基于多源數(shù)據(jù)時點匹配的發(fā)電功率數(shù)據(jù)融合方法

肖 白王成龍董 凌嚴(yán)干貴王茂春楊洪志

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2.國網(wǎng)青海省電力公司，青海 西寧810008)

0 引言

近年來，傳統(tǒng)化石能源被大量開發(fā)和使用，導(dǎo)致能源資源緊張、環(huán)境惡化等突出問題，嚴(yán)重威脅人類生存和可持續(xù)發(fā)展。推動以可再生能源為主體的能源體系建設(shè)是中國乃至全世界大多數(shù)國家的戰(zhàn)略選擇，以風(fēng)能、太陽能發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電在我國迅猛發(fā)展，并形成了大規(guī)模開發(fā)、集中式并網(wǎng)的發(fā)展道路[1-3]。然而，風(fēng)能、太陽能發(fā)電出力的隨機性、波動性、間歇性等不確定性給電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。真實可靠的電力系統(tǒng)發(fā)電功率數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、控制研究的基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)發(fā)電功率數(shù)據(jù)時點不匹配會影響其分析結(jié)果的準(zhǔn)確性、權(quán)威性。因此，對電力系統(tǒng)發(fā)電功率數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量提出了更高的要求。

當(dāng)前電力系統(tǒng)中基于GPS的廣域量測系統(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)已逐漸建立起來，與現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)相比，WAMS系統(tǒng)的相量測量單元(phasor mesure unit，PMU)可以實現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)異地同步測量，測量數(shù)據(jù)精度高且可以提供具有統(tǒng)一時標(biāo)的測量數(shù)據(jù)。而電力系統(tǒng)電源具有數(shù)量龐大且分布廣泛的特點，由于經(jīng)濟和技術(shù)的限制，目前PMU裝置部署并不完全，不能滿足整個電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的要求，必須與SCADA系統(tǒng)相互配合才能實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的要求。然而，SCADA系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一的時標(biāo)，采集到的數(shù)據(jù)存在時點不匹配的問題，針對此問題，現(xiàn)階段研究主要分為以下兩方面：

1)利用數(shù)據(jù)挖掘理念，挖掘 WAMS和SCADA數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，使用帶有準(zhǔn)確時標(biāo)的PMU數(shù)據(jù)標(biāo)記SCADA數(shù)據(jù)[4-8]。文獻[9]對WAMS與SCADA數(shù)據(jù)相關(guān)度分析，取相關(guān)度最大的WAMS數(shù)據(jù)時標(biāo)作為SCADA數(shù)據(jù)的時標(biāo)。文獻[10]通過在SCADA測量周期內(nèi)找出一組數(shù)據(jù)使得與PMU數(shù)據(jù)差值最小，則此時的SCADA數(shù)據(jù)所對應(yīng)的時標(biāo)即為該時刻的PMU時標(biāo)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步的目的。上述方法都必須需要與PMU數(shù)據(jù)配合，未裝置PMU區(qū)域數(shù)據(jù)仍存在此問題。

2)利用時間同步技術(shù)，從數(shù)據(jù)采集端提高數(shù)據(jù)同步性[11-13]。文獻[14]提出多時鐘域內(nèi)選擇最佳時鐘的方法解決時間不同步問題。文獻[15]全網(wǎng)采用GPS授時及對時機制，確保各站時鐘統(tǒng)一。文獻[16]主站端提供統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，確保各廠站時間的一致性。雖然時間同步技術(shù)不斷的提高技術(shù)，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，但是在GPS和北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)中由于設(shè)備品牌不同這就使得站間的時間不能夠統(tǒng)一，電力系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)仍存在時點不匹配的問題，所以直接不經(jīng)處理地融合會影響融合結(jié)果的準(zhǔn)確性。

針對上述問題，本文提出基于多源數(shù)據(jù)時點匹配的電力系統(tǒng)發(fā)電功率數(shù)據(jù)融合方法。該方法有效地利用負(fù)荷與各電源發(fā)電功率數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，建立多源數(shù)據(jù)時點匹配模型，根據(jù)模型求解結(jié)果，對各電源發(fā)電功率數(shù)據(jù)時間序列進行時點匹配，進而完成多源數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的融合。經(jīng)過實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)算例的驗證，其結(jié)果表明，時點匹配后的電力系統(tǒng)電源發(fā)電功率數(shù)據(jù)融合結(jié)果與不經(jīng)處理的數(shù)據(jù)融合結(jié)果相比具有更高的準(zhǔn)確性。

1 多源數(shù)據(jù)時點匹配的基本原理

1.1 確定基準(zhǔn)時間序列

時間序列是某個物理量的記錄值與時間節(jié)點組成的元素的有序集合[17]。在廣義時間序列中，記錄值不局限于數(shù)值，可以是多媒體數(shù)據(jù)、離散符號、自定義模型數(shù)據(jù)等多種信息。在狹義時間序列中，記錄值一般指某一實數(shù)值。

電力系統(tǒng)中的多源數(shù)據(jù)時間序列是多個不同的狹義時間序列，包括各電源輸出功率的時間序列和負(fù)荷的時間序列。根據(jù)引言中分析電力系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)存在時點不匹配的問題及原因，從電力系統(tǒng)電源輸出功率與負(fù)荷之間的關(guān)系出發(fā)，本文選取系統(tǒng)總負(fù)荷時間序列作為多源數(shù)據(jù)中其他時間序列的基準(zhǔn)時間序列，那么一段時間內(nèi)的基準(zhǔn)時間序列可以表示為y(t)，t=0，Δt，2Δt，…，iΔt，…，(n-1)Δt，y(t)表示t時刻記錄的總負(fù)荷值；Δt表示數(shù)據(jù)取樣間隔時間。圖1為青海省某地區(qū)一天系統(tǒng)總負(fù)荷時間序列。

圖1 負(fù)荷時間序列Fig.1 Time series of the load

1.2 建立各電源輸出功率時間序列相對于基準(zhǔn)時間序列的表達式

在確定基準(zhǔn)時間序列之后，準(zhǔn)確表示基準(zhǔn)時間序列下各電源輸出功率時間序列是完成基于多源數(shù)據(jù)時點匹配的電力系統(tǒng)發(fā)電功率數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵一步。

在建立各電源輸出功率時間序列相對于基準(zhǔn)時間序列的表達式之前，首先需要確定基準(zhǔn)時間序列下電源輸出功率時間序列各個點在未進行時點匹配的電源輸出功率時間序列上的位置，利用Δt i與Δt表示電源輸出功率時間序列的時間與基準(zhǔn)時間序列時間相差的采樣間隔數(shù)，記作Z i，根據(jù)取整函數(shù)其表示形式如式(1)所示，

式中：i表示電源的編號(i=1，2，3，…，n，n表示系統(tǒng)中電源數(shù)量)；Δt i表示第i個電源輸出功率時間序列時間相對基準(zhǔn)時間序列時間的差值；Δt表示數(shù)據(jù)采樣間隔時間。

由Z i確定基準(zhǔn)時間序列下電源輸出功率時間序列各個點在為時點匹配的電源輸出功率時間序列上所處范圍，結(jié)合其相鄰兩個采樣點數(shù)據(jù)表示基準(zhǔn)時間序列下第i個電源第j個時間段兩個采樣數(shù)據(jù)連線的斜率，記作k i.j，其表示形式如式(2)所示，

式中：k i.j基準(zhǔn)時間序列下第i個電源第j個時間段2個采樣數(shù)據(jù)連線的斜率；j表示采樣數(shù)據(jù)時間段編號，j=1，2，3，…，N，N表示采樣數(shù)據(jù)時間段個數(shù)；f i(t)表示第i個電源輸出功率時間序列表達式；Δt表示數(shù)據(jù)采樣間隔時間。

由式(1)、(2)各電源輸出功率時間序列相對于基準(zhǔn)時間序列的表達式可表示為(3)所示，

式中：f′i(t)表示基準(zhǔn)時間序列下第i個電源輸出功率時間序列表達式。

1.3 建立多源數(shù)據(jù)時點匹配模型

為保證時點匹配的電源輸出功率時間序列在公共時間區(qū)域內(nèi)完成融合，本文引入時間共同域的概念，即時點匹配后的各電源輸出功率時間序列公共時間區(qū)域。

設(shè)n個電源輸出功率時間序列時間相對基準(zhǔn)時間序列時間的差值表示為{Δt1，Δt2，…，Δt i，…，Δt n}，取各電源輸出功率時間序列相對基準(zhǔn)時間序列時間的差值最小值和最大值如式(4)所示，

式中：Δt imin、Δt imax分別表示各電源輸出功率時間序列相對基準(zhǔn)時間序列時間最小值和最大值。

將Δtimin、Δt imax帶入公式(1)分別得到Z imin、Z imax。根據(jù)Z imin、Z imax確定時間共同域的首末位置，其表達形式如式(5)所示，

式中：t表示各電源輸出功率時間序列時間共同域；Δt imin、Δt imax分別表示個電源輸出功率時間序列時間相對基準(zhǔn)時間序列時間的差值的最小值與最大值；Z imin、Z imax分別表示各電源輸出功率時間序列的時間與基準(zhǔn)時間序列時間相差的采樣間隔數(shù)的最小值與最大值。

根據(jù)引言部分分析的問題，利用負(fù)荷與電源輸出功率關(guān)系建立多源輸出功率時點匹配模型如式(6)所示，

式中y(t)表示系統(tǒng)總負(fù)荷。

2 融合各電源時間序列

根據(jù)上一節(jié)介紹的方法，對各電源輸出功率進行時點匹配處理后，得到各電源時點匹配后的輸出功率表達形式，記作f′i(t)，在各電源輸出功率時間序列時間共同域內(nèi)系統(tǒng)發(fā)電功率可用式(7)計算，

式中：P(t)表示時點匹配后系統(tǒng)發(fā)電功率；t表示各電源輸出功率時間序列時間共同域。

3 算例分析

本節(jié)利用青海省某地區(qū)4個風(fēng)電場輸出功率數(shù)據(jù)以及風(fēng)電場所供區(qū)域負(fù)荷數(shù)據(jù)，計算各個風(fēng)電場輸出功率時間序列相對基準(zhǔn)時間序列時間的差值以及風(fēng)電場輸出功率數(shù)據(jù)的融合結(jié)果，通過對比風(fēng)電場所供區(qū)域負(fù)荷數(shù)據(jù)與未經(jīng)時點匹配的風(fēng)電場輸出功率數(shù)據(jù)和時點匹配后的風(fēng)電場輸出功率數(shù)據(jù)融合結(jié)果的統(tǒng)計參數(shù)來衡量融合結(jié)果的準(zhǔn)確性，其中一般統(tǒng)計參數(shù)包括平均值、絕對誤差、相對誤差。

3.1 多源數(shù)據(jù)時點匹配模型的計算

根據(jù)風(fēng)電場所供區(qū)域負(fù)荷數(shù)據(jù)，將時間長度為一天中每5 min取一點形成新的負(fù)荷時間序列作為電源側(cè)時間序列基準(zhǔn)，按照1.2和1.3中的方法建立多源數(shù)據(jù)時點匹配模型。4個風(fēng)電場分別標(biāo)號為WF1、WF2、WF3、WF4，帶入各個風(fēng)電場輸出功率實測數(shù)據(jù)求解個風(fēng)電場輸出功率時間序列相對基準(zhǔn)時間序列時間的差值，求解結(jié)果如表1所示。

表1 時點匹配模型求解結(jié)果Table 1 The solution result of time-point matching model

根據(jù)時點匹配模型求解結(jié)果，按照文中公式(1)(4)(5)確定各個風(fēng)電場輸出功率時間共同域t，t=5，10，15…1 430。再根據(jù)多源數(shù)據(jù)融合模型得到多源數(shù)據(jù)融合結(jié)果如圖2所示。為了能夠清晰、直觀的對比，只給出部分的融合結(jié)果。

3.2 統(tǒng)計參數(shù)比較

時點匹配后的風(fēng)電場輸出功率與未經(jīng)時點匹配的風(fēng)電場輸出功率融合結(jié)果按照相同的分為12段，計算每段的平均值以及各統(tǒng)計指參數(shù)的絕對誤差和相對誤差，并與風(fēng)電場所供區(qū)域負(fù)荷序列參數(shù)值進行對比，結(jié)果如表2所示。

圖2 部分負(fù)荷時間序列、時點匹配融合的風(fēng)電場輸出功率時間序列及未時點匹配融合的風(fēng)電場輸出功率時間序列Fig.2 Part of Load time series,time series of wind farms output power fusion with time-point matching and time series of wind farms output power fusion without time-point matching

從表2可以看出，未經(jīng)時點匹配的風(fēng)電場輸出功率融合結(jié)果與負(fù)荷序列平均值相差較大，而時點匹配后的風(fēng)電場功率融合結(jié)果不僅在平均值上更接近于負(fù)荷序列，且每個時段風(fēng)電場輸出功率融合結(jié)果變化情況也符合與該區(qū)域風(fēng)電場所供負(fù)荷變化情況。由此可知，時點匹配后的風(fēng)電場輸出功率融合結(jié)果具有更高的精度。為了能夠更加清晰的對比時點匹配后的風(fēng)電場輸出功率與未時點匹配的風(fēng)電場輸出功率融合結(jié)果的差別，各時段平均值的相對誤差如圖3所示。

表2 不同時段電源輸出功率融合結(jié)果的平均值比較Table 2 Comparison of average of power output power fusion results in different time periods

圖3 時點匹配前后序列平均值相對誤差Fig.3 Average relative error of series with and without time-point matching

4 結(jié)論

為了更好的解決電力系統(tǒng)中多源輸出功率數(shù)據(jù)時點不匹配的問題，本文提出了基于多源數(shù)據(jù)時點匹配的電力系統(tǒng)發(fā)電功率融合方法。經(jīng)過實例驗證，應(yīng)用本文方法求解的電力系統(tǒng)發(fā)電功率數(shù)據(jù)融合結(jié)果具有更高的精度，為電力系統(tǒng)的規(guī)劃、調(diào)度、控制的研究提供真實可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。