張健， 張國(guó)強(qiáng)， 鮑冠南， 郭少青， 匡洪輝， 黃紅偉

(1.山東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，山東 濟(jì)南 250002；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100084)

0 引 言

分布式電源已成為當(dāng)前風(fēng)電、光伏等新能源的主要并網(wǎng)形式。分布式電源大量接入電網(wǎng)，直接改變了各區(qū)域的負(fù)荷需求，對(duì)母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。分布式電源接入點(diǎn)分散，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)功率監(jiān)測(cè)。這一特征決定了調(diào)度運(yùn)行中僅能獲得分布式電源的發(fā)電量數(shù)據(jù)，而不能獲得其功率曲線(xiàn)。缺乏歷史功率曲線(xiàn)，傳統(tǒng)以時(shí)序外推為核心的功率預(yù)測(cè)方法往往難以使用，造成含分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)精度偏低，影響調(diào)度運(yùn)行方式安排[1-2]。

文獻(xiàn)[3-5]介紹了傳統(tǒng)的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，由于傳統(tǒng)模式下母線(xiàn)供電區(qū)域沒(méi)有分布式電源，可直接通過(guò)時(shí)序外推方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)過(guò)程中綜合考慮氣象、用戶(hù)特征等相關(guān)影響因素修正預(yù)測(cè)結(jié)果，以提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。然而隨著分布式電源的大量接入，傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法難以滿(mǎn)足分布式電源大量接入條件下的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)需要。文獻(xiàn)[6]介紹了基于改進(jìn)灰色模型，并綜合考慮氣象因素影響的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)[7]將PSO優(yōu)化方法引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，以提升母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[8]提出了基于差分進(jìn)化的含分布式電源母線(xiàn)凈負(fù)荷預(yù)測(cè)，其思路是通過(guò)不含分布式電源的歷史數(shù)據(jù)來(lái)單獨(dú)分析純負(fù)荷部分的發(fā)展趨勢(shì)，但是由于分布式電源發(fā)展時(shí)期較長(zhǎng)，在這個(gè)過(guò)程中母線(xiàn)用電負(fù)荷也已發(fā)生較大變化。文獻(xiàn)[9]提出了基于LSSVM和馬爾可夫鏈的母線(xiàn)負(fù)荷短期預(yù)測(cè)方法。

風(fēng)電、光伏等新能源以分布式電源的形式接入的電網(wǎng)區(qū)域，往往也是風(fēng)電、光伏等新能源資源豐富的區(qū)域。這一特征使得從實(shí)際來(lái)看分布式電源周邊往往有集中式新能源電站，且由于空間位置接近，兩者在功率曲線(xiàn)上具有相關(guān)性。本文正是從這一特征出發(fā)，首先研究新能源的空間相關(guān)性特征，提出基于集中式新能源數(shù)據(jù)分析的分布式電源功率預(yù)測(cè)方法，同時(shí)將其引入母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)中，提出了考慮分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，最后基于某地區(qū)電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性。

1 新能源功率空間相關(guān)性及預(yù)測(cè)方法

1.1 空間相關(guān)性分析

風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電功率的空間相關(guān)性是指所在地區(qū)靠近的新能源電站等效發(fā)電功率曲線(xiàn)形狀相近，時(shí)間上存在一定時(shí)延[10-11]。其中等效發(fā)電功率曲線(xiàn)是指由其發(fā)電功率與裝機(jī)容量比值所決定的功率曲線(xiàn)。圖1(a)是兩個(gè)空間位置上相距僅10 km的兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電功率，可以看出兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在當(dāng)天的風(fēng)功率曲線(xiàn)形狀很相似；圖1(b)為上述兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的等效發(fā)電功率曲線(xiàn)，進(jìn)一步顯示了兩者的相似性。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率空間相關(guān)性

1.2 空間相關(guān)性判定標(biāo)準(zhǔn)

新能源發(fā)電功率的空間相關(guān)性的根本原因在于兩者之間的空間距離較為接近。統(tǒng)計(jì)分析表明，具有空間相關(guān)性的新能源電站其發(fā)電功率曲線(xiàn)的時(shí)延一般不會(huì)超過(guò)2 h。這一特點(diǎn)導(dǎo)致新能源電站的發(fā)電量在空間上也具有相似性。

對(duì)于分布式電源，由于缺乏發(fā)電功率曲線(xiàn)相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此可通過(guò)判定其與附近集中式同類(lèi)型新能源的發(fā)電量關(guān)系來(lái)判定該分布式電源與集中式同類(lèi)型新能源電站是否具有空間相關(guān)性。判定條件可表示如下：

(1)

(2)

2 含分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法

2.1 實(shí)施流程

分布式電源接入對(duì)母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響主要表現(xiàn)在：分布式電源的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)難以覆蓋，缺乏實(shí)際發(fā)電功率曲線(xiàn)，難以細(xì)致分析其功率特性；盡管當(dāng)前對(duì)母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)中的用電負(fù)荷部分特性研究已經(jīng)比較全面,但受到分布式電源發(fā)電功率的影響，難以較準(zhǔn)確地對(duì)含分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

然而由于分布式電源接入地區(qū)往往為風(fēng)電、光伏等資源較為豐富的地區(qū)，分布式電源與集中式新能源在空間上往往較為接近。這一特征為研究分布式電源發(fā)電功率預(yù)測(cè)提供了可能性。

圖2 實(shí)施流程

據(jù)此本文所提出的含分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的實(shí)施流程如圖2所示，主要包括：①相關(guān)新能源電站篩選；②分布式電源功率預(yù)測(cè)；③母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)；④含分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷整體預(yù)測(cè)。

2.2 相關(guān)新能源電站篩選

所謂相關(guān)新能源電站篩選，是指將與待預(yù)測(cè)的分布式電源空間位置較近的集中式同類(lèi)型新能源電站發(fā)電量數(shù)據(jù)按照式(1)要求計(jì)算其相關(guān)性因數(shù)。

若某集中式同類(lèi)型新能源電站的相關(guān)性系數(shù)超過(guò)限值，則該電站為相關(guān)新能源電站。這里規(guī)定分布式電源的相關(guān)新能源電站共NC個(gè)。

2.3 分布式電源功率預(yù)測(cè)

(3)

式中:γi,j為分布式電源j與相關(guān)新能源電站i的相關(guān)性因數(shù);γ∑為所有相關(guān)新能源電站的相關(guān)性因數(shù)之和。

2.4 母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)

首先說(shuō)明，本步驟中預(yù)測(cè)對(duì)象是母線(xiàn)負(fù)荷中不含分布式電源部分的純用電負(fù)荷。由集中式新能源歷史發(fā)電曲線(xiàn)按照2.3節(jié)所介紹的預(yù)測(cè)方法，可以對(duì)分布式電源歷史發(fā)電曲線(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。進(jìn)而根據(jù)待預(yù)測(cè)母線(xiàn)的下關(guān)關(guān)口功率可以計(jì)算得到該區(qū)域的純用電負(fù)荷。上述步驟分別稱(chēng)為分布式電源發(fā)電功率還原和母線(xiàn)負(fù)荷曲線(xiàn)還原。

基于還原后的母線(xiàn)負(fù)荷曲線(xiàn)，當(dāng)前已經(jīng)有較為成熟的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)純用電負(fù)荷部分的負(fù)荷曲線(xiàn)較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)分析計(jì)算。

2.5 含分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)

(4)

式中：純用電負(fù)荷和分布式電源功率預(yù)測(cè)是相互抵消的關(guān)系，因此考慮分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)值應(yīng)為兩者之差。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文選取了某地區(qū)實(shí)際新能源數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造算例以驗(yàn)證本文所提出方法的有效性。所選取的分布式風(fēng)電與集中式同類(lèi)型新能源其基本情況如表1所示，其中距離為各集中式同類(lèi)型新能源與分布式電源的空間距離。

表1 新能源基本信息

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)2017年11月—12月逐日發(fā)電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，各集中式新能源與該分布式電源的相關(guān)性因數(shù)分別為：0.85、0.58、0.86、0.65、0.58。規(guī)定相關(guān)性限值為0.8，則該分布式電源的相關(guān)新能源電站為上述列表中的集中式新能源1和集中式新能源3。

對(duì)待預(yù)測(cè)日集中式新能源1和集中式新能源3的風(fēng)功率預(yù)測(cè)曲線(xiàn)及據(jù)此得到的分布式電源功率預(yù)測(cè)曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 風(fēng)功率預(yù)測(cè)

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)還原，對(duì)該母線(xiàn)所供區(qū)域負(fù)荷預(yù)測(cè)，并綜合該區(qū)域分布式電源預(yù)測(cè)結(jié)果，可得到該母線(xiàn)區(qū)域含分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線(xiàn)和純用電負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)

與該母線(xiàn)實(shí)際含分布式電源的區(qū)域負(fù)荷相比，預(yù)測(cè)精度達(dá)到86.8%。而直接由歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序外推，當(dāng)天預(yù)測(cè)精度僅能達(dá)到66.6%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從新能源發(fā)電功率的空間相關(guān)性著手，提出了分布式電源與集中式同類(lèi)型新能源發(fā)電功率空間相關(guān)的判定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了分布式電源的功率預(yù)測(cè)，從而解決了含分布式電源的母線(xiàn)負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)問(wèn)題。與傳統(tǒng)方法相比，該預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)精度較高，且易于實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)已在山東電網(wǎng)多個(gè)地區(qū)實(shí)際應(yīng)用，成效顯著。