中國電科院應用電力氣象科研成果 提升新能源發(fā)電預測精度

　　2月11日上午，在新能源與儲能運行控制國家重點實驗室，中國電力科學研究院有限公司新能源研究中心電力氣象團隊成員研判即將影響我國大部分地區(qū)的新一輪強冷空氣天氣。他們通過分析實時天氣形勢、數值天氣預報、實時電網運行數據、新能源發(fā)電功率預測偏差特征，進一步提升新能源發(fā)電出力預測精度。

新能源研究中心電力氣象團隊研發(fā)人員開展電力氣象研判評估工作。中國電科院供圖

　　新能源出力主要由自然風速大小和太陽輻照度強弱決定。近年來，大規(guī)模新能源發(fā)電并網給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn)。開展新能源發(fā)電功率預測，不斷提升預測精度是應對挑戰(zhàn)的有效手段之一。中國電科院新能源研究中心電力氣象團隊潛心研究，結合工程實踐反饋從新能源發(fā)電功率預測各個環(huán)節(jié)發(fā)力，促進預測結果的持續(xù)優(yōu)化。目前，基于團隊科研成果，國家電網有限公司經營區(qū)所有省級及以上電力調控機構和并網新能源發(fā)電場站均具備功率預測能力，并陸續(xù)形成了成熟的技術體系。

　　定制化數值天氣預報實現人工智能點對點訂正

　　“新能源發(fā)電功率預測包含氣象預報、預測模型、結果處理三個環(huán)節(jié)。氣象預報是最基本的輸入數據，新能源發(fā)電功率預測誤差的60%以上源自這一環(huán)節(jié)。”中國電科院新能源研究中心副主任馮雙磊介紹道。

　　為兼顧電力發(fā)輸變設備所處氣象環(huán)境的復雜性，新能源研究中心電力氣象團隊在2010年9月建設了國內首個用于電力生產運行的大型數值天氣預報中心，開啟電力氣象的研發(fā)和技術支撐工作。

　　數值天氣預報中心目前有刀片服務器600臺、計算核16080顆，存儲容量達2.65拍字節(jié)(PB)，還有運算速度達到400萬億次/秒的高性能計算機集群，以及極軌和靜止氣象衛(wèi)星接收裝置，形成了支撐電網安全、設備運維及新能源電量消納的全方位、立體化電力氣象研發(fā)體系。

　　新能源研發(fā)中心電力氣象團隊負責人王勃介紹：“我們的電力氣象研發(fā)體系包括實時四維數據同化、快速循環(huán)更新、集合概率預報等先進技術的電力氣象數值預報模式系統(tǒng)，可以收集到每日40吉字節(jié)(GB)的全國氣象臺站觀測和電力生產運行專業(yè)氣象數據，實現新能源發(fā)電功率預測分析，支撐新能源電量高效消納。”

　　團隊還基于天氣的不確定性，借助人工智能技術，實現對風速、輻照度預報結果的點對點訂正，優(yōu)化了氣象預報結果，顯著提升了數值天氣預報的要素預報準確性。

　　在全球氣候變化的背景下，大風、高溫、寒潮、強對流等極端天氣發(fā)生頻率增加和災害程度加重的趨勢愈發(fā)明顯。團隊密切監(jiān)視電網高影響天氣變化過程，應用定制化數值天氣預報及預報結果訂正技術，從新能源發(fā)電功率預測的輸入數據優(yōu)化入手，更準確體現天氣事件的發(fā)生強度和發(fā)生范圍，開展新能源供電保障能力預測，為極端天氣條件下的新能源保供電提供堅強數據支撐。同時, 2017年以來，團隊關注暴雨、大風、寒潮等電網災害性天氣，以數據傳輸和報文等形式定時定點發(fā)布高分辨率電力氣象預報，為公司各單位有效應對汛情提供堅強技術支撐，充分發(fā)揮了電力氣象防災減災第一道防線的作用，為電網安全運行保駕護航。

　　功率預測新模式提升網格化預測精度

　　新能源發(fā)電功率預測技術的核心是挖掘表征天氣變化的數值天氣預報和新能源發(fā)電場站功率變化的關系。如果天氣預報不準，就會使新能源發(fā)電功率預測產生較大的誤差。新能源研究中心電力氣象團隊對此提出了面向天氣過程的功率預測新模式。2月8日，團隊在分析天氣形勢的基礎上，通過大數據挖掘手段，作出了大風過程可能偏離既定線路、繞過河西走廊的研判，及時修正了甘肅地區(qū)新能源發(fā)電功率的預測結果，當日預測結果的極大誤差由40%降至15%以內。

　　隨著新型電力系統(tǒng)加快構建，新能源發(fā)電裝機規(guī)模快速增長，原有新能源發(fā)電功率預測方法缺乏對區(qū)域數值天氣預報中時空關聯信息的挖掘，預測誤差偏大。但在實際應用中，計劃安排、市場交易等工作對更靈活準確的預測服務提出了更高要求。

　　團隊依托國家重點研發(fā)計劃項目，在“集中預測-定向發(fā)布”預測模式上取得創(chuàng)新性突破。團隊建立了覆蓋全國的新能源發(fā)電功率預測平臺，使預測時長、預測精度等均有質的提升，實現單次預測時長7天，省級新能源發(fā)電集群的日前預測精度大于90%，超短期預測精度大于95%，顯著縮短了預測服務的響應時間，精準實現了公司經營區(qū)新能源場站的快速全面覆蓋和預測精度提升。

　　目前，新能源發(fā)電功率預測平臺覆蓋全國6000余座新能源場站，并通過創(chuàng)新型預測服務模式，為公司各分部和各省級電力公司提供中長期電量預測、短期功率預測、概率預測、衛(wèi)星云圖預測等服務。

　　團隊還依托大數據平臺，輸入網格化數值天氣預報數據、輸出集群功率，利用數據挖掘手段，構建氣象組和因子，建成基于高維數據的深度學習網絡模型，實現對區(qū)域新能源發(fā)電集群功率的總體預測，具有較高的建模效率。新型功率預測模式相較于原有的離線建模-現場部署運行模式，在預測時長、預測精度、系統(tǒng)運維效率等方面均有提升，有力支撐了公司各級調度的新能源發(fā)電功率預測。

　　預測結果在線修正大幅提升結果應用水平

　　新能源發(fā)電功率預測的第三個環(huán)節(jié)是結果處理，包括預測結果優(yōu)化、偏差區(qū)間評估等，這一步直接決定了預測結果的準確性和可用性。實際工作中，優(yōu)化新能源發(fā)電功率預測模型時，一般以年度均方根誤差最小，即年內波動較小為目標。這就使得預測結果客觀上趨向“中庸”，即預測結果低出力“下不去”、高出力“上不來”。針對這一現象，新能源研究中心電力氣象團隊結合實時運行數據實現對預測結果的在線修正，提高了預測結果可用性。

　　2022年年初，團隊以吉林等地為試點，建立了云端協同預測機制。團隊依托集中預測平臺和調度端預測系統(tǒng)，基于實時運行數據，通過天氣形勢研判、橫縱向預測偏差形態(tài)特征挖掘及糾正，滾動更新原有預測結果并實時回傳新的預測結果，突破了原有預測技術的局限性。吉林調度端的預測精度提升了2.55個百分點，有效支撐了新能源電量消納和電力保供。在用電高峰或極端天氣發(fā)生的關鍵時期，團隊利用這一技術對預測結果進行了手動應急優(yōu)化，提高了新能源發(fā)電功率預測準確性，支撐了電力系統(tǒng)的供需平衡。

　　團隊立足預測氣象多種技術的深度融合，面向重大活動保電任務，以及夏季高溫干旱、冬季寒潮暴雪等電網高影響天氣威脅，組建電力氣象7×24小時應急專班，全年常態(tài)化發(fā)布中長期、月、周、日多尺度電力氣象預報預測信息，每日開展新能源發(fā)電功率預測會商，專人值守隨時響應，加密發(fā)報頻次，支撐新型電力系統(tǒng)主動應對氣象災害影響。

　　基于多年在發(fā)電功率預測和電力氣象方面的研究成果，團隊2020年主導發(fā)布國際標準《可再生能源發(fā)電功率預測》(IEC TR 63043)。這是國際電工委員會1906年成立至今第一個關于可再生能源發(fā)電功率預測的國際標準，引領了該領域技術發(fā)展方向，有力提升了我國在新能源發(fā)電并網領域的國際話語權。（王姝 張菲）