical Wind Profile Exponent)라고 정의한다. (그림 2)는 고도에 따른

풍속 분포를 나타내며, 풍속 분포의 모양에 따라 다른 풍속고도분포지수, α값을 갖는다. α의 값이 결정되면

임의의 높이에서의 풍속을 산정할 수 있다.

그림1. 지형에 따른 풍속고도분포




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데이터가 불충분한 경우 풍속고도분포지수는 예비 타당성 단계의 대략적인 평가를 위해서만 사용되어야

한다. 신뢰할 수 있는 풍속고도분포지수를 얻기 위해서는 최소 1년 이상의 같은 지점 두 개 이상의 높이에

서 측정된 풍속 자료가 필요하다. (식.1)을 바탕으로 풍속고도분포지수는 다음과 같이 계산된다.

ln lnln ln

(식.2)

여기서, α : 풍속고도분포지수

Z1 : 지면으로부터 첫 번째 풍속센서의 높이

Z2 : 지면으로부터 두 번째 풍속센서의 높이

V1 : 첫 번째 풍속센서가 측정한 풍속

V2 : 두 번째 풍속센서가 측정한 풍속

(2) 시간대별 풍속고도분포지수

풍속고도분포지수는 여러 인자에 의하여 영향을 받는다. 대부분 대기의 안정도와 주변 지형의 거칠기에

현저한 영향을 받는다. 대기안정도는 기상학적 변화에 영향을 받는데 하루 동안에도 시변 한다. 따라서 풍

속고도분포지수도 시간에 따라 변화하는 경향을 보인다. 하지만, 현재는 α값을 시간에 따라 변하지 않는 상

수로 사용하고 있다. 따라서 분포지수 α 데이터의 활용도를 높이기 위하여 시간대별 풍속고도분포지수 참

조표준 데이터가 요구된다. 위의 풍속고도분포지수 계산식(식.2)은 다음과 같이 시간에 따른 식으로 나타낸

다.

ln lnln ln

(식.3)

여기서, αi(h) : h시간의 풍속고도분포지수

Z1(h) : h시간의 첫 번째 풍속센서의 높이

Z2(h) : h시간의 두 번째 풍속센서의 높이

V1(h) : h시간의 첫 번째 풍속센서가 측정한 풍속

V2(h) : h시간의 두 번째 풍속센서가 측정한 풍속

(3) 각 지점의 대표 풍속고도분포지수

IEC의 풍력에너지 Standard에 따르면 풍속고도분포지수는 한 지점에 하나의 대푯값으로 나타난다. 따라

서 보다 넓은 참조표준데이터 활용을 위하여 시간대별 풍속고도분포지수와 함께 각 지점의 대표 풍속고도

분포지수도 생산한다.




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5.1.2 시간대별 풍속고도분포지수 데이터의 생산

(1) 풍속데이터의 수집

IEC 61400-12-1에 준하여 측정된 풍속데이터를 이용하여 시간대별 풍속고도분포지수를 계산한다. 시간대

별 풍속고도분포지수 데이터를 생산하기 위해서는 최소 1년 이상의 기간 동안의 측정데이터이어야 하며,

같은 지점에서 높이가 다른 두 개 이상의 풍속센서의 자료가 필요하다. 풍속데이터는 IEC 기준에 따라

1Hz 간격으로 수집된 데이터를, 1시간 간격으로(1시간 동안 3600개) 평균 낸 시간별 풍속 데이터를 이용한

다.

(2) 풍속데이터의 선별

풍속계의 성능에 따라 분해능 이하의 풍속을 포함한 시점의 데이터는 제외한다.

(3) 시간대별 풍속고도분포지수 계산

1년 이상의 기간 동안 특정 지점, 두 개 높이에서 측정 및 수집된 한 시간 단위의 평균 풍속과 높이 값

을 (식.3)에 적용하여 한 시간 단위의 풍속고도분포지수를 생성한다. 이를 같은 시간별로 취합, 평균값을 구

하여 시간대별 풍속고도분포지수를 구한다. 수식으로 나타내면 다음과 같다.

⋯ ⋯ (식.4)

5.1.3 각 지점의 대표 풍속고도분포지수 데이터의 생산

5.1.2의 시간대별 풍속고도분포지수를 구한 방법과 동일하게 생산하되, 시간별로 취합하는 대신 전체 기

간을 대상으로 하여 평균값을 구해 대표 풍속고도분포지수를 구한다.




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5.1.4 풍속 데이터

풍속고도분포지수 데이터 제작을 위해 기본적으로 필요한 데이터는 한국에너지기술연구원 신재생에너지

자원센터의 자료를 이용했으며, 이에 대한 수집 항목, 측정 장비 교정, 수집 절차에 대한 내용은 다음과 같

다.

(1) 수집 항목

수 집 항 목 설 명

풍속 -

측정위치 측정지점 및 측정높이

측정기간 -

(2) 측정장비 교정

데이터 측정을 위한 장비에 대한 교정 주기 및 교정 필요 유무는 다음과 같다. 측정되는 데이터의 신뢰

도를 향상시키며, 측정 시 발생할 수 있는 오차를 최소화하는데 목적이 있다. (IEC-61400-12-1의 규정에 따

름)

측 정 장 비 교 정 유 무

풍속계필요

(1년주기)

Data Logger필요

(1년주기)




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(3) 수집 절차

데이터 센터에서 수집하는 절차는 다음과 같다. 네트워크로 구성된 각 측정 장비로부터 데이터를 측정하

여 데이터로거로 수집한다. 수집된 데이터는 Ethernet 또는 CDMA를 통하여 Sub-server로 전송되며,

Ethernet을 이용해 수집될 경우에는 Wireless Mesh Network를 통해 Main Server로 전송되고, CDMA를 이

용해 수집될 경우에는 CDMA기반의 무선인터넷을 통해 Main Server로 전송된다. 경우에 따라서는 데이터

로거로부터 직접 수집할 수도 있다.

풍속계

데이터 로거

Ethernet CDMA

Sub Server Sub Server

Wireless

Mesh

Network

InternetDirect

Collection

Main Server

<장비의 예>




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5.2. 풍속고도분포지수의 불확도 평가

5.2.1 시간대별 풍속고도분포지수

IEC-61400-12-1 기준에 의해 측정된 데이터를 바탕으로 GUM (Guide to the expression of Uncertainty

in Measurement)를 준수하여 A형 표준불확도, B형 표준불확도 및 확장 불확도를 구한다.

(1) 모델식 설정

(식.5)

(2) A형 불확도

모델식에서 나타난 α는 애초에 변동성이 있는 매시간별 풍속의 평균값과 높이 값으로 얻어진 값들의 평

균값이므로, 매시간별 표준편차가 다르다. 따라서 합동표준편차(Pooled Standard Deviation)을 구하여 A형

불확도를 구하는 것이 권장된다. 그러나 이 α값들의 불확실성을 고려해도 불확도가 충분히 중첩되지 않으

므로, 이 경우에는 시간별로 구한 풍속고도분포지수 값들의 표준편차 sd를 구하는 것으로 준하여 사용할 수

있다(Choi et al, Springer-verlag, 2003).

(식.6)

여기서, uA : α의 A형 불확도

sd : 같은 시간대별 α의 표준편차

n : 같은 시간대별 α의 개수

(3) B형 불확도

반복적 실험에 의한 통계적 요인을 제외한 B형 불확도는 다음과 같이 구할 수 있다.(식.2)에서와 같이 α

는 풍속센서가 측정한 풍속과, 풍속센서의 높이로 이루어진 식이다. 이 풍속과 높이에 영향을 줄 수 있는

요인들을 합성하여 B형 불확도를 구할 수 있다.

① 풍속센서가 측정한 풍속의 요인

분해능 교정

(식.7)

분해능 교정

(식.8)




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② 풍속센서의 높이 요인

(식.9)

(식.10)

여기서, ΔZ : 풍속센서의 높이를 측정할 때의 불확도

예를 들어 30 m를 측정하기 위해 30 m에 센서를 설치하려고 해도, 실제로는 ‘30±U’ m의 오차가 발생하

게 될 것이다. 이 때 발생하는 불확도는 설치각도, 지반의 불안정성, 설치기사의 미숙도, 바람 등 여러 가지

요인이 있을 수 있다. 그 중에서 설치각도에 의해 발생하는 불확도가 가장 우세할 것으로 판단되며, 나머지

요인은 무시할 수 있을 만큼 작다고 가정한다. 기상탑 설치 시 육안으로 구별할 수 있는 최소의 오차 각도

는 2 °라고 할 때, 센서의 높이에 대한 불확도 ΔZ는 다음과 같이 산정한다.

· cos ×

(식.11)

여기서, Z : 풍속센서의 높이

③ 각 측정항목의 감도계수

ln ln

(식.12)

ln ln

(식.13)

ln ln

ln ln(식.14)

ln lnln ln

(식.15)




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여기서, Z1 : 첫 번째 풍속센서의 높이

Z2 : 두 번째 풍속센서의 높이

V1 : 첫 번째 풍속센서가 측정한 풍속

V2 : 두 번째 풍속센서가 측정한 풍속

(4) 합성표준불확도

앞에서 구한 A형 불확도와 B형 불확도를 합성하여 합성표준불확도를 산정한다.

(식.16)

(식.17)

(5) 확장불확도

풍속고도분포지수에 대한 확장 불확도는 다음과 같다. (신뢰수준이 약 95 %일 때 k=2)

· (식.18)

5.2.2 각 지점의 대표 풍속고도분포지수

5.2.1의 시간대별 풍속고도분포지수를 구한 방법과 동일하게 생산하되, 시간별로 취합하는 대신 전체 기

간을 대상으로 각 지점의 대표 풍속고도분포지수 불확도를 구한다.




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5.3. 풍속고도분포지수의 불확도 평가의 예

(예) 대정농공의 15시 풍속고도분포지수

한국에너지기술연구원 신재생에너지센터의 대정농공자료를 바탕으로 불확도를 산정해 보도록 한다.

측정지 상세정보

대정농공33.15.32N, 126.13.37E, 남서부 내륙평지, 측정높이 : 15 m, 30 m,

측정기간：1996. 5. 30 ~ 1997. 12. 12

(그림 2)는 이번 참조표준 데이터로 심의를 받고 있는 대정농공 원시자료의 일부이다.

그림 2. 대정농공 원시자료(일부)




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이 원시자료 중에서 15시만을 취합하여 정리해 보면 다음과 같다.

그림 3. 대정농공 15시 원시자료(일부)




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15시만을 취합한 데이터(그림 3)을 이용하여, 15시의 대표 풍속고도분포지수 등을 다음과 같이 구하였다.

풍속고도분포지수 0.27

풍속고도분포지수의 표준편차 0.088

데이터 개수 558

측정 지점 30 m에서의 평균풍속 6.4

측정 지점 15 m에서의 평균풍속 5.3

(1) 모델식 설정

(2) A형 불확도

(3) B형 불확도

① 풍속센서가 측정한 풍속의 요인

풍속계의 분해능은 0.01 m/s, 교정성적서상의 확장불확도는 0.06 m/s (K=2)일 때,

분해능 교정

분해능 교정




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② 풍속센서의 높이 요인

여기서,

· cos ×

· cos ×

여기서,

· cos ×

· cos ×

③ 각 측정항목의 감도계수

ln ln

ln ln ·

ln ln

ln ln·

ln ln

ln ln ln ln ·

ln ln

ln lnln ln

ln ln · ln ln




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(4) 합성표준불확도

(5) 확장불확도

· · (신뢰수준이 약 95 %일 때 k=2)




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별첨 1.

풍속고도분포지수 데이터 세부평가 결과서 (예시)

Vertical Wind Power Exponent Data Evaluation Report

(1)쪽 중 (1)쪽

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작성자 (인) email

측정자/평가자측정자/평가자명

소속기관

측정대상■ 실측데이터 □ 예측데이터

- 풍력 데이터 종류 (풍속고도분포지수)

측정방법

■ 적절 □ 부적절

- 측정네트워크 설계 (측정네트워크 구성시만), 측정지 선정방법 적합- 측정지 선정방법, 시스템 구성, 시스템 조건, 자료수집 처리 적절 - 측정영향 요인제어 적합

측정방법 불확도적절성


- 표준기기 확보 (정기적 공인기관 교정시 제외)- 측정절차 적합 (측정절차서 : NE-WP-0001 참고)- 측정기준 적합 (측정위치, 측정환경, 측정이론 등)

측정결과 불확도적절성


- 불확도평가 모델 설정 (NE-WP-0001 참고)- 불확실 자료들 일정기준 기법(공인기준)하에서 수정․측정치와 기대치의 비교․측정조건 유사지역 상호비교․임계적 조건(Critical Control) 품질관리

측정절차 재현성(NE-WP-0001 참고)


- 측정절차 명시 적절- 측정조건 명시 적절

측정결과 일관성■ 적절 □ 부적절

- 피 교정기기 출력 적합- 자료비교를 통한 정확도 평가 적절

데이터 예측가능성■ 적절 □ 부적절

- 예측가능성이 확보됨

데이터 등급(안) ■ 유효 □ 검증 □ 인증

전문가 의견 -

기 타 - 없음

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제정 2015. 10. 05

풍속고도분포지수 데이터 참조표준 세부평가 절차서 · 페이지...

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