孫立成，馬成林，常喜強(qiáng)，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(jìn)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(chǎng)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(jī)變化的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)е嘛L(fēng)電場(chǎng)輸出功率具有波動(dòng)性、間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，大量風(fēng)電場(chǎng)集中并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(duì)風(fēng)速風(fēng)功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的出力進(jìn)行預(yù)報(bào)，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(qiáng)電網(wǎng)接納風(fēng)力發(fā)電的能力、改善電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性的最有效、最經(jīng)濟(jì)的手段之一。通過預(yù)測(cè)，風(fēng)電將從未知變?yōu)榛疽阎鰪?qiáng)系統(tǒng)的安全性、可靠性和可控性。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)的出力曲線優(yōu)化常規(guī)機(jī)組的出力，達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的。

1 風(fēng)功率預(yù)測(cè)情況

風(fēng)功率預(yù)測(cè)方法:根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)，用物理方法計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率;或是根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)與風(fēng)電場(chǎng)功率輸出的關(guān)系、在線實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)方法。目前常見的方法有:基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的方法、基于物理計(jì)算方法和統(tǒng)計(jì)方法。

(1)數(shù)值天氣預(yù)報(bào):根據(jù)大氣實(shí)際情況，在一定初值和邊界條件下，通過數(shù)值計(jì)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(bào)未來天氣的方法。這種預(yù)報(bào)是定量和客觀的預(yù)報(bào)。常用的預(yù)測(cè)方法輸入數(shù)據(jù):風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓等的SCADA實(shí)時(shí)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(bào)數(shù)據(jù)。

(2)物理方法:考慮地形、粗糙度等信息的預(yù)測(cè)方法。利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)(NWP)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)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(jī)周圍的物理信息得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂高度的風(fēng)速、風(fēng)向等信息，最后利用風(fēng)機(jī)的功率曲線計(jì)算得出風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出功率。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)所在地進(jìn)行物理建模，包括風(fēng)場(chǎng)的地形、地表植被及粗糙度、周圍障礙物等等:還對(duì)風(fēng)機(jī)本身的輪轂高度、功率曲線、機(jī)械傳動(dòng)和控制策略等進(jìn)行建模。該方法的輸入?yún)?shù)為數(shù)字氣象預(yù)報(bào)(NWP)模型。由于氣象預(yù)報(bào)的每日更新頻率很低，因此，該方法更適合中期風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量預(yù)測(cè)。

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

(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(dá)到預(yù)測(cè)。

新疆電網(wǎng)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)于2010年7月投入運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)施初期即將當(dāng)時(shí)所有已建風(fēng)電場(chǎng)全部納入預(yù)測(cè)系統(tǒng)，到目前為止，系統(tǒng)預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)為17個(gè)，預(yù)測(cè)總?cè)萘窟_(dá)到1 560.75 MW。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)新疆所有已建風(fēng)電場(chǎng)的超短期功率預(yù)測(cè)。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(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上開發(fā)超短期預(yù)測(cè)模塊，將超短期預(yù)測(cè)無縫融入原預(yù)測(cè)系統(tǒng)中。

2 風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)存在的問題

為了提高電網(wǎng)風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)精度，預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度，準(zhǔn)確性，需要對(duì)每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行建模。按照風(fēng)功率預(yù)測(cè)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(cè)建模以單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)為最小單元進(jìn)行，各風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果累加得到整個(gè)調(diào)度管轄區(qū)的預(yù)測(cè)結(jié)果。單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(duì)比情況如表1。

表1 兩種建模對(duì)比

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

2.1 國(guó)內(nèi)外共性問題

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

(2)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)必須的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)還存在一些問題。由于部分風(fēng)電場(chǎng)還沒有完成實(shí)時(shí)測(cè)風(fēng)塔建設(shè)等原因，風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)風(fēng)信息、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等信息還沒有上傳到調(diào)度中心;部分風(fēng)電場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)的個(gè)性問題

(1)新疆幅員遼闊，地廣人稀，獨(dú)特的“綠洲經(jīng)濟(jì)”與獨(dú)特的“三山夾兩盆”環(huán)境，以及新疆是遠(yuǎn)離海洋的地區(qū)，使得新疆的氣象條件復(fù)雜，氣候多變，對(duì)新疆的風(fēng)資源的預(yù)測(cè)，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(shí)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(shí)又相對(duì)于其他省區(qū)，新疆一個(gè)氣象觀測(cè)點(diǎn)與另外一個(gè)氣象觀測(cè)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn)，這就可能造成新疆一個(gè)氣象觀測(cè)點(diǎn)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(diǎn)少面廣的因素與其他省區(qū)不同，使得新疆風(fēng)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)難度增大。

(3)新疆位居大陸中心，四周遠(yuǎn)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(zhǎng)嚴(yán)寒，夏季炎熱干燥，春秋季短促而變化劇烈。其氣候特點(diǎn)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(cè)系統(tǒng)難度增大。

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

(5)新疆電網(wǎng)中風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員素質(zhì)不高，風(fēng)場(chǎng)自動(dòng)化程度不能滿足風(fēng)功率預(yù)測(cè)需求，風(fēng)電場(chǎng)自身的運(yùn)行維護(hù)，運(yùn)行人員對(duì)機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)的統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的完整性降低，測(cè)風(fēng)計(jì)本身的測(cè)量精度誤差以及風(fēng)速計(jì)旋轉(zhuǎn)時(shí)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(hào)的失真，存儲(chǔ)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(cè)系統(tǒng)難度增大。

(6)新疆電網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)改建、擴(kuò)建、更換機(jī)型的風(fēng)電場(chǎng)較多，對(duì)于許多歷史數(shù)據(jù)不能使用，將需要分類辨識(shí)應(yīng)用，這對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)建模產(chǎn)生了較多的干擾因素，使得新疆風(fēng)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)難度增大。

3 提高新疆風(fēng)功率預(yù)測(cè)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(cè)系統(tǒng)將因新疆獨(dú)特的氣候環(huán)境、風(fēng)況、風(fēng)向的多變、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)資料的不足、涵蓋范圍廣、粗、不能完全滿足風(fēng)功率預(yù)測(cè)需要，缺少風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，風(fēng)電運(yùn)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(shí)也造成模型滯后于風(fēng)電場(chǎng)，給風(fēng)電運(yùn)行調(diào)度運(yùn)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(chǎng)缺少測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)而造成的風(fēng)功率預(yù)測(cè)模型滯后問題，采取將物理辦法與統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，采取相似性預(yù)測(cè)方法，即區(qū)域集中預(yù)測(cè)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(chǎng)劃分為幾個(gè)大區(qū)，對(duì)各區(qū)域內(nèi)部分運(yùn)行工況良好的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行精細(xì)化建模，以一定的優(yōu)化算法將部分風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果外推得到整個(gè)區(qū)域的預(yù)測(cè)結(jié)果，各區(qū)域匯總得到整個(gè)調(diào)度管轄區(qū)內(nèi)的預(yù)測(cè)結(jié)果，同時(shí)通過分析區(qū)域內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)性及上下游效應(yīng)，可將區(qū)域預(yù)測(cè)結(jié)果降至單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。該方法可保證調(diào)度側(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的完整性，初步解決新建風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)模型的滯后問題。

(2)針對(duì)新疆獨(dú)特的風(fēng)資源情況，加大風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔的建設(shè)，對(duì)地形復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)適當(dāng)增加測(cè)風(fēng)塔，積極收集測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)。積極推進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)應(yīng)用的細(xì)化、深化，模型的優(yōu)化及改進(jìn)。以減少數(shù)值天氣預(yù)報(bào)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(jìn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)缺損的情況采用插值填補(bǔ)法，利用同一個(gè)風(fēng)區(qū)的多個(gè)測(cè)風(fēng)塔，互相對(duì)連續(xù)缺損數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)。對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)僅針對(duì)少數(shù)不可靠數(shù)據(jù)，對(duì)統(tǒng)計(jì)方法需要的大量數(shù)據(jù)而言不具有實(shí)用性。大量數(shù)據(jù)不合理或錯(cuò)誤的氣象因子不能被用作預(yù)測(cè)，而應(yīng)該由其它氣象因子替代?？梢员挥米黝A(yù)測(cè)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(gè)氣象因子。對(duì)不能使用的氣象因子可以采用在計(jì)算該氣象因子與其他因子的相關(guān)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行替代。

(4)采用對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行預(yù)測(cè)的方案可以提高預(yù)測(cè)精度，風(fēng)電機(jī)組的停機(jī)或人為因素控制功率輸出也會(huì)影響原始數(shù)據(jù)的有效性。對(duì)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(cuò)誤的風(fēng)電機(jī)組，需要對(duì)歷史功率數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)替代，從而使模型能得以進(jìn)行。替代方法可以根據(jù)分塊預(yù)測(cè)方法進(jìn)行，具體為:基于同型機(jī)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(jī)組的功率曲線進(jìn)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(jī)組的平均功率曲線進(jìn)行折算后再代替。

(5)風(fēng)電運(yùn)行受諸多因素影響，如系統(tǒng)運(yùn)行方式、網(wǎng)絡(luò)約束常規(guī)機(jī)組處理等，所以當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率大于電力系統(tǒng)的接納能力時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)將被限電，但對(duì)于預(yù)測(cè)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(shí)際輸出功率數(shù)據(jù)庫Ⅰ、不受控制時(shí)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(chǎng)功率預(yù)測(cè)，上報(bào)調(diào)度部門;數(shù)據(jù)庫Ⅲ用于本風(fēng)電場(chǎng)數(shù)學(xué)建模和風(fēng)電機(jī)組的功率預(yù)測(cè);數(shù)據(jù)庫Ⅱ用作功率缺額對(duì)比和計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)總的功率預(yù)測(cè)。通過3組數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充，以減少運(yùn)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(cè)系統(tǒng)在新疆電網(wǎng)應(yīng)用情況及存在問題之后，針對(duì)原系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的不足，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，采用精確的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)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(chǎng)管理制度將會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)帶來很大幫助。通過開發(fā)相應(yīng)軟件對(duì)風(fēng)電場(chǎng)氣象信息進(jìn)行統(tǒng)一管理;數(shù)值天氣預(yù)報(bào)信息能夠提供更高分辨率的氣象信息，提高風(fēng)速計(jì)的機(jī)械可靠性和測(cè)量精度，風(fēng)向標(biāo)方面，應(yīng)減少死區(qū)范圍。測(cè)量方法可以用電信號(hào)來代替目前的機(jī)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(jī)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(yùn)行管理的自動(dòng)化水平，提高的數(shù)據(jù)處理和管理自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)處理。提出了在開發(fā)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的過程中還需要進(jìn)一步做的工作，最大程度推進(jìn)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用化。

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