基于時(shí)序指數(shù)平滑法的風(fēng)電場短期功率預(yù)測研究

張慧娥，朱婷婷，胡衡，蘭鴿，肖長江

(1.新疆工程學(xué)院能源工程學(xué)院，新疆烏魯木齊，830023；2.新疆機(jī)場（集團(tuán)）烏魯木齊分公司飛行區(qū)管理部電力運(yùn)行管理中心，新疆烏魯木齊，830000)

0 引言

風(fēng)電作為重要的可再生能源，對全球能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。但由于風(fēng)電功率具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，大規(guī)模風(fēng)電場接入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，較大幅度地風(fēng)電功率波動(dòng)會(huì)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利影響[1][2]。如果風(fēng)電場通過站端功率預(yù)測系統(tǒng)上傳的短期功率預(yù)測準(zhǔn)確性較高，電力調(diào)度部門就能夠根據(jù)風(fēng)電場上傳的短期預(yù)測功率安排調(diào)度日前運(yùn)行計(jì)劃，保證電網(wǎng)的電力電量平衡和安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，提高風(fēng)電功率實(shí)時(shí)預(yù)測的準(zhǔn)確性對改善風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行有著重要意義。

本文以新疆電網(wǎng)某風(fēng)電場實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于時(shí)序指數(shù)平滑法對風(fēng)電場短期功率進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)評價(jià)指標(biāo)對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，驗(yàn)證了預(yù)測模型的有效性及可行性。

1 風(fēng)電場功率預(yù)測方法

根據(jù)預(yù)測的時(shí)間尺度可分為實(shí)時(shí)預(yù)測（5-15分鐘）、日內(nèi)超短期預(yù)測（4小時(shí)以內(nèi)）、日前短期預(yù)測（72小時(shí)以內(nèi)）、中期預(yù)測（3-7天）、長期預(yù)測（年度）[3]。實(shí)時(shí)預(yù)測主要用于實(shí)時(shí)調(diào)度和調(diào)整AGC機(jī)組容量；日內(nèi)預(yù)測主要用于實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電計(jì)劃和安排調(diào)度計(jì)劃；日前預(yù)測主要用于安排常規(guī)機(jī)組出力計(jì)劃、優(yōu)化機(jī)組組合方式、解決電網(wǎng)調(diào)峰問題和日前電力市場交易等；中期預(yù)測主要用于安排機(jī)組檢修或調(diào)試及電網(wǎng)運(yùn)行方式調(diào)整；長期預(yù)測主要用于風(fēng)電資源評估和風(fēng)電場規(guī)劃設(shè)計(jì)及選址。為解決電網(wǎng)調(diào)峰問題，合理安排調(diào)度計(jì)劃，本文對風(fēng)電場日前短期功率進(jìn)行預(yù)測。

目前，常用的風(fēng)功率預(yù)測方法有：基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的物理計(jì)算方法、統(tǒng)計(jì)方法和人工智能方法。本文采用基于功率的預(yù)測的統(tǒng)計(jì)方法，該方法用于短期功率預(yù)測，有較好的精度。統(tǒng)計(jì)法是在系統(tǒng)的輸入（風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)、歷史至少一年的氣象實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)數(shù)值氣象數(shù)據(jù)）與風(fēng)電功率之間建立某種映射關(guān)系，這種映射關(guān)系常采用指數(shù)平滑法、回歸分析法、時(shí)間序列預(yù)測法、卡爾曼濾波法、灰度預(yù)測法等，通過歷史數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)出來的一些規(guī)律對某段時(shí)間的風(fēng)功率展開預(yù)測。

2 時(shí)序指數(shù)平滑法

指數(shù)平滑法根據(jù)平滑次數(shù)可分為一次指數(shù)平滑法、二次指數(shù)平滑法和三次指數(shù)平滑法等。

2.1 一次指數(shù)平滑法

一次指數(shù)平滑法是利用前一期的預(yù)測值St代替Xt-n得到預(yù)測的通式，即

這是一種加權(quán)預(yù)測，權(quán)數(shù)為α。α的大小規(guī)定了在新預(yù)測值中新數(shù)據(jù)和原預(yù)測值所占的比重。權(quán)數(shù)α值越小，新數(shù)據(jù)所占的比重就愈小，原預(yù)測值所占的比重就愈大，反之亦然。前一期預(yù)測值加上根據(jù)前期預(yù)測值中產(chǎn)生的誤差的修正值得到后一期的預(yù)測值。一次指數(shù)平滑法比較簡單，但問題是不斷反復(fù)地優(yōu)化α值，以使均方差最小，需要通過反復(fù)試驗(yàn)確定最佳的α值。

2.2 二次指數(shù)平滑法

一次指數(shù)平滑法在時(shí)間序列變動(dòng)出現(xiàn)恒直線趨勢時(shí)，一次指數(shù)平滑預(yù)測值存在明顯的時(shí)間滯后偏差現(xiàn)象，因此，一次指數(shù)平滑法必須加以修正。修正的方法在一次指數(shù)平滑法的基礎(chǔ)上再作一次指數(shù)平滑，利用滯后偏差的規(guī)律建立直線趨勢模型。這就是二次指數(shù)平滑法。其計(jì)算公式為：

二次指數(shù)平滑法的預(yù)測模型為：

式中：at是t時(shí)期的水平值，bt是t時(shí)期的線性增量。

2.3 三次指數(shù)平滑法

二次指數(shù)平滑法能隨著時(shí)間序列呈拋物線增長而調(diào)整預(yù)測值，但在時(shí)間序列變動(dòng)時(shí)出現(xiàn)二次曲線趨勢時(shí)，需要在二次指數(shù)平滑的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次指數(shù)平滑。三次指數(shù)平滑計(jì)算過程較二次指數(shù)平滑法復(fù)雜，其計(jì)算公式為:

式中：at是t時(shí)期的水平值，bt是t時(shí)期的線性增量，ct是t時(shí)期的拋物線增量。

3 Matlab中預(yù)測模型的建立

Step1：初始化，用最初三期觀測值的平均值作為初始平滑值。平滑權(quán)數(shù)α初值設(shè)定為0.4。

Step2：一次指數(shù)平滑預(yù)測。

Step3：二次指數(shù)平滑預(yù)測。

Step4：三次指數(shù)平滑預(yù)測。

Step5：計(jì)算相對誤差，平滑權(quán)數(shù)權(quán)數(shù)α+0.1，進(jìn)行step2-4的循環(huán)，直到平滑權(quán)數(shù)權(quán)數(shù)α最大值1時(shí)循環(huán)結(jié)果。

Step6：根據(jù)相對誤差最小原則，選擇相應(yīng)平滑權(quán)數(shù)。

Step7：輸出預(yù)測結(jié)果。

4 風(fēng)電場短期功率預(yù)測

4.1 預(yù)測實(shí)例

裝機(jī)容量為49.5MW的新疆某風(fēng)電場，該風(fēng)電場由33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，每臺(tái)機(jī)組的額定容量為1500kW。以5月12-14日，用樣板機(jī)法還原的理論發(fā)電功率數(shù)據(jù)為觀測值（采樣周期：15min）。用本文中的中的時(shí)序三次指數(shù)平滑法對風(fēng)電場短期功率進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)相對誤差最小原則，選擇的平滑權(quán)數(shù)α=0.9為最佳值，逐步逼近觀測值。得到5.12.0.0-5.14.23.45 發(fā)電功率隨時(shí)點(diǎn)變化圖像如圖1所示。

圖1 發(fā)電功率隨時(shí)點(diǎn)變化圖像

4.2 預(yù)測結(jié)果評價(jià)

從表1中看出，平滑權(quán)數(shù)為0.9時(shí)，對應(yīng)的總絕對誤差之和最小為247.5。以此，平滑權(quán)數(shù)為0.9時(shí)，使預(yù)測的結(jié)果精度更高。滿足《國家能源局關(guān)于印發(fā)風(fēng)電場功率預(yù)測預(yù)報(bào)管理暫行辦法的通知》中預(yù)測精度要求，故驗(yàn)證了預(yù)測模型的有效性及可行性。

表1 不同平滑權(quán)數(shù)對應(yīng)的絕對誤差

5 結(jié)輪

本文中基于時(shí)序三次指數(shù)平滑法對風(fēng)電場短期功率進(jìn)行預(yù)測，修正了指數(shù)平滑權(quán)數(shù)，使預(yù)測的結(jié)果精度更高。但該方法對平滑權(quán)數(shù)的選擇具有主觀性，對新的觀測數(shù)據(jù)不能自動(dòng)適應(yīng)修改。