光伏電站功率預測系統

一、系統組成

光伏電站功率預測系統主要包括實時氣象采集子系統和功率預測計算子系統。

實時氣象采集子系統實現對光伏電站現場實時輻照值。風速。風向。溫度。濕度氣壓等氣象要素的采集，并将學時采集的數據傳輸至功率預測計算子系統，作為功率預測的主要數據來源，硬件設備主要包括輻照儀、風速風向儀、溫濕度傳感器、數據米集通信設備等。一座光伏電站根據其覆蓋面積及地形地貌特征可以設置一座或者多座氣象采集器。氣象采集器的設置以能準确反映整個光伏電站區的輻照強度等氣象條件，清足光功率預測系統功能為目的。氣象采集信息是電站功率預測的重要數據源。

功率預測計算子系統實現數據采集、數據管理、數值天氣預報及實時氣象數據處理、功率預測、預測結果評估等功能。硬件設備一般包括1台氣象數據處理服務器、1台預測應用服務器、1台人機工作站和物理隔離設備、硬件防護牆等。其中氣象數據處理服務器部署于安全區，用于數值天氣預報及實時輻照等氣象數據的接收與處理，并通過物理隔離設備将氣象數據送至預測應用服務器;預測應用服務器部署幹安全Ⅱ區，用幹它裝預測系統主程序，接收實時氣象信息、數值天氣預報和電站實際輸出功率等數據，依據系統預測模型，完成電站短期和超短期輸出功率預測，并将結果實時上傳調度機構。

二、系統建設要求

（一）技術要求

系統功能應滿足光伏電站建設方案、發展目标的要求，保證系統的實用性和适用性，并提供嚴格的它全管理措施，以保證系統及其數據的安全可靠性。系統應采用開放式體系結構，滿足可擴展性和可維護性等要求。

1.系統的實用性

項目應滿足對電網調度及運營管理的需求，充分考慮光伏電站調度運行的應用需求，在滿足各項協議要求的基礎上，體現系統的實用性。

2.系統開放性

系統應具有開放的體系結構，采用協議信息模型和标準接口協議，保證本系統同其他相關系統之間的數據交換。3.系統安全性

滿足《電力監控系統安全防護規定》（國家發改委令第14号）對電網計算機監控系統和其他系統之間互連的安全要求。

4. 系統可靠性

應對系統關鍵節點的設備、軟件和數據進行冗餘備份，提供故障隔離和排除技術手段，實現任一單點故障均不影響系統的正常運行。

（二）實時氣象信息采集要求

1.基本要求

光伏電站應配備實時氣象信息采集系統，應包括直射輻射表、散射輻射表、總輻射表、環境溫度計、光伏組件溫度計、風速儀、風向标、數據處理傳輸設備等;裝機容量在50MW及以上的光伏電站還應配備全天空成像儀。

2.站址要求

氣象信息采集系統應能反映光伏電站範圍内的氣象條件。

氣象信息采集系統環境信息觀測儀器感應元件平面以上應無任何障礙物，若不滿足，應與障礙物保持一定距離，避免障礙物的陰影對感應元件的遮擋。不應靠近淺色牆面或其他易于反射陽光的物體，也不應暴露在人工輻射源之下。

3.測量設備要求測量設備要求見表 4-1。

（三）預測數據要求

1.基本要求

光伏電站功率預測所需的數據至少應包括數值天氣預報數據、實時氣象數據、實時功率數據、運行狀态、計劃檢修信息等。

2.數據采集

（1）數值天氣預報數據應滿足以下要求∶

1）應至少包括次日零時起未來3天的數值天氣預報數據，時間分辨率為15min;

2）數據至少應包括輻照強度、雲量、氣溫、濕度、風速、風向、氣壓等參數;

3）每日至少提供兩次數值天氣預報數據。

（2）實時氣象數據應滿足以下要求∶

1）實時氣象數據應取自光伏電站的實時氣象信息采集系統;

2）數據至少應包括總輻射、直接輻射、散射輻射、環境溫度、濕度、光伏組件溫度，風速、風向、氣壓等參數;

3）數據傳輸應采用光纖傳輸方式，傳輸時間間隔應不大于5min;

4）數據可用率應大于99%。

（3）實時功率數據、設備運行狀态應取自光伏電站計算機監控系統，采集時間間隔應不大于5min。

（4）所有數據的采集應能自動完成，并能通過手動方式補充錄入。

（5）所有實時數據的時間延遲應不大于1min。

3.數據處理

（1）所有數據存入數據庫前應進行完整性及合理性檢驗，并對缺測和異常數據進行補充和修正。

（2）數據完整性檢驗應滿足∶

1）數據的數量應等于預期記錄的數據數量;

2）數據的時間順序應符合預期的開始、結束時間，中間應連續。

（3）數據合理性檢驗應滿足∶

1）對功率、數值天氣預報、實測氣象數據進行越限檢驗，可手動設置限值範圍;

2）根據實測氣象數據與功率數據的關系對數據進行相關性檢驗。

（4）缺測和異常數據宜按下列要求處理∶

1）以前一時刻的功率數據補全缺測或異常的功率數據;

2）以零替代小于零的功率數據;

3）缺測或異常的氣象數據可根據相關性原理由其他氣象要素進行修正;不具備修正條件的以前一時刻數據替代;

4）所有經過修正的數據以特殊标識記錄并可查詢;

5）所有缺測和異常數據均可由人工補錄或修正。

4.數據存儲

數據存儲應符合下列要求∶

（1）存儲系統運行期間所有時刻的數值天氣預報數據。

（2）存儲系統運行期間所有時刻的功率數據、實時氣象數據。

（3）存儲每次執行的短期功率預測的所有預測結果。

（4）存儲每15min 滾動執行的超短期功率預測的所有預測結果。

（5）預測曲線經過人工修正後存儲修正前後的所有預測結果。

（四）預測系統軟件要求

1.基本要求

（1）應根據光伏電站的具體特點，結合光伏電站的曆史及實測數據，采用适當的預測方法構建預測模型，在此基礎上建立光伏電站功率預測系統。

（2）光伏電站功率預測系統軟件應包括數值天與預報處理模塊、實時氣象信自外理模塊、短期預測模塊、超短期預測模塊、系統人機界面、數據庫、數據交換接口等。

2.預測軟件配置要求

（1）預測系統應配置通用、成熟的商用關系型數據庫，用于數據、模型及參數的存儲。（2）預測系統軟件應在統一的支撐平台上實現，具有統一風格的人機界面，并采用公共電力系統模型接口。

（3）預測系統軟件應采用模塊化劃分，單個功能模塊故障不影響整個系統的運行。

（4）預測系統應具有可擴展性，支持用戶和第三方應用程序的開發。

（5）預測系統應采用權限管理機制，确保系統操作的安全性。

3.預測模型要求

（1）短期功率預測應滿足下列要求∶

1）應能預測次日零時起至未來 72h 的光伏電站輸出功率，時間分辨率為15min;

2）短期預測輸入包括數值天氣預報等數據，從而獲得預測功率;

3）短期預測應考慮檢修、故障、擴容等不确定因素對光伏電站輸出功率的影響;

4）預測模型應具有多樣性，可滿足新建、已建光伏電站的功率預測;

5）宜采用多種預測方法建立預測模型，形成最優預測策略;

6）短期預測每日宜執行2次，單次計算時間應小于5min。

（2）超短期功率預測應滿足下列要求∶

1）能預測未來15min～4h 的光伏電站輸出功率，時間分辨率為 15min;

2）超短期預測模型的輸入應包括實測功率數據、實測氣象數據及設備狀态數據等;

3）宜采用圖像識别技術對全天空成像儀的實測圖形進行分析，判斷雲層運動及對光伏電站的遮擋情況，進而實現對超短期功率波動的預測;

4）超短期預測應 15min執行一次，動态更新預測結果，單次計算時間應小于5min。

4.人機界面要求

（1）應具備光伏電站輸出功率監視頁面，以地圖形式展示光伏電站布局，至少同時顯示實際功率、預測功率及各實測氣象要素，數據更新時間應不大于5min。

（2）應具備光伏電站輸出功率的曲線展示頁面，應同時顯示系統預測曲線、實際功率曲線，實際功率曲線應動态更新且更新時間應不大于5min。

（3）應具備曆史數據的曲線查詢頁面，至少提供日、周等時間區間的曲線展示，頁面查詢時間應小于1min。

（4）應提供數據統計分析頁面，提供餅圖、棒圖、表格等多種可視化展示手段。

（5）系統頁面應采用統一的風格，頁面布局合理，便于運行人員使用。

5.數據統計要求

（1）應能對光伏電站運行參數、實測氣象數據及預測誤差進行統計。

（2）運行參數統計應包括發電量、有效發電時間、最大輸出功率及其發生時間、利用小時數及平均負荷率等。

（3）氣象數據統計應包括各氣象要素的平均值及曝輻量、日照時數、可照時數等。

（4）預測誤差統計指标至少應包括均方根誤差、平均絕對誤差、相關性系數、最大預測誤差、合格率等。

（5）參與統計數據的時間範圍應能任意選定，可根據光伏電站所處地理位置的日出日落時間自動剔除夜間時段。

（6）各指标的統計計算時間應小于1min。

（五）硬件要求

1.配置要求

（1）采用主流的服務器，支持集群、RAID等技術特性，支持雙路獨立電源輸入，采用機架式安裝，宜采用冗餘配置。

（2）工作站宜采用主流硬件廠商的圖形工作站，應具有良好的可靠性和可擴展性。

（3）物理隔離裝置應通過國家指定部門檢測認證。

（4）根據需要選擇交換機、防火牆、路由器等設備。

2.性能指标

（1）所有計算機的CPU負荷率在正常狀态下任意 5min 内小于30%，峰值負荷率小于50%。

（2）系統服務器平均無故障時間（MTBF）應不小于30000h。

（3）系統月可用率應大于99%。三、系統功能（一）數據采集與處理

光伏電站功率預測系統應用的所有數據可實現自動采集、處理及存儲。曆史數據、缺測數據和異常數據可通過手動方式進行數據補錄或修正。

1.基礎信息錄入

（1）光伏電站所處區域的經緯度範圍、海拔高度。

（2）光伏電站的裝機容量、裝機類型。

（3）光伏發電單元信息包括逆變器轉換效率曲線和單個光伏組件的面積、額定容量、峰值功率、組件溫度曲線、峰值功率-輻照度曲線，以及光伏組件數量等。

（4）參考氣象站的經度、緯度、海拔高度等信息。

2.曆史數據錄入

光伏電站功率預測系統應支持光伏電站曆史數據的錄入、存儲與應用，曆史數據的錄入應滿足以下要求∶

（1）光伏電站曆史運行數據。

1）并網點高壓側有功功率、開機容量、逆變器工作狀态、光伏發電單元故障記錄等;

2）有功功率數據的時間分辨率應不低于5min。

（2）光伏電站自動氣象站曆史監測數據。

1）數據類型至少應包括總輻射、直接輻射、散射輻射、組件溫度、氣溫、相對濕度、氣壓、風速及風向;

2）數據的時間分辨率應不低于5min。

3.實時數據采集

（1）光伏電站實時運行數據的采集。

1）包括并網點高壓側有功功率、開機容量、逆變器工作狀态、光伏發電單元故障記錄等;

2）調度端應通過電力調度數據網從光伏電站端獲取實時運行數據;

3）電站端應從光伏電站計算機監控系統獲取實時運行數據;

4）數據的時間分辨率應不低于 5min。

（2）氣象數據的實時采集。

1）光伏電站自動氣象站位置應具有代表性，即站點監測到的镉射數據與光伏電站曆史同期有功功率滿足線性關系;

2）數據類型應包括總輻射、直接輻射、散射輻射、組件溫度、氣溫、相對濕度、氣壓、風速及風向等;

3）調度端應通過電力調度數據網從光伏電站端獲取氣象監測數據;

4）數據的時間分辨率應不低于5min。

4.數值天氣預報

（1）數值天氣預報輻射數據至少應包括預報區域地表 400～1100nm和 280～3000nm 兩個波段。

（2）數值天氣預報輻射數據的類型包括水平面總輻射輻照度、水平面太陽散射輻射镉照度、垂直于太陽入射光的直接輻射輻照度以及風速、風向、氣溫、相對濕度、氣壓等氣象要素預報值。

（3）每日起報次數不少幹2次，起報時刻至少應包括每日北京時間 08∶00和 20∶00，時間分辨率為15min。

（4）數值天氣預報宜包括預報區域次日常規天氣預報（天空總雲量、累計降水量等），預測數據時間分辨率不低于3h。

5.數據處理

所有數據存入數據庫前必須進行完整性及合理性檢驗，并對缺測和異常數據進行補充和修正。

（1）完整性檢驗。

數據數量應不低幹起止記錄時間内預期樣本數量的 99%;數據的時間标識應嚴格遵守起止記錄時間，且中間連續。

（2）合理性檢驗。

對光伏電站有功功率、數值天氣預報、氣象監測等數據進行數據超限檢驗，限值範圍可手動設置。

（3）異常及缺測數據的處理。

缺測及異常數據應予特殊标示;所有缺測和異常數據可人工補錄或修正，經過修正的數據應予特殊标示。

6.數據存儲

（1）應存儲系統運行期間接收的全部數值天氣預報數據和光伏電站參考氣象站監測數據。

（2）應存儲系統運行期間所有時刻的并網點高壓側有功功率、開機容量、逆變器工作狀态、光伏發電單元故障記錄。

（3）應存儲每次執行的短期、超短期預測數據。

（4）預測曲線經過人工修正後應存儲修正前後的所有預測結果。

（二）光伏電站功率預測

1.總體要求

（1）短期光伏電站功率預測應能設置每日預測的啟動時間及次數，支持自動啟動和手動啟動。

（2）超短期光伏電站功率預測應每15min 自動預測一次，自動滾動執行。

2.預測的空間要求

（1）光伏電站功率預測的最小單位為單個光伏電站。

（2）調度端的光伏電站功率預測系統應能實現調度管轄範圍内單個光伏電站及區域内光伏電站群的有功功率預測。

3.預測的時間要求

（1）應能實現次日零時至未來72h的光伏電站功率預測，時間分辨率為15min。

（2）應能實現未來15min～4h 的光伏電站功率預測，時間分辨率為15min。

（三）統計分析

1.數據統計

數據統計應符合以下要求∶

（1）曆史功率數據統計應包括數據完整性統計、頻率分布統計、變化率統計等。

（2）曆史氣象監測數據統計應包括完整性統計、輻照度頻率分布統計、組件溫度統計，以及逐日可照時數、日照時數、曝輻量等。

（3）曆史數值天氣預報數據統計應包括暢通率統計、誤差頻率分布統計等。

（4）應具備局地日出、日落時間統計，及逐日日照時間統計功能。

2.相關性校驗

分别對曆史功率數據和曆史同期預測功率數據，曆史氣象監測數據和曆史同期數值天氣預報數據進行相關性校驗，根據分析結果，給出數據不确定性可能引入的誤差。

3.誤差統計

功率預測的誤差統計指标應包括均方根誤差、合格率、平均相對誤差、相關系數等。

四、資料收集

資料收集包含新建光伏電站并網基本信息、陣列及組件基本參數、曆史氣象信息等資料，是功率預測系統物理建模的基礎，收集的基礎數據質量直接影響功率預測系統的預測準确率。

1.光伏電站基本信息光伏電站基本信息見表4-2。

2.光伏電站陣列及組件信息

光伏電站陣列及組件信息見表4-3和表4-4。

3.曆史氣象資料

至少提供1年的曆史氣象數據，至少包括輻射、風速、溫度、氣壓、濕度等信息。

4.下墊面（地表）信息（提供照片）

至少提供夏季和冬季圖片，最好提供4個季節的詳細地表信息。該項信息主要影響數值天氣預報準确性，原因是地表情況影響氣流與地面的摩擦力、地表溫度等。