《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出在“十三五”時(shí)期我國(guó)再生能源應(yīng)用規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，并且在能源消費(fèi)中的占比得到提高，能源結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，風(fēng)電和太陽能多元化利用將協(xié)調(diào)開發(fā)，到2020年底我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到2.1億kW以上，太陽能發(fā)電達(dá)到1.1億kW以上。

新能源發(fā)電（風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電）具有隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)，高滲透率、大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行帶來影響。提高新能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)精度，有助于提高新能源發(fā)電的消納水平，提高新能源并網(wǎng)的可觀測(cè)性和可控制性程度。

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法分為人工智能方法、物理特征模型法和互聯(lián)網(wǎng)思維方法等。不同方法模型側(cè)重采用的數(shù)據(jù)種類雖有差異，但對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性都是基本要求。當(dāng)前普遍應(yīng)用的輸入數(shù)據(jù)包括并網(wǎng)功率數(shù)據(jù)、氣象子站數(shù)據(jù)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)等，上述數(shù)據(jù)分別來自于不同安全分區(qū)的系統(tǒng)。

功率預(yù)測(cè)誤差影響因素主要是預(yù)測(cè)模型和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精度，大量研究從這兩方面入手解決問題并分別取得進(jìn)展。工程實(shí)踐中預(yù)測(cè)精度是系統(tǒng)各種因素綜合作用的結(jié)果，如功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)由于通信中斷、數(shù)據(jù)采集錯(cuò)誤、限電、并網(wǎng)容量增加、檢修等，這些原因?qū)е骂A(yù)測(cè)精度下降，解決這些問題將能提升預(yù)測(cè)精度。

1 功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)集成了氣象觀測(cè)子站實(shí)時(shí)氣象信息、數(shù)值氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)功率數(shù)據(jù)，包含接入和展示、功率預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)上報(bào)、預(yù)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)評(píng)估等功能。系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

按電監(jiān)會(huì)二次系統(tǒng)安全防護(hù)方案，系統(tǒng)聯(lián)接應(yīng)滿足橫向隔離、縱向加密的要求。功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)位于Ⅱ區(qū)，監(jiān)控系統(tǒng)位于Ⅰ區(qū)，氣象服務(wù)器位于Ⅲ區(qū)。Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)之間采用網(wǎng)絡(luò)隔離裝置，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間采用防火墻。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)流問題分析

2.1 數(shù)據(jù)流分析

功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)接收了并網(wǎng)功率數(shù)據(jù)，氣象子站數(shù)據(jù)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，向主站上送預(yù)測(cè)結(jié)果 數(shù)據(jù)。工程現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通信節(jié)點(diǎn)多，互相之間的通信協(xié)議差異，再加上管理的問題，會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)流中斷的現(xiàn)象，導(dǎo)致預(yù)測(cè)系統(tǒng)不能正常工作。

通信協(xié)議有：①與監(jiān)控系統(tǒng)之間通過104協(xié)議通信；②氣象子站一般以modbus通信，多需要經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換接入；③數(shù)值天氣預(yù)報(bào)根據(jù)供應(yīng)商情況采用網(wǎng)絡(luò)傳輸；④向主站上送協(xié)議根據(jù)各省區(qū)要求不同通信協(xié)議也有差異。

表1 預(yù)測(cè)系統(tǒng)影響因素表

數(shù)據(jù)異常主要情況包括以下幾種。

1）預(yù)測(cè)結(jié)果上送異常。原因包括由場(chǎng)站通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定導(dǎo)致的通信中斷，由各省區(qū)通信協(xié)議差異開發(fā)調(diào)整帶來的程序異常。直接影響到預(yù)測(cè)系統(tǒng)的考核指標(biāo)，包括上送率和準(zhǔn)確率等。

2）數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)下載異常。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)服務(wù)器直接與外網(wǎng)相連，外部網(wǎng)絡(luò)狀況有直接影響，一旦發(fā)生通信中斷，就將影響到數(shù)值天氣預(yù)報(bào)獲取。同時(shí)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)供應(yīng)商的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及服務(wù)穩(wěn)定性，也是重要的影響因素。

3）氣象觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)異常。本地氣象觀測(cè)儀器的安裝和調(diào)整問題，如需要穩(wěn)固的基礎(chǔ)、合適的角度、避開遮擋陰影等。網(wǎng)絡(luò)通信連接及協(xié)議轉(zhuǎn)換問題，送出數(shù)據(jù)的系數(shù)轉(zhuǎn)換配置錯(cuò)誤，氣象儀器硬件故障等，都會(huì)導(dǎo)致氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)異常。

4）并網(wǎng)功率獲取異常。不同安全分區(qū)之間數(shù)據(jù)的傳遞異常，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性、可靠性對(duì)此有影響。

5）場(chǎng)站管理因素。場(chǎng)站發(fā)電出力接受調(diào)度調(diào)節(jié)通過AGC指令限電，部分地區(qū)頻繁限電，并網(wǎng)有功功率低于正常發(fā)電能力；部分場(chǎng)站由于規(guī)劃安排分期建設(shè)并網(wǎng)，新增容量并網(wǎng)后，并網(wǎng)有功隨之有較大變化；此外由于檢修停運(yùn)等影響，實(shí)際運(yùn)行容量與裝機(jī)容量不同，也導(dǎo)致預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際發(fā)電有較大誤差。

上述問題涉及新能源場(chǎng)站的建設(shè)方、用戶、運(yùn)維人員、預(yù)測(cè)系統(tǒng)供應(yīng)商等多方，改進(jìn)和解決工作依賴于各方協(xié)調(diào)溝通和通力合作。做好以下工作有利于解決問題。

1）合理的通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布置和科學(xué)的建設(shè)施工，如把運(yùn)行人員使用的外網(wǎng)路由器與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)使用的外網(wǎng)路由器分開布置，施工作業(yè)范圍避開對(duì)外網(wǎng)絡(luò)通道等。調(diào)試完成時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)流的正確性對(duì)比驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)連接正常并且數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確無誤。

2）在場(chǎng)站擴(kuò)容時(shí)，用戶填寫修改裝機(jī)容量值；在并網(wǎng)后如果有運(yùn)維人員檢修作業(yè)，就由用戶提前填寫錄入檢修計(jì)劃等。

3）預(yù)測(cè)系統(tǒng)提供各種數(shù)據(jù)流異常的報(bào)警，用戶在發(fā)現(xiàn)報(bào)警信息后及時(shí)排查確認(rèn)問題，在預(yù)測(cè)系統(tǒng)供應(yīng)商的支持下快速恢復(fù)服務(wù)等。

2.2 數(shù)據(jù)容錯(cuò)處理

上述數(shù)據(jù)異常除從源頭排除問題保證數(shù)據(jù)可靠外，預(yù)測(cè)系統(tǒng)還可以對(duì)發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤采用以下辦法。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

并網(wǎng)功率數(shù)據(jù)異常處理方法。對(duì)風(fēng)電和光伏考察一次能源和發(fā)電功率之間的約束關(guān)系，如光伏分晝夜校驗(yàn)等，裝機(jī)容量約束，并對(duì)數(shù)據(jù)異常給出告警提示，對(duì)數(shù)據(jù)品質(zhì)做區(qū)分標(biāo)記。

1）數(shù)值天氣預(yù)報(bào)異常處理方法。供應(yīng)商一般提供3天預(yù)報(bào)信息，在沒有最新信息的情況下用次新預(yù)報(bào)信息，在無預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)用臨近日期氣象信息，并給出對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)獲取異常告警提示。

2）氣象觀測(cè)儀器異常處理方法。考察一次能源和發(fā)電功率之間的約束關(guān)系，值域范圍約束，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)按照臨近數(shù)據(jù)變化情況補(bǔ)齊，并對(duì)數(shù)據(jù)異常給出告警提示，對(duì)數(shù)據(jù)品質(zhì)做區(qū)分標(biāo)記。

3）上送程序異常處理方法。使用軟件狗監(jiān)視程序運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)上送程序的通信狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，一旦通信中斷就給出告警提示。

4）短期預(yù)測(cè)過程異常處理方法。在短期預(yù)測(cè)過程中，當(dāng)必要數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致無預(yù)測(cè)輸出時(shí)，參考臨近日期的發(fā)電信息預(yù)測(cè)，并給出對(duì)異常處理告警提示。

5）超短期預(yù)測(cè)過程異常處理方法。在超短期預(yù)測(cè)過程中，當(dāng)必要數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致無預(yù)測(cè)輸出時(shí)，用短期預(yù)測(cè)輸出結(jié)果，并給出對(duì)異常處理告警提示。

2.3 誤差補(bǔ)償處理

新能源預(yù)測(cè)系統(tǒng)的重要誤差來源是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)精確度依賴于氣象預(yù)報(bào)供應(yīng)商的技術(shù)和服務(wù)水平，目前有國(guó)內(nèi)外的多家氣象預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)提供了有關(guān)服務(wù)。區(qū)域氣象預(yù)測(cè)精度已達(dá)到較高水平，對(duì)于小網(wǎng)格空間精確預(yù)測(cè)技術(shù)還在發(fā)展當(dāng)中。

對(duì)于數(shù)值氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)誤差，大致分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，比如對(duì)于微觀地理環(huán)境因素考慮不周會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差；而氣象情況的隨機(jī)變化會(huì)帶來隨機(jī)誤差，比如云彩移動(dòng)和風(fēng)力變化。針對(duì)系統(tǒng)誤差，可以通過對(duì)比氣象預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值前后的差異，識(shí)別并加以補(bǔ)償來減小影響。

針對(duì)隨機(jī)誤差，目前的研究情況是通過觀測(cè)預(yù)測(cè)法，如通過衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)、地基云圖、空間相關(guān)性方法來消除不確定性，或通過分解隨機(jī)因子并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)處理等，或采用多個(gè)供應(yīng)商的數(shù)值氣象數(shù)據(jù)組合。

3 干擾數(shù)據(jù)處理方法

3.1 干擾數(shù)據(jù)

鑒于電網(wǎng)安全上要求橫向隔離、縱向加密，根據(jù)各種系統(tǒng)分頭實(shí)施的現(xiàn)狀，導(dǎo)致多種重要信息在運(yùn)行時(shí)沒有錄入到預(yù)測(cè)系統(tǒng)中。如AGC頻繁下發(fā)限電命令、電場(chǎng)內(nèi)檢修工作、光伏站內(nèi)光伏板清洗等，這類因素直接影響了電站出力。

當(dāng)前對(duì)于這幾類信息一般做法是不處理，或者是要求到預(yù)測(cè)系統(tǒng)上手工填報(bào)，對(duì)跨不同安全分區(qū)的系統(tǒng)和重復(fù)填寫，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際多未使用。將這部分信息接入預(yù)測(cè)系統(tǒng)或識(shí)別出干擾數(shù)據(jù)并有效利用，將有益于高精度預(yù)測(cè)。

3.2 干擾數(shù)據(jù)處理辦法（公式略）

干擾數(shù)據(jù)應(yīng)該標(biāo)記為不能作為參考樣本。如限電時(shí)低于理論功率，光伏板清洗后對(duì)于光伏板的效率也有明顯提高，而檢修時(shí)部分單元停電會(huì)導(dǎo)致總出力減低等，上述信息應(yīng)該予以識(shí)別處理。處理辦法如下。

1）在安全Ⅲ區(qū)設(shè)置采集代理模塊、用于提取運(yùn)維清洗范圍、清洗時(shí)間、檢修停電范圍、檢修停電時(shí)間信息的數(shù)據(jù)采集接口，采集代理模塊與運(yùn)維管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)連接；采集代理模塊通過反向隔離裝置與光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)連接，將采集到Ⅲ區(qū)運(yùn)維數(shù)據(jù)集中后通過反向隔離裝置供功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)調(diào)用。

2）光伏電站可計(jì)算并網(wǎng)功率和輻照度數(shù)據(jù)相關(guān)性，識(shí)別限電干擾因素。選擇在每天0點(diǎn)對(duì)前一天的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，當(dāng)存在干擾因素時(shí)，將判定結(jié)果信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)質(zhì)量位。

4 模擬驗(yàn)證測(cè)試方法

為了保證預(yù)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行和符合有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，需要進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試。新能源（風(fēng)電、光伏）的工程應(yīng)用場(chǎng)景多樣各不相同，測(cè)試方法需要能適應(yīng)各種情況，并能連續(xù)運(yùn)行以測(cè)試穩(wěn)定性，從而能在各種條件下檢驗(yàn)正確性。

4.1 基于物理原型的測(cè)試方法

當(dāng)前主要方法如下：①構(gòu)建小型物理系統(tǒng)測(cè)試或者通過仿真測(cè)試，如在研制階段可以通過構(gòu)建小范圍的真實(shí)物理系統(tǒng)，園區(qū)風(fēng)力發(fā)電或者光伏發(fā)電系統(tǒng)，配備氣象子站和接入數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，使用真實(shí)小型系統(tǒng)驗(yàn)證各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量，測(cè)試驗(yàn)證的場(chǎng)境有限且成本高；②使用通用的仿真工具驗(yàn)證算法的可行性，適合做離線仿真而不能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，有一定的限制條件。

4.2 基于數(shù)據(jù)的自動(dòng)模擬測(cè)試方法

基于數(shù)據(jù)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，不需要額外硬件，能模擬各種工程場(chǎng)景，自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行。

處理辦法如下。

1）測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)試對(duì)象功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)和自動(dòng)模擬測(cè)試系統(tǒng)。

2）自動(dòng)模擬測(cè)試系統(tǒng)的作用是嚴(yán)格按照時(shí)序提供氣象子站的測(cè)量信息和并網(wǎng)發(fā)電功率，數(shù)值氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模擬氣象子站、升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、氣象預(yù)報(bào)服務(wù)器。

3）自動(dòng)模擬測(cè)試系統(tǒng)輸入的是現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，即其中的氣象子站數(shù)據(jù)、電站并網(wǎng)發(fā)電數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

圖4 自動(dòng)模擬測(cè)試方法圖

4）自動(dòng)模擬測(cè)試系統(tǒng)所做的數(shù)據(jù)處理首先是識(shí)別合法數(shù)據(jù)，將多路數(shù)據(jù)合并到一張表中以便于讀取，其次是把上述數(shù)據(jù)首先按照時(shí)間對(duì)齊，最后是確定歷史數(shù)據(jù)的日期與當(dāng)前日期之間的映射。

5）輸出規(guī)則是，為模擬實(shí)際數(shù)據(jù)，周期性15min發(fā)送氣象子站數(shù)據(jù)、并網(wǎng)功率數(shù)據(jù)；為模擬氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)每天定時(shí)發(fā)送對(duì)應(yīng)天的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用實(shí)例

上述干擾數(shù)據(jù)處理辦法已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利并已獲受理，編號(hào)為CN201710456772.X。上述自動(dòng)測(cè)試方法在申請(qǐng)專利當(dāng)中。

按照上述數(shù)據(jù)流向容錯(cuò)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)在全國(guó)多地工程中得到實(shí)際應(yīng)用，風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)也即將面世。按照自動(dòng)模擬測(cè)試方法開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)也應(yīng)用在內(nèi)部測(cè)試中。

經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用表明，功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)受到多路輸入輸出影響，做好多路數(shù)據(jù)流的容錯(cuò)處理，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和提高預(yù)測(cè)精度。

選取分析了東北某地光伏站并網(wǎng)初期從4月27日至7月28日共93天的數(shù)據(jù)，參見表2。按照天氣將數(shù)據(jù)大概分為晴、有云、陰雨以及數(shù)據(jù)不全，其中數(shù)據(jù)不全占比為15%，對(duì)最終輸出結(jié)果影響較大，經(jīng)過處理后數(shù)據(jù)有了改進(jìn)，采集數(shù)據(jù)基本沒有問題。假定一半情況下處理中的推測(cè)值接近實(shí)際值，那么精度將提高7%左右。

表2 某光伏站調(diào)試初期數(shù)據(jù)分析

結(jié)論

1）本文從數(shù)據(jù)流方向出發(fā)，分析了工程應(yīng)用中功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入和輸出上存在的問題，并針對(duì)這些問題做了影響分析和容錯(cuò)處理，從而減少系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)缺失而導(dǎo)致的功能失效問題。導(dǎo)致這些問題的原因是多方面的，如設(shè)計(jì)施工、調(diào)試、運(yùn)行管理等。針對(duì)數(shù)據(jù)的容錯(cuò)處理將提高預(yù)測(cè)系統(tǒng)的可用性和準(zhǔn)確率。

2）功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的依賴性，需要數(shù)據(jù)正確完整?？梢酝ㄟ^識(shí)別干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)分析處理，通過合理采集運(yùn)維和檢修數(shù)據(jù)保證數(shù)據(jù)的完整性。

3）在開發(fā)設(shè)計(jì)中，必要的測(cè)試驗(yàn)證必不可少，能對(duì)算法的開發(fā)起到積極作用，本文在拿到部分歷史數(shù)據(jù)后，利用過往數(shù)據(jù)模擬實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)，創(chuàng)造真實(shí)的測(cè)試環(huán)境，為驗(yàn)證算法可行性和穩(wěn)定性打下基礎(chǔ)。