基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测

刘晓艳 王 珏 姚铁锤 张 沛 迟学斌

基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测

刘晓艳1,2王 珏1,2姚铁锤1,2张 沛3迟学斌1,2

（1. 中国科学院计算机网络信息中心 北京 100190 2. 中国科学院大学 北京 100040 3. 华东交通大学 南昌 330013）

光伏功率预测对于电网调度具有重要意义。该文针对缺少辐照度测量装置的分布式光伏电站，提出一种基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测方法。首先基于Res-UNet模型对短波辐照（SWR）网格进行时空预测；然后对预测的SWR网格进行空间插值得到地面分布式站点的未来辐照度；最后构建基于编解码器的长短期记忆（LSTM）模型预测光伏出力。其中Res-UNet可以充分学习SWR网格的时空相关性，LSTM通过引入日编码和时间编码可以更好地学习辐照度的年周期性和日周期性。在真实光伏电站上的功率实验表明，与以数值天气预报辐照度为输入的光伏功率预测方法相比，以Res-UNet+插值预测的辐照度为输入的光伏功率预测方法实现了更高精度的超短期光伏功率预测。

超短期光伏功率预测 卫星遥感 Res-UNet 辐照度 时空相关性 短波辐照（SWR）

0 引言

近年来，可再生能源的开发和应用受到越来越多的重视，而光伏发电是对太阳能这种可再生能源最主要的应用方式之一[1-2]。光伏电站包含集中式和分布式两类，其中分布式光伏的装机容量占比逐年上升，发展迅速[3-4]。分布式光伏往往安装在行政单位、工商业和住宅屋顶等载体之上，与集中式光伏相比，其绿色环保、成本适宜、随发随用的特点得到更好体现，在自发自用的同时，还可以做到余电并网[3,5]。但由于分布式光伏安装地点较为分散，装机容量小，缺少气象量测装置，无法获得当地的辐照度等气象数据，因此面临无气象数据的功率预测挑战。精准的超短期光伏发电功率预测对于光伏电站的优化运行、光伏电力系统的调度安排以及电网的安全稳定与经济运行发挥着重要作用[6-9]。因此针对分布式电站的超短期光伏功率预测有着十分重要的意义[10]。

随着人工智能技术的发展，许多学者采用机器学习、深度学习方法对光伏出力进行预测。影响光伏出力的主要因素是太阳辐照度[11-12]，对于集中式光伏，往往以历史光伏功率和辐照度等气象数据构建输入特征进行预测。文献[13]以欧氏距离进行相似时的选取，以历史相似时的光伏出力、太阳辐照度、相对湿度和温度，以及未来待预测时刻的太阳辐照度等数值天气预报（Numerical Weather Prediction, NWP）预测值作为最小二乘支持向量机模型（Least Square Support Vector Machine, LS-SVM）的输入，对未来以15min为步长的1h进行光伏出力的预测。文献[14]结合长短期记忆（Long Short-Term Memory, LSTM）单元与注意力（Attention）机制，预测下一个15min的光伏功率，该模型以历史时刻的光伏功率、实测辐照度和温度作为输入特征，以Attention机制对LSTM的输入特征赋予不同的权重，使得预测更加精准。

针对分布式光伏电站的功率预测方法与集中式不完全相同。由于分布式站点小而分散，往往没有气象测量装置，因此部分站点采用数值天气预报的结果，但数值天气预报每12h更新一次的辐照度预测结果，与实地量测的误差较大，无法有效支撑分布式光伏的超短期预测；还有部分分布式站点出于成本考虑没有付费购买数值天气预报数据，因此分布式光伏的历史序列往往缺失辐照度这一主要特征，造成预测精度的损失[15]。除上述方法外，文献[16]提出的超短期分布式功率预测方法考虑了站点间的空间相关性，首先采用层次聚类（Hierarchical Clustering）方法得到电站间的空间相关性，进一步获得所求电站与其相关电站间的空间映射关系，然后使用神经网络（Neural Network, NN）方法预测相关光伏电站的未来功率，最后结合相关电站的功率预测值和空间映射关系，获得所求电站的预测功率。但绝大多数分布式光伏电站周围无法找到具有气象信息的相关光伏站点，该方法适用性还存在一些问题。

研究太阳辐照度的预测对于预测分布式光伏发电功率具有重要意义[17]。卫星遥感数据的获取依赖卫星，覆盖范围大且有公开数据集支持，适合于无辐照度测量值的分布式光伏站点。文献[18]结合“风云四号”卫星的云覆盖率等产品，将光伏站点地面观测气象数据中的3h变压、温度、相对湿度等一起作为门循环单元（Gate Recurrent Unit, GRU）模型的输入，进行了时间分辨率为1h的辐照度预测，由于“风云四号”卫星每1h进行一次全盘观测，所以无法在更小的时间尺度上进行功率的预测；文献[19]通过识别两个连续图像中的匹配区域来确定云运动矢量，从而实现逐15min的辐照度预测，然后基于统计分析的组合方法与NWP模型的结果进行加权组合作为最终预测结果，实验结果表明基于云运动矢量的预测方法优于NWP方法，组合预测优于单一预测。但上述方法只考虑了时间相关性而没有考虑空间相关性，且均需要对图像进行处理，增加了算法复杂度，另外也没有考虑卫星数据的获取延迟。

云层厚度及太阳高度角是影响太阳辐照度大小的主要因素，相近位置上的太阳辐照度在相近的太阳高度角和相近的云层厚度作用下，具有空间相关性。本文基于深度学习方法提取卫星遥感数据的时空特征用于超短期分布式功率预测。该方法采用Res-UNet模型对短波辐照（Short Wave Radiation, SWR）网格进行时空预测，得到分布式站点的未来辐照度，然后在预测的辐照度基础上使用LSTM[20-21]模型进行功率预测。SWR产品是在日本地球同步卫星“葵花8”号（Himawari-8）探测的遥感数据基础上计算得到的，可近实时获取。Himawari-8每隔10min获取一次数据，探测范围为东经80°～西经160°，南纬60°～北纬60°，经纬度步长均为0.05°，对应到地面上约为5km，探测的数据均为2 401×2 401的矩阵，SWR网格同样是2 401×2 401的矩阵，对应每个经纬度位置上的太阳辐照度。SWR网格的引入弥补了站点无气象测量的不足。

1 基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测方法

为更准确地完成对分布式光伏发电功率的预测，考虑加入站点未来时刻的辐照度特征。SWR网格由于其低延迟、覆盖范围大、分辨率高、公开免费的特点，适合用于构建分布式站点的辐照度特征。基于卫星遥感的超短期分布式光伏发电功率预测框架如图1所示，基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测的实现需要三个模块：模块1是基于Res-UNet的SWR网格预测；模块2是基于双线性插值（Bilinear Interpolation）[22]的分布式站点辐照度估算；模块3是基于LSTM的分布式光伏功率预测。首先模块1以历史SWR网格序列作为Res-UNet模型的输入，对未来时刻的SWR网格进行预测；然后模块2将模块1输出的未来时刻SWR网格点上的辐照度映射到分布式站点上，从而得到分布式站点的未来辐照度，该模块是为了解决SWR网格点和分布式站点不重合的问题；最后模块3将模块2得到的站点未来辐照度作为LSTM输入特征之一，对未来的光伏发电功率进行预测，进而获得功率预测值。下面将具体阐述以上三个模块。

图1 基于卫星遥感的超短期分布式光伏发电功率预测框架

1.1 基于Res-UNet的SWR网格预测

SWR网格的时空预测本质上是一个网格到网格的生成问题，U-Net网络[23]的编码器-解码器（Encoder-Decoder）结构可以解决该问题。如图1所示，Res-UNet采用了U-Net的编码器-解码器的结构，网络左半部分为编码器，右半部分解码器。由于输入的SWR网格时空特征复杂且尺寸较大，实现逐像素点的辐照度预测要求网络能够拟合复杂的映射公式，而加深网络层数是提升网络表达能力的有效方式。Res-UNet网络在UNet网络基础上引入残差块（Residual Block[24]，记为Res-block）结构，有效地解决了网络加深带来的梯度弥散。

图2 SWR网格获取延迟的示意图

1）残差块

图3中的残差块为模型使用的残差块，贯穿网络结构中。

图3 残差块

2）编码器

3）解码器

1.2 基于双线性插值的分布式站点辐照度估算

图4 SWR网格点与地面站点的空间插值示意图

1.3 基于LSTM的分布式光伏功率预测

在地球的公转和自转的作用下，光伏发电功率变化呈现周期性[25]，在光伏功率预测模型中加入日期编码和时间编码可以更好地学习光伏发电的年周期性和日周期，从而实现更精准的预测。

一天和一年的秒数分别为

1.4 基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测流程

基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测流程如图5所示，基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测流程主要包括四个模块：数据预处理模块、基于Res-UNet的SWR网格预测模块、基于双线性插值的分布式站点估算模块及基于LSTM的分布式光伏功率预测模块。数据预处理模块包含SWR矩阵的剪裁、时序文件的生成以及对训练集和测试集的划分等。数据预处理后的SWR网格序列会作为基于Res-UNet的SWR网格预测模块的输入。

图5 基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测流程

基于Res-UNet的SWR网格预测模块以历史SWR网格序列为输入，输出SWR网格在未来多个时刻的预测值。基于双线性插值的辐照度估算模块则是在Res-UNet预测的SWR网格基础上，结合地面站点的经纬度信息，对分布式站点进行辐照度估算。以上两个模块完成了对分布式站点未来辐照度的预测。基于LSTM的分布式光伏功率预测模块结合分布式站点的发电功率、发电时间信息和基于双线性插值的辐照度估算模块输出的分布式站点的未来辐照度，完成对分布式站点未来功率的预测。三个模块均采用离线模型，保证线上推断的时效性，并定期利用新数据进行模型微调，提高模型的预测能力和泛化性。

2 案例分析

2.1 分布式站点辐照度预测结果对比分析

表1 Res-UNet的网络参数设置

Tab.1 Network parameter setting of Res-UNet

光伏站点的辐照度预测实验结果见图6和表2。图6展示了2h辐照度预测实验的预测对比结果，短划线为站点的NWP辐照度曲线，实线为Res-UNet+双线性插值方法在该站点的2h辐照度预测结果，点线为站点实测辐照度曲线。显然，相比NWP，Res-UNet+双线性插值方法能够更好地预测辐照度的抖动性和峰值。表2展示了该模型在五个不同电站上的2h辐照度预测结果。Res-UNet+双线性插值方法在五个电站上的MAE为86.89，平均RMSE为122.87，相比NWP方法，分别降低了31.31%和22.18%，该实验表明Res-UNet+双线性插值方法优于数值天气预报方法。

图6 2h辐照度预测实验的结果对比

表2 2h辐照度预测实验的误差对比

Tab.2 Error comparison of 2-hour irradiance prediction experiment

2.2 分布式光伏功率预测结果对比分析

光伏站点的2h功率预测实验见图7和表3。图7蓝色短划线为以NWP辐照度为输入预测的站点功率曲线，橙色实线为以Res-UNet+双线性插值预测的辐照度为输入预测的站点功率曲线，灰色点线为站点真实功率。显然橙色实线能更好地贴合真值且能更好地预测功率抖动性。表3为划分天气类型的相对误差（相对光伏容量）统计结果，分别统计了基于Res-UNet+双线性插值预测的辐照度为输入和基于NWP预测的辐照度为输入的光伏功率预测模型在晴天、多云和雨天三种天气类型上的预测误差对比结果。结果显示在以上五个站点构成的测试集上，以Res-UNet+双线性插值预测的辐照度为输入的光伏功率预测方法具有最优的实验结果。相比于以NWP辐照度输入的功率预测方法，以Res-UNet+双线性插值预测的辐照度为输入的光伏功率预测方法，在晴天时，MAE下降20.89%，RMSE下降22.91%；在多云时，MAE下降16.91%，RMSE下降15.01%；在雨天时，MAE下降11.29%，RMSE下降8.98%。

图7 2h功率预测实验的结果对比

表3 不同辐照度输入来源的2h光伏功率预测方法在多个天气类型下的对比结果

Tab.3 Comparison results of 2-hour photovoltaic power prediction methods with different irradiance input sources under multiple weather types

案例分析表明，基于Res-UNet+双线性插值预测的辐照度明显优于NWP预测的辐照度，且以Res-UNet+双线性插值预测的辐照度为输入的功率预测方法取得了优于NWP辐照度为输入的效果。

3 结论

随着“碳达峰”“碳中和”目标的落实，光伏的装机容量和占比会持续上涨，分布式光伏的快速增长给电网运行和消纳带来挑战。分布式光伏预测精度提升有利于电网调度运行，促进新能源消纳。为提高无辐照度测量装置的分布式站点的超短期功率预测准确度，本文提出了基于卫星遥感的超短期分布式光伏功率预测方法。该方法引入卫星产品SWR网格弥补分布式站点无实测辐照度的不足。基于Res-UNet的SWR网格预测模块学习SWR网格的时间相关性和空间相关性，完成对未来时刻SWR网格序列的预测，为构建站点辐照度特征提供数据基础。基于LSTM的分布式光伏功率预测模块引入时间和日期的编码，学习光伏发电的周期性。案例分析表明本文提出的方法相比以NWP辐照度为输入的功率预测模型有着更高的精度。未来将考虑结合卫星遥感数据与地面观测数据，进一步提高辐照度预测精度，从而提升光伏功率预测精度。

致谢：本文中实验数据的测量记录工作是在国家电网公司的大力支持下完成的，在此表示衷心的感谢。

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Ultra Short-Term Distributed Photovoltaic Power Prediction Based on Satellite Remote Sensing

Liu Xiaoyan1,2Wang Jue1,2Yao Tiechui1,2Zhang Pei3Chi Xuebin1,2

（1. Computer Network Information Center Beijing 100190 China 2. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100040 China 3. East China Jiaotong University Nanchang 330013 China）

Photovoltaic (PV) output prediction is of great significance for power grid dispatching. In this paper, an ultra short-term distributed PV power prediction method based on satellite remote sensing is proposed for the distributed PV power station without irradiance measurement device. Firstly, the SWR grid is spatio-temporal predicted based on Res-UNet model, and then the predicted SWR grid is spatially interpolated to obtain the future irradiance of the ground distributed stations. Finally, the LSTM model with codec is constructed to predict the PV output. Res-UNet can fully learn the spatio-temporal correlation of the SWR grid, and LSTM can better learn the annual and daily periodicity of irradiance by introducing daily coding and time coding. The power experiments on real PV power stations show that, compared with the PV power prediction method that takes the irradiance of numerical weather forecast as the input, the PV power prediction method that takes the irradiance predicted by the Res-UNet+ interpolation as the input realizes ultra short term power prediction with higher accuracy.

Ultra short-term photovoltaic power prediction, satellite remote sensing, Res-UNet, irradiance, spatio temporal correlation, short wave radiation(SWR)

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210311

TM615

刘晓艳 女，1996年生，硕士研究生，研究方向为人工智能、光伏发电功率预测。E-mail：liuxiaoyan@cnic.cn

王 珏 男，1981年生，博士，副研究员，研究方向为人工智能算法与应用软件、高性能计算。E-mail：wangjue@sccas.cn（通信作者）

中国科学院战略性先导科技专项（A类）资助项目（XDA27000000）。

2021-03-11

2021-07-10

（编辑 赫蕾）