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背景及需求分析

風(fēng)電和光伏發(fā)電功率具有較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，大規(guī)模新能源并網(wǎng)運(yùn)行給電網(wǎng)調(diào)度部門的調(diào)峰調(diào)頻工作帶來了新的挑戰(zhàn)。通過預(yù)測，新能源出力將從未知變?yōu)榛疽阎{(diào)度運(yùn)行人員可根據(jù)預(yù)測的波動(dòng)情況，合理安排應(yīng)對(duì)措施，提高電網(wǎng)的安全性和可靠性，改善電網(wǎng)調(diào)峰能力，增加新能源的并網(wǎng)容量。2009年我國首套風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)在吉林電網(wǎng)調(diào)度中心正式上線運(yùn)行，風(fēng)電功率預(yù)測逐漸成為風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)度日常工作的重要內(nèi)容。緊跟風(fēng)電功率預(yù)測步伐，2010年我國首套光伏發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)在寧夏電網(wǎng)調(diào)度中心正式上線運(yùn)行，光伏發(fā)電功率預(yù)測也成為新能源發(fā)電并網(wǎng)調(diào)度日常工作的重要內(nèi)容。

在我國，短期預(yù)測主要為調(diào)度部門制定發(fā)電計(jì)劃服務(wù)，那么短期預(yù)測就應(yīng)該與發(fā)電計(jì)劃制定的時(shí)間空間要求一致，國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電功率預(yù)測功能規(guī)范》中均規(guī)定短期預(yù)測的時(shí)間長度為未來0-72小時(shí)，時(shí)間空間分辨率也與我國的電力調(diào)度運(yùn)行控制分辨率保持一致，每個(gè)風(fēng)電場提供每15分鐘一個(gè)預(yù)測數(shù)據(jù)。超短期預(yù)測主要為調(diào)度部門的實(shí)時(shí)調(diào)度服務(wù)，由于我國的電源結(jié)構(gòu)以火電為主且缺少快速調(diào)節(jié)的電源，需要火電參與電網(wǎng)調(diào)頻，而火電機(jī)組的啟停時(shí)間至少需要4個(gè)小時(shí)，因此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定超短期預(yù)測的時(shí)間長度為未來0-4小時(shí)，為火電參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)預(yù)留時(shí)間，時(shí)間分辨率為15分鐘。

因此，設(shè)計(jì)一款支持快速開發(fā)、部署、多功能（短期和超短期）切換靈活多變的序列預(yù)測框架的必要性呼之欲出。

基于LSTM多功能序列預(yù)測框架設(shè)計(jì)

模型整體由編碼器（Encoder）、解碼器（Decoder）、條件層（Conditionality）以及融合層（Fusion）組成，編解碼作用與seq2seq模型一致；融合層可選SUM、DOT、CONCAT等算子，實(shí)現(xiàn)抽象層面的長程關(guān)聯(lián)；條件層對(duì)預(yù)測輸出加入一定限制，例如對(duì)單站光伏出力進(jìn)行NvM預(yù)測，待預(yù)測的未來M天天氣預(yù)報(bào)信息可作為條件，融合進(jìn)模型后，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)M天實(shí)預(yù)測輸出，使模型適應(yīng)因未來天氣突變導(dǎo)致的光伏出力的潛在突變，單站光伏出力強(qiáng)度與天氣因素關(guān)聯(lián)如下圖所示，

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 不同天氣下光伏發(fā)電曲線

以上這些模塊不同組合方式可支持不同場景下的序列預(yù)測需求，例如Nv1(N個(gè)輸入1個(gè)輸出)、NvM（N個(gè)輸入M個(gè)輸出）、1vM（1個(gè)輸入M個(gè)輸出）、NvM|C（一定條件下N個(gè)輸入M個(gè)輸出）、短期、超短期以及稍長期序列預(yù)測。

Loss設(shè)計(jì)

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)短期、超短期預(yù)測中，不同Loss設(shè)計(jì)對(duì)預(yù)測精度影響較大，尤其對(duì)單站光伏出力預(yù)測，選擇合適的loss函數(shù)對(duì)預(yù)測效果事半功倍，單站光伏出力主要發(fā)生在如出到日落白天時(shí)間，之外的時(shí)間段光伏出力趨近于0，要求模型對(duì)白天出力預(yù)測更加精準(zhǔn)，晚間預(yù)測精度要求可不做要求（極端情況下，晚間預(yù)測準(zhǔn)確率0%，可根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)將預(yù)測值設(shè)定為常數(shù)0，此時(shí)準(zhǔn)確率亦~100%）,因此這里設(shè)計(jì)加權(quán)均方誤差（WMSE）loss、加權(quán)絕對(duì)誤差（WMAE）loss，實(shí)踐中如果完全忽略零值區(qū)域擬合，導(dǎo)致零值區(qū)域噪聲過大，因此可同時(shí)引入eps適當(dāng)增加零值區(qū)域loss貢獻(xiàn)；考慮到可將光伏出力0值誤差設(shè)定為不貢獻(xiàn)loss，也設(shè)計(jì)了絕對(duì)誤差零值掩碼loss和均方差零值掩碼loss。各loss表達(dá)式如下

實(shí)踐與評(píng)測

選取某地單站光伏真實(shí)出力數(shù)據(jù)，把2021.08—2022.08生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，對(duì)2022.09.05—2022.09.15進(jìn)行預(yù)測評(píng)估，訓(xùn)練數(shù)據(jù)特征維度如下，其中pv表示光伏出力標(biāo)的。