系统工程

华北新能源功率预测两个细则考核指标补充解读

2020-04-21 08:23:01 我爱新能源 作者:小新

本期邀请长期在电网公司从事新能源功率预测研究的专家,详细讲解各种新能源功率预测评价指标的优劣,解读华北地区最新修订版功率预测考核采用的最新指标。

(来源:微信公众号“我爱新能源” 作者:小新)

背景

1994年Landberg开发了一套风电功率预测系统,并提出了均方根误差(RMSE)的功率预测指标;2013年国家能源局发布了能源行业标准《风电功率预测系统功能规范》(NB/T 31046-2013)与《光伏发电站功率预测系统技术要求》(NB/T 32011-2013),明确风电场、光伏电站的功率预测评价指标包含均方根误差、平均绝对误差、相关系数、最大预测误差等,自此基于均方根误差等指标成了新能源功率预测中通用的评价指标。

2019年以前,华北新能源功率预测评价指标也沿用了均方根误差等指标,2019年末,国家能源局华北监管局牵头修订《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》,进一步改进了评价指标。

功率预测评价指标的基本条件

1)客观性,评价指标能真实反映场站的预测水平高低;

2)适应性,考核指标应有广泛适应性,适应性指不论风电场还是光伏电站、不论是正常运行阶段还是启停过渡过程,指标均能适用;

3)统一性,统一性是指无论统计周期长短,评价指标都可应用,不需要因不同的统计周期而引入不同的指标;

4)对称性,对称性指无论误差是正偏离或负偏离,只要偏离量相同,考核就相同。不会诱导场站预测时做出倾向性的选择;

5)稳定性,稳定性是指奖励误差平稳的预测,引导减少误差严重突变的预测,因为从电力系统应对情况来说,平稳的预测结果意味着系统可控,大幅的误差突变可能突破系统实时的备用极限。

原有指标的局限性

1. 均方根误差(RMSE)

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均方根误差因其众多优点,被作为评价新能源场站功率预测最常用的指标。均方根误差作为关于预测偏差的函数,能真实评判新能源场站的整体预测水平,具有客观性与对称性;且在不同统计周期的预测中,都能统一应用。

但是,均方根误差指标也有不足之处,由于其误差平均效应,容易出现把预测不准确的情况给掩盖掉的现象。例如,对于光伏功率预测,晚上时段的误差率几乎为零,而系统更关心其白天发电时段的预测精度。行标文件《光伏发电站功率预测系统技术要求》(NB/T 32011-2013)对预测性能指标的要求是考核发电时段的预测准确率,而发电时段跟区域、季节、天气等众多因素密切相关,不同季节、不同区域的日出日落时间均不相同,因而发电时段的统计周期无法统一确定。

原有光伏功率预测评价指标采用全天96点为统计周期,是一种退而求其次的妥协方法。例如冬至日照只有9个小时左右,而夏至日照能达到15个小时左右,采用均方根误差指标,冬天的预测误差比夏天小,并不能说明冬天的预测水平就比夏天提高了,而是因为误差指标被冬天更长的夜间100%准确率平均了而已。

在上述场景下,均方根误差的场景适应性是比较差的,同一个误差值,在不同季节、不同区域代表的预测水平都不一样,指标的客观性存在一定不足。此外,实际算例也表明,均方根误差指标在稳定性上的表现也较差,指标无法区分样本的误差波动性,导致某些预测偏差严重的情况无法得到准确评价。

2. 平均绝对误差(MAE)

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平均绝对误差与均方根误差类似,具有误差对称性、客观性与统一性,也能很好反映预测误差的实际情况,但是平均绝对误差的适应性与稳定性比均方根误差更差,对异常误差更不敏感,掩盖误差畸变对统计周期内整体误差率的影响。因此,平均绝对误差指标的应用较少,只在西班牙等少部分国家采用。

3. 平均相对误差(MRE)

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平均相对误差能直观反映预测误差偏离场站实际出力的程度,也能应用于不同的预测周期,具有统一性;然而误差大小并不能说明场站的预测水平,对于实际出力接近零的点,误差会特别大,失去了指标的客观性;同时平均相对误差引入了误差之外的变量,对于枯风期与寡照期的适应性较差,预测误差畸变的情况也容易被掩盖,稳定性差。指标使用范围较少。

4. 最大预测误差(MAX)

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最大预测误差为单点预测,反映预测功率最大偏离程度,一般不单独使用,配合其他考核指标一起使用。

5. 调和相对误差(HRE)

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调和相对误差引入了某点预测误差占总误差的权重,停机工况下对误差率的影响可以忽略,适应性、稳定性好,也具有统一性;但是因为引入了误差之外的因子,会引导场站进行预测时,做出与实际偏高预测的倾向性,损害了指标的客观性,当然此指标也不具备误差对称性。调和相对误差的指标目前应用于部分地区新能源场站的超短期预测。

6. 相关系数(r)

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相关系数并不直接反映预测偏差,而是反映预测值、真实值各自与其均值差的相关性关系,并不能直接反映各场站预测水平的高低,客观性差,同时也不具备误差对称性;引入均值变量后,适应性与稳定性也较差。极少使用相关系数的指标来评价新能源场站的功率预测水平。

新指标——加权均方根误差指标

传统各评价指标均有相应的不足之处,均方根误差因其众多优良特性,在目前的评价指标占主导地位。考虑通过引入误差权重,改进均方根误差适应性、稳定性不足的缺陷,优化功率预测的评价指标。

加权均方根误差(WRMSE)

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其中:Accday-ahead为次日预测准确率;Cap为新能源电站考核日的最大开机容量(单位:MW);pi为i时刻新能源电站实际功率(单位:MW);p'i为i时刻新能源电站预测功率(单位:MW);n为该日考核的预测点数。

加权均方根误差在保留目前均方根误差对称性、客观性、统一性的优良特性前提下,同时优化了均方根误差的不足。

例如,对于如光伏这种发电时段无法确定的场站,晚上停机时误差极小,但其权重也极小,不影响实际发电时段功率预测误差,能真实反映场站的预测水平,加强了指标的适应性,强化了指标的客观性与统一性;又如,如果某点的预测误差出现了大的畸变,而导致突破了系统预留的备用,则此点误差占比权重也会很大,最终提高了整体误差率,强化了对功率预测结果稳定性的要求。

实际上,均方根误差是加权均方根误差的特殊型式,当预测周期内各点的误差相同,即表现出绝对的稳定性后,各点误差的权重相同,加强均方根误差指标就简化为传统均方根误差。

总结

总结华北预测考核新指标,较传统均方根指标的改进之处主要包括:

1)提升指标评价的适应性和统一性,不论风电场还是光伏电站、不论是正常运行阶段还是启停过渡过程,指标均能适用。特别是对于光伏预测,既去除夜间对预测评价结果的影响,又避免了光伏电站的日出日落时间的判断。

2)增加对预测时序稳定性的评价,奖励误差平稳的功率预测,引导减少严重误差突变的预测,从而尽量避免用尽电力系统的实时备用容量。

3)延续对称性预测结果的引导,无论误差是正偏离或负偏离,只要偏离量相同,考核就相同,不会引导场站预测时做出倾向性的选择。

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