置信區(qū)間在新能源中長(zhǎng)期功率預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

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(dòng)下,新能源的發(fā)展速度再次得到提升,并即將成為我國(guó)各類型電源中的主力軍。

與常規(guī)電源不同,新能源對(duì)自然資源存在絕對(duì)依賴,導(dǎo)致了新能源具有布點(diǎn)集中和波動(dòng)隨機(jī)兩個(gè)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(chǎng)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(shí)率高,對(duì)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(dòng)整個(gè)片區(qū)內(nèi)新能源功率隨之波動(dòng),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(cè)的必要性隨之提高。

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

2新能源中長(zhǎng)期功率預(yù)測(cè)的需求

新能源超短期和短期預(yù)測(cè)只能覆蓋距離預(yù)測(cè)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(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間較長(zhǎng)或預(yù)測(cè)周期較長(zhǎng)的新能源功率預(yù)測(cè)需求,同時(shí),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(zhǎng)期預(yù)測(cè)的需求隨并網(wǎng)體量的增加而加大。

(1）電源規(guī)劃。我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,對(duì)電力供應(yīng)體量的需求不斷上升,同時(shí)為實(shí)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(duì)新能源的供應(yīng)、消納與送出配套問題時(shí)無從下手。因此,規(guī)劃部門需要對(duì)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(shí)時(shí)運(yùn)行的供求平衡,調(diào)度部門需要對(duì)中長(zhǎng)期的發(fā)電供應(yīng)裕度和負(fù)荷需求量進(jìn)行評(píng)估,如年度發(fā)電計(jì)劃、月度發(fā)電計(jì)劃,或特殊時(shí)段如迎峰度夏、保供電等分析周期開展新能源的出力評(píng)估。調(diào)度人員可以通過新能源在相應(yīng)時(shí)間周期內(nèi)的功率波動(dòng)范圍抽取極值,為供需極端情況提供假設(shè)場(chǎng)景。

3新能源功率置信區(qū)間預(yù)測(cè)方法

3.1預(yù)測(cè)方法選取

采用新能源功率置信區(qū)間作為預(yù)測(cè)指標(biāo)可以突出預(yù)測(cè)功率的分布特征。因?yàn)槿绮捎镁底鳛樾履茉粗虚L(zhǎng)期功率預(yù)測(cè)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(zhǎng)期的功率預(yù)測(cè)指標(biāo),以避免均值和極值作為指標(biāo)的缺陷。新能源中長(zhǎng)期功率置信區(qū)間預(yù)測(cè)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(cè)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(jì)周期內(nèi)新能源的實(shí)時(shí)功率作為統(tǒng)計(jì)樣本。但考慮到統(tǒng)計(jì)周期和預(yù)測(cè)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(cè)的統(tǒng)計(jì)樣本,用出力水平的置信區(qū)間折算出預(yù)測(cè)目標(biāo)周期的功率置信區(qū)間。新能源出力水平計(jì)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(cè)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(jì)樣本,記為x1,x2,x3,…,xi;P表示新能源出力水平在對(duì)應(yīng)區(qū)間的發(fā)生概率,P的計(jì)算方法如下所示:

式中:n表示區(qū)間[a,b）有n個(gè)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(jì)算樣本均值x,如下所示:

(3）計(jì)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(jì)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(cè)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(jì)算出相應(yīng)的功率預(yù)測(cè)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(shí)際操作中,針對(duì)以下兩種情況需要修正數(shù)據(jù)源:

（1）出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在采集、發(fā)送、接收、處理、存儲(chǔ)的過程中出錯(cuò),導(dǎo)致數(shù)據(jù)源有明顯錯(cuò)誤,如在新能源場(chǎng)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(jì)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(shí)的出力水平分布并不明顯。因此,在單獨(dú)預(yù)測(cè)光伏功率置信區(qū)間時(shí),從日落時(shí)光伏出力首次觸"0"的下一個(gè)數(shù)開始,至次日日出時(shí)光伏首個(gè)不為"0"數(shù)的前第二個(gè)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(shí)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(shí),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(shí)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(cè)的應(yīng)用

新能源功率置信區(qū)間預(yù)測(cè)適用于各種新能源中長(zhǎng)期功率預(yù)測(cè)場(chǎng)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(shí),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(shí),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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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?yàn)楣夥M(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(duì)各種新能源中長(zhǎng)期功率預(yù)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景,提出了新能源中長(zhǎng)期功率置信區(qū)間預(yù)測(cè)方法,經(jīng)實(shí)例研究證明:新能源功率置信區(qū)間預(yù)測(cè)方法計(jì)算過程簡(jiǎn)單、快捷,滿足新能源中長(zhǎng)期功率預(yù)測(cè)的多種應(yīng)用場(chǎng)景需求;在進(jìn)行樣本置信區(qū)間計(jì)算的過程中,需要注意對(duì)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。