光伏电站功率预测系统
一、系统组成
光伏电站功率预测系统主要包括实时气象采集子系统和功率预测计算子系统。
实时气象采集子系统实现对光伏电站现场实时辐照值。风速。风向。温度。湿度气压等气象要素的采集，并将学时采集的数据传输至功率预测计算子系统，作为功率预测的主要数据来源，硬件设备主要包括辐照仪、风速风向仪、温湿度传感器、数据米集通信设备等。一座光伏电站根据其覆盖面积及地形地貌特征可以设置一座或者多座气象采集器。气象采集器的设置以能准确反映整个光伏电站区的辐照强度等气象条件，清足光功率预测系统功能为目的。气象采集信息是电站功率预测的重要数据源。
功率预测计算子系统实现数据采集、数据管理、数值天气预报及实时气象数据处理、功率预测、预测结果评估等功能。硬件设备一般包括1台气象数据处理服务器、1台预测应用服务器、1台人机工作站和物理隔离设备、硬件防护墙等。其中气象数据处理服务器部署于安全区，用于数值天气预报及实时辐照等气象数据的接收与处理，并通过物理隔离设备将气象数据送至预测应用服务器;预测应用服务器部署干安全Ⅱ区，用干它装预测系统主程序，接收实时气象信息、数值天气预报和电站实际输出功率等数据，依据系统预测模型，完成电站短期和超短期输出功率预测，并将结果实时上传调度机构。
二、系统建设要求
（一）技术要求
系统功能应满足光伏电站建设方案、发展目标的要求，保证系统的实用性和适用性，并提供严格的它全管理措施，以保证系统及其数据的安全可靠性。系统应采用开放式体系结构，满足可扩展性和可维护性等要求。
1.系统的实用性
项目应满足对电网调度及运营管理的需求，充分考虑光伏电站调度运行的应用需求，在满足各项协议要求的基础上，体现系统的实用性。
2.系统开放性
系统应具有开放的体系结构，采用协议信息模型和标准接口协议，保证本系统同其他相关系统之间的数据交换。3.系统安全性
满足《电力监控系统安全防护规定》（国家发改委令第14号）对电网计算机监控系统和其他系统之间互连的安全要求。
4. 系统可靠性
应对系统关键节点的设备、软件和数据进行冗余备份，提供故障隔离和排除技术手段，实现任一单点故障均不影响系统的正常运行。
（二）实时气象信息采集要求
1.基本要求
光伏电站应配备实时气象信息采集系统，应包括直射辐射表、散射辐射表、总辐射表、环境温度计、光伏组件温度计、风速仪、风向标、数据处理传输设备等;装机容量在50MW及以上的光伏电站还应配备全天空成像仪。
2.站址要求
气象信息采集系统应能反映光伏电站范围内的气象条件。
气象信息采集系统环境信息观测仪器感应元件平面以上应无任何障碍物，若不满足，应与障碍物保持一定距离，避免障碍物的阴影对感应元件的遮挡。不应靠近浅色墙面或其他易于反射阳光的物体，也不应暴露在人工辐射源之下。
3.测量设备要求测量设备要求见表 4-1。
（三）预测数据要求
1.基本要求
光伏电站功率预测所需的数据至少应包括数值天气预报数据、实时气象数据、实时功率数据、运行状态、计划检修信息等。
2.数据采集
（1）数值天气预报数据应满足以下要求∶
1）应至少包括次日零时起未来3天的数值天气预报数据，时间分辨率为15min;
2）数据至少应包括辐照强度、云量、气温、湿度、风速、风向、气压等参数;
3）每日至少提供两次数值天气预报数据。
（2）实时气象数据应满足以下要求∶
1）实时气象数据应取自光伏电站的实时气象信息采集系统;
2）数据至少应包括总辐射、直接辐射、散射辐射、环境温度、湿度、光伏组件温度，风速、风向、气压等参数;
3）数据传输应采用光纤传输方式，传输时间间隔应不大于5min;
4）数据可用率应大于99%。
（3）实时功率数据、设备运行状态应取自光伏电站计算机监控系统，采集时间间隔应不大于5min。
（4）所有数据的采集应能自动完成，并能通过手动方式补充录入。
（5）所有实时数据的时间延迟应不大于1min。
3.数据处理
（1）所有数据存入数据库前应进行完整性及合理性检验，并对缺测和异常数据进行补充和修正。
（2）数据完整性检验应满足∶
1）数据的数量应等于预期记录的数据数量;
2）数据的时间顺序应符合预期的开始、结束时间，中间应连续。
（3）数据合理性检验应满足∶
1）对功率、数值天气预报、实测气象数据进行越限检验，可手动设置限值范围;
2）根据实测气象数据与功率数据的关系对数据进行相关性检验。
（4）缺测和异常数据宜按下列要求处理∶
1）以前一时刻的功率数据补全缺测或异常的功率数据;
2）以零替代小于零的功率数据;
3）缺测或异常的气象数据可根据相关性原理由其他气象要素进行修正;不具备修正条件的以前一时刻数据替代;
4）所有经过修正的数据以特殊标识记录并可查询;
5）所有缺测和异常数据均可由人工补录或修正。
4.数据存储
数据存储应符合下列要求∶
（1）存储系统运行期间所有时刻的数值天气预报数据。
（2）存储系统运行期间所有时刻的功率数据、实时气象数据。
（3）存储每次执行的短期功率预测的所有预测结果。
（4）存储每15min 滚动执行的超短期功率预测的所有预测结果。
（5）预测曲线经过人工修正后存储修正前后的所有预测结果。
（四）预测系统软件要求
1.基本要求
（1）应根据光伏电站的具体特点，结合光伏电站的历史及实测数据，采用适当的预测方法构建预测模型，在此基础上建立光伏电站功率预测系统。
（2）光伏电站功率预测系统软件应包括数值天与预报处理模块、实时气象信自外理模块、短期预测模块、超短期预测模块、系统人机界面、数据库、数据交换接口等。
2.预测软件配置要求
（1）预测系统应配置通用、成熟的商用关系型数据库，用于数据、模型及参数的存储。（2）预测系统软件应在统一的支撑平台上实现，具有统一风格的人机界面，并采用公共电力系统模型接口。
（3）预测系统软件应采用模块化划分，单个功能模块故障不影响整个系统的运行。
（4）预测系统应具有可扩展性，支持用户和第三方应用程序的开发。
（5）预测系统应采用权限管理机制，确保系统操作的安全性。
3.预测模型要求
（1）短期功率预测应满足下列要求∶
1）应能预测次日零时起至未来 72h 的光伏电站输出功率，时间分辨率为15min;
2）短期预测输入包括数值天气预报等数据，从而获得预测功率;
3）短期预测应考虑检修、故障、扩容等不确定因素对光伏电站输出功率的影响;
4）预测模型应具有多样性，可满足新建、已建光伏电站的功率预测;
5）宜采用多种预测方法建立预测模型，形成最优预测策略;
6）短期预测每日宜执行2次，单次计算时间应小于5min。
（2）超短期功率预测应满足下列要求∶
1）能预测未来15min～4h 的光伏电站输出功率，时间分辨率为 15min;
2）超短期预测模型的输入应包括实测功率数据、实测气象数据及设备状态数据等;
3）宜采用图像识别技术对全天空成像仪的实测图形进行分析，判断云层运动及对光伏电站的遮挡情况，进而实现对超短期功率波动的预测;
4）超短期预测应 15min执行一次，动态更新预测结果，单次计算时间应小于5min。
4.人机界面要求
（1）应具备光伏电站输出功率监视页面，以地图形式展示光伏电站布局，至少同时显示实际功率、预测功率及各实测气象要素，数据更新时间应不大于5min。
（2）应具备光伏电站输出功率的曲线展示页面，应同时显示系统预测曲线、实际功率曲线，实际功率曲线应动态更新且更新时间应不大于5min。
（3）应具备历史数据的曲线查询页面，至少提供日、周等时间区间的曲线展示，页面查询时间应小于1min。
（4）应提供数据统计分析页面，提供饼图、棒图、表格等多种可视化展示手段。
（5）系统页面应采用统一的风格，页面布局合理，便于运行人员使用。
5.数据统计要求
（1）应能对光伏电站运行参数、实测气象数据及预测误差进行统计。
（2）运行参数统计应包括发电量、有效发电时间、最大输出功率及其发生时间、利用小时数及平均负荷率等。
（3）气象数据统计应包括各气象要素的平均值及曝辐量、日照时数、可照时数等。
（4）预测误差统计指标至少应包括均方根误差、平均绝对误差、相关性系数、最大预测误差、合格率等。
（5）参与统计数据的时间范围应能任意选定，可根据光伏电站所处地理位置的日出日落时间自动剔除夜间时段。
（6）各指标的统计计算时间应小于1min。
（五）硬件要求
1.配置要求
（1）采用主流的服务器，支持集群、RAID等技术特性，支持双路独立电源输入，采用机架式安装，宜采用冗余配置。
（2）工作站宜采用主流硬件厂商的图形工作站，应具有良好的可靠性和可扩展性。
（3）物理隔离装置应通过国家指定部门检测认证。
（4）根据需要选择交换机、防火墙、路由器等设备。
2.性能指标
（1）所有计算机的CPU负荷率在正常状态下任意 5min 内小于30%，峰值负荷率小于50%。
（2）系统服务器平均无故障时间（MTBF）应不小于30000h。
（3）系统月可用率应大于99%。三、系统功能（一）数据采集与处理
光伏电站功率预测系统应用的所有数据可实现自动采集、处理及存储。历史数据、缺测数据和异常数据可通过手动方式进行数据补录或修正。
1.基础信息录入
（1）光伏电站所处区域的经纬度范围、海拔高度。
（2）光伏电站的装机容量、装机类型。
（3）光伏发电单元信息包括逆变器转换效率曲线和单个光伏组件的面积、额定容量、峰值功率、组件温度曲线、峰值功率-辐照度曲线，以及光伏组件数量等。
（4）参考气象站的经度、纬度、海拔高度等信息。
2.历史数据录入
光伏电站功率预测系统应支持光伏电站历史数据的录入、存储与应用，历史数据的录入应满足以下要求∶
（1）光伏电站历史运行数据。
1）并网点高压侧有功功率、开机容量、逆变器工作状态、光伏发电单元故障记录等;
2）有功功率数据的时间分辨率应不低于5min。
（2）光伏电站自动气象站历史监测数据。
1）数据类型至少应包括总辐射、直接辐射、散射辐射、组件温度、气温、相对湿度、气压、风速及风向;
2）数据的时间分辨率应不低于5min。
3.实时数据采集
（1）光伏电站实时运行数据的采集。
1）包括并网点高压侧有功功率、开机容量、逆变器工作状态、光伏发电单元故障记录等;
2）调度端应通过电力调度数据网从光伏电站端获取实时运行数据;
3）电站端应从光伏电站计算机监控系统获取实时运行数据;
4）数据的时间分辨率应不低于 5min。
（2）气象数据的实时采集。
1）光伏电站自动气象站位置应具有代表性，即站点监测到的镉射数据与光伏电站历史同期有功功率满足线性关系;
2）数据类型应包括总辐射、直接辐射、散射辐射、组件温度、气温、相对湿度、气压、风速及风向等;
3）调度端应通过电力调度数据网从光伏电站端获取气象监测数据;
4）数据的时间分辨率应不低于5min。
4.数值天气预报
（1）数值天气预报辐射数据至少应包括预报区域地表 400～1100nm和 280～3000nm 两个波段。
（2）数值天气预报辐射数据的类型包括水平面总辐射辐照度、水平面太阳散射辐射镉照度、垂直于太阳入射光的直接辐射辐照度以及风速、风向、气温、相对湿度、气压等气象要素预报值。
（3）每日起报次数不少干2次，起报时刻至少应包括每日北京时间 08∶00和 20∶00，时间分辨率为15min。
（4）数值天气预报宜包括预报区域次日常规天气预报（天空总云量、累计降水量等），预测数据时间分辨率不低于3h。
5.数据处理
所有数据存入数据库前必须进行完整性及合理性检验，并对缺测和异常数据进行补充和修正。
（1）完整性检验。
数据数量应不低干起止记录时间内预期样本数量的 99%;数据的时间标识应严格遵守起止记录时间，且中间连续。
（2）合理性检验。
对光伏电站有功功率、数值天气预报、气象监测等数据进行数据超限检验，限值范围可手动设置。
（3）异常及缺测数据的处理。
缺测及异常数据应予特殊标示;所有缺测和异常数据可人工补录或修正，经过修正的数据应予特殊标示。
6.数据存储
（1）应存储系统运行期间接收的全部数值天气预报数据和光伏电站参考气象站监测数据。
（2）应存储系统运行期间所有时刻的并网点高压侧有功功率、开机容量、逆变器工作状态、光伏发电单元故障记录。
（3）应存储每次执行的短期、超短期预测数据。
（4）预测曲线经过人工修正后应存储修正前后的所有预测结果。
（二）光伏电站功率预测
1.总体要求
（1）短期光伏电站功率预测应能设置每日预测的启动时间及次数，支持自动启动和手动启动。
（2）超短期光伏电站功率预测应每15min 自动预测一次，自动滚动执行。
2.预测的空间要求
（1）光伏电站功率预测的最小单位为单个光伏电站。
（2）调度端的光伏电站功率预测系统应能实现调度管辖范围内单个光伏电站及区域内光伏电站群的有功功率预测。
3.预测的时间要求
（1）应能实现次日零时至未来72h的光伏电站功率预测，时间分辨率为15min。
（2）应能实现未来15min～4h 的光伏电站功率预测，时间分辨率为15min。
（三）统计分析
1.数据统计
数据统计应符合以下要求∶
（1）历史功率数据统计应包括数据完整性统计、频率分布统计、变化率统计等。
（2）历史气象监测数据统计应包括完整性统计、辐照度频率分布统计、组件温度统计，以及逐日可照时数、日照时数、曝辐量等。
（3）历史数值天气预报数据统计应包括畅通率统计、误差频率分布统计等。
（4）应具备局地日出、日落时间统计，及逐日日照时间统计功能。
2.相关性校验
分别对历史功率数据和历史同期预测功率数据，历史气象监测数据和历史同期数值天气预报数据进行相关性校验，根据分析结果，给出数据不确定性可能引入的误差。
3.误差统计
功率预测的误差统计指标应包括均方根误差、合格率、平均相对误差、相关系数等。
四、资料收集
资料收集包含新建光伏电站并网基本信息、阵列及组件基本参数、历史气象信息等资料，是功率预测系统物理建模的基础，收集的基础数据质量直接影响功率预测系统的预测准确率。
1.光伏电站基本信息光伏电站基本信息见表4-2。
2.光伏电站阵列及组件信息
光伏电站阵列及组件信息见表4-3和表4-4。
3.历史气象资料
至少提供1年的历史气象数据，至少包括辐射、风速、温度、气压、湿度等信息。
4.下垫面（地表）信息（提供照片）
至少提供夏季和冬季图片，最好提供4个季节的详细地表信息。该项信息主要影响数值天气预报准确性，原因是地表情况影响气流与地面的摩擦力、地表温度等。
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