基于集中預(yù)報(bào)的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周永華，郭彥飛，張國建，韋 偉

（國電南瑞科技股份有限公司深圳分公司，深圳 518054）

由于風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性、周期性等特點(diǎn)，大規(guī)模的風(fēng)電接入勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成重要影響［1-4］。對(duì)風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行預(yù)測，把風(fēng)電功率納入電網(wǎng)的調(diào)度計(jì)劃是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要舉措之一［5］，有利于提高電網(wǎng)調(diào)峰能力、增強(qiáng)電網(wǎng)風(fēng)電接納能力、改善電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性；從發(fā)電集團(tuán)角度考慮，精準(zhǔn)的風(fēng)電功率預(yù)測將使得風(fēng)電場可以積極地參與市場競爭，規(guī)避由供電的不可靠性而受到的經(jīng)濟(jì)懲罰，由于發(fā)電集團(tuán)所管理的風(fēng)電場具有數(shù)量多、地域廣、分布散等特點(diǎn)，因此建立一套對(duì)下屬風(fēng)電場集中管理的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)顯得尤為重要，不僅能滿足電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)電場運(yùn)行必須上報(bào)預(yù)測功率的要求，又能大大減少每個(gè)風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)建設(shè)的費(fèi)用。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于集中預(yù)報(bào)的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)，部署于風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)，具備數(shù)據(jù)采集、功率預(yù)測、數(shù)據(jù)交互、精度統(tǒng)計(jì)與分析、數(shù)據(jù)展示等一體化功能，能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電集團(tuán)下屬各并網(wǎng)風(fēng)電場進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集中采集、預(yù)測功率集中預(yù)報(bào)、預(yù)測精度統(tǒng)計(jì)與分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)可視化展示，以及實(shí)現(xiàn)各并網(wǎng)風(fēng)電場與所屬風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)間的數(shù)據(jù)交互，為風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)對(duì)下屬各并網(wǎng)風(fēng)電場的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一集中管理和相應(yīng)的科學(xué)決策分析提供依據(jù)和支撐。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)各應(yīng)用模塊之間相互協(xié)調(diào)及整體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，基于集中預(yù)報(bào)的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，利用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)［6］，采用B／S架構(gòu)與分層設(shè)計(jì)思想，以風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)總部作為基于集中預(yù)報(bào)的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的建設(shè)場所，承擔(dān)系統(tǒng)的日常運(yùn)行、管理和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)下屬并網(wǎng)風(fēng)電場實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的集中采集、短期／超短期功率的集中預(yù)報(bào)、預(yù)測精度的統(tǒng)計(jì)分析等功能；風(fēng)電場側(cè)主要完成并網(wǎng)風(fēng)電場實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與上送、短期／超短期功率預(yù)測結(jié)果的下載與向電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的上報(bào)等功能。為滿足《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》的有關(guān)要求，預(yù)測系統(tǒng)模塊內(nèi)部及與其它模塊間的通信在邊界網(wǎng)絡(luò)處配置物理隔離設(shè)備和硬件防火墻。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

從風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)專業(yè)人員業(yè)務(wù)操作角度考慮，系統(tǒng)從功能上主要?jiǎng)澐譃樘鞖忸A(yù)報(bào)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、功率預(yù)測、預(yù)測精度統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)展示及參數(shù)配置等功能模塊，如圖2所示。

2.1 天氣預(yù)報(bào)處理模塊

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是短期風(fēng)電功率預(yù)測的基礎(chǔ)［7］，當(dāng)從專業(yè)權(quán)威氣象機(jī)構(gòu)獲取天氣預(yù)報(bào)文件后需要對(duì)其進(jìn)行處理。天氣預(yù)報(bào)處理模塊即是負(fù)責(zé)對(duì)風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)下屬并網(wǎng)風(fēng)電場定制的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)文件的集中處理，包括天氣預(yù)報(bào)下載和天氣預(yù)報(bào)解析等功能。

在風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)通信服務(wù)器上部署天氣預(yù)報(bào)下載程序和天氣預(yù)報(bào)解析程序，前者通過Internet采用FTP協(xié)議定時(shí)從專業(yè)權(quán)威氣象機(jī)構(gòu)的FTP服務(wù)器上下載并網(wǎng)風(fēng)電場的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)文件，并存儲(chǔ)到本地磁盤；后者對(duì)下載的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)文件進(jìn)行選擇性解析，并將解析記錄寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是基于集中預(yù)報(bào)的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，各系統(tǒng)功能模塊均需要通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的互操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)來自于天氣預(yù)報(bào)處理模塊的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、從風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)的主站監(jiān)控系統(tǒng)采集的各并網(wǎng)風(fēng)電場的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)（全場有功功率、實(shí)時(shí)測風(fēng)塔數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)）和功率預(yù)測模塊預(yù)測程序生成的短期、超短期預(yù)測結(jié)果數(shù)據(jù)，以及對(duì)功率預(yù)測精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊

風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)主站監(jiān)控系統(tǒng)采集的風(fēng)電場的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)源自于風(fēng)電場側(cè)安全I(xiàn)區(qū)的風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)風(fēng)電場風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)還通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)時(shí)通道采用104規(guī)約實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場側(cè)與電網(wǎng)調(diào)度側(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的上送。

部署于風(fēng)電場側(cè)的OPC客戶端服務(wù)器采用OPC接口技術(shù)［8］將風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過企業(yè)內(nèi)部專線送至風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)主站監(jiān)控系統(tǒng)。部署于風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)通信服務(wù)器上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊，從風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)主站監(jiān)控系統(tǒng)采集各并網(wǎng)風(fēng)電場的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。風(fēng)電場實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)包括風(fēng)電場實(shí)時(shí)全場有功功率、實(shí)時(shí)測風(fēng)塔數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)等，為功率預(yù)測模塊的短期、超短期功率預(yù)測建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為短期、超短期預(yù)測功率的精度統(tǒng)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)支持。該模塊所有數(shù)據(jù)的采集與通信滿足相關(guān)規(guī)范要求［9］。

2.3 功率預(yù)測模塊

功率預(yù)測模塊是基于集中預(yù)報(bào)的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)的核心，以并網(wǎng)風(fēng)電場的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)作為預(yù)測模型的輸入，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法或物理方法集中對(duì)各并網(wǎng)風(fēng)電場的短期、超短期功率進(jìn)行預(yù)測，并將各并網(wǎng)風(fēng)電場的功率預(yù)測結(jié)果按照電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)規(guī)定格式生成相應(yīng)文件。其具體功能模塊主要包括短期功率預(yù)測和超短期功率預(yù)測。

短期功率預(yù)測能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接入系統(tǒng)的所有并網(wǎng)風(fēng)電場未來0～72h的輸出功率情況進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測點(diǎn)時(shí)間分辨率為15min。短期功率預(yù)測主要依靠數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，并根據(jù)風(fēng)電場地形的特點(diǎn)，輸入風(fēng)電場測風(fēng)塔觀測資料、周邊自動(dòng)氣象站觀測資料、風(fēng)電場基礎(chǔ)地理信息資料等，對(duì)風(fēng)電場微觀區(qū)域進(jìn)行時(shí)空加密計(jì)算，得出滿足風(fēng)電場功率預(yù)測需求的風(fēng)力預(yù)測結(jié)果。在風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)功率特性曲線基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)電場歷史功率數(shù)據(jù)以及歷史測風(fēng)塔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析獲得風(fēng)電場的功率預(yù)測模型。結(jié)合風(fēng)力預(yù)測結(jié)果與功率預(yù)測模型獲得風(fēng)電場全場輸出功率預(yù)測結(jié)果。

超短期功率預(yù)測能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接入系統(tǒng)的風(fēng)電場未來0～4h的輸出功率情況進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測點(diǎn)時(shí)間分辨率為15min。超短期功率預(yù)測通常采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，數(shù)理統(tǒng)計(jì)法是對(duì)風(fēng)電場所在地測風(fēng)塔的歷史觀測數(shù)據(jù)和周邊氣象臺(tái)站的歷史觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，根據(jù)實(shí)際需要選擇逐步回歸法、時(shí)間序列法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等適用性技術(shù)進(jìn)行風(fēng)力預(yù)測建模試驗(yàn)，最后選取預(yù)報(bào)效果較好的一種風(fēng)力預(yù)測模型。測風(fēng)塔實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為輸入，經(jīng)風(fēng)力預(yù)測模型計(jì)算，即可得到超短期風(fēng)力預(yù)測結(jié)果，該結(jié)果經(jīng)約束算法調(diào)校便可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場未來輸出功率的預(yù)測計(jì)算。

在風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)安裝有兩臺(tái)高性能預(yù)測服務(wù)器，服務(wù)器間用集群心跳線相連。集群心跳線會(huì)定期在兩臺(tái)服務(wù)器間交換數(shù)據(jù)信息，在指定周期內(nèi)若一臺(tái)服務(wù)器沒有接收到心跳信息，則將進(jìn)行故障轉(zhuǎn)移，由該服務(wù)器接管集群并對(duì)外提供服務(wù)。在每臺(tái)服務(wù)器上均部署短期、超短期功率預(yù)測程序，通過與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)交互，獲取預(yù)測所需的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、風(fēng)電場全場實(shí)時(shí)有功功率、測風(fēng)塔數(shù)據(jù)、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行短期／超短期功率預(yù)測，輸出的預(yù)測功率寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并生成電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)規(guī)定格式的文件。

各并網(wǎng)風(fēng)電場的功率預(yù)測文件需要上報(bào)給電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)，以便電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)據(jù)此編制日前日內(nèi)發(fā)電計(jì)劃。在風(fēng)電場側(cè)的內(nèi)部網(wǎng)中轉(zhuǎn)通信機(jī)上部署功率預(yù)報(bào)FTP下載客戶端，通過集群的IP地址從風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)的預(yù)測服務(wù)器下載短期、超短期功率預(yù)測文件，并存儲(chǔ)到本地磁盤，然后通過反向隔離裝置把預(yù)測文件單向傳輸?shù)斤L(fēng)電場側(cè)安全I(xiàn)I區(qū)的調(diào)度中轉(zhuǎn)通信機(jī)。在調(diào)度中轉(zhuǎn)通信機(jī)上部署FTP上報(bào)客戶端或前置通信程序，通過文件FTP方式或擴(kuò)展102規(guī)約實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場短期、超短期功率預(yù)測文件到電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的上報(bào)。

2.4 預(yù)測精度統(tǒng)計(jì)模塊

預(yù)測精度統(tǒng)計(jì)模塊提供對(duì)各并網(wǎng)風(fēng)電場的歷史短期、超短期預(yù)測功率進(jìn)行準(zhǔn)確率、合格率、上報(bào)率和完備率等指標(biāo)的計(jì)算檢驗(yàn)，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，便于風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)對(duì)功率預(yù)測效果進(jìn)行分析比較，同時(shí)也可對(duì)比電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)電場的考核情況，為最大化的利用風(fēng)電資源提供依據(jù)。預(yù)測精度統(tǒng)計(jì)程序部署于風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)的預(yù)測應(yīng)用服務(wù)器上。

2.5 數(shù)據(jù)展示及參數(shù)配置模塊

數(shù)據(jù)展示及參數(shù)配置模塊是預(yù)測系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)預(yù)測系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、風(fēng)電場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)的多元可視化展示（曲線、圖形、報(bào)表等）、預(yù)測精度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的展示、限電約束和短期預(yù)測結(jié)果的人工修正以及用戶權(quán)限的管理。主要功能包括系統(tǒng)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、人工操作和用戶權(quán)限管理等。

系統(tǒng)參數(shù)配置功能用于設(shè)置預(yù)測系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)，包括風(fēng)電場信息配置、測風(fēng)塔信息配置、風(fēng)機(jī)信息配置和預(yù)測模型參數(shù)配置等，同時(shí)提供數(shù)據(jù)有效性校驗(yàn)、冗余檢測和清除等功能。

數(shù)據(jù)展示功能用于對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場的風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕壓、功率等實(shí)時(shí)和預(yù)測數(shù)據(jù)以及預(yù)測精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和多元可視化展示，展示方式包括曲線、報(bào)表、玫瑰圖和柱狀圖等，同時(shí)還提供數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和圖形打印功能。

統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能主要包括考核指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表（準(zhǔn)確率、平均絕對(duì)誤差、相對(duì)絕對(duì)誤差的日月年統(tǒng)計(jì)）、預(yù)測狀態(tài)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、預(yù)測文件生成狀態(tài)統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。

人工操作功能主要包括短期和超短期重新預(yù)測、重新上報(bào)、限電約束管理、預(yù)測結(jié)果人工修正和開機(jī)容量填報(bào)等。

用戶權(quán)限管理功能用于對(duì)不同用戶登錄身份的驗(yàn)證，根據(jù)用戶身份為其分配相應(yīng)權(quán)限，保證了數(shù)據(jù)及操作的安全性。風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)可以為每個(gè)下屬風(fēng)電場分配一個(gè)用戶，每個(gè)用戶只能對(duì)指定場站信息進(jìn)行查詢。在風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)側(cè)的Web服務(wù)器上部署應(yīng)用程序。在風(fēng)電場側(cè)的內(nèi)部網(wǎng)中轉(zhuǎn)通信機(jī)通過瀏覽器訪問便可查詢其信息。

3 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)建設(shè)風(fēng)電場的規(guī)模越來越大，加強(qiáng)對(duì)下屬風(fēng)電場運(yùn)行數(shù)據(jù)的集中管理越來越重要?；诖?，本文設(shè)計(jì)開發(fā)一套基于集中預(yù)報(bào)的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)建設(shè)的總體架構(gòu)和功能模塊設(shè)計(jì)，介紹了系統(tǒng)的主要功能，便于風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)對(duì)下屬各并網(wǎng)風(fēng)電場運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集中預(yù)報(bào)和統(tǒng)一管理，為風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)決策分析提供數(shù)據(jù)支持。目前，系統(tǒng)已在某風(fēng)力發(fā)電集團(tuán)總部實(shí)施，下屬10座并網(wǎng)風(fēng)電場，分別位于廣東、新疆和呼盟三地。從預(yù)測系統(tǒng)投入運(yùn)行的效果來看，預(yù)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、下載、上報(bào)調(diào)度等通信正常，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，符合風(fēng)電場及電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的運(yùn)行要求。

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