李育發(fā)

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司，吉林 長春 130021）

隨著風電裝機容量在系統(tǒng)總裝機容量中比例的快速提高，其輸出功率的波動性、間歇性和反調(diào)峰特性對電網(wǎng)的調(diào)度運行帶來較大的影響，給風電豐富地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)度和電力市場管理帶來越來越大的壓力。為解決大規(guī)模風電并網(wǎng)引發(fā)的電力電量平衡以及調(diào)峰等難題，吉林省電力調(diào)度中心與中國電力科學研究院聯(lián)合研發(fā)了獨立的風電功率預測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用調(diào)度自動化系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)信息和風電場歷史氣象信息，建立預測數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)風電場輸出功率預測，直接應用于吉林電網(wǎng)風電調(diào)度運行，在科學制定全省短期發(fā)電計劃、有效控制發(fā)供電平衡、合理安排短期檢修計劃等方面都發(fā)揮了很大的作用。

吉林風電功率預測系統(tǒng)投運初期已將當時所有已建的6個風電場全部納入預測系統(tǒng)，但吉林風電發(fā)展迅速，原預測系統(tǒng)已不能完全滿足新場站接入的需要。同時，原系統(tǒng)采用獨立部署方案，尚不滿足智能電網(wǎng)調(diào)度技術支持系統(tǒng)（D5000）標準化、結構化和模塊化要求，嚴重影響系統(tǒng)應用和推廣。為此，吉林省電力調(diào)度中心再次與中國電力科學研究院合作，率先開展風電功率預測系統(tǒng)向D5000平臺移植工作，為國網(wǎng)公司智能電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)的建設提供實踐依據(jù)。

1 系統(tǒng)整體結構設計

1.1 系統(tǒng)物理結構

根據(jù)國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)調(diào)度技術支持系統(tǒng)整體規(guī)劃和風電功率預測系統(tǒng)功能要求，將系統(tǒng)歸類為電力市場相關支持系統(tǒng)，應布置在非實時控制區(qū)（安全Ⅱ區(qū)）運行，系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息流如下：

a.系統(tǒng)實時從布置在實時控制區(qū)（安全Ⅰ區(qū)）SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)獲取風電場運行實時信息，完成預測模型參數(shù)辨識和發(fā)電預測；

b.系統(tǒng)通過信息管理區(qū)，從互聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)；

c.系統(tǒng)預測數(shù)據(jù)寫入布置在實時控制區(qū)（安全Ⅰ區(qū)）的數(shù)據(jù)庫服務器，利用D5000系統(tǒng)資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示和資源共享。

1.2 網(wǎng)絡結構設計及安全防護

按照電力系統(tǒng)二次安全防護要求，風功率預測系統(tǒng)部署在非實時控制區(qū)（安全Ⅱ區(qū)），與位于實時控制區(qū)（安全Ⅰ區(qū)）的SCADA交互信息，需要通過防火墻進行隔離，并設置防火墻隔離規(guī)則，控制兩區(qū)之間的跨區(qū)域訪問權限；同時，預測所需的數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)經(jīng)管理信息區(qū)（安全Ⅲ區(qū)）從因特網(wǎng)傳送至位于非實時控制區(qū)（安全Ⅱ區(qū)）的預測系統(tǒng)中，配置反向物理隔離裝置作為下載氣象數(shù)據(jù)的安全防護手段。

1.3 系統(tǒng)硬件配置

考慮系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定運行需要，系統(tǒng)采用雙機、冗余、熱備方式，在原技術支持系統(tǒng)基礎上新增硬件設備包括：2臺風功率預測服務器、2臺氣象信息服務器、2套反向隔離裝置、2套防火墻。

2 系統(tǒng)開發(fā)主要任務

2.1 基于D5000平臺的系統(tǒng)功能模塊移植

2.1.1 操作系統(tǒng)移植

為了能夠更加安全可靠地運行，根據(jù)D5000系統(tǒng)的建設框架要求，完成基于Linux的國產(chǎn)凝思安全操作系統(tǒng)適應性測試。

2.1.2 數(shù)據(jù)庫移植

移植前預測系統(tǒng)使用獨立的Oracle數(shù)據(jù)庫，根據(jù)D5000系統(tǒng)的建設框架要求，各功能模塊采用統(tǒng)一的基礎數(shù)據(jù)平臺進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)采用國產(chǎn)武漢達夢數(shù)據(jù)庫，通過基礎平臺提供的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫管理工具，實現(xiàn)預測系統(tǒng)的實時和歷史數(shù)據(jù)存取及交換。

2.1.3 接口規(guī)范化

通過因特網(wǎng)下載數(shù)值天氣預報，以E語言文件方式穿過反向物理隔離裝置送至預測系統(tǒng)服務器，通信協(xié)議為FTP或HTTP；系統(tǒng)利用平臺提供的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)通用接口，獲取平臺和其他應用設備參數(shù)、網(wǎng)絡拓撲模型以及實時數(shù)據(jù)，以保證系統(tǒng)響應速度和處理效率；建立基于TCP和UDP通訊協(xié)議的信息交換方式，實現(xiàn)信息發(fā)布、訂閱、請求和應答，實現(xiàn)平臺和應用間快速通信等信息快速傳遞。

2.1.4 人機界面管理一體化

移植后的系統(tǒng)作為D5000平臺的水電及新能源大應用類子應用，利用平臺提供的應用開發(fā)和集成、界面表達等公共服務工具，完成圖形編輯、存儲、瀏覽，實現(xiàn)界面風格與平臺統(tǒng)一。

2.2 預測模型及算法改進

系統(tǒng)利用數(shù)值天氣預報，風電場歷史測風數(shù)據(jù)、風電場輸出功率歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)風電場所處區(qū)域的地形地貌和風機運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計方法或物理與統(tǒng)計相結合的方法建立各風電場的預測模型。以數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)作為模型的輸入，預測各風電場和全省次日風電出力。

2.2.1 建立物理模型

建立物理模型時，以數(shù)字化地圖為基礎，以數(shù)值天氣預報或測風數(shù)據(jù)作為模型的輸入，建立用于功率預測的物理模型。根據(jù)風電場數(shù)字化模型，考慮地形、障礙物、粗糙度及風機間尾流效應對風電場輸出功率的影響，將特定位置的風速外推至每臺風機輪轂高度處的風速，結合特定機組的功率曲線，計算得到整個風電場的輸出功率。

2.2.2 建立統(tǒng)計模型

建立統(tǒng)計模型時，數(shù)值天氣預報包含著大量的參數(shù)序列，參數(shù)的選擇是模型成敗的關鍵。從物理意義上考慮，風能與風速的3次方成正比，因此風電場輸出功率與風速的關系最大。另外，風能與空氣密度成正比關系，空氣密度越大，風能越大，而空氣密度與氣溫、氣壓、濕度等因素有關，因此風速、風向、氣溫、氣壓、濕度等數(shù)據(jù)都可能是輸出功率的影響因素。由于各風電場輸出功率的影響因素各不相同，不同參數(shù)的組合對功率輸出的影響也不盡相同。為了選擇適合特定風電場的預測參數(shù)，采用多種算法進行優(yōu)化計算，最終挑選出最適合的輸入?yún)?shù)。

2.3 預測統(tǒng)計分析和運行評估

圖1 基于D5000平臺的風電功率預測系統(tǒng)物理結構示意圖

a.系統(tǒng)中增加了預測統(tǒng)計功能和運行評估功能，對天氣預報指標、預測結果進行分布統(tǒng)計、數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計、相同尺度的變化率統(tǒng)計等量化統(tǒng)計分析；對歷史功率數(shù)據(jù)、測風數(shù)據(jù)和數(shù)值天氣預報數(shù)據(jù)進行相關性校驗，根據(jù)分析結果，研究數(shù)據(jù)的不確定性可能引入的誤差。

b.對系統(tǒng)機器性能、網(wǎng)絡傳輸流量、資源分配和運行情況進行跟蹤和監(jiān)控，分析研究影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，不斷對系統(tǒng)進行更新和改進。

c.根據(jù)國家能源局頒布的《風電場功率預測預報管理暫行辦法》規(guī)定的風電場功率預測預報考核指標，增加預測準確率的指標考核。

d.主要技術評價指標包括：平均絕對誤差、均方根誤差、相關性系數(shù)。

2.4 完善相關的技術標準和管理規(guī)范

按照Q／GDW 1907—2013《風電場調(diào)度運行信息交換規(guī)范》，統(tǒng)一電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)與并網(wǎng)風電場之間的調(diào)度運行信息交換的內(nèi)容和方式，規(guī)范風電場接入系統(tǒng)的建設，促進電網(wǎng)與風電的協(xié)調(diào)發(fā)展，并指導并網(wǎng)風電場（包括升壓站）的新建、擴建、改造工程的建設和運行管理，實現(xiàn)大規(guī)模風電并網(wǎng)后風電場調(diào)度運行信息交換工作的規(guī)范化、標準化作業(yè)。

3 標準通信接口應用

3.1 消息總線

基于D5000平臺的應用進程之間通信采用消息總線機制，應用平臺封裝的頭文件：messageinv.h，messageheader.h，message－channel.h，通過初始化總線，訂閱事件，發(fā)送消息，接受消息等進行進程通信。所用接口包括：初始化總線，訂閱事件集，發(fā)送消息，接收消息。

3.2 實時數(shù)據(jù)庫通信

平臺的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的一套以C99標準為基礎的數(shù)據(jù)訪問接口，同時提供本地訪問和網(wǎng)絡訪問功能，采用的實時數(shù)據(jù)庫接口包括：打開表，關閉表，按域讀取表內(nèi)容，寫入實時庫。

3.3 歷史庫通信

客戶端數(shù)據(jù)庫通過調(diào)用接口類DCI訪問歷史庫，它是根據(jù)智能電網(wǎng)調(diào)度技術支持系統(tǒng)的實際應用在對國產(chǎn)商用數(shù)據(jù)庫DCI封裝的基礎上結合應用開發(fā)的。歷史庫通信包括：連接數(shù)據(jù)庫接口，數(shù)據(jù)庫斷開連接，從商用庫讀取數(shù)據(jù)，釋放數(shù)據(jù)集列屬性描述結構指針，插入或更新數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫。

3.4 告警服務

每個告警類型對應一張告警登錄表。應用程序發(fā)給告警服務的每一個告警，都要根據(jù)其告警類型將告警的具體內(nèi)容保存到相應的告警登錄表。告警登錄表中保存的內(nèi)容都是來自應用程序，根據(jù)告警登錄表來確定告警服務與應用程序之間的消息結構體。告警服務接收應用程序發(fā)過來的消息結構體時，根據(jù)域名表的信息動態(tài)得到消息結構體的定義。

4 結束語

移植后的基于D5000平臺的風電功率預測系統(tǒng)，完全符合智能電網(wǎng)調(diào)度技術支持系統(tǒng)總體結構和電力二次系統(tǒng)安全防護要求，完成了現(xiàn)有調(diào)度管轄范圍內(nèi)全部風電場接入，系統(tǒng)采用物理與統(tǒng)計相結合的組合預測方式進行建模，提高了預測模型的適應性。

項目成果達到了預期目標，創(chuàng)造性地解決了與D5000系統(tǒng)的銜接問題和需求，為各類應用向D5000一體化移植積累了經(jīng)驗，進一步深化了風功率預測功能的應用、完善了相關的技術標準和管理規(guī)范、為風功率預測的后續(xù)建設積累了經(jīng)驗。