新型電力系統(tǒng)為什么需要準確氣象預測

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，服務碳達峰、碳中和目標，意味著風電和光伏發(fā)電將逐步成為未來電力系統(tǒng)的主體。能源電力系統(tǒng)將發(fā)生根本性的變革，在推動電源清潔化、電網(wǎng)智能化和用戶電氣化的同時，也將改變電網(wǎng)運行特征。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)對電源側(cè)的精確控制進而實現(xiàn)“源隨荷動”的運行模式，將轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪娋W(wǎng)為平臺實現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲”智能協(xié)同供需平衡的運行模式。

電力系統(tǒng)的運行與大氣環(huán)境關(guān)系十分緊密，氣象要素對發(fā)電、輸電、電力負荷等均有著顯著的影響。氣象預測是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行有效的手段之一，氣象預測已經(jīng)在電網(wǎng)氣象災害預測、負荷預測、水力發(fā)電預測及電網(wǎng)設備防災減災等方面發(fā)揮越來越重要的作用。在高比例新能源電力系統(tǒng)中，風電、光伏等發(fā)電方式受地域和氣象條件的影響更大，存在較大的波動性，其高比例接入對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來巨大挑戰(zhàn)。構(gòu)建電力氣象預報分析系統(tǒng)，實現(xiàn)不同時空氣象資源分析基礎上的可再生能源規(guī)劃布局，可以有效提升新能源發(fā)電功率的預測水平以及抵御極端氣象災害的能力。化電力氣象預報分析系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同類型發(fā)電功率實時預測和區(qū)域用電負荷預測基礎上的電網(wǎng)穩(wěn)定調(diào)度，有效減輕新能源發(fā)電不穩(wěn)定性對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，提高新能源利用效率，是實現(xiàn)新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行的重要技術(shù)措施。

目前，電力系統(tǒng)從氣象機構(gòu)獲取的氣象預報信息，主要建立在公共氣象服務基礎上，與電網(wǎng)小空間、多時間尺度、點對點精細化預報要求差距還比較大。數(shù)值天氣預報是指根據(jù)大氣實際狀況，在一定的初值和邊值條件下，通過大型計算機進行數(shù)值計算，求解描述天氣演變過程的動力學和熱力學的方程組，預測未來一定時段的大氣運動狀態(tài)和天氣現(xiàn)象的方法。和一般采用天氣學方法并結(jié)合經(jīng)驗制作而成的天氣預報不同，這種預報是定量和客觀的預報。南方電網(wǎng)公司正在構(gòu)建電力生產(chǎn)全域高分辨率數(shù)值天氣預報系統(tǒng)，將在新能源規(guī)劃布局、新能源功率預測、電網(wǎng)防災減災、電網(wǎng)負荷預測4個方面支撐新型電力系統(tǒng)的控制和運行。

為新能源規(guī)劃布局服務

風電、光伏發(fā)電方式均受地域和自然資源的影響，在空間上分布極不均勻，在時間上存在較大的波動性和間隙性，同時風電、光伏在時間和空間上也具有互補性。利用氣象數(shù)值分析，通過分析氣象歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，在總結(jié)分析區(qū)域性風能和光能的基礎上，可以在局部尺度上優(yōu)化風能和光能的配比，進而減少新能源出力的波動性。通過計算風電、光伏安裝比例與風光發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，獲得不同區(qū)域風光出力波動小的風光安裝比，提高風光的利用率。在新能源的規(guī)劃布局上，也可以利用電力氣象分析系統(tǒng)，進行區(qū)域新電源和地區(qū)性負荷的匹配分析，優(yōu)化電源布局，盡可能減少電網(wǎng)功率穿越損失。

為新能源功率預測服務

按照2030年風能和太陽能裝機容量達到12億千瓦的發(fā)展目標以及2060年前實現(xiàn)碳中和的要求，2060年我國風能和太陽能裝機容量可能達到60億千瓦，成為真正的主力電源。風電和光伏等發(fā)電方式存在較大的隨機性、波動性和間歇性等特點，在季節(jié)尺度上，太陽能在夏秋季比較豐富，而風能在冬春季比較豐富，二者在季節(jié)上可以形成互補。在一天24小時內(nèi)也可以實現(xiàn)日內(nèi)互補。新型電力系統(tǒng)建設使得清潔能源生產(chǎn)、傳輸和調(diào)度對天氣氣候狀況的依賴度越來越高，未來電網(wǎng)將在電源和負荷的雙重波動條件下實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定。利用的氣象數(shù)值天氣預報系統(tǒng)，可以有效提升新能源發(fā)電功率的預測水平，提高電網(wǎng)目標調(diào)度的有效性，有效減輕新能源不穩(wěn)定性對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，提高新能源利用效率，支撐新型電力系統(tǒng)發(fā)展。

為電網(wǎng)防災減災服務

輸電變電設備長期暴露于復雜多變的氣象環(huán)境中，尤其是輸電線路路徑長、覆蓋廣，所經(jīng)過區(qū)域多為高寒、雷害、覆冰、大風區(qū)，極易受到寒潮、臺風、暴雨等氣象災害的影響而發(fā)生故障。據(jù)統(tǒng)計，氣象災害導致的故障占電網(wǎng)總故障數(shù)的60%以上。冬季，南方地區(qū)尤其是貴州和云南容易受到北極極地渦旋、西北太平洋副熱帶高壓、南支槽等天氣系統(tǒng)的影響，出現(xiàn)輸電線路覆冰災害。夏季，臺風成為影響電網(wǎng)安全運行最主要的氣象災害。相比傳統(tǒng)電源，風電、光伏等新能源發(fā)電更容易受到大風、低溫、暴雨、雷害等極端天氣的影響，極端氣象災害可導致風光等新能源出力銳減、發(fā)電設施破壞，具有長時間大面積停電的風險。目前，國內(nèi)外氣象部門以及電力企業(yè)利用氣象數(shù)值天氣預報系統(tǒng)對覆冰情況開展了預測，能夠?qū)崿F(xiàn)未來1-3天、3千米以下分辨率的格點化覆冰厚度預測；利用氣候因子，對臺風數(shù)量、強度、可能登陸地點開展中長期預測，并對電網(wǎng)臺風災害總體情況進行了預測和評估。

氣象預測可以提前預知極端天氣的強度和持續(xù)時間，評估災害對電力系統(tǒng)的影響程度，提前做好防災準備及電力調(diào)度規(guī)劃，如對發(fā)電設備進行提前加固、提前關(guān)閉發(fā)電機組等措施，來有效減少電力企業(yè)的損失，防止大面積停電的風險。

為電力負荷預測服務

電力負荷受到經(jīng)濟發(fā)展、工業(yè)水平、氣象要素等因素的影響。準確的負荷預測，可以保障社會的正常生產(chǎn)和生活，有效降低發(fā)電成本，提高經(jīng)濟效益和社會效益。近年來，受到全球變暖趨勢的影響，氣候系統(tǒng)越發(fā)不穩(wěn)定，高溫等極端天氣的強度和持續(xù)時間有增強的趨勢，氣象預測在負荷預測中的作用越來越重要。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的興起，氣象大數(shù)據(jù)結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、隨機森林、模糊聚類法等人工智能方法廣泛應用于短期、超短期負荷預測，預測準確率得到了明顯提升。此外，隨著高分辨率數(shù)值天氣預報模式的不斷發(fā)展，基于數(shù)值模式可建立數(shù)值預報—電力負荷預測模型，實現(xiàn)電力負荷高分辨率格點化的預測。

隨著新型電力系統(tǒng)的逐步發(fā)展，風電、光伏等新能源在電源結(jié)構(gòu)中將逐漸占據(jù)主導地位。新型電力系統(tǒng)對于氣象預測的依賴度更強，要求更高。構(gòu)建電力精細化氣象數(shù)值預報預測系統(tǒng)，將成為新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行的重要技術(shù)手段。

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