碳中和背景下，新能源功率預測的未來之路

新能源的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)

自2020年末，“碳達峰、碳中和”成為熱門關鍵詞，各大媒體、機構(gòu)都對這一新概念爭相表達分析和見解，熱度持續(xù)發(fā)酵，引起了一場雙碳目標下涉及國家經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源轉(zhuǎn)型、生活方式等諸多影響方面的社會大討論。

固然“碳中和”會深刻和深遠地影響國家經(jīng)濟和諸多產(chǎn)業(yè)，但毋庸置疑的是，碳中和首先改變的將會是能源產(chǎn)業(yè)格局。

在我國能源產(chǎn)業(yè)格局中，產(chǎn)生碳排放的化石能源：煤炭、石油、天然氣等占能源消耗總量的84%，而不產(chǎn)生碳排放的水電、風電、核能和光伏等僅占16%。要實現(xiàn)2060年碳中和的目標，就要大幅發(fā)展可再生能源，降低化石能源的比重，因此，能源格局的重構(gòu)和轉(zhuǎn)型必然是大勢所趨。

2020年，全國電源新增裝機容量19087萬千瓦，其中水電1323萬千瓦、風電7167萬千瓦、太陽能發(fā)電4820萬千瓦。截至2020年底，全國發(fā)電裝機總量為22億千瓦，風電累計裝機占比達12.8%，太陽能裝機占比達11.5%，風電和光伏裝機合計占比24%。根據(jù)國家能源局《關于2021年風電、光伏發(fā)電開發(fā)建設有關事項的通知》(征求意見稿)的有關規(guī)劃，到2030年非化石能源占一次能源消費比重達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上，堅持目標導向，完善發(fā)展機制，釋放消納空間，優(yōu)化發(fā)展環(huán)境，發(fā)揮地方主導作用，調(diào)動投資主體積極性，推動風電、光伏發(fā)電高質(zhì)量躍升發(fā)展。

圖一、截至2020年底各地區(qū)累計風電裝機(萬千瓦)及占本地區(qū)總裝機比重

圖二、截至2020年底各地區(qū)累計光伏發(fā)電裝機(萬千瓦)及占本地區(qū)總裝機比重

可以預見，未來10年風電、光伏的新一輪爆發(fā)式增長已經(jīng)是確定性事件。然而非水新能源的消納挑戰(zhàn)卻異常艱巨。

首先，新能源爆發(fā)式增長與用電需求增長放緩矛盾突出。近五年，全國全社會用電量年均增長5%，同期電源裝機年均增長近10%，新能源裝機年均增長高達30%以上，新增用電市場無法支撐各類電源的快速增長。

二是網(wǎng)源發(fā)展不協(xié)調(diào)嚴重制約新能源發(fā)展。我國能源分布廣泛但不均衡，主要特征表現(xiàn)為能源資源“西富東貧”，消費“東多西少”，能源生產(chǎn)與消費中心逆向分布。

三是缺乏靈活調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)、面向高比例新能源的調(diào)節(jié)能力不充足。新能源發(fā)電具有間歇性、波動性等特征，大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性、連續(xù)性和可調(diào)性造成極大影響，因此對電力系統(tǒng)調(diào)峰能力提出很高要求，而目前系統(tǒng)缺乏靈活調(diào)節(jié)電源，調(diào)峰能力不足。

四是促新能源消納的政策和市場機制不健全。當前我國電力供需以省內(nèi)平衡和就地消納為主，缺乏促進清潔能源跨區(qū)跨省消納的強有力政策、合理的電價和輔助服務等必要的補償機制，省間壁壘突出，跨區(qū)跨省調(diào)節(jié)電力供需難度大，電力現(xiàn)貨市場進度未達預期，成為當前制約清潔能源消納的重要因素。

解決新能源消納難題、建立新型電力系統(tǒng)，是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及消費端、供給端、技術(shù)、市場等多個層面的變革和創(chuàng)新。筆者認為，除國家產(chǎn)業(yè)引導和投資外，建立和健全包括電力現(xiàn)貨和輔助服務在內(nèi)的電力市場，鼓勵和促進大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字化技術(shù)的應用，讓具有核心技術(shù)和運營能力的市場主體得到足夠的市場激勵，才能從根本上解決消納問題，形成市場引導技術(shù)、技術(shù)促進市場的良性循環(huán)。

功率預測的價值日益凸顯

與碳中和不同，新能源功率預測的歷史由來已久。自2011年國家能源局頒發(fā)文件要求新能源發(fā)電企業(yè)必須在電場部署功率預測系統(tǒng)并向電網(wǎng)調(diào)度上報預測結(jié)果開始，近十年的時間里，功率預測伴隨中國風電和光伏產(chǎn)業(yè)，經(jīng)歷了從無到有、漸成標配的過程。作為平抑新能源發(fā)電隨機性和波動性的重要信息支撐服務，功率預測為降低電網(wǎng)調(diào)度難度、增加新能源并網(wǎng)友好性作出了積極貢獻。截止目前，國內(nèi)數(shù)千座風電場和光伏電站均配置有安全穩(wěn)定的功率預測系統(tǒng)，為新能源發(fā)電并網(wǎng)保駕護航。

對發(fā)電企業(yè)的來說，功率預測既是順應國家和電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)的硬性要求，更是用來降低考核罰款、提升運營收益的重要手段。以西北電網(wǎng)一座10萬kW風電場為例，在現(xiàn)行標準下，預測準確率每提高1%，業(yè)主全年可節(jié)約考核費用約18萬元;如果同時考慮預測偏差帶來的并網(wǎng)發(fā)電量損失，則整體損益將進一步放大。以目前功率預測數(shù)萬元的年服務費簡單測算，配置功率預測系統(tǒng)為發(fā)電企業(yè)帶來的價值杠桿高達十倍以上。不僅如此，經(jīng)過多年的市場選擇和技術(shù)迭代，功率預測整體精度水平已有較大進步，預測精度基線不斷攀升。

然而，無論是發(fā)電企業(yè)還是電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)，似乎仍對功率預測的準確性和價值頗有微詞，這又是因為什么?

首先，以電網(wǎng)考核為背景的子站功率預測，本身屬于零和游戲的范疇。雖然各電場整體預測水平已有提升，但在實際執(zhí)行過程中仍然要進行省內(nèi)排名以便“獎優(yōu)罰劣”，從而形成相對考核的局面，讓各電場之間的預測精度競爭形成“內(nèi)卷”，也使得功率預測偏差考核成為懸在電場經(jīng)營者頭上無法消除的達摩克利斯之劍。

其次，目前功率預測水平的提升，仍不能對抗和抵消大規(guī)模風電和光伏裝機對電網(wǎng)安全有效調(diào)度的沖擊。截止2020年底，風電和光伏總裝機已達5.3億千瓦，到2030年末這一數(shù)字將增至12億千瓦。如此巨大的裝機容量下，單位預測偏差帶來的電力和電量偏差將遠超以往，對電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)能力造成重大挑戰(zhàn)。

最后，功率預測精度改善的巨大技術(shù)投入和風險與市場價格之間的矛盾，也對產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成一定程度的制約。功率預測服務市場經(jīng)過多年發(fā)展，早期政策紅利已消失殆盡，市場價格不斷下探，目前僅有少數(shù)具備規(guī)模和技術(shù)優(yōu)勢的廠家具備參與實力，其中以功率預測作為主營業(yè)務的廠家更是鳳毛麟角。功率預測背后所涉及的數(shù)值天氣預報、機器學習/深度學習算法等核心技術(shù)，在算力、人才等方面投入巨大，且具有較大的研發(fā)風險，在現(xiàn)有整體預測水平基礎上進一步提升精度的邊際成本已相當昂貴。對第三方預測廠家而言，一面是不斷抬升的考核要求和預測標準，一面是日漸高企的研發(fā)投入和人力成本，在合理盈利的前提下顯著提升預測精度，是一個技術(shù)和商業(yè)的雙重難題。

碳中和的出現(xiàn)，為新能源功率預測帶來新的價值創(chuàng)造空間，使其重要性大大提升。

(一) 電力現(xiàn)貨市場，將使功率預測服務市場空間明顯增加。電力現(xiàn)貨市場的建立，是我國電力體制改革的重要路標，更是解決新能源消納、建立新型電力系統(tǒng)的重要手段。準確的新能源功率預測，對于電力現(xiàn)貨的市場主體，具有極其重要的信息價值，是企業(yè)制定價格體系和經(jīng)營策略的核心支撐。以未來10%的電量在現(xiàn)貨市場交易結(jié)算測算，因預測準確性和報量報價策略導致的電費浮動空間將達數(shù)百億元/每年。屆時，功率預測準確性提升1%帶來的商業(yè)回報將遠超電網(wǎng)考核場景下的罰款節(jié)省，如電力市場合理完善，足以支付為此花費的研發(fā)成本，激勵優(yōu)質(zhì)服務商持續(xù)投入和優(yōu)化。

(二) 功率預測的服務對象和客戶群體，將更加深入和廣泛。除傳統(tǒng)意義上的大型發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)，將持續(xù)提高功率預測的要求和標準外，海上風電、分布式光伏等新型增量場景，也將為功率預測帶來細分市場。另外，當現(xiàn)貨市場建立和穩(wěn)態(tài)運行后，以售電公司為代表的市場主體，也將對新能源功率預測產(chǎn)生需求。

在碳中和的時代背景下，功率預測行業(yè)的變革已悄然開始，站在功率預測新十年的起點，我們不妨對未來市場和行業(yè)趨勢進行展望：

(一) 大型發(fā)電企業(yè)自建功率預測平臺。鑒于未來功率預測的重要性，部分發(fā)電集團將從自身利益出發(fā)自建能力，改變目前完全依賴第三方預測廠家的局面。

(二) 預測系統(tǒng)價值從硬件向軟件和數(shù)據(jù)服務轉(zhuǎn)移。受電網(wǎng)二次安防的要求限制，現(xiàn)有功率預測系統(tǒng)包含大量專屬硬件服務器，然而功率預測準確性的提升主要依賴數(shù)值天氣預報和功率模型的持續(xù)訓練迭代，二者均與現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)環(huán)境中的硬件投入無直接關系，在造成大量低效資產(chǎn)的同時，也擠壓了原本就不多的軟件和服務價格。隨著硬件成本的日漸透明及市場對高精度預測的強烈需求，高精度數(shù)值天氣預報、功率預測等數(shù)據(jù)服務的價值將得到更大認可。

(三) 功率預測系統(tǒng)逐漸集中化和云化。產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得千行百業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型速度大大加快，能源電力行業(yè)也不例外。功率預測系統(tǒng)的集中化和云化，既有助于降低硬件成本、增加模型訓練的算力彈性，也有利于實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)收集和算力基礎設施與上層預測模型和應用的隔離解耦;同時，系統(tǒng)集中化和云化后，將打破現(xiàn)在子站預測各自為戰(zhàn)的局面，充分整合和利用全網(wǎng)信息對功率預測進行整體優(yōu)化。

(四) 市場更加開放、多元化合作生態(tài)。在發(fā)電企業(yè)自建功率預測底層數(shù)據(jù)采集和算力基礎設施的前提下，第三方功率預測數(shù)據(jù)服務商在業(yè)主平臺上開發(fā)預測模型的進入門檻將大大降低，其可將研發(fā)重點聚焦在數(shù)值天氣預報、微尺度氣象模式及算法模型本身的研究上，這將吸引更多的商業(yè)氣象服務公司和AI技術(shù)公司參與到功率預測的細分市場。基于我國復雜的地域和氣象條件差異，功率預測的精細優(yōu)化帶有較明顯的區(qū)域特征，在參與主體更加豐富的情況下，有利于市場的充分競爭和預測技術(shù)的創(chuàng)新。

結(jié)尾

以上是筆者基于日常工作積累對新能源功率預測行業(yè)的分析和研判，供相關從業(yè)人員參考。我們相信，新能源功率預測行業(yè)在碳中和背景下將繼續(xù)深入發(fā)展，并在未來發(fā)揮更加重要的作用。技術(shù)層面，只有深入行業(yè)需求，并在數(shù)值天氣預報、功率預測模型研究等核心技術(shù)上持續(xù)創(chuàng)新和突破，才是實現(xiàn)功率預測準確性提升的核心關鍵。接下來的系列專題，我們將從多個維度分享我公司在新能源功率預測方面的進展和成果，敬請期待。