FR3000F风电功率预测系统技术说明书.doc

FR3000F 风电功率预测系统风电功率预测系统 技术说明书技术说明书 北京中科伏瑞电气技术有限公司北京中科伏瑞电气技术有限公司 二二 一一 年九月年九月 I 目录目录 1 系统开发背景系统开发背景 1 2 系统技术特点系统技术特点 1 3 系统典型应用方案系统典型应用方案 2 3 1 电网调度侧典型应用方案 2 3 2 风电场侧典型应用方案 4 4 系统功能规范系统功能规范 4 4 1 数据采集 4 4 2 数据处理 5 4 2 1 模拟量处理 5 4 2 2 状态量处理 6 4 2 3 不合理及缺测数据的处理 6 4 3 数据存储 6 4 4 风电场建模 7 4 5 风电功率预测 8 4 6 数据统计分析 9 4 7 图形生成及显示 9 4 8 报表管理 10 4 9 数据接口 11 5 系统性能指标系统性能指标 11 5 1 系统容量指标 11 5 2 功率预测指标 12 5 3 设备可靠性指标 12 5 4 系统负荷率指标 12 5 5 系统实时性指标 12 1 1 系统开发背景系统开发背景 在煤炭 石油等常规能源逐渐枯竭和严重环境问题的背景下 风力发电作 为目前在可再生能源中技术最成熟 最具有规模化开发条件和商业化发展前景 的发电技术 日益得到国家的高度重视和大力扶持 在近几年获得了巨大的发 展 随着风电的快速发展 大型风电场 单台风机容量达到 2MW 甚至更高容 量 一般一个风电场安装数十台或上百台此种风机 的并网运行对电力系统的 影响也越来越显著 此外我国风能资源丰富的地区一般人口稀少 负荷量小 电网结构相对薄弱 风能所具有的随机性 间歇性和不可控性的特点以及在实 际运行中多数风电具有的反调峰特性 使得难以预测风电场发电出力的变化趋 势 造成电网运行调度的困难和复杂化 对电网的安全稳定运行造成了很大影 响 这已经成为制约风电大规模接入的关键技术问题 为了能在保障电网安全 稳定运行的前提下 尽可能规模化接纳风电 有必要在电网调度中心和风电场 均建设风电功率预测系统 对风电场出力变化趋势进行准确预测 实现风水火 电的联合优化 从而降低备用容量和运行成本 最终达到风电运行可控化的目 标 风电功率预测在国外已有近二十年的发展历史 目前已有多种商用的预测 系统投入运行 但是我国风资源在地理分布上相对集中的特点 导致国外的成 熟系统无法直接应用于我国的风电场 因此必须要开发适应我国风电场特点的 具有自主知识产权的风电功率预测系统 FR3000F 风电功率预测系统正是在上述背景下开发的 能够满足电网调度 中心和风电场对短期功率预测 未来 72 小时 和超短期功率预测 未来 4 小时 的要求 它使用适合我国风电场特点的数值天气预报 采用了物理方法和统计 方法相结合的预测方法 使用多种预测算法进行组合预测 提高了预测的精度 并使预测模型具有良好的适应性 2 系统技术特点系统技术特点 1 在预测方法上 采用基于中尺度数值天气预报的物理方法和统计方法相结 合的预测方法 在新建风电场缺少历史数据时可以使用物理方法预测 而 2 在历史数据较完备时使用准确度较高的统计方法预测 因而可以满足不同 情况下的预测要求 具有良好的适应性 2 在统计预测算法上 提供差分自回归移动平均模型 ARIMA 混沌时间序 列分析 人工神经网络 ANN 等多种算法 根据预测时间尺度的不同使 用上述算法构成组合预测模型 对每一种算法的预测结果选取适当的权重 进行加权平均从而得到最终预测值 权重的选择可以采用等权平均法 最 小方差法 在采用最小方差法确定权重时 可使用最近时间段数据计算权 重系数 使用组合预测模型可以使预测模型具有更好的适应能力 提高风 电功率预测的精度 3 针对风力发电随机性强 数据变化快的特点 为解决风电功率预测需要的 风机信息的采集 存储和传输的问题 在风电场侧研发和部署了 FR1 风电 综合通信管理终端 能够在满足电网调度机构要求的前提下 同时向风电 场本地功率预测系统提供风机运行数据和数值天气预报等基础数据 这样 可以充分利用现有设备资源 减少风电场设备配置 降低系统成本 FR1 终端具有以下特点 可以充分满足风电功率预测的需要 a 在数据采集上 采用 OPC 技术实现风机信息采集 同时为了能够为风 电功率预测提供准确的历史基础数据 还提供了采样和存储历史数据的 功能 b 在数据传输上 为了实现实时数据和历史数据的混合传送以及数值天气 预报文件 风电功率预测结果上传下达的需要 在参考 IEC60870 5 系 列规约的基础上制定了风电信息传输规约 应用在 FR1 终端与主站系 统的通信上 并使用断点续传技术保证历史数据的准确性 完整性和可 靠性 4 系统提供面向风机 风电场的各种监视画面如地理图 风机列表 矩阵 画面 趋势曲线 风速 功率曲线 风向玫瑰图 风频图以及预测值与实际 值比对曲线 预测结果的误差统计等各种统计分析图表 3 3 系统典型应用方案系统典型应用方案 3 1 电网调度侧典型应用方案电网调度侧典型应用方案 电网调度侧典型应用方案如下图所示 电网调度侧系统由数据采集服务器 数据库服务器 磁盘阵列 功率预测 服务器 应用工作站 数据接口服务器 网络打印机等设备构成 上述设备均 连接到网络交换机构成局域网络 数据接口服务器通过反向物理隔离设备与气 象局网络连接 数据采集服务器运行数据采集软件 与风电场侧风电综合通信管理终端通 信采集风机 测风塔 风电场功率 数值天气预报 风电场本地风电功率预测 结果等数据 数据库服务器用于数据的处理 统计分析和存储 为保证数据可靠存储 配置了磁盘阵列 应用工作站完成系统的建模 图形生成显示 报表制作打印等应用功能 风电功率预测服务器运行风电功率预测模块 根据建立的预测模型 基于 采集的数值天气预报 采用物理和统计相结合的预测方法 并结合目前风电场 4 风机的实时运行工况对单台风机及整个风电场的出力情况进行短期预测和超短 期预测 数据接口服务器负责从气象局获得数值天气预报 为保证网络安全在网络 边界处配置反向物理隔离设备 同时向 SCADA EMS 系统传送风电功率预测的 结果 3 2 风电场侧典型应用方案风电场侧典型应用方案 风电场侧典型应用方案如下图所示 风电场侧系统采用单机系统配置 功率预测服务器完成数据采集 数据处 理 统计分析 预测建模 功率预测 数据存储 数据接口 图形生成显示 报表制作打印等全部系统应用功能 系统可以向外部系统如 办公自动化系统 等传送风电功率预测结果 为保证网络安全配置正向物理隔离设备 4 系统功能规范系统功能规范 4 1 数据采集数据采集 通过电力调度数据网或风电场局域网络与安装在风电场当地的风电综合通 信管理终端通信采集风机实时和历史信息 并实现文件信息 数值天气预报 风电功率预测结果 的上传下达 通信规约采用风电信息传输规约 1 采集的数据类型包括 数值天气预报数据 时间分辨率为 15 分钟 包括至少三个不同层高的 风速 风向 气温 气压 湿度等参数 5 测风塔实时测风数据 测风塔位置在风电场 5 公里范围内且不受风电 场尾流影响 宜在风电场主导风向的上风向 至少包括 10m 70m 及 以上高程的风速 风向 气温 气压 湿度信息 风电场实时功率数据 风机实时运行数据 包括风机当前的运行状态 风速 风向 偏航状 态 实时功率等 2 数据采集支持实时数据和历史数据的同时采集 并且对历史数据的采集能 够通过断点续传技术保证历史数据的完整性 3 数据采集支持以下通信方式 专线方式 电力专线通讯方式 V 28 数据专线 网络方式 局域网 光纤数据通信网或其他广域网方式 4 数据采集支持冗余热备模式 在某一台采集服务器故障情况下 正常的采 集服务器自动接管采集任务 保证数据采集任务的不间断性 5 系统对通信中断的风电场 以不同的方式发出报警 对当通道中断后 无 法实现采集的风电场 在事件日志中进行记录 并以画面 声音和工况图 的方式报警 6 在现场未安装风电综合通信管理终端的情况下 系统可以与风电场侧风机 监控系统 升压站监控系统 测风塔直接通信采集数据 支持以下通信协 议或标准 OPC DA 2 0 OPC XML DA 1 0 IEC870 5 101 IEC870 5 104 部颁 CDT MODBUS 规约 E 语言接口 6 4 2 数据处理数据处理 4 2 1 模拟量处理模拟量处理 1 工程量变换 通过变换系数 量纲将采集的原始码值转换为工程实际值 2 归零检查 将近似于零的数据置为零值 归零范围可设置 3 死区检查 检查数据是否越死区 只有越死区的数据才会更新 死区范围 可设置 4 限值检查 检查数据是否越限值 可手工设置限值范围 5 变化率检查 检查数据的变化率是否越限 可可手工设置变化率限值范围 6 相关性检验 测风塔不同层高数据之间的相关性检验 根据测风数据与功率数据的关系进行相关性检验 7 均值及标准差检验 4 2 2 状态量处理状态量处理 1 状态取反处理 2 有效性检查和误遥信处理 如状态未变化或出现无效状态等 3 遥信抖动过滤 4 2 3 不合理及缺测数据的处理不合理及缺测数据的处理 1 风电场功率缺测及不合理数据 缺测数据以前后相邻时刻的数据进行插补 大于装机容量的功率以装机容量代替 小于零的功率以零替代 其它不合理功率值以前一时刻功率值替代 2 测风塔缺测及不合理数据 以其余层高数据根据相关性原理进行修正 不具备修正条件的以前后相邻时刻的数据进行插补 3 数值天气预报缺测及不合理数据以前后相邻时刻的数据进行插补 4 上述不合理及缺测数据处理后以特殊标志记录 并且缺测及不合理数据均 7 可由人工补录或修正 4 3 数据数据存储存储 1 系统支持直接采集的历史数据和经定时采样生成的历史数据的存储 定时 采样和存储周期可设置 2 系统支持历史数据的导入功能 方便从其它系统获取所需历史数据存储到 数据库中 存储前也执行上述对数据的处理过程 3 存储的数据包括 数值天气预报 数据周期 15 分钟 风电场功率 数据周期 5 分钟 风电场功率 15 分钟平均数据 数据周期 15 分钟 测风塔数据 数据周期 5 分钟 测风塔 15 分钟平均数据 数据周期 15 分钟 风机运行数据 数据周期 15 分钟 短期风电功率预测的结果 数据周期 15 分钟 每 15 分钟滚动执行的超短期风电功率预测的所有预测结果 数据周期 15 分钟 预测曲线经过人工修正后存储修正前后的所有预测结果 数据周期 15 分钟 4 系统至少支持 10 年的历史数据存储 4 4 风电场建模风电场建模 系统根据风电场所处地理位置的气候特征和风电场历史数据情况 构建特 定的物理和统计预测模型进行风电功率预测 系统提供直观的界面 实现预测 模型的维护功能 风电场建模主要内容包括 风电场参数 包括风电场名称 风机台数 装机容量等 风电机组基础数据 包括机组类型 生产厂商 单机额定容量 轮毂高 度 叶轮直径 风速 功率曲线 并网时间 位置 经纬度 和朝向 地形地貌数据 地形数据为 CAD 文件 包括对风电场区域内 10 公里范围内地势变 8 化的描述 地貌数据通过实地勘测或卫星地图获取 包括对风电场区域内 20 公里范围内粗糙度的描述 风电机组故障及人为停机记录 风电场开机容量和限电记录 预测参数 预测方法的选择 组合预测权值的调整方式设置 预测启动 方式及周期等 4 5 风电功率预测风电功率预测 系统可根据风电场所处地理位置的气候特征和风电场历史数据情况 采用 物理方法和统计方法相结合的预测方法构建特定的预测模型进行风电场的功率 预测 根据预测时间尺度的不同和实际应用的具体需求 可采用多种方法及建 模 1 物理预测方法根据风电场的地形 地貌数据 风机的安装位置和朝向 轮 毂高度 叶轮直径 风速 功率曲线对风电场进行建模 在利用数值天气预 报预测风机轮毂所在高度风速风向的基础上 结合风电场周围地形 地表 粗糙度及热力层结的影响对风速进行订正 最后通过功率输出预测模块进 行功率预测 2 在统计预测算法上 提供差分自回归移动平均模型 ARIMA 混沌时间序 列分析 人工神经网络 ANN 等多种算法 根据预测时间尺度的不同使 用上述算法构成组合预测模型 对每一种算法的预测结果选取适当的权重 进行加权平均从而得到最终预测值 权重的选择可以采用等权平均法 最 小方差法 在采用最小方差法确定权重时 可使用最近时间段数据计算权 重系数 3 预测的空间尺度 预测的最小单位为单个风电场 风电场端的风电功率预测系统能够预测本风电场的输出功率 电网调度侧的风电功率预测系统能够预测单个风电场 局部控制区域和 整个调度管辖范围的风电输出功率 4 预测的时间尺度 9 短期风电功率预测至少能够预测风电场未来 72h 的风电输出功率 时间 分辨率为 15 分钟 超短期风电功率预测能够预测风电场未来 0h 4h 时间分辨率不小于 15 分钟 5 预测的启动方式 短期风电功率预测能够设置每日预测的启动时间和次数 短期风电功率预测支持自动启动预测和手工启动预测 6 系统能处理出力受限 风电机组故障和机组检修等非正常停机对风电场发 电能力的影响 支持限电和风电机组故障等特殊情况下的功率预测 7 系统能处理风电场装机扩容对发电的影响 支持不断扩建中的风电场的功 率预测 8 对于风电功率预测系统预测得到的功率曲线 可以进行人工修正 人工修 正设置严格的权限管理 并保留操作日志备查 9 系统能够对预测曲线进行误差估计 预先给定置信度的误差范围 10 系统具备与其它预测算法的通用调用接口 4 6 数据统计分析数据统计分析 1 数据统计 历史功率数据统计包括数据完整性统计 频率分布统计 变化率统计等 历史测风数据 数值天气预报数据统计包括完整性统计 风速频率分布 统计 风向频率分布统计等 风电场运行数据统计包括发电量 发电时间 最大出力及发生时间 同 时率 利用小时数及平均负荷率等数据的统计 并可自动生成相应报表 2 相关性校验 能对历史功率数据 测风数据和数值天气预报数据进行相关性校验 根 据分析结果 给出数据的不确定性可能引入的误差 3 误差统计 能对任意时间区间的预测结果进行误差统计 误差指标包括均方根误差 10 平均绝对误差 相关性系数等 4 误差分析 能根据误差统计和相关性校验的结果 判定误差产生的原因 5 考核统计 能对调度管辖范围内的各风电场上报的预测曲线进行误差统计 4 7 图形生成及显示图形生成及显示 图形平台针对电力系统设计 提供了常用的电力系统基本绘图图元模板 同时内含图元编辑功能 可以根据实际情况制作在电力系统中的一些常用符号 使得用户在制作画面时可以节省大量的人力 既可以加快图形制作的速度 又 可以增加图形的规范性和一致性 另外 用户可以通过图元编辑器定义一些其 它系统中常用的符号 方便地制作其它一些不同于电力系统的画面 图形平台支持全图形 高分辨率 多屏幕 多窗口 快速响应的图形显示 画面可以平滑移动 无级缩放和漫游 并提供导航图功能 在编辑电力系统接 线图时 可将各种图元用鼠标拖放到编辑窗口中 各个画面可以通过定义敏感 点进行相互跳转 系统可通过曲线 棒图 饼图等显示方式来观察数据的变化情况 根据需 要可随时相互转换显示方式 多条曲线能用不同的颜色绘制在同一窗口中 显 示的曲线样式 条数 数据来源均可由用户自行定义 并可在线修改 所有曲 线均图表合一 同时提供各种统计值的显示 平均值 最大值及发生时间 最 小值及发生时间等 图形平台可生成和显示以下画面 地理图 系统工况监视图 风电场一次接线图 风电场工况监视图 风机列表监视图 实时和历史趋势曲线 风速 功率曲线 风向玫瑰图 11 风频图 风电场实际平均风速与预测平均风速的比对曲线 风电场实际出力与预测值的实时比对曲线 风电场实际出力与预测值的历史比对曲线 日预测精度统计图表 月预测精度统计图表 4 8 报表管理报表管理 系统具有全图形 全汉化的显示和打印功能的报表软件 人机界面良好 采用多窗口技术和交互式操作手段 调用方便 快捷 能方便地生成各种统计 和分析报表 报表可在线修改 不影响系统的正常运行 报表文件支持转换为 EXCEL 文件 1 系统能方便地制作各种格式灵活的报表 支持运算公式 能方便地生成各 种统计和分析报表 2 数据可以根据来源不同区别显示 3 提供数据定义工具方便用户定义报表与数据库数据的连结 支持数据库的 任意历史数据全开放上报表 4 系统可提供公司 风电场 单台风机等各个层次上的统计报表 提供历史 数据的日 月 年或任意时间段报表 5 系统具有定时 召唤打印及拷屏等功能 6 报表数据可按不同的选择 不同数据的同一时间 同一数据的不同时间 所有表格数据 转换为曲