風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)在新疆電網(wǎng)中的應(yīng)用及改進

孫立成，馬成林，常喜強，姚秀萍，李靜坤

(1.新疆電力調(diào)度通信中心 ，新疆烏魯木齊 830002;2.新疆電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830000)

0 引言

大力發(fā)展風(fēng)電等先進能源技術(shù)在改善能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放等方面具有非常積極的作用，然而與常規(guī)電源相比，風(fēng)電場的輸出功率受人為因素干預(yù)較小，幾乎完全由自然條件決定。隨機變化的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)е嘛L(fēng)電場輸出功率具有波動性、間歇性、隨機性的特點，大量風(fēng)電場集中并網(wǎng)會對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行帶來影響，并成為了限制電網(wǎng)接納風(fēng)電的主要障礙之一。對風(fēng)速風(fēng)功率進行預(yù)測，對風(fēng)電場的出力進行預(yù)報，是解決這一問題的有效途徑。是提高電網(wǎng)調(diào)峰能力、增強電網(wǎng)接納風(fēng)力發(fā)電的能力、改善電力系統(tǒng)運行安全性與經(jīng)濟性的最有效、最經(jīng)濟的手段之一。通過預(yù)測，風(fēng)電將從未知變?yōu)榛疽阎?，增強系統(tǒng)的安全性、可靠性和可控性。根據(jù)風(fēng)電場預(yù)測的出力曲線優(yōu)化常規(guī)機組的出力，達到降低運行成本的目的。

1 風(fēng)功率預(yù)測情況

風(fēng)功率預(yù)測方法:根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報的數(shù)據(jù)，用物理方法計算風(fēng)電場的輸出功率;或是根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報與風(fēng)電場功率輸出的關(guān)系、在線實測的數(shù)據(jù)進行預(yù)測的統(tǒng)計方法。目前常見的方法有:基于數(shù)值天氣預(yù)報的方法、基于物理計算方法和統(tǒng)計方法。

(1)數(shù)值天氣預(yù)報:根據(jù)大氣實際情況，在一定初值和邊界條件下，通過數(shù)值計算求解描寫天氣演變過程的流體力學(xué)和熱力學(xué)方程組來預(yù)報未來天氣的方法。這種預(yù)報是定量和客觀的預(yù)報。常用的預(yù)測方法輸入數(shù)據(jù):風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓等的SCADA實時數(shù)據(jù);等高線、障礙物、粗糙度等數(shù)據(jù);數(shù)值天氣預(yù)報數(shù)據(jù)。

(2)物理方法:考慮地形、粗糙度等信息的預(yù)測方法。利用數(shù)值天氣預(yù)報(NWP)系統(tǒng)的預(yù)測結(jié)果得到風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫等天氣數(shù)據(jù)，然后根據(jù)風(fēng)機周圍的物理信息得到風(fēng)力發(fā)電機組輪轂高度的風(fēng)速、風(fēng)向等信息，最后利用風(fēng)機的功率曲線計算得出風(fēng)機的實際輸出功率。對風(fēng)電場所在地進行物理建模，包括風(fēng)場的地形、地表植被及粗糙度、周圍障礙物等等:還對風(fēng)機本身的輪轂高度、功率曲線、機械傳動和控制策略等進行建模。該方法的輸入?yún)?shù)為數(shù)字氣象預(yù)報(NWP)模型。由于氣象預(yù)報的每日更新頻率很低，因此，該方法更適合中期風(fēng)電場的發(fā)電量預(yù)測。

(3)統(tǒng)計方法:是在系統(tǒng)的輸入(NWP、歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù))和風(fēng)電功率之間建立一個映射關(guān)系，應(yīng)用這個關(guān)系，采用回歸分析法、指數(shù)平滑法、時間序列法ht、卡爾曼濾波法、灰色預(yù)測法等，通過捕捉數(shù)據(jù)中與時間和空間相關(guān)的信息來進行預(yù)測。

(4)學(xué)習(xí)方法:是用人工智能的方法提取輸入和輸出間的關(guān)系，建立模型。通過大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練來建立輸入輸出間的關(guān)系，達到預(yù)測。

新疆電網(wǎng)風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)于2010年7月投入運行，系統(tǒng)實施初期即將當(dāng)時所有已建風(fēng)電場全部納入預(yù)測系統(tǒng)，到目前為止，系統(tǒng)預(yù)測風(fēng)電場為17個，預(yù)測總?cè)萘窟_到1 560.75 MW。系統(tǒng)實現(xiàn)對新疆所有已建風(fēng)電場的超短期功率預(yù)測。從系統(tǒng)功能劃分及調(diào)度一體化角度考慮，將在原預(yù)測系統(tǒng)軟件平臺的基礎(chǔ)上開發(fā)超短期預(yù)測模塊，將超短期預(yù)測無縫融入原預(yù)測系統(tǒng)中。

2 風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)存在的問題

為了提高電網(wǎng)風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測精度，預(yù)測結(jié)果的可信度，準(zhǔn)確性，需要對每個風(fēng)電場進行建模。按照風(fēng)功率預(yù)測方法需要的數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)量越大，越多，越好。目前風(fēng)電功率預(yù)測建模以單個風(fēng)電場為最小單元進行，各風(fēng)電場預(yù)測結(jié)果累加得到整個調(diào)度管轄區(qū)的預(yù)測結(jié)果。單個風(fēng)電場采用離線建模的方式。目前系統(tǒng)采取的兩種建模方法的對比情況如表1。

表1 兩種建模對比

新疆電網(wǎng)風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)存在如下幾種不利因素。

2.1 國內(nèi)外共性問題

(1)預(yù)測精度受制于風(fēng)電功率預(yù)測水平限制，短期、超短期風(fēng)電功率預(yù)測精度不高，中長期預(yù)測較難開展。

(2)風(fēng)電功率預(yù)測必須的風(fēng)電場實時測風(fēng)數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)還存在一些問題。由于部分風(fēng)電場還沒有完成實時測風(fēng)塔建設(shè)等原因，風(fēng)電場實時測風(fēng)信息、機組運行狀態(tài)等信息還沒有上傳到調(diào)度中心;部分風(fēng)電場雖然已經(jīng)完成上傳，但數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。

2.2 新疆風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)的個性問題

(1)新疆幅員遼闊，地廣人稀，獨特的“綠洲經(jīng)濟”與獨特的“三山夾兩盆”環(huán)境，以及新疆是遠離海洋的地區(qū)，使得新疆的氣象條件復(fù)雜，氣候多變，對新疆的風(fēng)資源的預(yù)測，風(fēng)電的建模產(chǎn)生干擾。

(2)由于新疆覆蓋面積大，氣象部門數(shù)值天氣資料主要涵蓋和集中在人居住地區(qū)，無法實現(xiàn)新疆全地區(qū)信息資料覆蓋，無法全面覆蓋新疆9大風(fēng)區(qū)，同時又相對于其他省區(qū)，新疆一個氣象觀測點與另外一個氣象觀測點之間距離遠，這就可能造成新疆一個氣象觀測點覆蓋面積太大，無法涵蓋該區(qū)域范圍內(nèi)的所有氣象信息，點少面廣的因素與其他省區(qū)不同，使得新疆風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)難度增大。

(3)新疆位居大陸中心，四周遠離海洋，被高原高山環(huán)繞，屬溫帶極端大陸性氣候，冬季漫長嚴(yán)寒，夏季炎熱干燥，春秋季短促而變化劇烈。其氣候特點是晝夜溫差大，多樣的氣候類型，但全疆南北地跨緯度約15°，地形高差大，南、北疆有暖、寒、溫帶之分，東西部有明顯的干濕之別，同一地區(qū)因地形高差而具有鮮明的垂直氣候特征，造成了新疆東西南北、山上山下氣候的不同。使得新疆各種風(fēng)況復(fù)雜，使得新疆風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)難度增大。

(4)新疆風(fēng)電資源豐富，風(fēng)電場開發(fā)速度增快，這就使得新增風(fēng)電場缺少大量的歷史數(shù)據(jù)和測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，使得新疆風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)難度增大。

(5)新疆電網(wǎng)中風(fēng)電場運行人員素質(zhì)不高，風(fēng)場自動化程度不能滿足風(fēng)功率預(yù)測需求，風(fēng)電場自身的運行維護，運行人員對機組的開機、停機的統(tǒng)計不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的完整性降低，測風(fēng)計本身的測量精度誤差以及風(fēng)速計旋轉(zhuǎn)時由于摩擦阻力和風(fēng)向標(biāo)的電壓死區(qū)帶來的誤差;電信號的失真，存儲設(shè)備和人為原因帶來的數(shù)據(jù)丟失和破壞;人為的修改數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)的損壞。使得新疆風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)難度增大。

(6)新疆電網(wǎng)風(fēng)電場改建、擴建、更換機型的風(fēng)電場較多，對于許多歷史數(shù)據(jù)不能使用，將需要分類辨識應(yīng)用，這對于風(fēng)電場預(yù)測建模產(chǎn)生了較多的干擾因素，使得新疆風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)難度增大。

3 提高新疆風(fēng)功率預(yù)測的措施建議

通過上述多種因素分析可知:新疆電網(wǎng)風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)將因新疆獨特的氣候環(huán)境、風(fēng)況、風(fēng)向的多變、數(shù)值天氣預(yù)報資料的不足、涵蓋范圍廣、粗、不能完全滿足風(fēng)功率預(yù)測需要，缺少風(fēng)電場運行的歷史數(shù)據(jù)，風(fēng)電運行數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等因素影響模型準(zhǔn)確度、模型的精度、模型的適應(yīng)性。同時也造成模型滯后于風(fēng)電場，給風(fēng)電運行調(diào)度運行帶來不利因素。為此需要積極研究解決措施。

(1)為解決新建風(fēng)電場缺少測風(fēng)塔數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)而造成的風(fēng)功率預(yù)測模型滯后問題，采取將物理辦法與統(tǒng)計方法相結(jié)合，采取相似性預(yù)測方法，即區(qū)域集中預(yù)測法，其基本原理為根據(jù)調(diào)度關(guān)系或區(qū)域風(fēng)能特性將所有風(fēng)電場劃分為幾個大區(qū)，對各區(qū)域內(nèi)部分運行工況良好的風(fēng)電場進行精細化建模，以一定的優(yōu)化算法將部分風(fēng)電場預(yù)測結(jié)果外推得到整個區(qū)域的預(yù)測結(jié)果，各區(qū)域匯總得到整個調(diào)度管轄區(qū)內(nèi)的預(yù)測結(jié)果，同時通過分析區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場相關(guān)性及上下游效應(yīng)，可將區(qū)域預(yù)測結(jié)果降至單個風(fēng)電場。該方法可保證調(diào)度側(cè)預(yù)測系統(tǒng)的完整性，初步解決新建風(fēng)電場預(yù)測模型的滯后問題。

(2)針對新疆獨特的風(fēng)資源情況，加大風(fēng)電場測風(fēng)塔的建設(shè)，對地形復(fù)雜的風(fēng)電場應(yīng)適當(dāng)增加測風(fēng)塔，積極收集測風(fēng)塔數(shù)據(jù)。積極推進數(shù)值天氣預(yù)報應(yīng)用的細化、深化，模型的優(yōu)化及改進。以減少數(shù)值天氣預(yù)報應(yīng)用帶來的誤差。

(3)為了獲得更具有代表性的數(shù)據(jù)特征，在提高數(shù)據(jù)采集頻率的基礎(chǔ)上，改進數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)缺損的情況采用插值填補法，利用同一個風(fēng)區(qū)的多個測風(fēng)塔，互相對連續(xù)缺損數(shù)據(jù)進行填補。對缺失的數(shù)據(jù)進行填補僅針對少數(shù)不可靠數(shù)據(jù)，對統(tǒng)計方法需要的大量數(shù)據(jù)而言不具有實用性。大量數(shù)據(jù)不合理或錯誤的氣象因子不能被用作預(yù)測，而應(yīng)該由其它氣象因子替代?？梢员挥米黝A(yù)測的因子有:風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、太陽輻射、空氣濕度、空氣密度、降水量、云層高度等9個氣象因子。對不能使用的氣象因子可以采用在計算該氣象因子與其他因子的相關(guān)性的基礎(chǔ)上進行替代。

(4)采用對每臺風(fēng)電機組進行預(yù)測的方案可以提高預(yù)測精度，風(fēng)電機組的停機或人為因素控制功率輸出也會影響原始數(shù)據(jù)的有效性。對只具有氣象數(shù)據(jù)而沒有歷史功率數(shù)據(jù)或歷史功率數(shù)據(jù)錯誤的風(fēng)電機組，需要對歷史功率數(shù)據(jù)進行相應(yīng)替代，從而使模型能得以進行。替代方法可以根據(jù)分塊預(yù)測方法進行，具體為:基于同型機組，氣象信息相似度最佳以及在控制策略相同的情況下，使用該機組的功率曲線進行替代。若不能滿足以上3種情況，則可以選擇采用塊內(nèi)其他機組的平均功率曲線進行折算后再代替。

(5)風(fēng)電運行受諸多因素影響，如系統(tǒng)運行方式、網(wǎng)絡(luò)約束常規(guī)機組處理等，所以當(dāng)風(fēng)電場輸出功率大于電力系統(tǒng)的接納能力時，風(fēng)電場將被限電，但對于預(yù)測系統(tǒng)來講，人為的控制功率輸出直接影響原始數(shù)據(jù)的有效性。故考慮建立3組數(shù)據(jù)庫:控制下的實際輸出功率數(shù)據(jù)庫Ⅰ、不受控制時輸出功率差額數(shù)據(jù)庫Ⅱ和理論輸出功率數(shù)據(jù)庫Ⅲ。其中數(shù)據(jù)庫Ⅰ用作風(fēng)電場功率預(yù)測，上報調(diào)度部門;數(shù)據(jù)庫Ⅲ用于本風(fēng)電場數(shù)學(xué)建模和風(fēng)電機組的功率預(yù)測;數(shù)據(jù)庫Ⅱ用作功率缺額對比和計算風(fēng)電場總的功率預(yù)測。通過3組數(shù)據(jù)相互補充，以減少運行人員人為因素產(chǎn)生的誤差。

4 結(jié)論

在深入分析風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)在新疆電網(wǎng)應(yīng)用情況及存在問題之后，針對原系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的不足，提出相應(yīng)的改進措施，采用精確的風(fēng)電功率預(yù)測模型，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整率和有效性，結(jié)合更加科學(xué)的數(shù)據(jù)處理方法，建立相應(yīng)的風(fēng)電場管理制度將會對預(yù)測系統(tǒng)帶來很大幫助。通過開發(fā)相應(yīng)軟件對風(fēng)電場氣象信息進行統(tǒng)一管理;數(shù)值天氣預(yù)報信息能夠提供更高分辨率的氣象信息，提高風(fēng)速計的機械可靠性和測量精度，風(fēng)向標(biāo)方面，應(yīng)減少死區(qū)范圍。測量方法可以用電信號來代替目前的機械式方法。將智能算法應(yīng)用到數(shù)據(jù)管理中來，基于數(shù)據(jù)挖掘的機器算法更能發(fā)掘出數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系。提高風(fēng)電運行管理的自動化水平，提高的數(shù)據(jù)處理和管理自動化水平，實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)處理。提出了在開發(fā)預(yù)測系統(tǒng)的過程中還需要進一步做的工作，最大程度推進風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的實用化。

［1］范高鋒，趙海翔，戴慧珠.大規(guī)模風(fēng)電對電力系統(tǒng)的影響和應(yīng)對策略［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2008(7):44－48.

［2］韓爽.風(fēng)電場功率短期預(yù)測方法研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2008.

［3］谷興凱，范高鋒，王曉蓉，等.風(fēng)電功率預(yù)測技術(shù)綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(S2):335 －338.

［4］王麗婕，廖曉鐘，高陽，等.風(fēng)電場發(fā)電功率的建模和預(yù)測研究綜述［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(13):118－121.

［5］楊秀媛，肖洋，陳樹勇.風(fēng)電場風(fēng)速和發(fā)電功率預(yù)測研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25(11):1 －5.

［6］雙斌，王維慶，張新燕.基于支持向量機的風(fēng)速與風(fēng)功率預(yù)測方法研究［J］.華東電力，2009(9):1600－1603.

［7］潘迪夫，劉輝，李燕飛.基于時間序列分析和卡爾曼濾波算法的風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)測優(yōu)化模型［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(7):82 －86.

［8］羅海洋，劉天琪，李興源.風(fēng)電場短期風(fēng)速的混沌預(yù)測方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009(9):67－71.

［9］張國強，張伯明.基于組合預(yù)測的風(fēng)電場風(fēng)速及風(fēng)電機功率預(yù)測［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(18):92－95.