華北新能源功率預(yù)測兩個細則考核指標(biāo)補充解讀

:本期邀請長期在電網(wǎng)公司從事新能源功率預(yù)測研究的專家，詳細講解各種新能源功率預(yù)測評價指標(biāo)的優(yōu)劣，解讀華北地區(qū)最新修訂版功率預(yù)測考核采用的最新指標(biāo)。

（來源：微信公眾號“我愛新能源” 作者：小新）

背景

1994年Landberg開發(fā)了一套風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)，并提出了均方根誤差（RMSE）的功率預(yù)測指標(biāo)；2013年國家能源局發(fā)布了能源行業(yè)標(biāo)準《風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)功能規(guī)范》(NB/T 31046-2013)與《光伏發(fā)電站功率預(yù)測系統(tǒng)技術(shù)要求》(NB/T 32011-2013)，明確風(fēng)電場、光伏電站的功率預(yù)測評價指標(biāo)包含均方根誤差、平均絕對誤差、相關(guān)系數(shù)、最大預(yù)測誤差等，自此基于均方根誤差等指標(biāo)成了新能源功率預(yù)測中通用的評價指標(biāo)。

2019年以前，華北新能源功率預(yù)測評價指標(biāo)也沿用了均方根誤差等指標(biāo)，2019年末，國家能源局華北監(jiān)管局牽頭修訂《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》，進一步改進了評價指標(biāo)。

功率預(yù)測評價指標(biāo)的基本條件

1）客觀性，評價指標(biāo)能真實反映場站的預(yù)測水平高低；

2）適應(yīng)性，考核指標(biāo)應(yīng)有廣泛適應(yīng)性，適應(yīng)性指不論風(fēng)電場還是光伏電站、不論是正常運行階段還是啟停過渡過程，指標(biāo)均能適用；

3）統(tǒng)一性，統(tǒng)一性是指無論統(tǒng)計周期長短，評價指標(biāo)都可應(yīng)用，不需要因不同的統(tǒng)計周期而引入不同的指標(biāo)；

4）對稱性，對稱性指無論誤差是正偏離或負偏離，只要偏離量相同，考核就相同。不會誘導(dǎo)場站預(yù)測時做出傾向性的選擇；

5）穩(wěn)定性，穩(wěn)定性是指獎勵誤差平穩(wěn)的預(yù)測，引導(dǎo)減少誤差嚴重突變的預(yù)測，因為從電力系統(tǒng)應(yīng)對情況來說，平穩(wěn)的預(yù)測結(jié)果意味著系統(tǒng)可控，大幅的誤差突變可能突破系統(tǒng)實時的備用極限。

原有指標(biāo)的局限性

1. 均方根誤差(RMSE)

均方根誤差因其眾多優(yōu)點，被作為評價新能源場站功率預(yù)測最常用的指標(biāo)。均方根誤差作為關(guān)于預(yù)測偏差的函數(shù)，能真實評判新能源場站的整體預(yù)測水平，具有客觀性與對稱性；且在不同統(tǒng)計周期的預(yù)測中，都能統(tǒng)一應(yīng)用。

但是，均方根誤差指標(biāo)也有不足之處，由于其誤差平均效應(yīng)，容易出現(xiàn)把預(yù)測不準確的情況給掩蓋掉的現(xiàn)象。例如，對于光伏功率預(yù)測，晚上時段的誤差率幾乎為零，而系統(tǒng)更關(guān)心其白天發(fā)電時段的預(yù)測精度。行標(biāo)文件《光伏發(fā)電站功率預(yù)測系統(tǒng)技術(shù)要求》(NB/T 32011-2013)對預(yù)測性能指標(biāo)的要求是考核發(fā)電時段的預(yù)測準確率，而發(fā)電時段跟區(qū)域、季節(jié)、天氣等眾多因素密切相關(guān)，不同季節(jié)、不同區(qū)域的日出日落時間均不相同，因而發(fā)電時段的統(tǒng)計周期無法統(tǒng)一確定。

原有光伏功率預(yù)測評價指標(biāo)采用全天96點為統(tǒng)計周期，是一種退而求其次的妥協(xié)方法。例如冬至日照只有9個小時左右，而夏至日照能達到15個小時左右，采用均方根誤差指標(biāo)，冬天的預(yù)測誤差比夏天小，并不能說明冬天的預(yù)測水平就比夏天提高了，而是因為誤差指標(biāo)被冬天更長的夜間100%準確率平均了而已。

在上述場景下，均方根誤差的場景適應(yīng)性是比較差的，同一個誤差值，在不同季節(jié)、不同區(qū)域代表的預(yù)測水平都不一樣，指標(biāo)的客觀性存在一定不足。此外，實際算例也表明，均方根誤差指標(biāo)在穩(wěn)定性上的表現(xiàn)也較差，指標(biāo)無法區(qū)分樣本的誤差波動性，導(dǎo)致某些預(yù)測偏差嚴重的情況無法得到準確評價。

2. 平均絕對誤差(MAE)

平均絕對誤差與均方根誤差類似，具有誤差對稱性、客觀性與統(tǒng)一性，也能很好反映預(yù)測誤差的實際情況，但是平均絕對誤差的適應(yīng)性與穩(wěn)定性比均方根誤差更差，對異常誤差更不敏感，掩蓋誤差畸變對統(tǒng)計周期內(nèi)整體誤差率的影響。因此，平均絕對誤差指標(biāo)的應(yīng)用較少，只在西班牙等少部分國家采用。

3. 平均相對誤差(MRE)

平均相對誤差能直觀反映預(yù)測誤差偏離場站實際出力的程度，也能應(yīng)用于不同的預(yù)測周期，具有統(tǒng)一性；然而誤差大小并不能說明場站的預(yù)測水平，對于實際出力接近零的點，誤差會特別大，失去了指標(biāo)的客觀性；同時平均相對誤差引入了誤差之外的變量，對于枯風(fēng)期與寡照期的適應(yīng)性較差，預(yù)測誤差畸變的情況也容易被掩蓋，穩(wěn)定性差。指標(biāo)使用范圍較少。

4. 最大預(yù)測誤差(MAX)

最大預(yù)測誤差為單點預(yù)測，反映預(yù)測功率最大偏離程度，一般不單獨使用，配合其他考核指標(biāo)一起使用。

5. 調(diào)和相對誤差(HRE)

調(diào)和相對誤差引入了某點預(yù)測誤差占總誤差的權(quán)重，停機工況下對誤差率的影響可以忽略，適應(yīng)性、穩(wěn)定性好，也具有統(tǒng)一性；但是因為引入了誤差之外的因子，會引導(dǎo)場站進行預(yù)測時，做出與實際偏高預(yù)測的傾向性，損害了指標(biāo)的客觀性，當(dāng)然此指標(biāo)也不具備誤差對稱性。調(diào)和相對誤差的指標(biāo)目前應(yīng)用于部分地區(qū)新能源場站的超短期預(yù)測。

6. 相關(guān)系數(shù)(r)

相關(guān)系數(shù)并不直接反映預(yù)測偏差，而是反映預(yù)測值、真實值各自與其均值差的相關(guān)性關(guān)系，并不能直接反映各場站預(yù)測水平的高低，客觀性差，同時也不具備誤差對稱性；引入均值變量后，適應(yīng)性與穩(wěn)定性也較差。極少使用相關(guān)系數(shù)的指標(biāo)來評價新能源場站的功率預(yù)測水平。

新指標(biāo)——加權(quán)均方根誤差指標(biāo)

傳統(tǒng)各評價指標(biāo)均有相應(yīng)的不足之處，均方根誤差因其眾多優(yōu)良特性，在目前的評價指標(biāo)占主導(dǎo)地位?？紤]通過引入誤差權(quán)重，改進均方根誤差適應(yīng)性、穩(wěn)定性不足的缺陷，優(yōu)化功率預(yù)測的評價指標(biāo)。

加權(quán)均方根誤差(WRMSE)

其中：Accday-ahead為次日預(yù)測準確率；Cap為新能源電站考核日的最大開機容量（單位：MW）；pi為i時刻新能源電站實際功率（單位：MW）；p'i為i時刻新能源電站預(yù)測功率（單位：MW）；n為該日考核的預(yù)測點數(shù)。

加權(quán)均方根誤差在保留目前均方根誤差對稱性、客觀性、統(tǒng)一性的優(yōu)良特性前提下，同時優(yōu)化了均方根誤差的不足。

例如，對于如光伏這種發(fā)電時段無法確定的場站，晚上停機時誤差極小，但其權(quán)重也極小，不影響實際發(fā)電時段功率預(yù)測誤差，能真實反映場站的預(yù)測水平，加強了指標(biāo)的適應(yīng)性，強化了指標(biāo)的客觀性與統(tǒng)一性；又如，如果某點的預(yù)測誤差出現(xiàn)了大的畸變，而導(dǎo)致突破了系統(tǒng)預(yù)留的備用，則此點誤差占比權(quán)重也會很大，最終提高了整體誤差率，強化了對功率預(yù)測結(jié)果穩(wěn)定性的要求。

實際上，均方根誤差是加權(quán)均方根誤差的特殊型式，當(dāng)預(yù)測周期內(nèi)各點的誤差相同，即表現(xiàn)出絕對的穩(wěn)定性后，各點誤差的權(quán)重相同，加強均方根誤差指標(biāo)就簡化為傳統(tǒng)均方根誤差。

總結(jié)

總結(jié)華北預(yù)測考核新指標(biāo)，較傳統(tǒng)均方根指標(biāo)的改進之處主要包括：

1）提升指標(biāo)評價的適應(yīng)性和統(tǒng)一性，不論風(fēng)電場還是光伏電站、不論是正常運行階段還是啟停過渡過程，指標(biāo)均能適用。特別是對于光伏預(yù)測，既去除夜間對預(yù)測評價結(jié)果的影響，又避免了光伏電站的日出日落時間的判斷。

2）增加對預(yù)測時序穩(wěn)定性的評價，獎勵誤差平穩(wěn)的功率預(yù)測，引導(dǎo)減少嚴重誤差突變的預(yù)測，從而盡量避免用盡電力系統(tǒng)的實時備用容量。

3）延續(xù)對稱性預(yù)測結(jié)果的引導(dǎo)，無論誤差是正偏離或負偏離，只要偏離量相同，考核就相同，不會引導(dǎo)場站預(yù)測時做出傾向性的選擇。

原標(biāo)題:好文！華北功率預(yù)測兩個細則考核指標(biāo)補充解讀