京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析框架初探

栗向鑫 羅亞洲 趙冬雯

1.華北電力調(diào)控分中心 北京 100053；

2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206；

3.北京石景山供電公司 北京 100043

0 引言

隨著新能源發(fā)電在全世界展開(kāi)，風(fēng)能發(fā)電憑借其清潔環(huán)保、取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，成為目前首選的可再生能源發(fā)電模式［1－2］。與此同時(shí)，風(fēng)電對(duì)于電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響日益顯現(xiàn)，風(fēng)電出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性和峰谷特性，給風(fēng)電豐富地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度帶來(lái)了越來(lái)越大的壓力。

隨著風(fēng)電規(guī)模的繼續(xù)增大，風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響會(huì)越來(lái)越顯著，調(diào)度部門(mén)如何分析風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)，成為風(fēng)電調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文以京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行特性作為基礎(chǔ)，基于風(fēng)電數(shù)據(jù)分析的相關(guān)要求，以風(fēng)電運(yùn)行深度研究為應(yīng)用環(huán)境，對(duì)京津唐風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析的設(shè)計(jì)框架展開(kāi)研究和探索。

1 設(shè)計(jì)背景

1.1 京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行情況

火力發(fā)電在京津唐電網(wǎng)中比重較大，截至2011年底，全網(wǎng)總裝機(jī)容量51674MW，其中火電45870MW，水電1220MW，風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到4584MW。電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行主要依靠火電機(jī)組旋轉(zhuǎn)調(diào)峰，以抽水蓄能為輔。其電源結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 電源結(jié)構(gòu)構(gòu)成

隨著京津唐電網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)比例的不斷增大，在調(diào)度運(yùn)行中，風(fēng)電運(yùn)行特性對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制影響也逐漸增大，表2所列為2011年京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2 京津唐電網(wǎng)2011年風(fēng)電運(yùn)行概況

2011年京津唐電網(wǎng)風(fēng)電出力瞬時(shí)最大值達(dá)3236MW，風(fēng)電出力與總負(fù)荷的最大占比達(dá)到8.07%，風(fēng)電最大峰谷差率達(dá)64.3%。因此無(wú)論從裝機(jī)容量還是從實(shí)時(shí)運(yùn)行的作用上看，風(fēng)電在京津唐電網(wǎng)電力平衡和實(shí)時(shí)調(diào)度控制中扮演著越來(lái)越重要的角色，已不能忽視。

1.2 京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行特性

風(fēng)電作為新能源，有著與常規(guī)能源不同的特性，特別是當(dāng)其以一定規(guī)模并入電網(wǎng)、且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，這些特性便顯現(xiàn)出來(lái)。筆者根據(jù)京津唐電網(wǎng)2011年風(fēng)電運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析風(fēng)電運(yùn)行特性。

1）風(fēng)電出力的隨機(jī)性

風(fēng)電機(jī)組的出力受天氣影響較大，主要是風(fēng)力的大小。雖然，從季節(jié)上看有一定規(guī)律可循，例如總體上冬季風(fēng)電出力大、夏季風(fēng)電出力小，但是，即使在同一季節(jié)里，風(fēng)電出力也未必穩(wěn)定，具有很大的隨機(jī)性。京津唐電網(wǎng)9月27日、28日風(fēng)電出力如圖1所示。

圖1 風(fēng)電出力隨機(jī)性

2）風(fēng)電出力的波動(dòng)性

在日內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行中，風(fēng)電出力的波動(dòng)性較大，這也給電網(wǎng)調(diào)頻及聯(lián)絡(luò)線調(diào)整帶來(lái)一定困難。由圖2可知：隨著時(shí)間跨度的增加，風(fēng)電出力的波動(dòng)也逐漸增加。從調(diào)度運(yùn)行的角度來(lái)看，15分鐘及1小時(shí)的風(fēng)電功率波動(dòng)分析可以客觀反映風(fēng)電出力的實(shí)時(shí)變化過(guò)程［3－4］。

可見(jiàn)，15分鐘內(nèi)風(fēng)電出力的互補(bǔ)性較為明顯，其波動(dòng)基準(zhǔn)變化率小于1%的概率為55.72%，基準(zhǔn)變化率大于5%的概率為1.43%。1小時(shí)波動(dòng)基準(zhǔn)變化率在1%至10%之間的概率為71.83%，基準(zhǔn)變化率大于10%的概率為3.49%。相比較而言，小時(shí)級(jí)時(shí)間跨度的風(fēng)電功率波動(dòng)較大，基準(zhǔn)變化率集中在1%－10%之間，部分時(shí)段的基準(zhǔn)變化率甚至更大，給風(fēng)電調(diào)度工作帶來(lái)一定困難。

圖2 不同時(shí)間跨度風(fēng)電出力變化率的概率分布

3）風(fēng)電出力的峰谷特性

由于風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性，使得風(fēng)電出力的峰谷與電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷不匹配的幾率較高，給電網(wǎng)調(diào)峰帶來(lái)一定困難。根據(jù)風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)等效負(fù)荷峰谷差改變模式的不同，將風(fēng)電日內(nèi)出力調(diào)峰效應(yīng)分為正調(diào)峰、反調(diào)峰兩種情形［4］。圖3是京津唐電網(wǎng)風(fēng)電正調(diào)峰和反調(diào)峰的日典型曲線。風(fēng)電正調(diào)峰指風(fēng)電日內(nèi)出力增減趨勢(shì)與系統(tǒng)負(fù)荷基本相同，風(fēng)電接入后系統(tǒng)等效負(fù)荷曲線峰谷差減小，其典型日曲線如圖3（a）所示；風(fēng)電反調(diào)峰是指風(fēng)電日內(nèi)出力增減趨勢(shì)與系統(tǒng)負(fù)荷曲線相反，風(fēng)電接入后系統(tǒng)等效負(fù)荷曲線峰谷差增大，其典型日曲線如圖3（b）所示。

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)所表現(xiàn)出來(lái)的運(yùn)行特性與常規(guī)電源并網(wǎng)發(fā)電差異性很大，上述僅為風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行特性的3個(gè)方面。然而，僅風(fēng)電出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性和峰谷特性所涵蓋的調(diào)度運(yùn)行監(jiān)視基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量已較為龐大，面對(duì)方興未艾的風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)度管理課題，如何理順風(fēng)電運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并從中選取對(duì)調(diào)度運(yùn)行較為重要的數(shù)據(jù)并加以提升，使之能夠集成實(shí)時(shí)監(jiān)視和調(diào)度并網(wǎng)運(yùn)行情況分析，加強(qiáng)調(diào)度部門(mén)對(duì)于風(fēng)電運(yùn)行的管控能力，已成為同業(yè)學(xué)者研究的熱點(diǎn)［5－6］。

圖3 京津唐電網(wǎng)風(fēng)電正調(diào)峰和反調(diào)峰的日典型曲線

2 京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析框架設(shè)想

2.1 基礎(chǔ)分析

首先，從風(fēng)電運(yùn)行特性角度來(lái)看，風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的隨機(jī)性、波動(dòng)性和峰谷特性對(duì)于調(diào)度運(yùn)行影響較大，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)、分析掌握電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行特性對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行具有重要意義。風(fēng)電運(yùn)行包含海量數(shù)據(jù)，風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析框架設(shè)計(jì)需要從海量風(fēng)電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中選擇對(duì)調(diào)度管理效用最大的數(shù)據(jù)組合，反映本網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行特性，為調(diào)度部門(mén)提供參考。

其次，由于不同電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境不同，在電力調(diào)度尤其對(duì)于風(fēng)電調(diào)度方面，調(diào)度運(yùn)行人員關(guān)注的角度不盡相同，如風(fēng)電出力占比較大的電網(wǎng)，調(diào)度部門(mén)對(duì)于風(fēng)電實(shí)時(shí)運(yùn)行的隨機(jī)性、波動(dòng)性和峰谷特性關(guān)注程度較高；而風(fēng)電出力占比較小的電網(wǎng)則對(duì)于上述風(fēng)電運(yùn)行特性關(guān)注程度較低。因此，不同調(diào)度部門(mén)根據(jù)本網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際，對(duì)于風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析需求各不相同。

目前，風(fēng)電出力已納入省級(jí)電網(wǎng)出力平衡，并體現(xiàn)在區(qū)域控制偏差（ACE）的調(diào)整中。所以，后續(xù)探討風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘框架是建立在一個(gè)特定的電網(wǎng)（京津唐電網(wǎng)）上的。

2.2 京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)劃分

大規(guī)模具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和峰谷特性的風(fēng)電接入京津唐電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行影響日益增大。因此，明確京津唐風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)是進(jìn)行京津唐風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)鍵與前提。目前關(guān)于風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)尚無(wú)明確的定義。為此，筆者根據(jù)京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行特性，并參考國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和大量研究成果［2－10］，對(duì)京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行劃分，如圖4所示。隨著風(fēng)電不斷發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)不斷完善、各電網(wǎng)運(yùn)行情況的不同，風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)的劃分方法和標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)一步更新。

圖4 京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)

京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行主要指標(biāo)主要包括七個(gè)方面：①風(fēng)電功率最大峰谷差：每天風(fēng)電功率的最大值與最小值之差為該天風(fēng)電功率最大峰谷差。②風(fēng)電功率短時(shí)波動(dòng)量：較小或固定時(shí)段內(nèi)風(fēng)電最大與最小功率之差。③調(diào)峰貢獻(xiàn)：實(shí)際電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差與凈負(fù)荷（不包含風(fēng)電負(fù)荷）峰谷差之差，凈負(fù)荷等于實(shí)際負(fù)荷減去風(fēng)電功率。④反調(diào)峰：用電高峰期為每天早上9:00－11:00和18:00—21:00；低谷期為23:00—次日07:00。如果每天風(fēng)電功率最大值出現(xiàn)在用電低谷期或者風(fēng)電功率最小值出現(xiàn)在用電高峰期，則表示該天發(fā)生反調(diào)峰。⑤風(fēng)電指標(biāo)偏差相關(guān)性，包括風(fēng)電功率、風(fēng)電功率變化量與ACE、電網(wǎng)頻率、聯(lián)絡(luò)線功率偏差相關(guān)性。⑥風(fēng)電利用小時(shí)：統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量與可用容量之比（可用容量為裝機(jī)容量與檢修容量之差）。⑦風(fēng)電負(fù)荷率概率分布：風(fēng)電負(fù)荷率是風(fēng)電功率值與可用容量之比，風(fēng)電負(fù)荷率概率為統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)風(fēng)電功率落在各負(fù)荷率范圍內(nèi)的概率。

7個(gè)風(fēng)電運(yùn)行主要指標(biāo)能夠表征并網(wǎng)京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行基本概況，調(diào)度運(yùn)行人員可以根據(jù)風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)分析本網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行情況。

2.3 京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析框架

基于京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行特性的風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析挖掘步驟如下：

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。利用調(diào)度部門(mén)的能量管理系統(tǒng)以及PI平臺(tái)，對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于風(fēng)機(jī)出力、風(fēng)場(chǎng)總出力、風(fēng)機(jī)風(fēng)速等參數(shù)構(gòu)建詳細(xì)的測(cè)點(diǎn)，確保調(diào)度部門(mén)獲取足夠的風(fēng)電運(yùn)行參數(shù)。

2）統(tǒng)計(jì)分析。借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)信息（數(shù)據(jù)），如風(fēng)電利用小時(shí)、反調(diào)峰、調(diào)峰貢獻(xiàn)等，對(duì)于風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)細(xì)化分析。在建立風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)評(píng)估函數(shù)之前，根據(jù)電網(wǎng)不同情況以及通過(guò)專家打分的方式選取電網(wǎng)調(diào)度最為關(guān)注的風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)，作為主要的風(fēng)電運(yùn)行分析目標(biāo)。

3）確定合適的算法。風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)主要有來(lái)自省調(diào)、地調(diào)、直調(diào)風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，管理系統(tǒng)的人為數(shù)據(jù)或者是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及風(fēng)電場(chǎng)或調(diào)度的輸入數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)一階差分法可以對(duì)于風(fēng)電運(yùn)行原始數(shù)據(jù)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的濾波處理。風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)評(píng)估計(jì)算方法，不同學(xué)者則給出了不同的算法［11－13］。由于風(fēng)電運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)較為繁雜，探索適合的風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)算法仍是一個(gè)重要的問(wèn)題。

4）風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)評(píng)估。在確保風(fēng)電實(shí)時(shí)運(yùn)行、歷史數(shù)據(jù)篩選正確以及風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)計(jì)算滿足分析需要的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)選擇合適的度量指標(biāo)，根據(jù)調(diào)度部門(mén)需求進(jìn)行指標(biāo)評(píng)估與分析。

5）風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的建立與應(yīng)用。應(yīng)用上述風(fēng)電評(píng)估分析指標(biāo)，分別實(shí)現(xiàn)基于圖形、數(shù)據(jù)和WebGIS方式的風(fēng)電信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)分析、風(fēng)電運(yùn)行評(píng)估以及展示等功能，從而為調(diào)度部門(mén)掌握電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行情況提供參考，并為調(diào)度運(yùn)行人員調(diào)度控制風(fēng)電運(yùn)行提供幫助。

2.4 京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析框架流程圖

基于上述討論分析，如圖5所示，京津唐風(fēng)電信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前端開(kāi)發(fā)工具可采用Microsoft Visual Studio.net 2008，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)則采用Oracle 10.0.2，整合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)信息，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析功能。

京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘框架如圖4所示，通過(guò)PI數(shù)據(jù)接口模塊從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中能夠得到京津唐電網(wǎng)、各區(qū)調(diào)及直調(diào)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)功率，通過(guò)調(diào)度管理系統(tǒng)（OMS）數(shù)據(jù)接口模塊從OMS的數(shù)據(jù)服務(wù)器（ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)）中能夠提取京津唐電網(wǎng)、京津唐各區(qū)調(diào)及直調(diào)風(fēng)電場(chǎng)的電量數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)插值處理，可以保證來(lái)自不同數(shù)據(jù)庫(kù)的各調(diào)度區(qū)域及直調(diào)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)功率和電量同步存入數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器（ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)）中。

圖5 京津唐風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘流程圖

3 展望

目前，對(duì)于風(fēng)電運(yùn)行參數(shù)采集與分析工作已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。有學(xué)者建議大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)分析研究采用綜合指標(biāo)的分析方法［14］。與此同時(shí)，風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析在電力行業(yè)已得到廣泛關(guān)注，并取得一定的成果，這些都為深度運(yùn)用風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)電調(diào)度運(yùn)行管理工作提供了充分的理論與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

當(dāng)然，風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)體系的劃分與分析還需要做大量的研究工作。目前不斷發(fā)展的數(shù)學(xué)分析和統(tǒng)計(jì)方法可應(yīng)用到風(fēng)電數(shù)據(jù)挖掘與分析工作中，如近年來(lái)廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的一階差分法的濾波處理理論、多層次交互式確定權(quán)重方法等，都可應(yīng)用于風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾和分析。概率統(tǒng)計(jì)方法、主成分分析法、層次分析法等評(píng)估方法可用于風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)的劃分與確定。

現(xiàn)行的風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要為風(fēng)電運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)視，在此基礎(chǔ)上通過(guò)選取適合的分析工具，將風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)擴(kuò)充進(jìn)去，已達(dá)到風(fēng)電運(yùn)行綜合分析應(yīng)用。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不斷調(diào)整、積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電運(yùn)行底層數(shù)據(jù)的綜合分析，逐步實(shí)現(xiàn)服務(wù)風(fēng)電AGC、電力系統(tǒng)安全分析校核等高級(jí)應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

考慮到調(diào)度部門(mén)對(duì)于大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度、分析、控制的需求，本文以京津唐電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)分析進(jìn)行初步探討。數(shù)據(jù)分析雖然在多領(lǐng)域均得到成功的應(yīng)用，但用于風(fēng)電分析挖掘中還存在很多具體問(wèn)題，如風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)量化、風(fēng)電運(yùn)行數(shù)據(jù)收集與整理、風(fēng)電運(yùn)行指標(biāo)評(píng)估及函數(shù)形式選取等，需要進(jìn)一步的深入研究。

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