基于Sigma卡爾曼濾波的光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)修復方法

俞娜燕 李向超 費科 倪曉宇 任佳琦

摘要：實際電網(wǎng)中監(jiān)測數(shù)據(jù)存在不確定性噪聲、通信丟包導致的異常數(shù)據(jù)項，將會給光伏發(fā)電規(guī)律的總結與電網(wǎng)運行與調度的決策產(chǎn)生帶來困難。光伏電站輸出功率受到多種因素影響，包括太陽輻射度、環(huán)境溫度、太陽輻射面積等，而光伏電站輸出功率在相同氣象條件下存在相似性。本文考慮光伏電站輸出功率的多種影響因素，訓練RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡作為狀態(tài)轉換方程。然后基于Sigma點卡爾曼濾波理論對光伏電站輸出功率信息進行濾波。算例結果表明，所提方法能夠有效修復光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)。

關鍵詞：Sigma卡爾曼濾波；光伏電站；數(shù)據(jù)修復

中圖分類號：TN713 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0032-03

隨著電力技術的發(fā)展，電力數(shù)據(jù)的采集規(guī)模呈現(xiàn)急劇增長態(tài)勢，相應的多源數(shù)據(jù)采集、穩(wěn)定傳輸、高效存儲和處理分析技術也快速發(fā)展。如何挖掘所采集數(shù)據(jù)的潛在價值成為了現(xiàn)有的研究熱點[1-2]。電網(wǎng)采集數(shù)據(jù)可分為電網(wǎng)內(nèi)部采集數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)，其中內(nèi)部采集數(shù)據(jù)為用戶用電信息采集系統(tǒng)、廣域監(jiān)測管理系統(tǒng)等，外部數(shù)據(jù)為氣象數(shù)據(jù)、地理位置數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)之間呈現(xiàn)出多源、相互關聯(lián)和影響的特點。

能源作為保障社會穩(wěn)定發(fā)展的基石，承擔著保障國民經(jīng)濟發(fā)展的使命。經(jīng)濟全球化的深入也伴隨著人類對于能源的需求日益加劇，而化石能源作為傳統(tǒng)能源結構的主體不可再生，同時大量的環(huán)境污染和能源短缺的危機直接影響到社會的持續(xù)發(fā)展，加快了能源結構的轉型[3-5]。我國太陽能資源十分豐富，全年日照時間在2300小時以上的地域占我國總領土面積的2/3。光伏發(fā)電由于其清潔、無污染、無噪聲的特點備受矚目，并且光伏電站適合無人值守、運行維護成本低、可靠性較高。大規(guī)模光伏發(fā)電能有效解決本地負荷的能源需求，同時光伏并網(wǎng)將會對電力生產(chǎn)、規(guī)劃和運行等環(huán)節(jié)產(chǎn)生重要影響。光伏電站輸出功率受環(huán)境溫度、太陽輻射度、太陽輻射面積等因素影響，不同天氣和地理條件下的光伏發(fā)電運行特點將會影響發(fā)電計劃的決策[6-8]?；诠夥娬颈O(jiān)測數(shù)據(jù)分析光伏發(fā)電特性，從而為優(yōu)化光伏電站運行規(guī)劃提供決策依據(jù)。

然而在實際電網(wǎng)中，光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)在光伏組件故障、通信網(wǎng)絡傳輸丟包、傳感器網(wǎng)絡故障等情況下，光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)不確定性噪聲、數(shù)據(jù)丟包等現(xiàn)象。當光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)中包含異常數(shù)據(jù)時，會給光伏電站發(fā)電規(guī)律的統(tǒng)計和分析帶來困難，從而影響到電網(wǎng)運行和生產(chǎn)規(guī)劃決策。

針對異常數(shù)據(jù)的修復，國內(nèi)外學者進行了深入的研究。文獻[9]基于大量數(shù)據(jù)建立輸出功率模型，利用殘值法識別異常數(shù)據(jù)。文獻[10]利用聚類分析數(shù)據(jù)，篩選并剔除異常數(shù)據(jù)，然后建立時間序列模型修復異常數(shù)據(jù)。文獻[11]提出采用多元適應性回歸樣條算法，但該方法計算工作量大。另外，文獻[12]采用數(shù)據(jù)挖掘方法，包括模糊聚類方法進行數(shù)據(jù)有效性檢查，從而達到篩選異常數(shù)據(jù)的目的。

本文以光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，提出基于Sigma卡爾曼濾波[13]的光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)修復方法。該方法考慮環(huán)境溫度、太陽輻射度等多種因素建立光伏電站輸出功率預測方程，選取k-1時刻的輸出功率信息和k時刻的環(huán)境溫度、太陽輻射度信息為狀態(tài)變量，基于Sigma點卡爾曼濾波對光伏電站輸出功率進行濾波。最后，利用實際光伏電站發(fā)電數(shù)據(jù)驗證了所提方法的有效性。

1 數(shù)學模型

卡爾曼濾波理論研究對象為一個隨機過程，利用采樣獲得的量測離散序列，以濾波協(xié)方差最小為目標函數(shù)，最終得到最優(yōu)估計值[14]。

式中，x為系統(tǒng)狀態(tài)變量，u為系統(tǒng)輸入量，y為系統(tǒng)量測變量，f為系統(tǒng)狀態(tài)方程，h為系統(tǒng)量測方程，為過程噪聲，v為系統(tǒng)量測噪聲，過程噪聲和系統(tǒng)量測噪聲相互獨立且滿足，。

將上述狀態(tài)方程和量測方程離散化形式為：

光伏電站輸出功率受太陽輻射度、環(huán)境溫度、光伏電池組件內(nèi)電流和電壓等多種因素影響，具有非線性的工作特點[15]。本文利用光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得的環(huán)境溫度信息、太陽輻射度信息和光伏電站輸出功率信息，建立光伏電站輸出功率的空間狀態(tài)方程。

徑向基函數(shù)（radial basis function，RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡由于其結構簡單、逼近非線性能力強的特點在理論研究中獲得了廣泛的關注[16-18]。如圖1所示為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡結構，由圖1可得RBF神經(jīng)網(wǎng)絡包含了輸入層、隱含層和輸出層，其中隱含層包含了神經(jīng)元節(jié)點。神經(jīng)元節(jié)點越多，就具有越強的非線性逼近能力，同時其計算量也越大。

本文以k時刻的溫度信息T，光照強度C和k-1時刻的光伏電站輸出功率P作為輸入，預測k時刻光伏電站輸出功率，以此訓練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡獲取其網(wǎng)絡參數(shù)作為狀態(tài)轉換方程。

在RBF神經(jīng)網(wǎng)絡中，隱含層的函數(shù)形式為：

式中，和為過程噪聲和觀測方程噪聲，一般滿足，，Q和R分別為w和v的方差陣，且w和v相互獨立。

2 基于Sigma卡爾曼濾波的修復原理

針對光伏電站輸出功率的強非線性工作特點，本文基于Sigma卡爾曼濾波理論對光伏電站輸出功率信息進行濾波修復。Sigma卡爾曼濾波算法是卡爾曼濾波理論的延伸，Sigma卡爾曼濾波理論采用確定型采樣獲得Sigma點群，然后經(jīng)過非線性模型傳遞得到預測點群，并利用預測點群的均值和方差進行修正，獲得估計的系統(tǒng)狀態(tài)均值和方差[19-20]。

（1）定義初始狀態(tài)量和估計方差，確定過程噪聲與量測噪聲協(xié)方差Q、R。在算法迭代前，將過程噪聲、量測噪聲擴展入狀態(tài)量，即：

式中，為比例參數(shù)，且，和分別是Sigma點均值與方差對應的加權值；而表示的平方根矩陣的第i列，參數(shù)滿足以保證方差陣為半正定，一般默認；控制Sigma點分布距離，且滿足10-4≤α≤1；用于減小高階項誤差，對正態(tài)分布最優(yōu)取。

對于采樣點，可以分為、和三部分，據(jù)此進行狀態(tài)估計的時間更新，即：

3 數(shù)據(jù)分析

以光伏發(fā)電為例，選取無錫廣盈光伏電站總表日累計數(shù)據(jù)為研究對象，數(shù)據(jù)記錄時間為2018年5月23日至2018年5月29日，采樣間隔為15min。

如圖2所示為修復前修復后的數(shù)據(jù)對比，由圖中可以看出本文所提方法能對光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)中的丟失項進行濾波修復，保證了數(shù)據(jù)較好的完整性。該方法利用RBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡，以環(huán)境溫度、太陽輻射度和前一時刻的輸出功率值作為輸入，預測后一時刻的光伏電站輸出功率，并聯(lián)合Sigma卡爾曼濾波器進行數(shù)據(jù)修復，提高了數(shù)據(jù)的可信度。對進行有效修復。

為進一步驗證本文所提方法的有效性，將2018年5月25日9：00～11：00的數(shù)據(jù)修改為原監(jiān)測數(shù)據(jù)的0.6，如圖3所示為光伏電站輸出功率異常數(shù)據(jù)修復前后對比。

由圖3可得，本文所提方法能有效地濾除數(shù)據(jù)中的異常項。該方法以RBF神經(jīng)網(wǎng)絡作預測方法，并在預測值與實際量測值之間計算權重，從而達到數(shù)據(jù)濾波目的，將光伏電站輸出功率數(shù)據(jù)中的異常項濾除，進一步提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可信度和準確性。

4 結語

本文針對實際光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)包含異常項的情況，提出一種基于Sigma卡爾曼濾波的的數(shù)據(jù)修復方法。選取k-1時刻的光伏電站輸出功率信息，以及k時刻的溫度信息和太陽輻射度作為狀態(tài)量，通過訓練的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行狀態(tài)轉換，然后基于Sigma卡爾曼濾波理論進行數(shù)據(jù)修復工作。最后，利用實際光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗該方法的有效性，算例表明該方法能夠有效修復光伏電站監(jiān)測數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)項。

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