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為可再生能源發(fā)電提供更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)

隨著并入電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的容量比例越來(lái)越高，不僅用電需求會(huì)發(fā)生波動(dòng)，電能供應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。西門(mén)子研制的一款基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)軟件可以預(yù)測(cè)波動(dòng)，從而幫助提高電力市場(chǎng)的效率。

Ralph Grothmann博士研制的預(yù)測(cè)軟件，其工作方式類(lèi)似于人類(lèi)大腦：能識(shí)別事物之間的相互關(guān)系。

過(guò)去，一切都很簡(jiǎn)單。廣布于全國(guó)各地的電廠，其發(fā)電量是根據(jù)用電需求來(lái)調(diào)節(jié)的。電廠通常采用日歷、天氣預(yù)報(bào)以及諸多其他手段，來(lái)預(yù)測(cè)各個(gè)區(qū)域和大型生產(chǎn)工廠的用電需求。

如今的情況卻復(fù)雜許多。取決于天氣因素，風(fēng)電場(chǎng)和太陽(yáng)能電站的發(fā)電量不盡相同，傳統(tǒng)電廠必須承擔(dān)起調(diào)峰任務(wù)。存在波動(dòng)性的可再生能源發(fā)電的比例越大，電能供應(yīng)管理難度就越大——電能供應(yīng)商和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商都會(huì)受到這個(gè)問(wèn)題的影響。

為保證電網(wǎng)穩(wěn)定，向電網(wǎng)輸送的電能在數(shù)量上必須與從電網(wǎng)消耗的電能保持*。如果一座電站或一個(gè)大型用戶(hù)發(fā)生故障，那么，應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地增加或減少電能供應(yīng)，以避免斷電。每座電廠都必須具備一定的調(diào)峰能力。然而未來(lái)，保持電網(wǎng)平衡的難度將與日俱增，特別是在正處于能源轉(zhuǎn)型之中，計(jì)劃大幅提高可再生能源發(fā)電比例的德國(guó)。

在這種新的形勢(shì)下，應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)對(duì)？發(fā)電企業(yè)如何幫助保持電網(wǎng)穩(wěn)定，提供可靠的電能供應(yīng)，同時(shí)保持盈利？西門(mén)子中央研究院的研究人員Ralph Grothmann博士表示，答案就是通過(guò)更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，來(lái)改進(jìn)規(guī)劃。他說(shuō)：“如果提前知道未來(lái)幾天太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量，并且掌握了區(qū)域需求的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，那么，就能以富于遠(yuǎn)見(jiàn)的方式管理傳統(tǒng)電站，規(guī)劃充足的電能供應(yīng)，以抵消輸電損耗，并且可以在電力市場(chǎng)交易上以?xún)?yōu)惠的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)電能。”

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿景，Grothmann和他的同事Hans Georg Zimmermann博士共同開(kāi)發(fā)了名為“面向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬環(huán)境（Simulation Environment for Neural Networks，簡(jiǎn)稱(chēng)SENN）”的預(yù)測(cè)軟件。SENN采用了類(lèi)似于人類(lèi)大腦的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（計(jì)算機(jī)模型）。通過(guò)訓(xùn)練，這些網(wǎng)絡(luò)能夠識(shí)別出事物之間的相互關(guān)系，從而作出預(yù)測(cè)。Grothmann解釋道：“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神奇之處在于，不必*分析和理解問(wèn)題，就能作出預(yù)測(cè)。”

譬如，要利用分析模型來(lái)描述太陽(yáng)能電站，需要根據(jù)投射的太陽(yáng)能輻射功率和其他環(huán)境因素如氣溫、風(fēng)速和濕度等，計(jì)算出太陽(yáng)能電池板的發(fā)電量。如果部分太陽(yáng)能電池板碰巧造成了遮擋，使陽(yáng)光照不到其他太陽(yáng)能電池板上，則需將這一點(diǎn)也納入考慮。只有這樣，分析模型才能利用天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)，來(lái)預(yù)測(cè)位于特定地理位置的太陽(yáng)能電站的發(fā)電量。

利用數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作方式與之大相徑庭。是利用以往的數(shù)據(jù)，即天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的太陽(yáng)能電站的實(shí)際發(fā)電量，對(duì)它們進(jìn)行訓(xùn)練。天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)不必來(lái)自太陽(yáng)能電站所在位置的氣象站；這些數(shù)據(jù)也可以由附近的氣象站提供。這個(gè)應(yīng)用程序的任務(wù)是：根據(jù)天氣預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)，來(lái)預(yù)測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電量。開(kāi)始時(shí)，軟件并不知道各種不同參數(shù)將起到什么樣的作用，因此，其預(yù)測(cè)結(jié)果與太陽(yáng)能電站的實(shí)際發(fā)電量有著天壤之別。在訓(xùn)練中，這個(gè)應(yīng)用程序?qū)⒎磸?fù)執(zhí)行這個(gè)過(guò)程達(dá)數(shù)千次，最大限度地縮小預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)值之間的差異。逐漸地，SENN會(huì)改變各個(gè)參數(shù)的權(quán)值，以提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度。

SENN最早開(kāi)發(fā)于20多年前，目前已被用于預(yù)測(cè)20天內(nèi)的原材料價(jià)格和電價(jià)走勢(shì)等應(yīng)用。在三分之二的時(shí)間里，它能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)購(gòu)買(mǎi)日。自2005年起，西門(mén)子一直在利用SENN，在價(jià)格低的時(shí)候購(gòu)買(mǎi)電能。

利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)學(xué)會(huì)了預(yù)測(cè)可再生能源的發(fā)電量，預(yù)測(cè)偏差不超過(guò)7%。

隨著可再生能源發(fā)電的日益興起，西門(mén)子認(rèn)識(shí)到，SENN預(yù)測(cè)在發(fā)電行業(yè)將大有可為。譬如，根據(jù)對(duì)可再生能源并網(wǎng)發(fā)電量的預(yù)測(cè)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可以計(jì)劃輔助電站的使用或者補(bǔ)償電能需求。風(fēng)電場(chǎng)和太陽(yáng)能電站的運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)預(yù)測(cè)，將維護(hù)工作安排在發(fā)電量較低的時(shí)段，以更有利的條件出售預(yù)期的發(fā)電量，以及規(guī)劃未來(lái)的收入。

目前，正利用丹麥一座大型海上風(fēng)電場(chǎng)提供的數(shù)據(jù)，對(duì)一個(gè)SENN模型進(jìn)行測(cè)試。這個(gè)模型使用了關(guān)于風(fēng)速、氣溫和濕度的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，來(lái)預(yù)測(cè)這座風(fēng)電場(chǎng)在未來(lái)三天的發(fā)電量，預(yù)測(cè)偏差不超過(guò)7.2%。譬如，如果系統(tǒng)預(yù)測(cè)發(fā)電量為100，那么，實(shí)際發(fā)電量將在92.8到107.2之間。Grothmann表示：“預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度主要取決于數(shù)據(jù)質(zhì)量，總體而言，我們能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來(lái)三天的天氣。”

盡管太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電量不穩(wěn)定，西門(mén)子軟件通過(guò)學(xué)習(xí)能夠預(yù)測(cè)其發(fā)電量。

西門(mén)子能源面向可再生能源發(fā)電設(shè)施的監(jiān)控解決方案，具備SENN發(fā)電預(yù)測(cè)功能。譬如在南非，有兩座發(fā)電容量均為5萬(wàn)千瓦的太陽(yáng)能電站，就使用了SENN預(yù)測(cè)軟件。利用這款軟件，發(fā)電企業(yè)可以根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的需求預(yù)測(cè)，來(lái)決定向電網(wǎng)輸送多少電能。SENN可以預(yù)測(cè)太陽(yáng)能電站在未來(lái)5天內(nèi)的每小時(shí)日照發(fā)電量，偏差不超過(guò)7%。

目前正在規(guī)劃適用于太陽(yáng)能電站的第二個(gè)模型。這個(gè)模型將就如何處理沾滿污垢的太陽(yáng)能電池板向運(yùn)營(yíng)商提出建議。灰塵可令太陽(yáng)能電池板的發(fā)電量降低最多15%，但其清潔成本亦不菲。Grothmann解釋道：“如果運(yùn)營(yíng)商事先知道將有充沛的雨量可以把灰塵洗刷干凈，則不必派遣清潔人員前去打掃。”新的軟件將通過(guò)利用干燥度、風(fēng)速、風(fēng)向和降雨等環(huán)境因素，來(lái)預(yù)測(cè)太陽(yáng)能電池板上將覆蓋多少灰塵，從而解決這個(gè)問(wèn)題。

預(yù)測(cè)需求。需求預(yù)測(cè)是SENN在電力市場(chǎng)上的第二大應(yīng)用。借助這款軟件，用電大戶(hù)能夠以?xún)?yōu)惠的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)電能，或者在作業(yè)時(shí)間上避開(kāi)用電高峰時(shí)段，以免繳納高昂的罰款。供電企業(yè)可以利用區(qū)域預(yù)測(cè)，來(lái)規(guī)劃電能采購(gòu)和電廠運(yùn)行事宜。譬如，因?yàn)橐獜牡聡?guó)或法國(guó)向意大利輸送大量電能，瑞士的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商Swissgrid在利用SENN來(lái)規(guī)劃電能采購(gòu)事宜時(shí)，則可將輸電損耗納入考慮。由于Swissgrid不得不彌補(bǔ)這樣的損耗，所以，它可以提前最多36小時(shí)在現(xiàn)貨市場(chǎng)采購(gòu)電能，以盡量規(guī)避損失。Swissgrid每年的采購(gòu)額，高達(dá)4800萬(wàn)歐元左右。

預(yù)測(cè)軟件有助于提高效率

過(guò)去，Swissgrid總是根據(jù)日歷和天氣數(shù)據(jù)，以及鄰國(guó)的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商提供的信息來(lái)預(yù)測(cè)需求。但SENN已助力Swissgrid將預(yù)測(cè)失誤率從11%降至10%，這每年能為Swissgrid節(jié)省數(shù)十萬(wàn)法郎。

SENN生成的需求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確，失誤率僅為3%。在此基礎(chǔ)上，它能直接預(yù)測(cè)輸電損耗。為了做到這一點(diǎn)，它要監(jiān)測(cè)輸電目的地的每小時(shí)需求變化趨勢(shì)。它還要分析當(dāng)前電力潮流、可再生能源發(fā)電量、天氣預(yù)報(bào)和抽水蓄能電站的水庫(kù)水位等信息。

全盤(pán)化思維。單獨(dú)的預(yù)測(cè)是朝著未來(lái)電力市場(chǎng)邁出的*步——未來(lái)，生產(chǎn)、需求、價(jià)格和傳輸?shù)葞缀跛幸蛩囟紝⑻幱诓粩嘧兓小Ｔ陔娏ο到y(tǒng)中，所有這些數(shù)量之間，都存在著相互依存的關(guān)系；因此，應(yīng)當(dāng)從全局的高度審視這些因素。譬如，如果風(fēng)電設(shè)施提高了發(fā)電量，那么，傳統(tǒng)電站則應(yīng)相應(yīng)地降低發(fā)電量，這有可能降低電價(jià)。取決于需求狀況，風(fēng)電既可能向北方傳輸，也可能向南方傳輸。這繼而會(huì)改變對(duì)用于抵消輸電損耗的補(bǔ)償電能的需求。Grothmann說(shuō)：“對(duì)這些參數(shù)之間的交互作用的預(yù)測(cè)越準(zhǔn)確，整個(gè)系統(tǒng)的效率就越高。”

這正是SENN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用武之地。由于它并不使用分析關(guān)系，而是通過(guò)學(xué)習(xí)從所有參數(shù)的行為中識(shí)別出相互關(guān)系，因此，它的預(yù)測(cè)已經(jīng)包含了彼此的依存關(guān)系。Grothmann說(shuō)：“SENN的用途之一是，根據(jù)各式各樣相互作用的參數(shù)，如電價(jià)和其他原材料價(jià)格走勢(shì)、需求變化趨勢(shì)、二氧化碳排放權(quán)交易價(jià)格等，來(lái)確定電價(jià)。這是我們軟件的獨(dú)到之處。”

如今，擁有多家電廠的供電企業(yè)，已經(jīng)可以使用SENN來(lái)以低廉的價(jià)格采購(gòu)天然氣，以及根據(jù)關(guān)于二氧化碳排放權(quán)的交易價(jià)格和電價(jià)的預(yù)測(cè)來(lái)優(yōu)化調(diào)節(jié)發(fā)電量。未來(lái)，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可以向供電企業(yè)提供關(guān)于需求的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，以及預(yù)期的補(bǔ)償電能需求量。反過(guò)來(lái)，這些預(yù)測(cè)信息又依存于其他合作伙伴提供的生產(chǎn)和需求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。所有這一切將有助于輕松管理瞬息萬(wàn)變的電力市場(chǎng)，因?yàn)樗袇⑴c者都能根據(jù)會(huì)影響到其他市場(chǎng)參與者的發(fā)展趨勢(shì)，提前調(diào)整各自的活動(dòng)。