风电场风电功率短期预测技术
摘要:风电功率预测是确保电网平衡风电波动，减少备用容量和经济运行的重要技术保障，减少系统的备用容量，降低电力系统运行成本，满足电力市场交易需要，为风力发电竞价上网提供有利条件。
本文基于对常见预测方法的研究和对风速数据的分析，并且针对目前存在的预测方法单一、预测精确度不高等问题，拟使用先进的智能化方法、多种方法综合以达到提高预测精度的目的。
关键词：风电功率预测方法matlab建模时间序列模型
1.文献综述
1.1 国内外风电功率预测现状
国外从事风电功率研究工作起步较早，早在1990 年Landberg 就采用类似欧洲风图集的推理方法开发了一套预测系统[1]，其主要思想是把数值天气预报提供的风速、风向通过一定的方法转换到风电机组轮毂高度的风速、风向，然后根据功率曲线得到风电场的出力，并根据风电场的效率进行修正。这个系统采用了丹麦气象研究院的高精度有限区域模型(high resolution limited area model ，HIRLAM)作为数值天气预报的输入，丹麦里索国家实验室的WAsP 模型把风速、风向转换到轮毂高度的风速、风向；Ris?的PARK 模型考虑尾流的影响。1993—1999 年，这个模型分别用在丹麦东部、爱尔兰电力供应委员会和爱荷华州。
风电功率预测工具(wind power prediction tool，WPPT)由丹麦科技大学开发[2]。1994 年以来，WPPT一直在丹麦西部电力系统运行，从1999 年开始WPPT 在丹麦东部电力系统运行。最初这个系统将适应回归最小平方根法与指数遗忘算法相结合，给出了0.536 h 的预测结果。
Prediktor 是Ris?开发的风电场功率预测系统，它尽可能使用物理模型。大范围的空气流动数据是由数值天气预报系统高精度有限区域模型(high resolution limited area model，HIRLAM)提供的。根据地心自传拖引定律和风速的对数分布图，把高空的风速转换为地面的风速。对于一个特定的地点，需要更详尽的数据，因此可以用WAsP程序来分析，WAsP 可以考虑障碍物和粗糙度的影响、粗糙度的变化、山头的加速和山谷的减速等。PARK 模型可以考虑风电场尾流的影响。最后还有2 个统计模块来表示未能在物理模型中表示出来的其它因素。
Zephry 是Ris?和丹麦科技大学的信息和数学建模学院(informatics and mathematical modeling，IMM)联合开发的新一代短期风功率预测程序[3]。Zephry 集合了
预测程序Prediktor 和WPPT 的功能，能进行短期预测(0—9h)和天前预测(36—48h)。IMM 使用了在线实测数据和先进的统计方法，能够给出很好的短期预测结果，IMM 还使用了如HIRLAM 的气象模型，较大提高了天前预测的精度。
Previento 是一个德国OldenBurg 大学开发的预测系统，它可以对一个较大的区域给出2d 内的功率预测结果[4-5]，其预测方法和Prediktor 类似。
AWPT 是德国太阳能研究所开发的风功率管理系统(wind power management system ，WPMS)的一部分[6]。风功率管理系统包括在线监视系统、短期预测系统(1—8 h)和天前预测系统。该模型的特点如下：根据德国气象局提供的精确数值天气预报进行预测；用人工神经元网络计算风电场的功率输出；用在线外推模型计算注入到电网的总风电功率。
eWind 是美国AWS Truewind 公司开发的风功率预测系统[7-8]。它主要包括一组高精度的三维大气物理数学模型、适应性统计模型、风电场输出模型和预测分发系统。
国内对风电功率预测的研究工作主要是理论探索[9-10]，目前还未提出高精度风电功率预测系统。
1.2 预测方法的分类
预测方法分类见图1。根据使用数值天气预报（numerical weather prediction ，NWP ）与否，短期预测可以分为两类：一类是使用数值天气预报的预测方法，一类是不使用气象预报的预测方法，或者叫做基于历史数据的预测方法。
1.2.1 基于历史数据的风电功率预测
基于历史数据的风电场功率预测，是只根据历史数据，来预测风电场功率的方法，也就是在若干个历史数据（包括功率、风速、风向等参数）和风电场的功率输出之间建立一种映射关系，方法包括：卡尔曼滤波法[11]、持续性算法[12]、ARMA [13]算法、线性回归模型、自适应模糊逻辑算法等。另外还有采用人工神经网络（artificial neural network ，ANN ）方法等人工智能方法。受到预测精度的限制，这中预测方法的时间一般不会太长，例如6h 或8h 。
（1） 卡尔曼滤波法
卡尔曼滤波法的基本原理是从噪声污染的信号中提取真实的信号，估计系统的真实状态信息，然后利用此真实的状态信息对系统进行有效的控制[14]。
卡尔曼状态方程：111,11,-----++=k k k k k k k k W u P x x φ (1-1) 式中：k=1，2，…，n 为卡尔曼滤波的阶数
由卡尔曼滤波原理, 可以得到卡尔曼滤波递推公式。
预测误差协方差：
111,---+=k k k k Q P P (1-2) 最优滤波增益：)(1,1,k k k k k k P P P K +=---1 (1-3) 滤波误差协方差：1,)1(--=k k k k P K P (1-4) 预测算法：11,1'---+=k k k k k u P x x (1-5)
最优滤波值： )'(''k k k k k x Z K x x -+= (1-6) 其最大特点是能够剔除随机干扰噪声, 从而获取逼近真实情况的有用信息, 在变形分析与预报中应用效果明显, 预测误差小。该法递推算法严密, 不需要保留使用过的观测值序列, 而且可把模型的参数估计和预报结合在一起, 是一种变形的动态几何分析方法[15]。
（2） ARMA 算法
ARIMA 由三部分组成：自回归项autoregressive （AR ）、差分项integrated （I ）和滑动平均项moving average （MA ）[16]。ARIMA 是在ARMA 的基础上提出来的，ARMA 的数学表达式是
X t =∑=-p j j t j
X a 1+∑=-q k k t k e b 0 (1-7)
其中，X t 表示时间序列，例如风速序列：∑=-p
j j t j X a 1
表示自回归项AR ，a j 为常数，X t-j 为t-j
时刻的观测值，∑=-p
j j t j X a 1即为过去观测值的线性组合；b k 为常数，e t 为白噪声序列，
∑=-q k k t k e
b 0表示白噪声序列的滑动平均项MA 。该方程表明，AR 模型描述的是系统对过去
自身状态的记忆，MA 模型描述的是系统对过去时刻进入系统的噪声（随机扰动项）的记忆，而ARMA 模型则是系统对过去自身状态以及进入系统的噪声的记忆。一个时间序列在某时刻的值可以用p 个历史观测值的线性组合加上一个白噪声序列的q 项滑动平均来表示，则该时间序列即为ARMA （p ，q ）过程[17-18]。其中需要对时间序列的参数进行了解，大致按照9个流程：
（a ）从文件读取数据，定义读取参数data ；
（b ）显示数据的整体函数曲线；
（c ）抽取数据的趋势项；
（d ）显示整体自相关函数曲线；
（e ）显示整体偏相关函数曲线；
（f ）由（d ）（e ）判断模型的类型（AR ，MA ，ARMA ，多项式），选择合适的模型及参数，以ARMA 模型为例（其他方法类似），继续；
（g ）计算分段数据的ARMA 模型参数；
（h ）显示分段数据的ARMA 模型拟合曲线；
（i ）计算预测的残差值e ，若e<阀值，则结束；否则跳至（g ）；
其中还需要预留的参数有：
（a ）数据的长度；
（b ）数据分段的长度L ；
风电功率预测系统功能规范 （试行） 国家电网公司调度通信中心
目次 前言...................................................................... III 1范围. (1) 2术语和定义 (1) 3数据准备 (2) 4数据采集与处理 (3) 5风电功率预测 (5) 6统计分析 (6) 7界面要求 (7) 8安全防护要求 (8) 9系统输出接口 (8) 10性能要求 (9) 附录A 误差计算方法 (10)
前言 为了规范风电调度技术支持系统的研发、建设及应用，特制订风电功率预测系统功能规范。 本规范制订时参考了调度自动化系统相关国家标准、行业标准和国家电网公司企业标准。制订过程中多次召集国家电网公司科研和生产单位的专家共同讨论，广泛征求意见。 本规范规定了风电功率预测系统的功能，主要包括预测时间尺度、信息要求、功率预测、统计分析、界面要求、安全防护、接口要求及性能指标等。 本规范由国家电网公司国家电力调度通信中心提出并负责解释； 本规范主要起草单位：中国电力科学研究院、吉林省电力有限公司。 本规范主要起草人：刘纯、裴哲义、王勃、董存、石永刚、范国英、郭雷。
风电功率预测系统功能规范 1范围 1.1本规范规定了风电功率预测系统的功能，主要包括预测时间尺度、数据准备、数据采集与处理、功率预测、统计分析、界面要求、安全防护、接口要求及性能指标等。 1.2本规范用于指导电网调度机构和风电场的风电功率预测系统的研发、建设和应用管理。 本规定的适用于国家电网公司经营区域内的各级电网调度机构和风电场。 2术语和定义 2.1 风电场 Wind Farm 由一批风电机组或风电机组群组成的发电站。 2.2 数值天气预报 Numerical Weather Prediction 根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。 2.3 风电功率预测 Wind Power Forecasting 以风电场的历史功率、历史风速、地形地貌、数值天气预报、风电机组运行状态等数据建立风电场输出功率的预测模型，以风速、功率或数值天气预报数据作为模型的输入，结合风电场机组的设备状态及运行工况，得到风电场未来的输出功率；预测时间尺度包括短期预测和超短期预测。 2.4 短期风电功率预测 Short term Wind Power Forecasting 未来3天内的风电输出功率预测，时间分辨率不小于15min。 2.5 超短期风电功率预测 ultra-short term Wind Power Forecasting 0h~4h的风电输出功率预测，时间分辨率不小于15min。
风电功率预测系统简介
目录 1目的和意义 (3) 2国内外技术现状 (3) 2.1国外现状 (3) 2.2国内现状 (4) 3风电功率预测系统技术特点 (5) 3.1气象信息实时监测系统 (5) 3.2超短期风电功率预测 (5) 3.3短期风电功率预测 (6) 3.4风电功率预测系统软件平台 (8)
1目的和意义 风能是一种清洁的可再生能源，由于其资源丰富、转化效率高、产业化基础好、经济优势明显、环境影响小等优点，具备大规模开发的条件，在可以预见的将来，风能的开发利用将成为最重要的可再生能源发展方向。但由于风电等可再生能源发电具有间歇性、随机性、可调度性低的特点，大规模接入后对电网运行会产生较大的影响,以至于有些地方不得不采取限制风电场发电功率的措施来保证电网的安全稳定运行。 对风电输出功率进行预测被认为是提高电网调峰能力、增强电网接纳风电的能力、改善电力系统运行安全性与经济性的最有效、经济的手段之一。首先，对风电场出力进行短期预报,将使电力调度部门能够提前为风电出力变化及时调整调度计划，从而减少系统的备用容量、降低电力系统运行成本。这是减轻风电对电网造成不利影响、提高系统中风电装机比例的一种有效途径。其次，从发电企业(风电场)的角度来考虑,将来风电一旦参与市场竞争,与其他可控的发电方式相比,风电的间歇性将大大削弱风电的竞争力,而且还会由于供电的不可靠性受到经济惩罚。提前对风电场出力进行预报,将在很大程度上提高风力发电的市场竞争力。 2国内外技术现状 2.1 国外现状 在风电功率预测技术研究方面，经过近20年的发展，风电功率预测已获得了广泛的应用，风电发达国家，如丹麦、德国、西班牙等均有运行中的风电功率预测系统。 德国太阳能技术研究所开发的风电管理系统（WPMS）是目前商业化运行最为成熟的系统。德国、意大利、奥地利以及埃及等多个国家的电网调度中心均安装了该系统，目前该系统对于单个风电场的日前预报精度约为85%左右。丹麦Ris?国家可再生能源实验室与丹麦技术大学联合开发了风电功率预测系统Zephyr，
关于短期及超短期风电功率预测的分析 发表时间：2020-03-14T14:01:00.437Z 来源：《福光技术》2019年32期作者：张俊林徐元中[导读] 风电的不确定性对电力系统与电力市场的稳定性、充裕性及经济性的影响日益彰显，及时、精确地预测风电功率（WP）动态的意义大。 湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室湖北省武汉市 430068 摘要：风电的不确定性对电力系统与电力市场的稳定性、充裕性及经济性的影响日益彰显，及时、精确地预测风电功率（WP）动态的意义大。风电功率预测（WPP）根据风速及相关因素的历史数据和当前状态，定性或定量地推测其此后的演化过程。本文就对短期及超短期风电功率预测相关内容展开分析。 关键词：短期；超短期；风电功率；预测 引言 WP 的整体不确定性由其随机性及模糊性构成。有效的 WPP 虽然不会减少 WP 的随机性，但是可以降低其模糊性，从而使 WP 的整体不确定范围降低到WPP 的最大误差区间，减小了WP 对电力系统及电力市场的扰动。 分析影响 WPP 精度的因素第一，气象的历史数据与实时数据的缺失，风电场数据采集、传输与处理设施的缺陷，都会影响WPP 的精度。数据预处理技术包括数据同步、异常数据的识别与处理、缺失数据的替代等。第二，预测策略。例如，直接预测 WP 或通过风速预测；直接预测整个风电场的WP 或根据部分风机的预测值及空间相关性推算；采用逐一累加方式或统计升尺度方式推算区域风电场群功率。一般来说，能反映更多具体数据的预测策略可以得到更高的精度，但需要更多的数据与计算量。第三，数值天气预报（NWP）在大气实际的初值和边值条件下，数值求解天气演变过程的流体力学和热力学模型，根据空间网格中的平均值推算实际风电场地表风速的非均匀分布，并预测其动态变化。由于计及了等高线与等地形信息，以及地表粗糙度等地貌信息，通过微观气象学方法可以得到各风机轮毂高度的风速、风向等信息。然后将风速的推算值转换为风能，其精度与 NWP 的精度、网格大小、刷新周期等密切相关。第四，预测方法。物理计算法、时序外推法、人工智能（AI）法分别从空间、时间与样本分类的观点推算。它们依据的数据源、预测模型、误差特性都有所不同。若能巧妙地互补不同方法的优点，可更好地反映风速的时空演变特性。 分析 WPP 方法的研究现状基于 NWP 的物理模型计算 NWP 将天气的物理过程概括成一组物理定律，并表达成数学方程组。然后在已知的初始值及边界条件下，逐个时间段地往前联立求解描述天气演变过程的热力学和流体力学方程组，预测未来的气象数据，再结合风电场周围的地形地貌，计算风电机组轮毂高度处的风速与风向等，最后通过该机的功率 TC 得到 WPP。其技术要点包括：采用高性能计算机求解偏微分方程组的数值解；采用网格嵌套的方法减少计算量；为目标区域定制预报模型；通过观测数据的同化提高预报质量。基于 NWP 的物理模型预测方法除了能够充分考虑风电场的物理和环境因素以外，其最大的优势在于不需要积累大量的历史数据，因此特别适合新建风电场的 WPP。但由于 NWP 的更新频率较低，难以满足超短期预测的要求，仅适合短期及中长期预测。 基于统计观点的外推模型时序外推法通过归纳风速（或 WP）历史数据的时间序列之间的统计规律，建立WPP 值与最近期WP 时间序列之间的线性或非线性映射。由于历史数据序列反映了流体、热力、地形地貌等因素的影响，故基于统计观点的外推模型可以回避对物理机理掌握不够的困难。但是外推法隐含下述假设：第一，连续性，即影响事物未来轨迹的那些因素及规律，与该时刻之前一段时间基本保持不变；第二，渐进性，即事物以缓慢而渐进的方式演化，短期内不会突变。这些假设不但会使外推法在系统结构或边界条件于预测时效内发生突变时失效，即使在系统缓慢变化期间，其预测误差也会随着预测时效的增加而迅速增加，影响外推法的适用性及强壮性。 时间序列预测法经典的时间序列预测法。时间序列预测法根据目标变量本身随时间变化的趋势外推，较适用于气象信息有限的风电场进行超短期预测。由于无需考虑更多的气象信息，故具有建模简单且计算量少的优点。但输入数据单一的特点也使其难以考虑其他信息的影响，无法按不同的边界条件来修正预测模型，故除了建模时需要大量历史数据外，其强壮性更差，难以应对突变状况；且预测精度也随着预测时效的增加而迅速降低。经典的时间序列预测法，包括持续法、移动平均法和自回归移动平均（ARMA）法。持续法将最近一点的实测值作为下一时刻的预测值，简单并常被用做新算法的比较基准。移动平均法随着时间序列移动一个宽度不变的窗口，将其中各项的动态平均值作为下一时刻的预测值，仅适用于系统平稳或小幅波动时。ARMA 法利用滞后的自身数值和随机误差项来解释当前值，并以此预测未来。对于非平稳的 WP 时间序列，通过差分来消除部分不平稳分量。自回归求和移动平均（ARIMA）模型扩展了 ARMA 模型，将时间序列视为随机过程，并被广泛应用于超短期WPP 和短期WPP。 与其他数学分析法的结合。一些学者引入了其他数学分析法来弥补时间序列预测法的不足。例如，分数—自回归求和移动平均（ARIMA）模型通过降低时间序列高阶模型参数估计的难度来提高模型精度。马尔可夫预测法将时间序列看做一个随机过程，通过系统在不同状态下的初始概率以及状态之间的转移概率建立随机型的时序模型。 AI 预测法 AI 算法借助自然界规律或生物智能的启发，设计求解问题的计算机程序。包括模仿人类思维中模糊性概念的模糊算法，主要用于图像处理及模式识别；模仿生物进化和群体智能的进化算法，主要用于决策支持及优化问题；模仿大脑结构及其对信息的处理过程的 ANN 算法，可实现仿真、图像识别等任务。由于 AI 算法不需要按机理建立预测对象的数学模型，而是通过大量实测数据或仿真算例来训练 AI 模型，在其输出与输入变量之间直接建立非线性映射关系，故可用于机理不清楚的场合。 2.2.3ANN
风电功率预测的发展现状与展望 范高锋，裴哲义，辛耀中 （国家电力调度通信中心，北京100031） 摘要：风电场输出功率预测对接入大量风电的电力系统运行有重要意义。本文从电力调度运行的角度，在风电功率预测技术的发展现状、系统建设情况、预测误差、预测评价指标和预测的主体等方面展开了论述，对目前存在的基础数据不完善、预测精度不高、预测的时间尺度较短和风电场普遍没有开展预测的问题进行了分析，提出了加强电网侧和风电场侧风电功率预测系统建设、加快超短期预测功能建设、继续深化预测技术研究、加强标准体系建设和开展跨行业合作等发展建议。 关键词:风电场；功率；预测；系统 中图分类号：TM614 文献标志码：A 文章编号： Wind power prediction achievement and prospect FAN Gao-feng , PEI Zhe-yi , XIN Yao-zhong (National Power Dispatching& Communication Center，Beijing 100031) Abstract: Wind power prediction is important to the operation of power system with comparatively large mount of wind power. This paper summarized the current situation of wind power prediction technology, wind power prediction system construction, prediction error, assessment index, and main market body of prediction from the power dispatch perspective. The main problems includes basic data incomplete, prediction precision relatively low, prediction time scale short and wind farm no wind power system are analyzed. Suggestions of enforcing grid side and wind farm side wind power prediction system construction, speeding up ultra-short term wind power prediction system construction, deepening wind power prediction technology study, strengthening prediction technical standard system and cooperation of different industry are proposed. Keywords: wind farm; power; prediction; system 0引言 电力系统是一个复杂的动态系统。维持发电、输电、用电之间的功率平衡是电网的责任。在没有风电的电力系统，电网调度机构根据日负荷曲线可以制定发电计划，以满足次日的电力需求。风电场输出功率具有波动性和间歇性，风电的大规模接入导致发电计划制定难度大大增加，风电对电力系统的调度运行带来巨大挑战。 目前风电对全网的电力平衡已经带来很大的影响[1-3]。对风电场输出功率进行预测是缓解电力系统调峰、调频压力，提高风电接纳能力的有效手段之一。同时，风电功率预测还可以指导风电场的检修计划，提高风能利用率，提高风电场的经济效益。经过多年的科研攻关与技术创新，我国具有自主知识产权的风电功率预测系统已在电力调度机构获得了广泛应用，12个网省调建立了预测系统，覆盖容量超过12GW，在电网调度运行中发挥了一定作用。本文对近年来风电功率预测方面完成的工作进行了总结，对存在的问题进行了论述，并提出了下一步的发展建议。 1 风电功率预测发展现状 1.1 风电功率预测技术的发展情况 电网调度部门对风电功率预测的基本要求有2个：一是短期预测，即当天预测次日0时起72h的风电场输出功率，时间分辨率为15 min，用于系统发电计划安排；另一个是超短期预测，即实现提前量为0~4h的滚动预测，用于电力系统实时调度[4]。 风电功率预测方法主要分为统计方法、物理方法[5-6]。统计方法是指不考虑风速变化的物理过程，而根据历史统计数据找出天气状况与风电场出力的关系，然后根据实测数据和数值天气预报数据对风电场输出功率进行预测，常用的预测模型有时间序列、神经网络、支持向量机等。物理方法是指风电功率预测的物理方法根据数值天气预报模式的风速、风向、气压、气温等气象要素预报值以及风电场周围等高线、粗糙度、障碍物等信息，采用微观气象学理论或计算流体力学的方法，计算得到风电
1 基于卡尔曼滤波原理的风电功率预报 林可薇 (西安交通大学电气工程学院，陕西省，西安市，710000) Prediction of wind power based on the principle of Calman filter LIN Ke-wei (School of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an710000, Shanxi Province, China) ABSTRACT:focuses on the principle of Calman filter and Calman filter algorithm,Understanding both based applications in the wind power forecast.Wind power forecasting system based on digital weather forecast meteorological parameters related to output close to the ground can not accurately predict the output power,Departure from the principle of Kalman filtering,Kalman filter algorithm can take advantage of wind capacity to be corrected digital output weather forecast,Improve forecast accuracy. KEY WORD:Kalman filter;Power prediction;Accuracy 摘要：本文重点介绍卡尔曼滤波原理和卡尔曼滤波算法，了解基于两者在风电预测的应用。风电预测系统根据数字天气预报输出的贴近地面的相关气象参数不能精确预测输出功率，从卡尔曼滤波的原理出发，利用用卡尔曼滤波算法可以对数字天气预报输出的风速量进行修正，提高预测精确度。 关键词：卡尔曼滤波；功率预测；精确度 1 引言 由于常规能源的日益枯竭及人们对改善生存环境的迫切需求, 清洁、可再生的风能资源受到了世界各国的广泛关注.在众多绿色能源中，风能逐步成为新能源电力的主力军。世界风能协会统计，2012年中国新增风电机组装机容量13200MW(其中海上风电装机容量127MW)，累计风电机组装机容量75564MW，均位居世界第一，美国紧随其后[1]。风电已超过核电，成为继煤电和水电之后中国的第三大主力电源。按照 GWEA《世界风电展望》报告的分析预测，风电在 2030年将占到全球电力供应的5%。结果显示风电不但能够满足全球未来30年对于清洁电力的需求，而且对供电系统的渗透还将持续增长。然而风的间歇性会带来不稳定电参量，严重时，小故障就可引发电网电压较大波动造成大面积风电机组脱网。解决这一难题对风电事业的良好发展具有非常重要的意义。本文将着眼于关键技术问题之一的风电功率预测，对卡尔曼原理及其算法进行简单介绍。 2 卡尔曼滤波原理 卡尔曼于1960年发表了关于递归解决线性离散数据滤波器的论著, 自此卡尔曼滤波器得到了广泛的研究与应用. 卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法，主要用于于解决大部分随机量估计问题，所应用的方法属于统计学中的估计理论，最常用的是最小二乘法，最小方差估计等等。主要能根据一系列的对随机状态的观测值进行定量的推断，通过最小均方误差使估计值尽可能准确的接近真实值。 3 卡尔曼滤波算法 卡尔曼滤波算法是一种有效的以小均方误差来估计系统状态的计算方法, 即通过将前一时刻预报误差反馈到原来的预报方程中, 及时修正预报方程系数, 以提高下一时刻的预报精度.在卡尔曼滤波算法中, 描述系统的数学模型是状态方程和量测方程, 分别为 t t t t w x F x+ = -1 （1） t t t t v x H y+ =（2） 式中: t x为未知过程在t时刻的状态向量； t y 为t 时刻的观测向量； t F和 t H分别为系统矩阵 及观测矩阵, 且必须在滤波器应用之前确定； t w 和 t v分别为系统噪声和量测噪声, 均假定为高斯白噪声且相互独立, 与其相对应的协方差矩阵分别为t w和 t v卡尔曼滤波算法提供了一种在观测向量更 新为 t y基础上的递归来估计未知状态的算法。假定 现有系统状态为 t x, 则在上一状态 1-t x及其协方差 矩阵 1-t P的基础上, 可以得到t 时刻的预测状态及其协方差矩阵的预测方程, 即
风电功率预测系统功能规范（试行） 前言 为了规范风电调度技术支持系统的研发、建设及应用，特制订风电功率预测系统功能规范。本规范制订时参考了调度自动化系统相关国家标准、行业标准和国家电网公司企业标准。制订过程中多次召集国家电网公司科研和生产单位的专家共同讨论，广泛征求意见。本规范规定了风电功率预测系统的功能，主要包括预测时间尺度、信息要求、功率预测、统计分析、界面要求、安全防护、接口要求及性能指标等。本规范由国家电网公司国家电力调度通信中心提出并负责解释；本规范主要起草单位：中国电力科学研究院、吉林省电力有限公司。本规范主要起草人：刘纯、裴哲义、王勃、董存、石永刚、范国英、郭雷。 1范围 1.1本规范规定了风电功率预测系统的功能，主要包括预测时间尺度、数据准备、数据采集与处理、功率预测、统计分析、界面要求、安全防护、接口要求及性能指标等。 1.2本规范用于指导电网调度机构和风电场的风电功率预测系统的研发、建设和应用管理。本规定的适用于国家电网公司经营区域内的各级电网调度机构和风电场。 2术语和定义 2.1风电场Wind Farm由一批风电机组或风电机组群组成的发电站。 2.2数值天气预报Numerical Weather Prediction根据大气实际情况，
在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。 2.3风电功率预测Wind Power Forecasting以风电场的历史功率、历史风速、地形地貌、数值天气预报、风电机组运行状态等数据建立风电场输出功率的预测模型，以风速、功率或数值天气预报数据作为模型的输入，结合风电场机组的设备状态及运行工况，得到风电场未来的输出功率；预测时间尺度包括短期预测和超短期预测。 2.4短期风电功率预测Short term Wind Power Forecasting未来3天内的风电输出功率预测，时间分辨率不小于15min。 2.5超短期风电功率预测ultra-short term Wind Power Forecasting 0h~4h的风电输出功率预测，时间分辨率不小于15min。 3数据准备 风电功率预测系统建模使用的数据应包括风电场历史功率数据、历史测风塔数据、历史数值天气预报、风电机组信息、风电机组及风电场运行状态、地形地貌等数据。 3.1风电场历史功率数据风电场的历史功率数据应不少于1a，时间分辨率应不小于5min。 3.2历史测风塔数据a）测风塔位置应在风电场5km范围内；b）应至少包括10m、70m及以上高程的风速和风向以及气温、气压等信息；c）数据的时间分辨率应不小于10min。 3.3历史数值天气预报历史数值天气预报数据应与历史功率数据相
国家能源局关于印发风电功率预报与电网协调运行实施细则(试行)的 通知 国能新能[2012]-12文件 各省(区、市)发展改革委、能源局、中国气象局，国家电网公司、南方电网公司、华能集团公司、大唐集团公司、华电集团公司、国电集团公司、中电投集团公司、神华集团公司、中广核集团公司、三峡集团公司、中国节能环保集团公司、水电水利规划设计总院、各相关协会: 为促进风电功率预测预报与电网调度运行的协调，根据《风电场功率预测预报管理暂行办法》的有关要求，现将〈风电功率预报与电网协调运行实施细则~(试行)印发你们，请参照执行。 附:风电功率预报与电网协调运行实施细则(试行) 风电功率预报与电网协调运行实施细则(试行) 第-章总则 第一条根据《中华人民共和国可再生能源法》和《节能调度管理办法}，为贯彻落实国家能源局《风电场功率预测预报管理暂行办法}C国能新能(2011 ) 177号)，制定本实施细则。 第二条中国气象局负责建立风能数值天气预报服务平台和业务运行保障体系，为风电功率预测提供数值天气预报公共服务产品和相关技术支持系统。 第三条风电开发企业负责风电场发电功率预报工作，按照要求上报风电场发电功率预报曲线，并执行电网调度机构下发的发电功率计划曲线。 第四条电网调度机构负责电力系统风电发电功率预测工作，建立以风电功率预测预报为辅助手段的电力调度运行机制，保障风电优先调度，落实风电全额保障性收购措施。 风电功率预测预报和并网运行的有关考核办法另行制定。 第五条各有关单位应保证安全接收、传送、应用气象和电力运行等信息，确保涉密信息的获取和使用符合国家相关保密规定。 第二章气象数据服务及功率预测
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风功率预测问题设计 摘要 未来风力发电可能成为和太阳能比肩的新能源行业。随着全球经济的发展和人口的增长，人类正面临着能源利用和环境保护两方面的压力。一方面煤炭、石油和天然气等化石燃料的储量由于大量开采而日益减少：另一方面是大量使用化石燃料对自然环境产生了严重的污染和破坏。这两方面的问题已经引起世界各国政府和人民的高度重视，并在积极寻求一条可持续发展的能源道路，以风能首当其冲。风速的随机性，给，和风电场的功率输Hj带来很大的困难。本文旨在研究分电功率在一段时间的变化规律，本文组建三个模型来解决风电功率的预测问题通过对历史数据的分析，挖掘5月31号到6月6日风电功率的变化趋势，以便直观的检验模型与实际数据是否相吻合。 在问题一中考虑天气变化的随机性，分析不同时间点的数据，将Pa,Pb,Pc,Pd,P58表中5月30日第81时间点到96时间点的数据提取出来运用灰色理论作为预测2006年5月31日开始前四个小时内的16个时间点的数据预。同理以表中已给出的5月31日1-16时间点的数据预测出17-32时间的数据，然后运用此模型得出时间范围a,b内各时间点的风电功率。然后可与题目中以给的数据相比较得出误差。第二种预测方法运用指数平滑模型得出时间范围a,b内各时间点的风电功率。第三种预测方法运用移动平均模型，预测出时间范围a,b内各时间点的风电功率。通过三种预测方法的误差分析我们推荐指数平滑预测法。 在问题二中，通过比较分析问题一的预测结果，比较单台风电机组功率（P A ，P B ，P C ， P D ）的相对预测误差与多机总功率（P 4 ，P 58 ）预测的相对误差，得出风电机组的汇聚程 度越高，对于预测风电功率结果误差影响越小。 在问题三中，选用了BP神经网络的预测方法，加入了更多的自变量，使得预测结果更精确。 （关键词：风速的随机性，风速的预测，风电功率数值，灰色理论，指数平滑模型，移动平均模）
风电功率预测方法的研究 摘要 由于风能具有间歇性和波动性性等特点，随着风力发电的不断发展风电并网对电力系统的调度和安全稳定运行带来了巨大的挑战。进行风电功率预测并且不断提高预测精确度变得越来越重要。通过对国内外研究现状的了解，根据已有的风电功率预测方法，按照预测时间、预测模型、预测方法等对现有的风电功率预测技术进行分类，着重分析几种短期风电功率预测方法的优缺点及其使用场合。根据实际某一风电场的数据，选取合适的风电预测模型进行预测，对结果予以分析和总结。 关键词：风电功率预测；电力系统；风力发电；预测方法； 引言 随着社会不断发展人们对能源需求越来越大而传统化石能源日益枯竭不可再生，以及化石能源带来了环境污染等问题影响人类生活，人们迫切需要新的清洁能源代替传统化石能源。风能是清洁的可再生能源之一，大力发展风力发电成为各国的选择。根据相关统计，截止至2015年，全球风电产业新增装机63013MW，，同比增长22%[1]。其中，中国风电新增装机容量达30500MW，占市场份额48.4%。全球累计装机容量为432419MW，其中中国累计装机容量为145104,占全球市场份额的33.6%。 目前风力发电主要利用的是近地风能，近地风能具有波动性、间歇性、低能量密度等特点，因而风电功率也是波动的。当接入到电网的风电功率达到一定占比时，风电功率的大幅度波动将破坏电力系统平衡和影响电能质量，给电力系统的调度和安全平稳运行带来严峻挑战。根据风速波动对风力发电的影响按照时间长度可分为三类：一种是在几分钟之内的超短时波动，该时段内的波动影响风电机组的控制；另一种是几小时到几天内的短时波动，该时段内的波动影响风电并网和电网调度；最后一种是数周至数月的中长期波动，该时段内的波动影响风电场与电网的检修和维护计划。本文主要研究不同的风电功率短期预测方法的优缺点。 通过对短期风电功率预测，能够根据风电场预测的出力曲线优化常规机组出力，降低运行成本；增强电力系统的可靠性、稳定性；提升风电电力参与电力市场竞价能力。
江苏响水近海风电场项目风功率预测系统技术协议 二○一五年五月响水
目录 第一章总则 (2) 第二章技术规范 (3) 2.1 标准和规范 (3) 2.2 工程概况 (4) 第三章技术参数和性能要求 (6) 3.1 海上测风塔数据传输技术要求 (6) 3.2 设备要求概述 (6) 3.3 功率预测技术要求 (6) 3.4预测功能要求 (8) 3.5 统计分析 (10) 3.6 界面要求 (10) 3.7 至调度主站要求 (12) 3.8 联网方式及数据上传方式 (12) 3.9 GPS 对时方式 (12) 3.10 电磁兼容性要求 (13) 第四章屏柜结构及布线要求 (13) 4.1 屏体要求 (13) 4.2 屏内布线 (14) 第五章图纸和资料 (14) 第六章现场验收及服务 (15) 第七章交货要求 (15) 附件1 供货范围、备品备件及技术参数表 (16) 附件2 风电场风电功率预测系统结构图 (18) 附件3 信息传送网络拓扑图 (19)
第一章总则 1.1 本技术协议适用于江苏响水近海风电场工程风电功率预测系统。 1.2 本技术协议提出的是最低限度的技术要求，并未对一切技术细节作出规定，也未充分引述有关标准和规范的条文，卖方应提供符合本规范书和工业标准的优质产品。卖方应具备风功率预测系统的制造资质和经验，可根据需要提供预测系统建设的解决方案。1.3 如果卖方没有以书面形式对本规范书的条文提出异议，则意味着卖方提供的设备完全符合本技术协议的要求。如有异议，不管是多么微小，都应在报价书中以“对规范书的意见和同规范书的差异”为标题的专门章节中加以详细描述。风功率预测系统是预测风电场未来发电能力的重要手段，是推动风电行业持续健康发展的必要条件之一。根据国家电网公司的要求，风电场需要上报测风塔自动气象站实时采集的数据、风功率预测结果等内容。为此，卖方承担的工作内容包括(但不限于)： （1）提供测风塔侧无线发射设备和风机侧的无线接收设备各1套，将测风塔自动气象站所采集的数据接入到无线发射设备，通过无线传输到风机侧，再借用风机35kV光电复合缆中光纤的备用芯将数据传输到陆上集控中心中控室。卖方需负责完成整个传输通道的各项接口配合工作，向调度中心传送实时测风数据。 （2）风功率预测系统的建设：包括中心站的硬件、平台软件、短期风功率预测软件、超短期风功率预测软件等，并向调度中心报送预测功率数据。 （3）提供系统预验收后第一年的气象预报数据服务。 （4）系统框架具体内容，参见技术文件提供的附件1《供货范围、备品备件及技术参数表》、附件2《风电场风电功率预测系统结构图》和附件3《信息传送网络拓扑图》。 1.4 测风塔和自动气象站由买房负责建设。 1.5 本技术协议所使用的标准如遇与卖方所执行的标准不一致时，按较高标准执行。1.6 本技术协议经买卖双方确认后作为订货合同的技术附件，与合同正文具有同等的法律效力。 1.7 本技术协议未尽事宜，由买卖双方协商确定。
风功率预测系统设计方案 随着社会的发展，传统能源出现面临枯竭的危险，发展新能源经济是当今世界的历史潮流和必然选择。而二次能源开发中利用风力发电是最有潜力最为环保的方式之一，但这也引出了分布式发电并网难的问题。由于风能发电的间歇性、不稳定性，并网后对电网冲击巨大，因此，做好风能发电的预测和调控是风力发电并网稳定运行和有效消纳的重要条件。 国外的经验证明，对风力发电进行有效预测，可以帮助电网调度部门做好各类电源的调度计划，减少风电限电，由此大大提高了电网消纳风电的能力，进而减少了由于限电给风电业主带来的经济损失，增加了风电场投资回报率。为此，国能日新自主研发的风电功率预测系统，为国家的风电事业发展贡献自己的一份力量。 风就是水平运动的空气，空气产生运动，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；在高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。
地球在自转时，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球南方吹向北方的风向东偏转，北方吹向南方的风向西偏转，南半球则相反。所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向力的影响，大气真实运动是这两种力综合影响的结果。 国能日新开发的风电功率预测系统SPWF-3000，具备高精度数值气象预报功能、风电信号数值净化、高性能物理模型、网络化实时通信、通用风电信息数据接口等高科技模块；可以准确预报风电场未来168小时功率变化曲线。在即使没有测风塔的情况下，采用国能日新的虚拟测风塔技术，风功率系统短期预测精度超过80%，超短期预测精度超过90%。
风电功率预测系统功能规范 1 范围 1.1本规范规定了风电功率预测系统的功能，主要包括预测时间尺度、数据准备、数据采集与处理、功率预测、统计分析、界面要求、安全防护、接口要求及性能指标等。 1.2本规范用于指导电网调度机构和风电场的风电功率预测系统的研发、建设和应用管理。 本规定的适用于国家电网公司经营区域内的各级电网调度机构和风电场。 2 术语和定义 2.1风电场 Wind Farm 由一批风电机组或风电机组群组成的发电站。 2.2数值天气预报 Numerical Weather Prediction 根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预算未来一定时间的大气运动状态和天气现象的方法。 2.3风电功率预测 Wind power Forecasting 以风电场的历史功率、历史风速、地形地貌、数值天气预报、风电机组运行状态等数据建立风电场输出功率的预测模型，以风速、功率或数值天气预报数据作为模型的输入，结合风电场机组的设备状态及运行工况，得到风电场未来的输出功率，预测时间尺度包括短期预测和超短期预测。 2.4短期风电功率预测 Short term Wind Power Forecasting 未来3天内的风电输出功率预测，时间分辨率不小于15min。 2.5超短期风电功率预测 ultra-short term Wind Power Forecasting 0h-4hd的风电输出功率预测，时间分辨率不小于15min。 3.数据准备 风电功率预测系统建模使用的数据应包括风电场历史功率数据、历史测风塔数据、历史数值天气预报、风电机组信息、风电机组及风电场运行状态、地形地貌等数据。 3.1风电场历史功率数据 风电场的历史功率数据应不少于1a，时间分辨率应不小于5min 3.2历史测风塔数据 a）测风塔位置应在风电场5km范围内； b）应至少包括10m、70m及以上搞成的风速和风向以及气温、气压等信息； C）数据的时间分辨率不小于10min。 3.3历史数值天气预报
风电场风电功率短期预测技术 摘要:风电功率预测是确保电网平衡风电波动，减少备用容量和经济运行的重要技术保障，减少系统的备用容量，降低电力系统运行成本，满足电力市场交易需要，为风力发电竞价上网提供有利条件。 本文基于对常见预测方法的研究和对风速数据的分析，并且针对目前存在的预测方法单一、预测精确度不高等问题，拟使用先进的智能化方法、多种方法综合以达到提高预测精度的目的。 关键词：风电功率预测方法matlab建模时间序列模型 1.文献综述 1.1 国内外风电功率预测现状 国外从事风电功率研究工作起步较早，早在1990 年Landberg 就采用类似欧洲风图集的推理方法开发了一套预测系统[1]，其主要思想是把数值天气预报提供的风速、风向通过一定的方法转换到风电机组轮毂高度的风速、风向，然后根据功率曲线得到风电场的出力，并根据风电场的效率进行修正。这个系统采用了丹麦气象研究院的高精度有限区域模型(high resolution limited area model ，HIRLAM)作为数值天气预报的输入，丹麦里索国家实验室的WAsP 模型把风速、风向转换到轮毂高度的风速、风向；Ris?的PARK 模型考虑尾流的影响。1993—1999 年，这个模型分别用在丹麦东部、爱尔兰电力供应委员会和爱荷华州。 风电功率预测工具(wind power prediction tool，WPPT)由丹麦科技大学开发[2]。1994 年以来，WPPT一直在丹麦西部电力系统运行，从1999 年开始WPPT 在丹麦东部电力系统运行。最初这个系统将适应回归最小平方根法与指数遗忘算法相结合，给出了0.536 h 的预测结果。 Prediktor 是Ris?开发的风电场功率预测系统，它尽可能使用物理模型。大范围的空气流动数据是由数值天气预报系统高精度有限区域模型(high resolution limited area model，HIRLAM)提供的。根据地心自传拖引定律和风速的对数分布图，把高空的风速转换为地面的风速。对于一个特定的地点，需要更详尽的数据，因此可以用WAsP程序来分析，WAsP 可以考虑障碍物和粗糙度的影响、粗糙度的变化、山头的加速和山谷的减速等。PARK 模型可以考虑风电场尾流的影响。最后还有2 个统计模块来表示未能在物理模型中表示出来的其它因素。 Zephry 是Ris?和丹麦科技大学的信息和数学建模学院(informatics and mathematical modeling，IMM)联合开发的新一代短期风功率预测程序[3]。Zephry 集合了
风电功率预测技术调研报告 风功率预测是目前国内外公认的、提高大规模风电接入电力系统运行水平的关键基础技术。自20世纪90年代初期，欧洲国家就开始着手风电功率预测系统的研发并应用于业务运行。经过30多年发展，风电功率预测已获得了广泛的应用。随着风电装机容量的快速增长，电网对风电功率预测的依赖性和需求度越来越大。风电功率预测技术已成为缓解电网调峰压力、降低系统备用容量、提高电网风电接纳能力的有效手段。同时，风电功率预测技术还可以指导风电场的检修计划，提高风能利用率，改善风电场的经济效益。 经过多年研究与实践，风电功率预测关键环节已明确固化，按业务流程依次为数值天气预报（numeric weather prediction，以下简称NWP）、风电功率转换、误差修正、预测结果应用，如图1所示。 数值天气预报生成 风资源-功率 转换模型 结果修正 功率预测 结果应用图1 风电功率预测的主要环节
报告根据预测基本流程和原理，分环节介绍风电功率预测的国内外应用现状与前沿技术。经了解，三北地区风电功率预测运行情况、关键预测技术应用以及功率预测服务商较为相似，因此，本报告的国内部分选取京津唐电网作为对象，从各技术环节角度展开调研，为推进风电功率预测技术的发展应用提供借鉴。 1 数值天气预报发展现状与前沿技术 1.1 国外数值天气预报应用现状 数值天气预报（NWP）是指根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大型计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法,包含风速、风向、气温、气压、相对湿度等与风电预测相关的气象要素。空间尺度越大，天气预报的准确率越高，但以风电场为单位的风功率预测需要小尺度气象要素信息，这就需要开展空间降尺度工作，即把大尺度、低分辨率的天气预报信息转化为小尺度、高分辨率的小区域地面气候变化。
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A 题风电功率预测问题 摘要 风能是一种可再生、清洁的能源，风力发电技术的进一步研究和开发对解决能源危机、缓解环境压力以及提升经济发展水平具有重大的意义。据此，本文通过建立一系列数学模型来研究和探索风电功率的预测以及提高预测精度问题。 针对第一问，本文提出指数平滑法、小波神经网络以及时间序列ARMA 三种预测模型对风电功率进行预测。指数平滑法采用平滑公式为：s t x t 1 (1 )S t 1,0 1,t 3，通过调整平滑参数来优化预测精度；小波 神经网络采用的小波基函数为Morlet 母小波基函数，小波神经修正采用梯度修正法；ARMA 模型通过确定自回归阶数和移动平均阶数来构造预测表达式。结 针对第二问，本文在第一问所求结果的基础上，使用熵值赋权法对三种模型 进行归一化处理，所得权值向量为w (0.3246,0.3344,0.341) ，得到一组基于以上 三种模型的预测数据。使用拟合与聚类分析得出单机系统对多机系统P4 的相关性高于对总机系统的相关性，据此，使用基于李雅普诺夫中心极限定理的通过假设相对误差小于题目要求的概率模型，求得单机组和多机组的通过检验概率为： 最后得出普遍性规律为：由于多机预测较精确，可以用多机系统的预测结果对单机进行预测。修正单机系统预测所带来的相对误差，提高精度。 针对问题三，本文建立基于遗传算法的ARMA 模型，对ARMA 模型的阶数进行优化。定义平均相对变动值( ARTD )，并令遗传算法的适应度函数为： f(x) ARTD。最后得到具有更高预测精度的模型。具体指标值如下表： 本文提出的模型对风电功率的预测具有重大的借鉴意义，并可将其模型推广应用至工程预测、股票分析、生产计划等问题上。 关键字：风电功率预测、时间序列、指数平滑法、小波神经网络、遗传算法
风电场短期功率预测建模案例解析 2011-08-30 15:31:52 来源：中国风电产业网 1.引言 广州飒美旭能源科技有限公司作为“创建美丽新生活”的“新能源与能效技术与服务 解决方案供应商”，致力于发展新能源生产管理、控制、并网技术和服务，积极参与构建低碳环保能源体系，缔造绿色世界，创建美丽生活。 本文以2010年广州飒美旭能源科技有限公司签约的辽宁大唐国际风电有限责任公司下属的大唐昌图风电场风电功率预测系统项目，详述其风电场短期功率预测建模所采用的方法及思路，与读者共享。该项目采用的“风电功率预测智能管理系统”是飒美旭依托自主知识产权开发成功的集电网侧和风电场侧于一体的风电功率预测系统。系统集先进性、实用性、可靠性为一体，在实践中以其预测的高精确度及实用性获得用户的一致赞扬。 2. 风电场短期功率预测建模方法研究 飒美旭风电功率预测智能管理系统，以历史气象数据（数值天气预报数据NWP）和风电场历史功率数据为基础，同时考虑具体风力发电机组的功率特性、机组效率和设备运行情况，采用BP神经网络建模后，输出0-72小时的短期预测功率。 2.1BP神经网络模型方法的采用 人工智能的方法近年来在预测领域中应用较多，其中在电力行业又以人工神经网络的应用研究最为常见。利用神经网络进行预测研究的基础是它具有强大的非线性拟和与映射能力，在函数逼近、模式识别和状态预报等方面有着独特的优势，同时具有一定的泛化能力。BP 神经网络具有较强的非线性学习能力，是目前国际上风电功率预测领域广泛采用的一种比较成熟的方法。神经网络神经网络的训练过程其实质是旨在模仿人脑的结构及功能，不断调整网络内部权值和系统的输入输出关系的过程。