分布式光伏前端數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究

摘 要：本文針對(duì)分布式光伏的前端數(shù)據(jù)采集問(wèn)題，提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)估計(jì)方法，將輻射照度、輸出功率為基本特征向量，用于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)輸入，進(jìn)而對(duì)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、迭代過(guò)程、池化處理進(jìn)行理論描述，并在試驗(yàn)過(guò)程中給出采集數(shù)據(jù)的估計(jì)流程，對(duì)估計(jì)結(jié)果和真實(shí)采集結(jié)果進(jìn)行類(lèi)比。關(guān)聯(lián)系數(shù)的結(jié)果表明，本文提出的采集方法是有效的。

關(guān)鍵詞：分布式；光伏；前端數(shù)據(jù)采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 61" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著石化能源日益瀕臨枯竭，世界各國(guó)開(kāi)始普遍重視太陽(yáng)能利用。太陽(yáng)能不僅是可再生資源，也是一種清潔型能源[1]。光伏發(fā)電技術(shù)是利用太陽(yáng)能的有效手段，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。近年來(lái)，我國(guó)一直致力于光伏發(fā)電的新能源開(kāi)發(fā)，配置的光伏發(fā)電設(shè)備總?cè)萘恳呀?jīng)超過(guò)2.0億千瓦[2]。在各種光伏發(fā)電的技術(shù)構(gòu)成中，分布式光伏具有十分重要的地位，在光伏發(fā)電總?cè)萘恐械恼急瘸^(guò)30%。如果能高效利用分布式光伏，太陽(yáng)能將得到最大限度的利用。目前，困擾分布式光伏技術(shù)的一個(gè)突出難題就是太陽(yáng)能采集的前端設(shè)備分散到不同位置，而不同位置的采集條件、工作場(chǎng)景和氣象情況存在很大差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集情況復(fù)雜[3]。部分條件不成熟的位置無(wú)法配置采集設(shè)備，導(dǎo)致整體上采集數(shù)據(jù)不全。因此對(duì)分布式光伏進(jìn)行前端數(shù)據(jù)采集研究是解決光伏發(fā)電的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 分布式光伏前端缺失數(shù)據(jù)的虛擬采集策略

分布式光伏和集中式光伏的發(fā)電模式不同。分布式光伏采用的是分布式發(fā)電模式，即將發(fā)電設(shè)備分散在分散的地區(qū)，形成覆蓋較廣的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏的裝機(jī)容量相對(duì)較小，一般為幾十千瓦到幾百千瓦不等。而集中式光伏的裝機(jī)容量較大，一般為幾百千瓦甚至上千兆瓦級(jí)別。分布式光伏建設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要太多的投資和土地資源，可以在農(nóng)田、屋頂和工業(yè)園區(qū)等地區(qū)布建，以便更充分地利用資源。

分布式光伏的前端數(shù)據(jù)采集覆蓋范圍更大，因此涉及的地形條件、氣象條件和采集環(huán)境存在較大差異。部分需要覆蓋的地區(qū)因架設(shè)困難而無(wú)法安裝前端設(shè)備。部分地區(qū)雖然架設(shè)了設(shè)備，但工作條件惡劣，無(wú)法采集到有效數(shù)據(jù)。因此，本文的主要工作就是對(duì)分布式光伏前端缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬采集。其基本思路是利用可采集數(shù)據(jù)區(qū)域關(guān)鍵參數(shù)的相似性，對(duì)無(wú)法采集數(shù)據(jù)的區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而補(bǔ)足缺失區(qū)域。

對(duì)分布式光伏的前端設(shè)備來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)光照射到光伏板材上，采集裝置就會(huì)吸收太陽(yáng)能，并根據(jù)采集能量的大小完成功率輸出。因此太陽(yáng)光的輻射照度和光伏前端的輸出功率具有對(duì)應(yīng)性。如果能得到某一區(qū)域的輸出功率，就可以估算出該區(qū)域?qū)?yīng)的輻射照度。同樣的原理，如果可以判斷出某一區(qū)域的輻射照度，就可以估算出該區(qū)域的輸出功率。如圖1和圖2所示。

根據(jù)圖1和圖2可知，A地和B地2個(gè)不同區(qū)域布置的分布式光伏前端采集裝置的輻射照度曲線和輸出功率曲線的變化基本一致，幅度的波動(dòng)范圍也具有較好的一致性。

假設(shè)A地和B地的光照強(qiáng)度接近，分布式光伏前端需要分別安置在A地和B地并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，但是B地因?yàn)闂l件不允許無(wú)法安裝，因此可以用A地的光伏前端數(shù)據(jù)對(duì)B地的光伏前端數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而形成B地光伏前端數(shù)據(jù)的虛擬采集。因?yàn)锽地的光照強(qiáng)度和A地接近，所以可以通過(guò)A地的歷史數(shù)據(jù)對(duì)B地進(jìn)行估計(jì)。

2 基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前端數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法

根據(jù)第1節(jié)給出的思路，進(jìn)一步構(gòu)建基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏前端數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法。經(jīng)驗(yàn)表明，如果用一個(gè)可以實(shí)際采集數(shù)據(jù)的地區(qū)的歷史信息去估計(jì)一個(gè)光照強(qiáng)度類(lèi)似地區(qū)的光伏數(shù)據(jù)，需要在時(shí)間上盡可能處于同一跨度。最好的時(shí)間差異不超過(guò)15 d，這樣進(jìn)行的預(yù)測(cè)才是準(zhǔn)確的。同時(shí)，歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)要建立某種聯(lián)系，可以采用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)系機(jī)制訓(xùn)練。本文采用的是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法，其深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練框架如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，將實(shí)地采集的各種數(shù)據(jù)信息作為輸入和輸出對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，得到穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系后，就可以利用該網(wǎng)絡(luò)對(duì)缺失地區(qū)的光伏前端數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

進(jìn)而本文使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別與輸入數(shù)據(jù)中的局部信息進(jìn)行較低維度的相關(guān)語(yǔ)義表達(dá)。該卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由滑動(dòng)窗口和回歸層組成，滑動(dòng)窗口由幾組3×3卷積核組成，用于提取輸入數(shù)據(jù)信息的低語(yǔ)義表達(dá)。在每個(gè)滑動(dòng)位置o都有一個(gè)c1維跨通道特征向量v，這些數(shù)據(jù)中的一個(gè)分量如公式（1）所示。

vsi=θ（W3×3i·w3（o）），i=1，2，...，c1 " "（1）

式中：v為特征向量；o為滑動(dòng)位置；Wi 3×3為一個(gè)窗口，窗口可以用于滑動(dòng)；w3為一個(gè)以o為中心的3×3區(qū)域。

然后將幾個(gè)1×1卷積核作用于vs，如公式（2）所示。

vrj=BReLU（W1×1j·vs），j=1，2，...，c2" （2）

式中：vrj為vr的第j個(gè)元素，每個(gè)元素中包括c2個(gè)要傳輸?shù)暮蜻x對(duì)象。

為了保證輸出值為[0，1]，本文將雙邊整流線性激活單元作為輸出層的激活函數(shù)，其定義為x→min（max（x，0），1）。

與wr（p）相關(guān)的最終預(yù)估媒介透射率是對(duì)vr的池化結(jié)果，如公式（3）所示。

（3）

式中：（p）為池化結(jié)果；c2為要傳輸?shù)暮蜻x對(duì)象的數(shù)量；v為特征向量。

均方誤差用于計(jì)算預(yù)期結(jié)果與實(shí)際輸出間差異的損失函數(shù)，如公式（4）所示。

（4）

式中：T為期望輸出；為實(shí)際輸出的池化結(jié)果；L為預(yù)期結(jié)果與實(shí)際輸出間差異的損失函數(shù)。

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的區(qū)塊操作下，網(wǎng)絡(luò)輸出的池化結(jié)果存在區(qū)塊偽信息。為了進(jìn)一步細(xì)化池化結(jié)果，使用導(dǎo)向?yàn)V波算法平滑預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的池化結(jié)果。

導(dǎo)向?yàn)V波算法假設(shè)導(dǎo)向圖和局部區(qū)域中的濾波輸出線性相關(guān)?；谠撽P(guān)鍵假設(shè)，可以將池化結(jié)果的結(jié)構(gòu)線性轉(zhuǎn)換為精細(xì)池化結(jié)果，如公式（5）所示。

t（i）=a（p）Igray（i）+b（p），i∈wr（p） " "（5）

式中：a（p）為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的線性系數(shù)；b（p）為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的線性常數(shù)；I（i）為光伏前端的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)；t（i）為池化結(jié)果，如公式（6）所示。

t（i）=（i）-μ（i） " "（6）

式中：μ為一些冗余信息，例如噪聲和干擾等。

公式（6）可以保證最終輸出t的值近似于。在窗口wr（p）中，可以將如公式（7）所示的代價(jià)函數(shù)最小化來(lái)求解（a（p），b（p））。

（7）

式中：E為代價(jià)函數(shù)；t（i）為正則化系數(shù)，用來(lái)調(diào)整過(guò)大的a（p）。

公式（7）的解可以使用線性嶺回歸模型來(lái)解。

3 分布式光伏前端數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)與結(jié)果分析

本文將試驗(yàn)地某區(qū)域內(nèi)已安裝數(shù)據(jù)采集裝置的一個(gè)分布式光伏電站的輻照數(shù)據(jù)與功率數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)。在原始的光伏功率與輻照歷史數(shù)據(jù)中，每日數(shù)據(jù)有效采集的起始時(shí)間并不都是完全統(tǒng)一的，而且數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)較密集，因此模型的輸入變量不一致且較復(fù)雜，增加了模型開(kāi)銷(xiāo)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，將數(shù)據(jù)采集的時(shí)間窗口定為05：00—19：00，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1 h。試驗(yàn)中，光伏前端數(shù)據(jù)訓(xùn)練和預(yù)測(cè)流程如圖4所示。

經(jīng)過(guò)上述多個(gè)處理步驟并根據(jù)相似地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)未知地區(qū)的光伏前端數(shù)據(jù)，從而完成缺失數(shù)據(jù)地區(qū)的虛擬采集。

按照上述的方法和流程估計(jì)試驗(yàn)地的光伏前端輸出功率數(shù)據(jù)。估計(jì)時(shí)段在一天的05：00—19：00。估計(jì)結(jié)果顯示，在10：00—13：00光伏前端的輸出功率達(dá)到峰值區(qū)域，該時(shí)間也正是試驗(yàn)地日照最強(qiáng)的時(shí)間。由于該時(shí)間段的輻射照度高、輻射能大，因此該光伏設(shè)備的輸出功率也較大。為了驗(yàn)證估計(jì)結(jié)果，同時(shí)配置光伏前端設(shè)備并進(jìn)行采集，二者的關(guān)系曲線如圖5所示。

可以看出，2組曲線的擬合程度非常高，06：00—17：00嚴(yán)格吻合，輸出功率的幅值、曲線的變化形態(tài)也基本一致，充分表明了預(yù)測(cè)方法的有效性。

擴(kuò)大光伏前端數(shù)據(jù)的虛擬采集時(shí)間范圍，從單日預(yù)測(cè)增加到100 d，如圖6所示。如果虛擬采集的估計(jì)結(jié)果與真實(shí)結(jié)果相符，那么2組數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度必須維持在較高水平。根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)分析方法原則，如果大數(shù)據(jù)樣本間的關(guān)聯(lián)程度持續(xù)維持在0.7以上，則表明2組數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。根據(jù)本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果，光伏前端數(shù)據(jù)的估計(jì)結(jié)果和真實(shí)結(jié)果間的關(guān)聯(lián)系數(shù)均分布在0.7以上，95%以上的關(guān)聯(lián)系數(shù)分布在0.75以上，85%以上的關(guān)聯(lián)系數(shù)分布在0.80以上，充分表明本文光伏前端數(shù)據(jù)采集方法的有效性。

4 結(jié)論

光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能最有效的方法之一，也是目前正在廣泛研究的實(shí)用技術(shù)。在眾多光伏發(fā)電設(shè)備中，分布式光伏具有十分重要的地位。但是，分布式光伏分布節(jié)點(diǎn)多，受不同位置的采集條件、環(huán)境狀況和氣象因素的影響，數(shù)據(jù)采集困難。為了保證分布式光伏前端數(shù)據(jù)采集的完整性，本文提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法，用可采集地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)對(duì)類(lèi)似地區(qū)的光伏前端數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。并通過(guò)多組試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了該方法對(duì)分布式光伏前端數(shù)據(jù)采集的有效性。

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