1研究背景

在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)重點(diǎn)工作的推動下,新能源的發(fā)展速度再次得到提升,并即將成為我國各類型電源中的主力軍。

與常規(guī)電源不同,新能源對自然資源存在絕對依賴,導(dǎo)致了新能源具有布點(diǎn)集中和波動隨機(jī)兩個特點(diǎn)。新能源的電源布點(diǎn)具有很強(qiáng)的資源導(dǎo)向性,體現(xiàn)為新能源場站的分布高度集中,導(dǎo)致布點(diǎn)集中區(qū)域的電能輸出同時率高,對電能的消納和輸送提出了更高的要求。新能源功率變化由電源所在區(qū)域的天氣變化決定,風(fēng)速、光照輻射度等氣象因素的微小變化都將帶動整個片區(qū)內(nèi)新能源功率隨之波動,給維持電力系統(tǒng)的供需平衡帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此,為保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,新能源功率預(yù)測的必要性隨之提高。

現(xiàn)今,超短期和短期預(yù)測是新能源功率預(yù)測中應(yīng)用最廣泛的指標(biāo):超短期滾動預(yù)測未來4h內(nèi)的出力情況,短期滾動預(yù)測未來72h的出力情況。由于氣象預(yù)測準(zhǔn)確度隨著時間的推移而下降,這就加大了新能源中長期功率預(yù)測的難度。本文通過概率統(tǒng)計的分析思維,基于實際場景應(yīng)用提出以置信區(qū)間作為指標(biāo)的新能源中長期功率預(yù)測方法。

2新能源中長期功率預(yù)測的需求

新能源超短期和短期預(yù)測只能覆蓋距離預(yù)測節(jié)點(diǎn)一周以內(nèi)的功率變化情況,無法滿足距離預(yù)測節(jié)點(diǎn)時間較長或預(yù)測周期較長的新能源功率預(yù)測需求,同時,在電源規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)行的過程中需要估算新能源的發(fā)電能力。因此,新能源中長期預(yù)測的需求隨并網(wǎng)體量的增加而加大。

(1）電源規(guī)劃。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,對電力供應(yīng)體量的需求不斷上升,同時為實現(xiàn)能源清潔替代,高碳排量的火電機(jī)組在逐步退役,為新能源提供了巨大的擴(kuò)容空間。但新能源功率的隨機(jī)性讓規(guī)劃人員在面對新能源的供應(yīng)、消納與送出配套問題時無從下手。因此,規(guī)劃部門需要對布點(diǎn)地區(qū)在一般情況下新能源的功率輸出范圍進(jìn)行估值,為規(guī)劃電源容量提供判斷的依據(jù)。

(2）調(diào)度運(yùn)行。為保證電力系統(tǒng)實時運(yùn)行的供求平衡,調(diào)度部門需要對中長期的發(fā)電供應(yīng)裕度和負(fù)荷需求量進(jìn)行評估,如年度發(fā)電計劃、月度發(fā)電計劃,或特殊時段如迎峰度夏、保供電等分析周期開展新能源的出力評估。調(diào)度人員可以通過新能源在相應(yīng)時間周期內(nèi)的功率波動范圍抽取極值,為供需極端情況提供假設(shè)場景。

3新能源功率置信區(qū)間預(yù)測方法

3.1預(yù)測方法選取

采用新能源功率置信區(qū)間作為預(yù)測指標(biāo)可以突出預(yù)測功率的分布特征。因為如采用均值作為新能源中長期功率預(yù)測指標(biāo),將無法體現(xiàn)功率分布的離散程度;如采用極值作為指標(biāo),將無法體現(xiàn)大概率情況下的出力水平。因此,本文運(yùn)用概率論的分析思維,采用置信區(qū)間作為新能源中長期的功率預(yù)測指標(biāo),以避免均值和極值作為指標(biāo)的缺陷。新能源中長期功率置信區(qū)間預(yù)測可分解為三步:描繪功率分布曲線、求出樣本均值和獲得置信區(qū)間。其中,分布曲線將功率的出現(xiàn)概率分布散點(diǎn)連接成線,使新能源的功率分布概率特征更清晰、直觀;樣本均值是置信區(qū)間的中心點(diǎn),作為置信區(qū)間的選取起點(diǎn);置信區(qū)間基于新能源的功率分布,給出新能源功率預(yù)測的可取范圍,作為電網(wǎng)運(yùn)行的分析數(shù)據(jù)依據(jù),一般可根據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用精確度的要求,選用80%或95%置信區(qū)間作為考量精度。

3.2樣本選取

一般情況下,分析人員選取統(tǒng)計周期內(nèi)新能源的實時功率作為統(tǒng)計樣本。但考慮到統(tǒng)計周期和預(yù)測周期內(nèi)新能源的裝機(jī)容量在不斷變化,所以本文采用新能源的出力水平作為新能源功率預(yù)測的統(tǒng)計樣本,用出力水平的置信區(qū)間折算出預(yù)測目標(biāo)周期的功率置信區(qū)間。新能源出力水平計算方法如下所示:

出力水平=當(dāng)期功率/當(dāng)期裝機(jī)容量(1）

3.3分析過程

新能源功率置信區(qū)間預(yù)測過程具體如下:

(1）描繪分布曲線。x表示新能源出力水平的統(tǒng)計樣本,記為x1,x2,x3,…,xi;P表示新能源出力水平在對應(yīng)區(qū)間的發(fā)生概率,P的計算方法如下所示:

式中:n表示區(qū)間[a,b）有n個x;N表示新能源出力水平總樣本數(shù)。

以x為橫坐標(biāo)、P為縱坐標(biāo)描繪出新能源出力水平一概率的分布曲線,以2020年A地區(qū)新能源出力水平一概率曲線為例,如圖1所示。

(2）計算樣本均值x,如下所示:

(3）計算樣本的置信區(qū)間。樣本的80%置信區(qū)間是以樣本均值x為中點(diǎn)向兩側(cè)取積分至80%為止,如下所示:

求出區(qū)域[x-k,x+k]作為相應(yīng)精度的置信區(qū)間,95%置信區(qū)間同理。

以圖1分布曲線為例,計算出相應(yīng)的均值和置信區(qū)間,如表1所示,結(jié)論反映2020年A地區(qū)新能源的出力水平有80%的可能性處于5%～20%,有95%的可能處于1%～30%。

（4）出力水平置信區(qū)間折算為功率預(yù)測置信區(qū)間。以出力水平置信區(qū)間[x-k,x+k]與當(dāng)期新能源裝機(jī)容量的乘

積,計算出相應(yīng)的功率預(yù)測置信區(qū)間。根據(jù)分析需求,此步驟亦可忽略。

3.4數(shù)據(jù)修正

在實際操作中,針對以下兩種情況需要修正數(shù)據(jù)源:

（1）出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在采集、發(fā)送、接收、處理、存儲的過程中出錯,導(dǎo)致數(shù)據(jù)源有明顯錯誤,如在新能源場站正常發(fā)電情況下數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)值或持續(xù)為"0",則刪除此部分?jǐn)?shù)據(jù),以免影響計算結(jié)果。

（2）光伏夜間數(shù)據(jù)。每天日落至次日日出期間光伏不發(fā)電,相當(dāng)于"停機(jī)"狀態(tài),以A地區(qū)光伏出力水平一概率為例,"0"的概率過大導(dǎo)致正常發(fā)電時的出力水平分布并不明顯。因此,在單獨(dú)預(yù)測光伏功率置信區(qū)間時,從日落時光伏出力首次觸"0"的下一個數(shù)開始,至次日日出時光伏首個不為"0"數(shù)的前第二個數(shù)結(jié)束。修正后,分布曲線更能反映光伏在正常發(fā)電時的出力水平分布特征。另外,在分析風(fēng)電、光伏總體的出力水平時,需要保持樣本的范圍同步,因此在分析風(fēng)光總加數(shù)據(jù)時光伏不能進(jìn)行此修正步驟。

4新能源功率置信區(qū)間預(yù)測的應(yīng)用

新能源功率置信區(qū)間預(yù)測適用于各種新能源中長期功率預(yù)測場景,以分析A地區(qū)2021年度迎峰度夏期間（6月一8月）新能源的出力水平為例。在預(yù)估2021年度6月一8月新能源出力水平時,可以借助2020年6月一8月的數(shù)據(jù),得到2021年度6月一8月一般工況下新能源出力水平的置信區(qū)間。

同時,由于2021年度5月份A地區(qū)春夏交替提前,持續(xù)高溫,所以可以通過該5月份的出力水平數(shù)據(jù),預(yù)測2021年度度夏期間高溫工況下新能源的出力水平。

其中,均值可以視為一般情況下的出力水平,置信區(qū)間可以作為極端情況進(jìn)行分析:上限代入新能源大發(fā)場景,預(yù)留足夠的就地消納空間和向外輸送通道;下限代入新能源貧乏場景,系統(tǒng)需要預(yù)留足夠的備用發(fā)電容量。此外,風(fēng)電、光伏總加的均值分別低于風(fēng)電和光伏的均值,這是因為光伏進(jìn)行了夜間數(shù)據(jù)的修正,因此光伏得出的均值遠(yuǎn)高于修正前的均值,屬于正?，F(xiàn)象。

5結(jié)語

本文針對各種新能源中長期功率預(yù)測的應(yīng)用場景,提出了新能源中長期功率置信區(qū)間預(yù)測方法,經(jīng)實例研究證明:新能源功率置信區(qū)間預(yù)測方法計算過程簡單、快捷,滿足新能源中長期功率預(yù)測的多種應(yīng)用場景需求;在進(jìn)行樣本置信區(qū)間計算的過程中,需要注意對特殊情況或特定類型的新能源數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,提高結(jié)論的精確度。