Q GDW 1998-2013 光伏发电站功率预测技术要求.pdf

1、Q / GDW ICS Q/GDW 国家电网公司企业标准 Q / GDW 1998 2013 光伏发电站功率预测技术要求 Technical requirement of PV power forecasting 2014-05-01 发布 2014-05-01 实施 国家电网公司 发 布 Q / GDW 1998 2013 目 次 前言 II 1 范围 1 2 规范性引用文件 1 3 术语和定义 1 4 实时气象信息采集要求 2 5 预测数据要求 3 6 系统软件要求 4 7 硬件要求 5 8 部署要求 6 9 性能指标 6 附录 A（资料性附录） 误差计算方法 7 编制说明 9 I Q /

2、 GDW 1998 2013 II 前 言 为规范光伏发电站功率预测技术，推进相关技术在实际生产中的应用，实现大规模光伏并网后功 率预测工作的标准化作业，进一步提高光伏发电调度运行管理水平，特制订本标准。 本标准由国家电网公司电力调度通信中心提出并解释； 本标准由国家电网公司科技部归口； 本标准主要起草单位：中国电力科学研究院、宁夏电力公司； 本标准主要起草人：刘纯、王伟胜、丁茂生、王勃、冯双磊、耿多、马军、卢静、车建峰。 本标准首次发布。 Q / GDW 1998 2013 光伏发电站功率预测技术要求 1 范围 本标准规定了光伏发电站功率预测的一般原则和技术要求。 本标准适用于接入国家电网公

3、司经营范围内的光伏发电站。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本标 准。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 129362007 太阳能热利用术语 QX/T 492007 地面气象观测规范 第 5 部分：气压观测 QX/T 502007 地面气象观测规范 第 6 部分：空气温度和湿度观测 QX/T 512007 地面气象观测规范 第 7 部分：风向和风速观测 QX/T 552007 地面气象观测规范 第 11 部分：辐射观测 QX/T 562007 地面气象观测规范 第 12 部分：日照

4、观测 QX/T 892008 太阳能资源评估方法 Q/GDW 6172011 光伏电站接入电网技术规定 电监会 5 号令 电力二次系统安全防护规定 电监安全200634 号 电力二次系统安全防护总体方案 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 光伏发电站 photovoltaic (PV) power station 利用光伏电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统，一般包含变压器、逆 变器、相关的平衡系统部件（BOS）和光伏方阵等。 3.2 数值天气预报 numerical weather prediction 根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，通过大

5、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。 3.3 光伏发电功率预测 photovoltaic power forecasting 根据气象条件和光伏发电站的运行状态，分析光伏电站发电功率的影响因子及其变化规律，预测未 来一段时间的光伏发电站发电有功功率的方法。 根据气象条件、统计规律等技术和手段，对光伏发电站有功功率进行预报。 3.4 1 Q / GDW 1998 2013 辐照度 irradiance 物体在单位时间、单位面积上接收到的辐射能。 3.5 总辐射 global radiation 水平表面在 2 立体角

6、内所接收到的太阳直接辐射和散射辐射之和。 3.6 直接辐射 direct solar radiation 测量垂直太阳表面 （视角约 0.5） 的辐射和太阳周围很窄的环形天空的散射辐射称为太阳直接辐射。 3.7 散射辐射 diffuse radiation 太阳辐射经过大气散射或云的反射，从天空 2 立体角以短波形式向下到达地面的辐射。 3.8 日照时数 sunshine duration 也称实照时数，为太阳直射辐照度达到或超过 120W/m 2 时间段的总和。 3.9 可照时数 duration of possible sunshine 又称天文可照时数，指日出到日没太阳的可能光照时数。

7、3.10 曝辐量 radiant exposure 给定时间段内辐照度的积分总量。 4 实时气象信息采集要求 4.1 基本要求 光伏发电站应配备实时气象信息采集系统，应包括直射辐射表、散射辐射表、总辐射表、环境 温度计、光伏组件温度计、风速仪、风向标、数据处理传输设备、全天空成像仪等。 4.2 站址要求 4.2.1 气象信息采集系统应能反映光伏发电站范围内的气象条件。 4.2.2 气象信息采集系统环境信息观测仪器感应元件平面以上应无任何障碍物，若不满足，应与障 碍物保持一定距离，避免障碍物的阴影对感应元件的遮挡。不应靠近浅色墙面或其它易于反射阳光 的物体，也不应暴露在人工辐射源之下。 4.3

8、测量设备要求 4.3.1 直接辐射表技术参数： a） 光谱范围：280nm3000nm b） 测量范围：0W/m 2 2000W/m 2 c） 跟踪精度：24 小时小于1 d） 灵敏度：7 V/Wm 2 14 V/Wm 2 2 Q / GDW 1998 2013 e） 安装：自动跟踪装置 4.3.2 散射辐射表技术参数： a） 光谱范围：280nm3000nm b） 测量范围：0W/m 2 2000W/m 2 c） 灵敏度：7 V/Wm 2 14 V/Wm 2 4.3.3 总辐射表技术参数 a） 光谱范围：280nm3000nm b） 测量范围：0W/m 2 2000W/m 2 c） 测量精度

9、：5% d） 灵敏度：7V/Wm 2 14V/Wm 2 e） 安装：水平安装 4.3.4 风速传感器： a） 测量范围：0m/s50m/s b） 测量精度：0.5m/s c） 工作环境温度：4060 4.3.5 风向传感器： a） 测量范围：0360 b） 测量精度：2.5 c） 工作环境温度：4060 4.3.6 湿度传感器： a） 测量范围：0100%RH b） 测量精度：8%RH c） 工作环境温度：4060 4.3.7 大气压力传感器： a） 测量范围：500hPa1100hPa b） 测量精度：0.3hPa c） 工作环境温度：4060 4.3.8 环境温度传感器： a） 测量范围：

10、4060 b） 测量精度：0.5 4.3.9 组件温度传感器： a） 测量范围：50150 b） 测量精度：0.5 4.3.10 数据记录仪： a） 输入通道数：8 b） 准确度：0.5% c） 数据存贮容量：记录 3个月数据 d） 工作温度：4060 4.3.11 全天空成像仪： a） 图像解析度：352288 色彩，24Bit，JPEG格式 b） 采样速度：可调，时间间隔不能大于 5min c） 工作温度：4060 3 Q / GDW 1998 2013 5 预测数据要求 5.1 基本要求 光伏发电站功率预测所需的数据至少应包括数值天气预报数据、实时气象数据、实时功率数据、 运行状态、计划

11、检修信息等。 5.2 数据的采集 5.2.1 数值天气预报数据应满足以下要求： a） 应至少包括次日零时起未来 3 天的数值天气预报数据，时间分辨率为 15min； b） 数据至少应包括辐照强度、云量、气温、湿度、风速、风向、气压等参数； c） 每日至少提供两次数值天气预报数据。 5.2.2 实时气象数据应满足以下要求： a） 实时气象数据应取自光伏发电站的实时气象信息采集系统； b） 数据至少应包括总辐射、直接辐射、散射辐射、环境温度、湿度、光伏组件温度、风速、风向、 气压等参数； c） 数据传输应采用光纤传输方式，传输时间间隔应不大于 5min； d） 数据可用率应大于 99%。 5.2.

12、3 实时功率数据、设备运行状态应取自光伏发电站计算机监控系统，采集时间间隔应不大于 5min。 5.2.4 所有数据的采集应能自动完成，并能通过手动方式补充录入。 5.2.5 所有实时数据的时间延迟应不大于 1min。 5.3 数据的处理 5.3.1 所有数据存入数据库前应进行完整性及合理性检验，并对缺测和异常数据进行补充和修正。 5.3.2 数据完整性检验应满足： a） 数据的数量应等于预期记录的数据数量； b） 数据的时间顺序应符合预期的开始、结束时间，中间应连续。 5.3.3 数据合理性检验应满足： a） 对功率、数值天气预报、实测气象数据进行越限检验，可手动设置限值范围； b） 根据实

13、测气象数据与功率数据的关系对数据进行相关性检验。 5.3.4 缺测和异常数据宜按下列要求处理： a） 以前一时刻的功率数据补全缺测或异常的功率数据； b） 以零替代小于零的功率数据； c） 缺测或异常的气象数据可根据相关性原理由其它气象要素进行修正；不具备修正条件的以前一 时刻数据替代； d） 所有经过修正的数据以特殊标识记录并可查询； e） 所有缺测和异常数据均可由人工补录或修正。 5.4 数据的存储 数据的存储应符合下列要求： a） 存储系统运行期间所有时刻的数值天气预报数据； b） 存储系统运行期间所有时刻的功率数据、实时气象数据； c） 存储每次执行的短期功率预测的所有预测结果； d）

14、 存储每 15min 滚动执行的超短期功率预测的所有预测结果； e） 预测曲线经过人工修正后存储修正前后的所有预测结果； f） 所有数据至少保存 10 年。 4 Q / GDW 1998 2013 6 预测系统软件要求 6.1 基本要求 应根据光伏发电站的具体特点，结合光伏发电站的历史及实测数据，采用适当的预测方法构建预 测模型，在此基础上建立光伏发电站功率预测系统。 光伏发电站功率预测系统软件应包括数值天气预报处理模块、实时气象信息处理模块、短期预 测模块、超短期预测模块、系统人机界面、数据库、数据交换接口等。 6.2 预测软件配置要求 6.2.1 预测系统应满足电监会 5 号令的要求。 6

15、.2.2 预测系统应配置通用、成熟的商用关系型数据库，用于数据、模型及参数的存储。 6.2.3 预测系统软件应在统一的支撑平台上实现，具有统一风格的人机界面，并采用公共电力系统 模型接口。 6.2.4 预测系统软件应采用模块化划分，单个功能模块故障不影响预测系统的运行。 6.2.5 预测系统应具有可扩展性，支持用户和第三方应用程序的开发。 6.2.6 预测系统应采用权限管理机制，确保系统操作的安全性。 6.3 预测模型要求 6.3.1 短期功率预测应满足下列要求： a） 应能预测次日零时起至未来 72h 的光伏发电站输出功率，时间分辨率为 15min； b） 短期预测输入包括数值天气预报等数据

16、，从而获得预测功率； c） 短期预测应考虑检修、故障、扩容等不确定因素对光伏发电站输出功率的影响； d） 预测模型应具有多样性，可满足新建、已建光伏发电站的功率预测； e） 应采用多种预测方法建立预测模型，形成最优预测策略； f） 短期预测每日宜执行两次，单次计算时间应小于 5min。 6.3.2 超短期功率预测应满足下列要求： a） 能预测未来 15min 4h 的光伏发电站输出功率，时间分辨率为 15min； b） 超短期预测模型的输入应包括实测功率数据、实测气象数据及设备状态数据等； c） 宜采用图像识别技术对全天空成像仪的实测图形进行分析，判断云层运动及对光伏发电站的遮 挡情况，进而实

17、现对超短期功率波动的预测； d） 超短期预测应 15min 执行一次，动态更新预测结果，单次计算时间应小于 5min。 6.4 人机界面要求 6.4.1 应具备光伏发电站出力监视页面， 以地图形式展示光伏发电站布局， 至少同时显示实际功率、 预测功率及各实测气象要素，数据更新时间应不大于 5min。 6.4.2 应具备光伏发电站出力的曲线展示页面，应同时显示系统预测曲线、实际功率曲线，实际功 率曲线应动态更新且更新时间应不大于 5min。 6.4.3 应具备历史数据的曲线查询页面，至少提供日、周等时间区间的曲线展示，页面查询时间应 小于 1min。 6.4.4 应提供数据统计分析页面，提供饼图

18、、棒图、表格等多种可视化展示手段。 6.4.5 系统页面应采用统一的风格，页面布局合理，便于运行人员使用。 6.5 数据统计要求 6.5.1 应能对光伏发电站运行参数、实测气象数据及预测误差进行统计。 6.5.2 运行参数统计应包括发电量、有效发电时间、最大出力及其发生时间、利用小时数及平均负 荷率等。 6.5.3 气象数据统计应包括各气象要素的平均值及曝辐量、日照时数、可照时数等。 5 Q / GDW 1998 2013 6.5.4 预测误差统计指标至少应包括均方根误差、平均绝对误差、相关性系数、最大预测误差、合 格率等，误差指标计算见附录 A。 6.5.5 参与统计数据的时间范围应能任意选

19、定，可根据光伏发电站所处地理位置的日出日落时间自 动剔除夜间时段。 6.5.6 各指标的统计计算时间应小于 1min。 7 硬件要求 7.1 光伏发电站功率预测系统硬件至少应包括数值天气预报服务器、系统应用服务器、物理隔离装 置、人机工作站，可根据需要选用数据库服务器、网络交换设备、硬件防火墙等。 7.2 应采用主流的服务器，支持集群、RAID 等技术特性，支持双路独立电源输入，采用机架式安 装，宜采用冗余配置。 7.3 工作站宜采用主流硬件厂商的图形工作站，应具有良好的可靠性和可扩展性。 7.4 物理隔离装置应通过国家指定部门检测认证。 7.5 根据需要选择交换机、防火墙、路由器等必要设备。

20、 8 部署要求 8.1 光伏发电站功率预测系统的部署方案应满足电力二次系统安全防护规定的要求。 8.2 光伏发电站功率预测系统应运行于电力二次系统安全区，满足电力调度数据网接入要求。 8.3 光伏发电站功率预测系统应与调度计划系统相接口。 9 性能指标 9.1 光伏发电站发电时段（不含出力受控时段）的短期预测月均方根误差应小于 0.2，月合格率应 大于 80%；超短期预测第 4 小时月均方根误差应小于 0.2，月合格率应大于 80%。 9.2 所有计算机的 CPU负荷率在正常状态下任意 5 分钟内小于 30%，峰值负荷率小于 50%。 9.3 系统服务器平均无故障时间（MTBF）应不小于 30

21、000小时。 9.4 系统月可用率应大于 99%。 6 Q / GDW 1998 2013 附 录 A （资料性附录） 误 差 计 算 方 法 A.1 均方根误差（RMSE） 2 1 1 n Mi Pi i i PP RMSE nC a p （A.1） A.2 平均绝对误差（MAE） 1 1 n Mi Pi i i PP MAE nC a p （A.2） A.3 相关性系数 （r） 1 22 11 n MP Mi Pi i nn MP Mi Pi ii PPPP r PP PP （A.3） A.4 最大预测误差（ max ） max max MiP i P P （A.4） A.5 合格率（ m

22、ax ） 1 1 100% 1 1 0.75 0 1 0.75 n i i Mi Pi i i Mi Pi i QR B n PP Cap B PP Cap （A.5） 式中： Mi P i 时段的实际平均功率； Pi P i 时段的预测功率； M P 所有样本实际功率的平均值； P P 所有预测功率样本的平均值； i Cap i 时段的开机总容量； n 光伏发电站发电时段样本个数。 7 Q / GDW 1998 2013 8 Q / GDW 1998 2013 光伏发电站功率预测系统技术要求 编 制 说 明 9 Q / GDW 1998 2013 10 目 次 一、编制背景11 二、编制主要

23、原则11 三、与其它法规标准的关系 11 四、主要工作过程11 五、标准结构和内容 12 六、条文说明12Q / GDW 1998 2013 一、编制背景 太阳能光伏发电是利用太阳能电池的光伏效应将太阳辐射直接转换为电能的一种发电形式。在全球 能源危机及全球变暖的环境下下，光伏发电受到世界各国的重视，光伏发电得到快速发展。然而，光伏 发电属于能量密度低、稳定性差、调节能力差的能源，发电量受天气及地域的影响较大，大规模集中并 网发电后会对电网的安全、稳定、经济运行带来较大影响。 对光伏电站的输出功率进行预测被认为是提高电网调峰能力、增强电网接纳能力、改善电力系统运 行安全性与经济性的最有效、最经

24、济的手段之一。通过预测，光伏电站的出力将从未知变为基本已知， 调度运行人员可根据预测的波动情况，合理安排应对措施，提高电网的安全性和可靠性；而将功率预测 与负荷预测相结合，还有利于调度运行人员调整和优化常规电源的发电计划，改善电网调峰能力，增加 光伏电站的并网容量。同时，根据光伏功率预测结果，只需增加对应预测误差的旋转备用容量，可以显 著降低额外增加的旋转备用容量， 对改善电力系统运行经济性， 减少温室气体排放具有非常重要的意义。 本标准依据关于下达 2011 年度国家电网公司技术标准制修订计划的通知 （国家电网科2011 190 号）的要求编写。 本标准只针对光伏发电站功率预测技术提出要求。

25、 二、编制主要原则 技术要求编制的原则是遵守现有相关法律、条例、标准和导则等，兼顾电网运行和光伏发电发展的 要求。 三、与其它法规标准的关系 a）参考 Q/GDW 5882011风电功率预测功能规范 、Q/GDW 6172011光伏电站接入电网技 术规定等相关标准。 b）引用 GB/T 129362007 太阳能热利用术语、QX/T 492007 地面气象观测规范 第 5 部分： 气压观测、QX/T 502007 地面气象观测规范 第 6 部分：空气温度和湿度观测、QX/T 512007 地 面气象观测规范 第 7 部分：风向和风速观测、QX/T 552007 地面气象观测规范 第 11 部分

26、：辐射观 测、 QX/T 562007 地面气象观测规范 第 12 部分： 日照观测、 QX/T 892008 太阳能资源评估方法、 Q/GDW 6172011 光伏电站接入电网技术规定、电监会 5号令电力二次系统安全防护规定、 电监安全200634 号电力二次系统安全防护总体方案等相关标准和规定。 c）目前国内外暂无光伏发电站功率预测相关的标准或规定。 四、主要工作过程 本项目的执行期为 2011年 1 月至 2011 年 12 月，工作过程如下。 a）2011 年 1月，确立工作总体目标，确定参编单位及人员，开展课题前期研究工作。 b）2011 年 2 月至 7 月，广泛调研各网省公司及光

27、伏电站的具体应用需求，并详细查阅国内外在该 领域的研究水平，确立了本标准的初步框架和内容。 c） 2011 年 8月至 10 月，根据调研结果，结合我国其他相关标准中的要求，编写本技术要求的初稿。 d）2011 年 11 月，国家电网公司调度通信中心在青海西宁组织召开了初审会，根据专家意见进行修 改，形成标准的征求意见稿。 e）2011 年 12 月，在国家电网公司范围内广泛征求相关专家的意见，根据反馈意见进行修改，形成 送审稿。 f）2010 年 12 月，国家电网公司电力调度通信中心组织专家在北京召开送审稿审查会，根据会议提 出的意见和建议进行修改后形成报批稿，报主管部门批准。 11 Q

28、/ GDW 1998 2013 五、标准结构和内容 本标准依据 GB/T 1.12000标准化工作导则第 1部分：标准的结构和编写规则 、 DL/T 6002001 电力行业标准编写基本规定和关于印发“国家电网公司技术标准管理办法实施细则”的通知 （国 家电网科2011436 号）的要求进行标准编制。标准的主要结构和内容如下： a） 目次； b） 前言； c） 技术要求正文，共设 9章：范围、规范性引用文件、术语和定义、实时气象信息采集要求、预 测数据要求、系统软件要求、硬件要求、部署要求、性能指标；此外包括 1 个附录。 六、条文说明 本技术要求制定时主要考虑以下几方面：预测建模数据要求、数

29、据采集与处理、预测功能要求、安 全防护要求、性能指标等。 a）术语和定义 光伏功率预测涉及到大量的气象专业术语，为了便于电力系统内部人士理解本标准的内容，特别对 辐照度、总辐射、直接辐射、散射辐射、日照时数、可照时数、曝辐量等气象专业名词作出定义， b）实时气象信息采集要求 实时气象信息采集系统是光伏发电站功率预测系统的重要组成部分，通过该系统采集获取的实时气 象信息对于光伏发电站功率预测系统及电力系统的运行非常重要。由于没有相关标准及规范的要求，大 量光伏电站在并网后均未配备实时气象采集系统，因此本章着重对光伏电站需配套建设的实时气象信息 采集系统提出要求，包括站址要求和测量设备要求。 气象

30、信息必须具有代表性，可反映光伏电站所在区域的局地气候变化情况，因此要求气象信息采集 系统距离光伏电站不能过远；同时考虑到光伏电站所用气象设备的体积一般较小，安装较为方便，为了 提高设备采集设备的可维护性及数据传输的可靠性，要求设备的安装位置在光伏电站建设范围内。实测 气象信息应避免受外界因素的干扰，而障碍物、地面反射、人工辐照对于辐照测量设备的影响较大，因 此要求站址的选择应尽量避开或减弱上述因素的影响，以期获取更为真实的气象信息。 测量设备部分共列举了 11 项气象信息采集设备的技术指标要求，指标的确定一方面考虑了实际应 用的需求，另一方面考虑了国内主流气象采集设备的技术参数。 c）预测数据

31、要求 本章主要对光伏发电站功率预测系统在线运行所需的实时数据及数据的处理方式、存储方式提出技 术性要求。 光伏发电站功率预测系统实时运行需要大量数据作支撑，包括数值天气预报数据、实时气象数据、 实时功率及设备运行状态数据等。光伏功率预测主要用于发电计划的制定，调度机构制定的发电计划一 般为日前 96 点计划，节假日一般需要制定未来 3 天的发电计划，发电计划的时间分辨率均为 15 分钟， 因此必须提供相同时长及时间间隔的数值天气预报数据。同时预测滚动更新可提高光伏功率预测精度， 因此对数值天气预报提供的频次也提出了要求。 预测系统需实时运行， 因此所有数据采集应可自动完成， 在出现网络故障时，

32、数据应可以进行手动补录。考虑到系统运行的实时性，因此对数据的时效性提出了 明确要求，即：实时数据的时间延迟小于 1min。 我国光伏发电站功率预测系统研究工作正处于起步中，基础数据积累严重不足，且数据存储很不规 范，为了便于模型再训练及后续工作的开展，本节对数据的处理及存储方式也提出了明确的要求，为后 续工作的开展打下一定的数据基础。 d）预测软件要求 预测软件是光伏发电站功率预测的核心部分，从不同的应用角度出发，光伏功率预测可分为短期和 12 Q / GDW 1998 2013 13 超短期预测两部分，其中短期预测主要用于发电计划的制定，因此必须与负荷预测的时间要求相一致， 即：预测时长为

33、72 小时，时间分辨率为 15 分钟。同时，短期预测模型应具有广泛的适应性和灵活性， 可满足对故障、检修、扩容等光伏电站开机容量变化情况下的功率预测要求，为了提高预测精度，应具 备多种预测方法的集合预报能力及滚定预测更新的能力。超短期预测主要用于发电计划的滚动更新，按 照电力系统日内计划调整的要求，超短期预测的时长为 4小时，时间分辨率为 15 分钟，且逐 15 分钟滚 动更新。为了提高超短期功率预测的精度，用于捕捉光伏电站上空云层变化情况的全天空成像仪是必要 的，但考虑到全天空成像仪的成本过高，要求装机容量 50MW以上的光伏电站配备全天空成像仪。 e）硬件及部署要求 光伏发电站功率预测系统作为调度技术支持系统之一，必须完全满足电力二次系统安全防护规定的 要求，不同安全区之间的数据传输必须配备必要的安全隔离设备，同时作为生产系统的光伏功率预测系 统对硬件的可靠性也提出了较高的要求。从功能上来说，光伏功率预测主要用于发电计划的制定，属调 度计划类应用，因此应部署于安全区。 f）性能指标 系统的预测精度直接影响使用效果，对于误差大于 20%的点基本不可用，因此本规范提出了短期预 测月均方根误差应小于 0.2，超短期预测月均方根误差小于 0.2的误差评估指标。限电对光伏电站实际功 率的影响较大， 若限电时段参与误差统计将带来很大的不确定性， 因此规定限电时段将不参与误差统计。