专利名称：以发电单元为基本预测单元的发电功率预测方法及系统的制作方法
以发电单元为基本预测单元的发电功率预测方法及系统技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，提供一种以发电单元为基本预测单元的光伏电站发电功率预测系统，适用于由不同安装方式发电单元混合组成或由单一种安装方式发电单元组成的光伏电站的发电功率预测。
背景技术：
并网型光伏电站已成为光伏发电的重要应用形式。由于大规模并网型光伏电站一般不配备储能设备，而是根据昼夜循环启动和关闭运行，当光照、温度、时间、季节等因素变化时，其输出功率会表现出剧烈的波动性和间歇性。随着越来越多的并网型光伏电站接入电网，会给电力系统的功率平衡与安全稳定运行带来挑战，加重电网调度的负担。由于光伏发电具有波动性和间歇性的特点，现有电网尚不能满足接纳规模化光伏发电的要求，成为制约光伏发电大规模快速发展的主要瓶颈。光伏电站功率预测技术是解决此难题的关键技术之一。
光伏阵列的发电功率不仅与太阳辐射强度有关，而且也与太阳光的入射角度有关，当光线垂直于光伏阵列平面时，光伏阵列接收到的太阳辐射量最大，因此，光伏阵列的安装运行方式对光电转换效率有着重要影响。光伏阵列的安装运行方式一般分为固定安装、单轴跟踪和双轴跟踪共三大类。固定安装是指光伏阵列固定在支架结构上，不随太阳位置的变化而移动，这种安装方式最为简单，但是光电转换效率相对较低。为了提高转换效率，可采用自动跟踪的安装运行方式，通过自动跟踪系统调整光伏阵列平面的角度使其在最大程度上与太阳光保持垂直。目前常见的自动跟踪安装运行方式有两大类共3种单轴跟踪(水平单轴跟踪、倾纬度角斜单轴跟踪)和双轴跟踪。水平单轴跟踪和倾斜单轴跟踪只有一个旋转自由度，双轴跟踪具有两个旋转自由度。
光伏电站一般由一系列逆变器对应的发电单元组成，整个电站的发电功率是由各发电单元的功率输出汇聚而成。光伏电站可由不同种安装方式或单一种安装方式的多个发电单元组成，不同安装方式发电单元的出力特性各异。为了实现光伏电站发电功率的准确预测，本发明提供一种以发电单元为基本预测元的光伏电站发电功率预测方法及系统。发明内容
本发明的主要目的在于提供一种以发电单元为基本预测元的光伏电站发电功率预测方法及系统，适用于由不同安装运行方式发电单元混合组成或由单一安装运行方式发电单元组成的光伏电站的发电功率预测，满足电力系统调度管理部门和光伏发电企业的需求，为规模化光伏发电接入电网提供技术支持。
本发明采用如下技术方案实施。
以发电单元为基本预测单元的发电功率预测方法，该方法的特征是，以光伏电站的基本组成单位-单个的发电单元作为基本预测元，首先预测各个发电单元的输出功率， 然后将所有正常工作发电单元输出功率的预测值进行累加，进而得到整个光伏电站的发电功率预测值；采集和从光伏电站监控系统读取的数据包括各发电单元的太阳辐照度、环境温度、组件温度、风速、风向、气压、湿度。
以发电单元为基本预测单元的发电功率预测系统，该系统的特征是，预测系统的硬件平台由发电单元数据采集设备通过数据传输连接到关联数据库-发电功率预测服务器，关联数据库-发电功率预测服务器又分别与发电单元关联数据库、光伏电站监控系统数据库服务器和数据统计分析模块连接，发电单元关联数据库又与正常工作发电单元输出功率预测模块、各发电单元输出功率预测值累加模块、光伏电站发电功率预测结果模块、能量管理系统数据接口模块、网络安全防护设备、电力调度数据通讯网、电网调度能量管理系统依序连接；数据统计分析模块分别与统计指标模块、误差计算模块、图形表格模块、筛选分类模块连接，统计指标模块、误差计算模块、图形表格模块、筛选分类模块共同连接客户机/Web/显示打印；正常工作发电单元输出功率预测模块还依序连接有数值天气预报接收与处理模块、网络安全防护防火墙、电力调度数据通信网或互联网、数值天气预报；同时，正常工作发电单元输出功率预测模块还与关联数据库输入状态变量预测信息模块连接。
本发明的基本工作原理是利用在光伏电站现场安装的传感器采集各发电单元包括太阳辐照度、环境温度、组件温度、风速、风向、气压、湿度等在内的气象参数，读取光伏电站监控系统数据服务器中各发电单元输出功率等电气参数，利用“并网型光伏电站发电功率预测方法”(发明专利公开号CN1017^984A)，建立各个发电单元输入状态变量-输出功率的关联数据库模型。利用不断增加的实际运行数据，通过在线自学习对各个发电单元的关联数据库进行实时补充修正和更新，从而使关联数据库模型能够记忆各种不同的运行状态并跟随发电单元特性的变化。此关联数据库即为各个发电单元输入状态变量与输出功率之间关系映射的数学模型，反映了发电单元输出功率随输入状态变量变化的规律，据此模型就可由发电单元输入状态变量的数值确定其输出功率的大小。不同安装运行方式发电单元的出力特性各异，分别针对各个发电单元建立的关联数据库模型反映了不同安装运行方式发电单元的出力特性，并可计及沙尘覆盖、异常天气、光伏阵列特性衰减等多种因素的影响。在得到输入状态变量的预测信息(包括由气象服务机构提供的专业数值天气预报信息)后，利用数据挖掘技术在关联数据库中即可映射得到各发电单元的输出功率预测值， 然后再对所有正常工作发电单元的输出功率预测值进行累加，即可得到整个光伏电站的发电功率预测值。
本发明的工作流程包括数据采集与传输、关联数据库建立、数值天气预报接收、发电功率预测、数据统计分析和预测信息的发布与传输。
首先，每个发电单元的采集数据经数据处理模块处理后送入关联数据库-发电功率预测服务器，分别建立各发电单元对应的关联数据库。光伏电站中的每个发电单元都对应一个关联数据库，这个关联数据库是对应发电单元输入状态变量与输出功率之间关系的映射模型。关联数据库随着实时运行数据的增加而不断地更新、补充，具体方法详见“并网型光伏电站发电功率预测方法”(发明专利公开号CN1017^984A)。
第二，发电功率预测模块根据发电单元输入状态变量的预测信息或接收的天气预报信息(包括由气象服务机构提供的专业数值天气预报信息)，采用数据挖掘技术，访问对应的关联数据库，得到该发电单元的输出功率预测值，然后对所有正常工作发电单元输出功率预测值进行累加得到整个光伏电站的发电功率预测值。
数值天气预报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。数值天气预报由专业气象服务机构提供，主要提供光伏电站所在地点的太阳辐射辐照度、环境温度、风速、相对湿度、云量、天气类型等气象信息，其预报数据发布传输方式包括但不限于电力调度数据通信网或互联网等。
第三，关联数据库-发电功率预测服务器负责所有发电单元关联数据库的存储访问服务、输入状态变量预测、气象预报信息的接收处理和发电功率预测，客户端计算机可以访问数据库，并可以表格、图形、曲线等直观的形式显示数据库中有关参数的变化趋势和规律。
本发明的硬件平台组成包括数据采集设备、关联数据库-发电功率预测服务器、 交换机、工作站计算机、网络等，各组成部分之间采用网络与交换机方式连接，实现系统内部的数据传输、相互通信和信息共享，预测系统与电网调度能量管理系统之间装设有诸如反向安全隔离装置、IP认证加密装置等调度机构要求的网络安全防护设备。
本发明的软件程序包括以下功能模块
(1)关联数据库模块
主要负责各发电单元关联数据库的建立、更新、修正，以及数据库的存储、访问等服务。
(2)发电功率预测模块
主要负责关联数据库输入状态变量的预测，各个发电单元与光伏电站输出功率的预测。
发电功率预测的时间尺度包括超短期(0-4小时)和短期小时)。
发电单元与光伏电站发电功率预测的计算时间小于5分钟，每15分钟提供一次未来0-4小时的超短期发电功率预测曲线，每12小时或M小时(或者根据调度机构要求) 提供一次未来M小时的短期发电功率预测曲线。
(3)数值天气预报处理模块
负责天气预报信息(包括由气象服务机构提供的专业数值天气预报信息)的接收与处理。本发明的数值天气预报由专业气象服务机构提供，数值天气预报处理模块由数值天气预报处理计算机和相应的软件程序实现，该模块可通过互联网或电力调度数据通信网等方式接收专业气象服务机构提供的数值天气预报数据，并进行数据的预处理和记录存储等功能，处理后的数值天气预报数据作为预测模型的可选输入连接至发电功率预测模块。
(4)数据统计分析模块
负责对采集数据和光伏电站监控系统数据服务器中读取数据的统计分析
①在数据源满足要求的情况下，参与统计数据的时间范围可任意设定；
②统计计算所有参数的最大值、平均值、累计值、方差、标准差、最大变化率等指标；
③光伏电站运行数据的统计包括有效发电时间、最大功率数值及其对应时间、容量利用率、利用小时数，发电单元采集数据的统计包括太阳辐照度分布、风速风向分布、温度分布；
④自动生成指定格式的曲线、报表、趋势图、直方图、饼图、分布图等图形和表格。
⑤对发电功率实际值与预测值误差的统计，包括均方根误差、平均绝对误差、平均偏差误差、相关系数等，误差统计的时间区间可自主设置。
(5)能量管理系统数据接口模块
主要负责预测系统与电网调度能量管理系统的通信接口和数据交换。能量管理系统数据接口模块由网络安全防护设备和接口软件程序组成，通过网络安全防护设备将发电功率预测系统与电力系统调度通信数据网相连，从而实现与能量管理系统数据平台的连接。根据电力二次系统安全防护规定的要求，在系统中设置了专用的安全隔离装置，能够保证不同安全区之间数据的安全可靠传输。
本发明的有益效果在于，提供的发电功率预测系统，以各逆变器对应的发电单元为基本预测单元，适用于由不同安装运行方式(包括固定安装、单轴跟踪、双轴跟踪、聚焦型等)发电单元混合组成或由单一安装运行方式发电单元组成的光伏电站的发电功率预测。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。
图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
以发电单元为基本预测单元的发电功率预测方法，该方法的特征是，以光伏电站的基本组成单位-单个的发电单元作为基本预测元，首先预测各个发电单元的输出功率， 然后将所有正常工作发电单元输出功率的预测值进行累加，进而得到整个光伏电站的发电功率预测值；采集和从光伏电站监控系统读取的数据包括各发电单元的太阳辐照度、环境温度、组件温度、风速、风向、气压、湿度。
以发电单元为基本预测单元的发电功率预测系统，该系统的特征是，预测系统的硬件平台由发电单元数据采集设备通过数据传输连接到关联数据库-发电功率预测服务器，关联数据库-发电功率预测服务器又分别与发电单元关联数据库、光伏电站监控系统数据库服务器和数据统计分析模块连接，发电单元关联数据库又与正常工作发电单元输出功率预测模块、各发电单元输出功率预测值累加模块、光伏电站发电功率预测结果模块、能量管理系统数据接口模块、网络安全防护设备、电力调度数据通讯网、电网调度能量管理系统依序连接；数据统计分析模块分别与统计指标模块、误差计算模块、图形表格模块、筛选分类模块连接，统计指标模块、误差计算模块、图形表格模块、筛选分类模块共同连接客户机/Web/显示打印；正常工作发电单元输出功率预测模块还依序连接有数值天气预报接收与处理模块、网络安全防护防火墙、电力调度数据通信网或互联网、数值天气预报；同时，正常工作发电单元输出功率预测模块还与关联数据库输入状态变量预测信息模块连接。
本发明的技术路径分为四个基本环节
(1)发电单元运行数据的采集和传输
光伏电站内所有发电单元处各种传感器采集的数据(包括太阳辐照度、环境温度、风速等参数)传输至光伏电站监控室，与从光伏电站监控系统数据库服务器中读取的各发电单元的输出功率数据一起送入关联数据库-发电功率预测服务器，用于建立各个发电单元的关联数据库。
(2)发电单元关联数据库的建立
针对光伏电站内所有的发电单元，利用实际运行数据分别建立各个发电单元对应的输入状态变量-输出功率关联数据库，关联数据库具有在线自学习功能，能够实时反映不同安装运行方式发电单元的出力特性。关联数据库的建立方法详见“并网型光伏电站发电功率预测方法”(发明专利公开号CN1017^984A)。
(3)光伏电站发电功率预测
发电功率预测模块根据各发电单元关联数据库输入状态变量的预测信息或接收的天气预报信息，利用数据挖掘技术，访问对应的关联数据库，得到对应发电单元的发电功率预测值。利用上述方法得到光伏电站所有正常工作发电单元的发电功率预测值，这些预测值按照(1)式累加即可得到整个光伏电站的发电功率预测值。N
Pv=YuPvi⑴/=1
Pv为光伏电站的发电功率预测值；
Pvi为第i个发电单元的发电功率预测值；
i = 1,2,…，N，为光伏电站内正常工作的发电单元个数。
发电功率预测在时间尺度上包括超短期预测(0-4小时)和短期预测04小时内)。
(4)发电功率预测系统的数据传输
发电功率预测系统可通过电力调度数据通信网或互联网等方式接收专业气象服务机构提供的数值天气预报信息，并将光伏电站发电功率预测结果传送到电网调度管理机构和能量管理系统。
本发明提出的光伏电站发电功率预测系统能够容纳的发电单元数量不少于255 个，扩容个数不受限制。权利要求
1.以发电单元为基本预测单元的发电功率预测方法，其特征是，以光伏电站的基本组成单位-单个的发电单元作为基本预测元，首先预测各个发电单元的输出功率，然后将所有正常工作发电单元输出功率的预测值进行累加，进而得到整个光伏电站的发电功率预测值。
2.根据权利要求1所述以发电单元为基本预测单元的发电功率预测方法，其特征是采集和从光伏电站监控系统读取的数据包括各发电单元的太阳辐照度、环境温度、组件温度、 风速、风向、气压、湿度。
3.根据权利要求1或2所述以发电单元为基本预测单元的发电功率预测系统，其特征是，预测系统的硬件平台由发电单元数据采集设备通过数据传输连接到关联数据库-发电功率预测服务器，关联数据库-发电功率预测服务器又分别与发电单元关联数据库、光伏电站监控系统数据库服务器和数据统计分析模块连接，发电单元关联数据库又与正常工作发电单元输出功率预测模块、各发电单元输出功率预测值累加模块、光伏电站发电功率预测结果模块、能量管理系统数据接口模块、网络安全防护设备、电力调度数据通讯网、电网调度能量管理系统依序连接；数据统计分析模块分别与统计指标模块、误差计算模块、图形表格模块、筛选分类模块连接，统计指标模块、误差计算模块、图形表格模块、筛选分类模块共同连接客户机/Web/显示打印；正常工作发电单元输出功率预测模块还依序连接有数值天气预报接收与处理模块、网络安全防护防火墙、电力调度数据通信网或互联网、数值天气预报；同时，正常工作发电单元输出功率预测模块还与关联数据库输入状态变量预测信息模块连接。
全文摘要
以发电单元为基本预测单元的发电功率预测方法及系统，利用传感器等数据采集设备，采集各发电单元处的参数，将这些参数作为输入状态变量；同时读取各发电单元的输出功率值，并将其作为输出状态变量，针对各个发电单元分别建立对应的关联数据库；利用关联数据库得到其对应的发电功率预测值；再对正常工作发电单元的功率预测值进行累加，进而得到整个光伏电站的发电功率预测值。本发明的有益效果在于，提供的发电功率预测系统，以各逆变器对应的发电单元为基本预测单元，适用于由不同安装运行方式，包括固定安装、单轴跟踪、双轴跟踪、聚焦型等，发电单元混合组成或由单一安装运行方式发电单元组成的光伏电站的发电功率预测。
文档编号H02N6/00GK102545707SQ201210007609
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者冯勇, 刘兴杰, 刘友宽, 李萍, 杜景琦, 梅华威, 王飞, 米增强, 翟伟翔, 苏适 申请人:云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院, 华北电力大学(保定)