《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出在“十三五”時期我國再生能源應用規(guī)模將進一步擴大，并且在能源消費中的占比得到提高，能源結構進一步優(yōu)化，風電和太陽能多元化利用將協(xié)調開發(fā)，到2020年底我國風電并網(wǎng)裝機容量達到2.1億kW以上，太陽能發(fā)電達到1.1億kW以上。

新能源發(fā)電（風力發(fā)電和光伏發(fā)電）具有隨機性、間歇性的特點，高滲透率、大規(guī)模并網(wǎng)時對于電網(wǎng)運行帶來影響。提高新能源發(fā)電功率預測精度，有助于提高新能源發(fā)電的消納水平，提高新能源并網(wǎng)的可觀測性和可控制性程度。

風電功率預測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。不同方法模型側重采用的數(shù)據(jù)種類雖有差異，但對數(shù)據(jù)的準確性和可用性都是基本要求。當前普遍應用的輸入數(shù)據(jù)包括并網(wǎng)功率數(shù)據(jù)、氣象子站數(shù)據(jù)、數(shù)值天氣預報數(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)。

功率預測誤差影響因素主要是預測模型和數(shù)值天氣預報精度，大量研究從這兩方面入手解決問題并分別取得進展。工程實踐中預測精度是系統(tǒng)各種因素綜合作用的結果，如功率預測系統(tǒng)由于通信中斷、數(shù)據(jù)采集錯誤、限電、并網(wǎng)容量增加、檢修等，這些原因導致預測精度下降，解決這些問題將能提升預測精度。

1 功率預測系統(tǒng)結構組成

功率預測系統(tǒng)集成了氣象觀測子站實時氣象信息、數(shù)值氣象預報數(shù)據(jù)和實時功率數(shù)據(jù)，包含接入和展示、功率預測、數(shù)據(jù)上報、預測結果動態(tài)統(tǒng)計評估等功能。系統(tǒng)軟件架構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件架構圖

按電監(jiān)會二次系統(tǒng)安全防護方案，系統(tǒng)聯(lián)接應滿足橫向隔離、縱向加密的要求。功率預測系統(tǒng)位于Ⅱ區(qū)，監(jiān)控系統(tǒng)位于Ⅰ區(qū)，氣象服務器位于Ⅲ區(qū)。Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)之間采用網(wǎng)絡隔離裝置，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間采用防火墻。系統(tǒng)硬件結構圖如圖2所示。

圖2 硬件結構圖

2 數(shù)據(jù)流問題分析

2.1 數(shù)據(jù)流分析

功率預測系統(tǒng)接收了并網(wǎng)功率數(shù)據(jù)，氣象子站數(shù)據(jù)，數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)，向主站上送預測結果 數(shù)據(jù)。工程現(xiàn)場通信網(wǎng)絡結構復雜，通信節(jié)點多，互相之間的通信協(xié)議差異，再加上管理的問題，會發(fā)生數(shù)據(jù)流中斷的現(xiàn)象，導致預測系統(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)議轉換接入；③數(shù)值天氣預報根據(jù)供應商情況采用網(wǎng)絡傳輸；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 預測系統(tǒng)影響因素表

數(shù)據(jù)異常主要情況包括以下幾種。

1）預測結果上送異常。原因包括由場站通信網(wǎng)絡不穩(wěn)定導致的通信中斷，由各省區(qū)通信協(xié)議差異開發(fā)調整帶來的程序異常。直接影響到預測系統(tǒng)的考核指標，包括上送率和準確率等。

2）數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)下載異常。數(shù)值天氣預報服務器直接與外網(wǎng)相連，外部網(wǎng)絡狀況有直接影響，一旦發(fā)生通信中斷，就將影響到數(shù)值天氣預報獲取。同時，數(shù)值天氣預報供應商的數(shù)據(jù)準確性及服務穩(wěn)定性，也是重要的影響因素。

3）氣象觀測儀器數(shù)據(jù)異常。本地氣象觀測儀器的安裝和調整問題，如需要穩(wěn)固的基礎、合適的角度、避開遮擋陰影等。網(wǎng)絡通信連接及協(xié)議轉換問題，送出數(shù)據(jù)的系數(shù)轉換配置錯誤，氣象儀器硬件故障等，都會導致氣象觀測數(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，導致網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性、可靠性對此有影響。

5）場站管理因素。場站發(fā)電出力接受調度調節(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；部分場站由于規(guī)劃安排分期建設并網(wǎng)，新增容量并網(wǎng)后，并網(wǎng)有功隨之有較大變化；此外由于檢修停運等影響，實際運行容量與裝機容量不同，也導致預測數(shù)據(jù)與實際發(fā)電有較大誤差。

上述問題涉及新能源場站的建設方、用戶、運維人員、預測系統(tǒng)供應商等多方，改進和解決工作依賴于各方協(xié)調溝通和通力合作。做好以下工作有利于解決問題。

1）合理的通信網(wǎng)絡規(guī)劃布置和科學的建設施工，如把運行人員使用的外網(wǎng)路由器與數(shù)值天氣預報使用的外網(wǎng)路由器分開布置，施工作業(yè)范圍避開對外網(wǎng)絡通道等。調試完成時，對數(shù)據(jù)流的正確性對比驗證，確保數(shù)據(jù)連接正常并且數(shù)據(jù)采集準確無誤。

2）在場站擴容時，用戶填寫修改裝機容量值；在并網(wǎng)后如果有運維人員檢修作業(yè)，就由用戶提前填寫錄入檢修計劃等。

3）預測系統(tǒng)提供各種數(shù)據(jù)流異常的報警，用戶在發(fā)現(xiàn)報警信息后及時排查確認問題，在預測系統(tǒng)供應商的支持下快速恢復服務等。

2.2 數(shù)據(jù)容錯處理

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，預測系統(tǒng)還可以對發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯誤采用以下辦法。

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。對風電和光伏考察一次能源和發(fā)電功率之間的約束關系，如光伏分晝夜校驗等，裝機容量約束，并對數(shù)據(jù)異常給出告警提示，對數(shù)據(jù)品質做區(qū)分標記。

1）數(shù)值天氣預報異常處理方法。供應商一般提供3天預報信息，在沒有最新信息的情況下用次新預報信息，在無預報數(shù)據(jù)時用臨近日期氣象信息，并給出對數(shù)值天氣預報獲取異常告警提示。

2）氣象觀測儀器異常處理方法。考察一次能源和發(fā)電功率之間的約束關系，值域范圍約束，在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時按照臨近數(shù)據(jù)變化情況補齊，并對數(shù)據(jù)異常給出告警提示，對數(shù)據(jù)品質做區(qū)分標記。

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

4）短期預測過程異常處理方法。在短期預測過程中，當必要數(shù)據(jù)缺失導致無預測輸出時，參考臨近日期的發(fā)電信息預測，并給出對異常處理告警提示。

5）超短期預測過程異常處理方法。在超短期預測過程中，當必要數(shù)據(jù)缺失導致無預測輸出時，用短期預測輸出結果，并給出對異常處理告警提示。

2.3 誤差補償處理

新能源預測系統(tǒng)的重要誤差來源是數(shù)值天氣預報。數(shù)值天氣預報精確度依賴于氣象預報供應商的技術和服務水平，目前有國內外的多家氣象預報機構提供了有關服務。區(qū)域氣象預測精度已達到較高水平，對于小網(wǎng)格空間精確預測技術還在發(fā)展當中。

對于數(shù)值氣象預報數(shù)據(jù)的預測誤差，大致分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差，比如對于微觀地理環(huán)境因素考慮不周會導致系統(tǒng)誤差；而氣象情況的隨機變化會帶來隨機誤差，比如云彩移動和風力變化。針對系統(tǒng)誤差，可以通過對比氣象預測值和實測值前后的差異，識別并加以補償來減小影響。

針對隨機誤差，目前的研究情況是通過觀測預測法，如通過衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)、地基云圖、空間相關性方法來消除不確定性，或通過分解隨機因子并對其進行數(shù)學處理等，或采用多個供應商的數(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)分頭實施的現(xiàn)狀，導致多種重要信息在運行時沒有錄入到預測系統(tǒng)中。如AGC頻繁下發(fā)限電命令、電場內檢修工作、光伏站內光伏板清洗等，這類因素直接影響了電站出力。

當前對于這幾類信息一般做法是不處理，或者是要求到預測系統(tǒng)上手工填報，對跨不同安全分區(qū)的系統(tǒng)和重復填寫，會導致實際多未使用。將這部分信息接入預測系統(tǒng)或識別出干擾數(shù)據(jù)并有效利用，將有益于高精度預測。

3.2 干擾數(shù)據(jù)處理辦法（公式略）

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

1）在安全Ⅲ區(qū)設置采集代理模塊、用于提取運維清洗范圍、清洗時間、檢修停電范圍、檢修停電時間信息的數(shù)據(jù)采集接口，采集代理模塊與運維管理系統(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測系統(tǒng)連接，將采集到Ⅲ區(qū)運維數(shù)據(jù)集中后通過反向隔離裝置供功率預測系統(tǒng)調用。

2）光伏電站可計算并網(wǎng)功率和輻照度數(shù)據(jù)相關性，識別限電干擾因素。選擇在每天0點對前一天的數(shù)據(jù)進行相關性分析，當存在干擾因素時，將判定結果信息寫入數(shù)據(jù)庫質量位。

4 模擬驗證測試方法

為了保證預測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行和符合有關技術指標，需要進行嚴格測試。新能源（風電、光伏）的工程應用場景多樣各不相同，測試方法需要能適應各種情況，并能連續(xù)運行以測試穩(wěn)定性，從而能在各種條件下檢驗正確性。

4.1 基于物理原型的測試方法

當前主要方法如下：①構建小型物理系統(tǒng)測試或者通過仿真測試，如在研制階段可以通過構建小范圍的真實物理系統(tǒng)，園區(qū)風力發(fā)電或者光伏發(fā)電系統(tǒng)，配備氣象子站和接入數(shù)值天氣預報，長時間運行，使用真實小型系統(tǒng)驗證各個環(huán)節(jié)的質量，測試驗證的場境有限且成本高；②使用通用的仿真工具驗證算法的可行性，適合做離線仿真而不能連續(xù)長時間運行，有一定的限制條件。

4.2 基于數(shù)據(jù)的自動模擬測試方法

基于數(shù)據(jù)的自動測試系統(tǒng)，不需要額外硬件，能模擬各種工程場景，自動連續(xù)運行。

處理辦法如下。

1）測試系統(tǒng)包括測試對象功率預測系統(tǒng)和自動模擬測試系統(tǒng)。

2）自動模擬測試系統(tǒng)的作用是嚴格按照時序提供氣象子站的測量信息和并網(wǎng)發(fā)電功率，數(shù)值氣象預報數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模擬氣象子站、升壓站監(jiān)控系統(tǒng)、氣象預報服務器。

3）自動模擬測試系統(tǒng)輸入的是現(xiàn)場運行的歷史數(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)、氣象預報數(shù)據(jù)。

圖4 自動模擬測試方法圖

4）自動模擬測試系統(tǒng)所做的數(shù)據(jù)處理首先是識別合法數(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)首先按照時間對齊，最后是確定歷史數(shù)據(jù)的日期與當前日期之間的映射。

5）輸出規(guī)則是，為模擬實際數(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)；為模擬氣象預報數(shù)據(jù)每天定時發(fā)送對應天的氣象預報數(shù)據(jù)。

5 應用實例

上述干擾數(shù)據(jù)處理辦法已經(jīng)申請發(fā)明專利并已獲受理，編號為CN201710456772.X。上述自動測試方法在申請專利當中。

按照上述數(shù)據(jù)流向容錯方法優(yōu)化設計的光伏功率預測系統(tǒng)在全國多地工程中得到實際應用，風電功率預測系統(tǒng)也即將面世。按照自動模擬測試方法開發(fā)的測試系統(tǒng)也應用在內部測試中。

經(jīng)過實際應用表明，功率預測系統(tǒng)受到多路輸入輸出影響，做好多路數(shù)據(jù)流的容錯處理，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行和提高預測精度。

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%，對最終輸出結果影響較大，經(jīng)過處理后數(shù)據(jù)有了改進，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值接近實際值，那么精度將提高7%左右。

表2 某光伏站調試初期數(shù)據(jù)分析

結論

1）本文從數(shù)據(jù)流方向出發(fā)，分析了工程應用中功率預測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入和輸出上存在的問題，并針對這些問題做了影響分析和容錯處理，從而減少系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)缺失而導致的功能失效問題。導致這些問題的原因是多方面的，如設計施工、調試、運行管理等。針對數(shù)據(jù)的容錯處理將提高預測系統(tǒng)的可用性和準確率。

2）功率預測系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)有很強的依賴性，需要數(shù)據(jù)正確完整?？梢酝ㄟ^識別干擾數(shù)據(jù)進行歷史數(shù)據(jù)分析處理，通過合理采集運維和檢修數(shù)據(jù)保證數(shù)據(jù)的完整性。

3）在開發(fā)設計中，必要的測試驗證必不可少，能對算法的開發(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)模擬實際運行系統(tǒng)，創(chuàng)造真實的測試環(huán)境，為驗證算法可行性和穩(wěn)定性打下基礎。