李銳海 南方電網(wǎng)公司生產(chǎn)技術(shù)支持中心
構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，服務(wù)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，意味著風(fēng)電和光伏發(fā)電將逐步成為未來電力系統(tǒng)的主體。能源電力系統(tǒng)將發(fā)生根本性的變革，在推動(dòng)電源清潔化、電網(wǎng)智能化和用戶電氣化的同時(shí)，也將改變電網(wǎng)運(yùn)行特征。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)對(duì)電源側(cè)的精確控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“源隨荷動(dòng)”的運(yùn)行模式，將轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪娋W(wǎng)為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”智能協(xié)同供需平衡的運(yùn)行模式。
電力系統(tǒng)的運(yùn)行與大氣環(huán)境關(guān)系十分緊密，氣象要素對(duì)發(fā)電、輸電、電力負(fù)荷等均有著顯著的影響。精準(zhǔn)的氣象預(yù)測是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有效的手段之一，氣象預(yù)測已經(jīng)在電網(wǎng)氣象災(zāi)害預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測、水力發(fā)電預(yù)測及電網(wǎng)設(shè)備防災(zāi)減災(zāi)等方面發(fā)揮越來越重要的作用。在高比例新能源電力系統(tǒng)中，風(fēng)電、光伏等發(fā)電方式受地域和氣象條件的影響更大，存在較大的波動(dòng)性，其高比例接入對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)。構(gòu)建精準(zhǔn)化電力氣象預(yù)報(bào)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)空氣象資源分析基礎(chǔ)上的可再生能源規(guī)劃布局，可以有效提升新能源發(fā)電功率的預(yù)測水平以及抵御極端氣象災(zāi)害的能力。精準(zhǔn)化電力氣象預(yù)報(bào)分析系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同類型發(fā)電功率實(shí)時(shí)預(yù)測和區(qū)域用電負(fù)荷預(yù)測基礎(chǔ)上的電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)度，有效減輕新能源發(fā)電不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，提高新能源利用效率，是實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要技術(shù)措施。
目前，電力系統(tǒng)從氣象機(jī)構(gòu)獲取的氣象預(yù)報(bào)信息，主要建立在公共氣象服務(wù)基礎(chǔ)上，與電網(wǎng)小空間、多時(shí)間尺度、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)精細(xì)化預(yù)報(bào)要求差距還比較大。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是指根據(jù)大氣實(shí)際狀況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求解描述天氣演變過程的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的方程組，預(yù)測未來一定時(shí)段的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法。和一般采用天氣學(xué)方法并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)制作而成的天氣預(yù)報(bào)不同，這種預(yù)報(bào)是定量和客觀的預(yù)報(bào)。南方電網(wǎng)公司正在構(gòu)建電力生產(chǎn)全域高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，將在新能源規(guī)劃布局、新能源功率預(yù)測、電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)、電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測4個(gè)方面支撐新型電力系統(tǒng)的控制和運(yùn)行。
為新能源規(guī)劃布局服務(wù)
風(fēng)電、光伏發(fā)電方式均受地域和自然資源的影響，在空間上分布極不均勻，在時(shí)間上存在較大的波動(dòng)性和間隙性，同時(shí)風(fēng)電、光伏在時(shí)間和空間上也具有互補(bǔ)性。利用氣象數(shù)值分析，通過分析氣象歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在總結(jié)分析區(qū)域性風(fēng)能和光能的基礎(chǔ)上，可以在局部尺度上優(yōu)化風(fēng)能和光能的配比，進(jìn)而減少新能源出力的波動(dòng)性。通過計(jì)算風(fēng)電、光伏安裝比例與風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，獲得不同區(qū)域風(fēng)光出力波動(dòng)小的風(fēng)光安裝比，提高風(fēng)光的利用率。在新能源的規(guī)劃布局上，也可以利用電力氣象分析系統(tǒng)，進(jìn)行區(qū)域新電源和地區(qū)性負(fù)荷的匹配分析，優(yōu)化電源布局，盡可能減少電網(wǎng)功率穿越損失。
為新能源功率預(yù)測服務(wù)
按照2030年風(fēng)能和太陽能裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦的發(fā)展目標(biāo)以及2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的要求，2060年我國風(fēng)能和太陽能裝機(jī)容量可能達(dá)到60億千瓦，成為真正的主力電源。風(fēng)電和光伏等發(fā)電方式存在較大的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)，在季節(jié)尺度上，太陽能在夏秋季比較豐富，而風(fēng)能在冬春季比較豐富，二者在季節(jié)上可以形成互補(bǔ)。在一天24小時(shí)內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)日內(nèi)互補(bǔ)。新型電力系統(tǒng)建設(shè)使得清潔能源生產(chǎn)、傳輸和調(diào)度對(duì)天氣氣候狀況的依賴度越來越高，未來電網(wǎng)將在電源和負(fù)荷的雙重波動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定。利用精準(zhǔn)的氣象數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可以有效提升新能源發(fā)電功率的預(yù)測水平，提高電網(wǎng)目標(biāo)調(diào)度的有效性，有效減輕新能源不穩(wěn)定性對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，提高新能源利用效率，支撐新型電力系統(tǒng)發(fā)展。
為電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)
輸電變電設(shè)備長期暴露于復(fù)雜多變的氣象環(huán)境中，尤其是輸電線路路徑長、覆蓋廣，所經(jīng)過區(qū)域多為高寒、雷害、覆冰、大風(fēng)區(qū)，極易受到寒潮、臺(tái)風(fēng)、暴雨等氣象災(zāi)害的影響而發(fā)生故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，氣象災(zāi)害導(dǎo)致的故障占電網(wǎng)總故障數(shù)的60%以上。冬季，南方地區(qū)尤其是貴州和云南容易受到北極極地渦旋、西北太平洋副熱帶高壓、南支槽等天氣系統(tǒng)的影響，出現(xiàn)輸電線路覆冰災(zāi)害。夏季，臺(tái)風(fēng)成為影響電網(wǎng)安全運(yùn)行最主要的氣象災(zāi)害。相比傳統(tǒng)電源，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電更容易受到大風(fēng)、低溫、暴雨、雷害等極端天氣的影響，極端氣象災(zāi)害可導(dǎo)致風(fēng)光等新能源出力銳減、發(fā)電設(shè)施破壞，具有長時(shí)間大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)。目前，國內(nèi)外氣象部門以及電力企業(yè)利用氣象數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)覆冰情況開展了預(yù)測，能夠?qū)崿F(xiàn)未來1-3天、3千米以下分辨率的格點(diǎn)化覆冰厚度預(yù)測；利用氣候因子，對(duì)臺(tái)風(fēng)數(shù)量、強(qiáng)度、可能登陸地點(diǎn)開展中長期預(yù)測，并對(duì)電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害總體情況進(jìn)行了預(yù)測和評(píng)估。
精準(zhǔn)的氣象預(yù)測可以提前預(yù)知極端天氣的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，評(píng)估災(zāi)害對(duì)電力系統(tǒng)的影響程度，提前做好防災(zāi)準(zhǔn)備及電力調(diào)度規(guī)劃，如對(duì)發(fā)電設(shè)備進(jìn)行提前加固、提前關(guān)閉發(fā)電機(jī)組等措施，來有效減少電力企業(yè)的損失，防止大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)。
為電力負(fù)荷預(yù)測服務(wù)
電力負(fù)荷受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)水平、氣象要素等因素的影響。準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測，可以保障社會(huì)的正常生產(chǎn)和生活，有效降低發(fā)電成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。近年來，受到全球變暖趨勢的影響，氣候系統(tǒng)越發(fā)不穩(wěn)定，高溫等極端天氣的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有增強(qiáng)的趨勢，氣象預(yù)測在負(fù)荷預(yù)測中的作用越來越重要。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的興起，氣象大數(shù)據(jù)結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林、模糊聚類法等人工智能方法廣泛應(yīng)用于短期、超短期負(fù)荷預(yù)測，預(yù)測準(zhǔn)確率得到了明顯提升。此外，隨著高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的不斷發(fā)展，基于數(shù)值模式可建立數(shù)值預(yù)報(bào)—電力負(fù)荷預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷高分辨率格點(diǎn)化的精準(zhǔn)預(yù)測。
隨著新型電力系統(tǒng)的逐步發(fā)展，風(fēng)電、光伏等新能源在電源結(jié)構(gòu)中將逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。新型電力系統(tǒng)對(duì)于氣象預(yù)測的依賴度更強(qiáng)，要求更高。構(gòu)建電力精細(xì)化氣象數(shù)值預(yù)報(bào)預(yù)測系統(tǒng)，將成為新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要技術(shù)手段。
