國電南瑞NSF3100風電功率預測系統(tǒng)技術說明書

文檔可自由編輯打印文檔可自由編輯打印文檔可自由編輯打印NSF3100風電功率預測系統(tǒng)技術說明書國電南瑞科技股份有限公司2011年7月

NSF3100風電功率預測系統(tǒng)技術說明書(資料版本號:V3.01)編寫:沈張巍周永華 審核:李科 批準:李延新日期:2011年7月目錄1.系統(tǒng)開發(fā)背景 12.國內(nèi)外技術現(xiàn)狀 12.1.國外現(xiàn)狀 12.2.國內(nèi)現(xiàn)狀 23.系統(tǒng)技術特點 23.1.氣象信息實時監(jiān)測系統(tǒng) 23.2.超短期風電功率預測 33.3.短期風電功率預測 43.4.風電功率預測系統(tǒng)軟件平臺 54.系統(tǒng)功能指標 74.1.數(shù)據(jù)功能指標 74.2.短期功率預測功能指標 84.3.超短期功率預測功能指標 84.4.人機界面功能指標 84.5.信息上報功能指標 85.系統(tǒng)性能指標 95.1.系統(tǒng)容量指標 95.2.功率預測指標 95.3.設備可靠性指標 95.4.系統(tǒng)負荷率指標 95.5.系統(tǒng)實時性指標 96.系統(tǒng)典型應用方案 96.1.網(wǎng)省級NSF3100風電功率預測系統(tǒng)典型應用方案 96.2.場站級NSF3100風電功率預測系統(tǒng)典型應用方案 10

1.系統(tǒng)開發(fā)背景風能是一種清潔的可再生能源，由于其資源豐富、轉化效率高、產(chǎn)業(yè)化基礎好、經(jīng)濟優(yōu)勢明顯、環(huán)境影響小等優(yōu)點，具備大規(guī)模開發(fā)的條件。就目前發(fā)展形勢，風能的開發(fā)利用已成為我國最為重要的可再生能源發(fā)展方向。但由于風電等可再生能源發(fā)電具有間歇性強、隨機性大、可調(diào)度性弱等特點，大規(guī)模接入后對電網(wǎng)運行會產(chǎn)生較為明顯的影響。目前，我國正在發(fā)展的大容量風電場通常表現(xiàn)出顯著的區(qū)域集中性，大型風電場對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響必然顯著區(qū)別于國外分布式風電發(fā)展模式。同時，我國風資源豐富、適宜建設大型風電場的地區(qū)存在局部電網(wǎng)建設相對薄弱的情況。為保障電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定，有時需采取限制風電場發(fā)電功率的措施。近年來，風電場功率預測取得一系列突破性進展，該項技術是提高電網(wǎng)調(diào)峰能力、增強電網(wǎng)接納風電的能力、改善電力系統(tǒng)運行安全性與經(jīng)濟性的最為有效、經(jīng)濟的手段之一。從發(fā)電企業(yè)角度考慮，精準的風電功率預測將使得風電可以積極地參與市場競爭，規(guī)避由供電的不可靠性而受到的經(jīng)濟懲罰。根據(jù)中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會（中國風能協(xié)會）統(tǒng)計，截至2010年12月，中國市場（不包括臺灣地區(qū)）風電機組裝機容量已經(jīng)達到18927.99MW，年同比增長37.1%，累計安裝風電機組34485臺，年同比增長73.3%。甘肅省新增風電裝機3756MW，累計裝機由2009年的1187.95MW增至4943.95MW，成為除內(nèi)蒙古自治區(qū)外，我國第二大風電裝機增幅省份。上述數(shù)據(jù)表明，開展風電功率預測系統(tǒng)建設將在區(qū)域風電接納等方面提供有力的技術支持，該項工作將為風能開發(fā)企業(yè)等單位帶來明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。2.國內(nèi)外技術現(xiàn)狀2.1.國外現(xiàn)狀在風電功率預測技術研究方面，經(jīng)過近20年的發(fā)展，風電功率預測已獲得了廣泛的應用，風電發(fā)達國家，如丹麥、德國、西班牙等均有運行中的風電功率預測系統(tǒng)。德國太陽能技術研究所開發(fā)的風電管理系統(tǒng)（WPMS）是目前商業(yè)化運行較為成熟的系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)對于單個風電場的日前預報精度約為85%左右。丹麥Ris?國家可再生能源實驗室與丹麥技術大學聯(lián)合開發(fā)了Zephyr，目前丹麥所有電網(wǎng)公司均采用了該預測系統(tǒng)。此外，美國、西班牙、英國、法國、愛爾蘭等風電發(fā)展較快的歐美國家紛紛開始開發(fā)和應用風電功率預測系統(tǒng)，其中較為成熟的產(chǎn)品還有美國TrueWindSolutions公司開發(fā)的E-Wind，法國EcoledesMinesdeParis公司開發(fā)的AWPPS，西班牙馬德里卡爾洛斯第三大學開發(fā)的SIPREóLco以及愛爾蘭國立科克大學與丹麥DMI聯(lián)合開發(fā)的HIRPOM。近年來，國際風電功率預測研究的重點已經(jīng)轉向開發(fā)更高級的預測模型，強調(diào)研發(fā)適用于復雜地形、極端天氣條件以及海上風電場的預測技術。在2002年歐盟啟動的“開發(fā)下一代陸上與海上風電場風能預測系統(tǒng)”項目(ANEMOS)的支持下，涌現(xiàn)出大量新的預測方法，如結合統(tǒng)計法與物理法的混合預測法、小氣候模型與中尺度氣象模型的結合、多個中尺度模式的集合預報等。2.2.國內(nèi)現(xiàn)狀經(jīng)過多年的技術攻關，我國在風電功率預測的研發(fā)方面取得了重大突破。國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團自主研發(fā)的NSF3100風電功率預測系統(tǒng)于福建省電力公司現(xiàn)場投運,預測精度達到國外同類產(chǎn)品水平，是我國首套具備超短期預測功能的風電功率預測系統(tǒng)。國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團的NSF3100風電功率預測系統(tǒng)目前已在華北電網(wǎng)公司、東北電網(wǎng)公司、福建省電力公司等單位進入業(yè)務化運行，并在內(nèi)蒙、江蘇、浙江、甘肅等多個省份的風電場投入運行。3.系統(tǒng)技術特點NSF3100風電功率預測系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)監(jiān)測、功率預測、軟件平臺展示三個部分。數(shù)據(jù)監(jiān)測是預測的基礎，數(shù)據(jù)監(jiān)測包括對氣象信息的監(jiān)測和對風電場運行狀況的監(jiān)測。功率預測系統(tǒng)可實現(xiàn)短期、超短期預測功能，滿足風電企業(yè)對于不同時效預報的需求。軟件平臺將對監(jiān)測和預測的數(shù)據(jù)結果以直觀的方式展示并分析。3.1.氣象信息實時監(jiān)測系統(tǒng)氣象信息實時監(jiān)測技術的應用提供了風電場區(qū)域氣象實時數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)監(jiān)測傳感器選用國際一流產(chǎn)品，國產(chǎn)化核心采集模塊經(jīng)驗證達到國際一流水平，該系統(tǒng)可實現(xiàn)區(qū)域風能資源變化的實時監(jiān)視與多元信息采集，是實現(xiàn)風電場超短期功率預測的必要步驟，并為風速預測的校訂提供關鍵性真實數(shù)據(jù)源。實時監(jiān)測系統(tǒng)由遙測站、中心站數(shù)據(jù)采集裝置和通信通道組成，其中遙測站安裝于風電場指定測風塔的相應高層，中心站數(shù)據(jù)采集裝置安裝于風電場中控樓內(nèi)，遙測站與中心站之間有光纖通道或者特高頻通信通道供用戶根據(jù)風電場實際條件進行選擇。實時監(jiān)測系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的微功耗數(shù)據(jù)采集器、多信道可選的無線通信接口、豐富的高精度傳感器接入、適用的機械構件設計、功能完備的中心站數(shù)據(jù)采集軟件平臺等核心技術。在監(jiān)測的氣象要素數(shù)據(jù)中，多個高層的風速、風向值以每秒進行采集，近地面的溫度、濕度、氣壓以每10秒進行采集，每分鐘采集雨量，遙測站可實現(xiàn)每5分鐘向中心站自動發(fā)送氣象要素的實測數(shù)據(jù)和5分鐘平均值、最大/小值、極大值、標準差等統(tǒng)計數(shù)據(jù)。3.2.超短期風電功率預測超短期風電功率預測能夠實現(xiàn)對接入系統(tǒng)的風電場未來0-4小時的輸出功率情況進行預測，預測點時間分辨率為15分鐘。超短期風電功率預測一般采用數(shù)理統(tǒng)計法，數(shù)理統(tǒng)計法是對風電場所在地測風塔的歷史觀測數(shù)據(jù)和周邊氣象臺站的歷史觀測數(shù)據(jù)進行分析和整理，根據(jù)實際需要選擇逐步回歸法、時間序列法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡法等適用性技術進行風力預測建模試驗，最后選取預報效果較好的一種風力預測模型。測風塔實時數(shù)據(jù)作為輸入，經(jīng)風力預測模型計算，即可得到超短期風力預測結果，該結果經(jīng)約束算法調(diào)?？蓪崿F(xiàn)風電場未來輸出功率的預測計算。圖1數(shù)理統(tǒng)計預報模式——超短期功率預測流程示意圖3.3.短期風電功率預測短期風電功率預測能夠實現(xiàn)對接入系統(tǒng)的所有風電場次日0-24小時的輸出功率情況進行預測，預測點時間分辨率為15分鐘。短期風電功率預測主要依靠數(shù)值氣象預報，并根據(jù)風電場地形的特點，輸入風電場測風塔觀測資料、周邊自動氣象站觀測資料、風電場基礎地理信息資料等，對風電場微觀區(qū)域進行時空加密計算，得出滿足風電場功率預測需求的風力預測結果。在風機標準功率特性曲線基礎上，根據(jù)風電場歷史功率數(shù)據(jù)以及歷史測風塔數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析獲得風電場的功率預測模型。結合風力預測結果與功率預測模型便可獲得風電場全場輸出功率預測結果。圖2風電場短期功率預測方案流程示意圖數(shù)值天氣預報是以資料同化系統(tǒng)ADAS為基礎，通過INTERNET實時獲取GFS背景場，結合本地大量實時觀測資料，重建中尺度區(qū)域模式所需的初始場。在獲得精細化客觀分析場的基礎上，調(diào)試中尺度區(qū)域模式WRF，構建風力預估數(shù)值預報系統(tǒng)。業(yè)務化運行后，可將模式預報所得傳送至后處理服務器，通過INTERNET向客戶提供數(shù)據(jù)下載，并通過頁面形式顯示各氣象要素場。圖3數(shù)值天氣預報系統(tǒng)流程數(shù)值天氣預報每天8：00、20：00分別發(fā)布風電場給定預報點（含測風塔指定經(jīng)緯度）的5分鐘平均風速、5分鐘平均風向。預測高層涵蓋風機輪轂高度，風電場測風塔測風設備的安裝高層等；對應預報點整點的2米溫度、2米相對濕度、地面氣壓，6小時累計雨量預報值。3.4.風電功率預測系統(tǒng)軟件平臺NSF3100風電功率預測軟件平臺采用基于B/S架構的友好人機界面，具有如下功能：1)實時監(jiān)視信息：提供界面監(jiān)視測風塔采集的各氣象要素（氣溫、濕度、氣壓、雨量、風速風向等）實測、預測值；2)風電場氣象實時/歷史信息：包括實測和預測的氣溫、濕度曲線、風速、風向、濕、壓、雨數(shù)據(jù)表格等；3)風電場功率實時/歷史信息：包括全站實時有功曲線、日前預測功率曲線、風速與功率對比曲線、實際功率歷史數(shù)據(jù)查詢、預測功率歷史數(shù)據(jù)查詢；4）誤差統(tǒng)計分析：風力預測誤差統(tǒng)計、功率預測誤差統(tǒng)計分析。NSF3100風電功率預測系統(tǒng)是一個建立在分布式計算環(huán)境中的多模塊協(xié)作平臺，主要采用java語言、Python語言等作為開發(fā)工具。人機界面采用了基于瀏覽器的B/S架構開發(fā)。風電功率預測系統(tǒng)軟件平臺模塊劃分和數(shù)據(jù)流見下圖：圖4NSF3100風電功率預測系統(tǒng)軟件平臺模塊圖各個軟件模塊的功能如下：1)預測數(shù)據(jù)庫：是整個風電功率預測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心，各個功能模塊都需要通過預測數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)的互操作。預測數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：數(shù)值天氣預報、測風塔實測氣象數(shù)據(jù)、風場實時有功數(shù)據(jù)、超短期風力預測、時段整編數(shù)據(jù)、功率預測數(shù)據(jù)；2)人機界面：這是用戶和系統(tǒng)進行交互的平臺，人機界面中以數(shù)據(jù)表格和過程線、直方圖等形式向用戶展現(xiàn)了風電功率預測系統(tǒng)的各項實測氣象數(shù)據(jù)、風場實時有功數(shù)據(jù)和預測的中間、最終結果；3)天氣預報獲取解析程序：負責定時從FTP下載從氣象部門獲得的天氣預報數(shù)據(jù)，通過篩選、格式化等操作將數(shù)據(jù)存放到預測數(shù)據(jù)庫中；4)風電場風機信息采集程序：負責將從風機廠家獲得的風電場風機實時有功數(shù)據(jù)轉存到預測數(shù)據(jù)庫以作為預測數(shù)據(jù)比對和預測功率計算使用；5)數(shù)據(jù)采集平臺：負責從測風塔收集與預測相關的氣象數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)做初步篩選處理，并將之存入預測數(shù)據(jù)庫；6)短期和超短期風電功率預測模塊：從預測數(shù)據(jù)庫中獲得數(shù)值天氣預報以及測風塔實測氣象數(shù)據(jù)，以此為輸入，應用各種模型計算短期和超短期功率預測結果并存入預測數(shù)據(jù)庫；7)誤差統(tǒng)計計算模塊：輸入不同時間間隔的預測和實測功率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計合格率、平均相對誤差、相關系數(shù)，通過存入預測數(shù)據(jù)庫、輸出誤差計算結果到人機界面。4.系統(tǒng)功能指標NSF3100風電功率預測系統(tǒng)是行業(yè)知名的成熟產(chǎn)品，經(jīng)過風電企業(yè)實際使用檢驗。風電功率預測系統(tǒng)能夠進行短期和超短期風電功率預測，預測結果準確。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)處理、功率預測、界面查詢統(tǒng)計等功能：4.1.數(shù)據(jù)功能指標4.1.1.數(shù)據(jù)采集功能指標NSF3100風電功率預測系統(tǒng)運行需要的數(shù)據(jù)包括數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)（數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)來自國內(nèi)權威氣象部門）、實時測風塔數(shù)據(jù)（來自實際測風塔的數(shù)據(jù)）、風電場實時輸出功率數(shù)據(jù)、風電機組運行狀態(tài)等。系統(tǒng)能夠完成全部數(shù)據(jù)的自動采集，也可通過手動方式錄入，其中數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)將自動定時獲取。4.1.2.數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能指標1)可任意選定系統(tǒng)參與統(tǒng)計數(shù)據(jù)的時間范圍。2)歷史功率數(shù)據(jù)統(tǒng)計包括：數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計、頻率分布統(tǒng)計、變化率統(tǒng)計等。歷史測風數(shù)據(jù)、數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)統(tǒng)計將包括：完整性統(tǒng)計、風速頻率分布統(tǒng)計、風向頻率分布統(tǒng)計等。3)統(tǒng)計各種參數(shù)在不同條件下的預測結果與實際發(fā)電之間的誤差等參數(shù)，統(tǒng)計結果可以動態(tài)生成、導出，以便后續(xù)分析以及科研等工作的使用。4)系統(tǒng)能夠對任意時間區(qū)間的預測結果進行誤差統(tǒng)計，誤差指標將包括均方根誤差率、平均絕對誤差率、相關性系數(shù)等。4.1.3.數(shù)據(jù)分析、處理功能指標1)系統(tǒng)具備對基礎數(shù)據(jù)進行一系列篩選、處理的功能，減少異常值和錯誤信息對預測結果的影響。2)系統(tǒng)能夠對數(shù)值天氣預報值與測風塔數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一解讀和對比使用。3)短期、超短期功率預測誤差以絕對平均百分比誤差計算，即與實際發(fā)電量的差值以絕對值形式計入誤差。4)系統(tǒng)能夠實現(xiàn)參數(shù)互動，分析不同參數(shù)之間的關聯(lián)度。4.2.短期功率預測功能指標可實現(xiàn)風電場未來0-72h功率變化曲線的預測，時間分辨率為15min。短期預測月均方根誤差率小于20%。4.3.超短期功率預測功能指標可實現(xiàn)風電場未來0-4h功率變化曲線的預測，時間分辨率為15min，每15min滾動執(zhí)行一次。超短期預測第4小時預測值月均方根誤差率小于15%。4.4.人機界面功能指標可實現(xiàn)風電場實時風資源監(jiān)測信息、實時功率、實時機組狀態(tài)、預測功率等規(guī)定內(nèi)容的展示。可實現(xiàn)風資源監(jiān)測信息、實測功率、預測功率信息、預測準確率等內(nèi)容的統(tǒng)計分析?？蓪崿F(xiàn)風電場預計開機容量、停機檢修計劃，網(wǎng)調(diào)新能源發(fā)電計劃等內(nèi)容的解析和錄入等。4.5.信息上報功能指標可按照網(wǎng)/省調(diào)技術要求，實現(xiàn)標準格式的短期功率預測、超短期功率預測、測風塔實時監(jiān)測、風機檢修容量、風電場裝機容量、投運容量、最大功率等信息的上報。其中，短期功率預測結果以次日96點功率曲線形式每日上報（按照調(diào)度要求），超短期功率預測每15min上報1次，測風塔實時監(jiān)測數(shù)據(jù)每5min上報1次，風電場風機檢修容量、裝機容量、投運容量、最大功率等信息作為短期功率預測上報數(shù)據(jù)的報頭統(tǒng)一以文件格式上報網(wǎng)/省調(diào)。5.系統(tǒng)性能指標5.1.系統(tǒng)容量指標歷史數(shù)據(jù)存儲期限 ≥10年5.2.功率預測指標風電功率預測模型計算時間 ≤5分鐘測風塔歷史測風數(shù)據(jù)存儲周期 ≤5分鐘風電場歷史功率數(shù)據(jù)存儲周期 ≤5分鐘風機歷史運行數(shù)據(jù)存儲周期 ≤15分鐘功率預測結果時間分辨率 ≤15分鐘5.3.設備可靠性指標系統(tǒng)的年可用率 ≥99.99%服務器、工作站、網(wǎng)絡設備的MTBF ≥30000小時其它設備的MTBF ≥10000小時5.4.系統(tǒng)負荷率指標在任意5分鐘內(nèi)，主站局域網(wǎng)的平均負荷率