本發(fā)明屬于風(fēng)電發(fā)配電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電利用率計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，其間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)導(dǎo)致了風(fēng)電棄風(fēng)限電現(xiàn)象日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響到風(fēng)電場真實(shí)出力情況的評(píng)價(jià)以及對(duì)風(fēng)電、電網(wǎng)發(fā)展的科學(xué)規(guī)劃。棄風(fēng)限電是基于電網(wǎng)的運(yùn)行原理，在風(fēng)電大發(fā)期間，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在一定程度上限制風(fēng)電出力的情況。如何通過技術(shù)手段恢復(fù)棄風(fēng)限電期間的風(fēng)電理論出力，改進(jìn)并提高風(fēng)電場理論功率恢復(fù)精度，進(jìn)而計(jì)算出準(zhǔn)確的棄風(fēng)情況及風(fēng)電利用情況，對(duì)于風(fēng)電利用率的可靠計(jì)算，進(jìn)而合理評(píng)價(jià)風(fēng)電場/群運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)衡量風(fēng)電消納情況等實(shí)際問題具有重大的理論研究價(jià)值和應(yīng)用指導(dǎo)意義。

風(fēng)電理論功率恢復(fù)是風(fēng)電利用率計(jì)算中的關(guān)鍵步驟。目前，國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)對(duì)計(jì)算風(fēng)電理論功率還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的計(jì)算方法一般是直接采用風(fēng)機(jī)的出廠功率曲線作為理論功率計(jì)算曲線，但由于出廠功率曲線是在嚴(yán)格的試驗(yàn)條件下得到的，易受天氣狀況、地形和風(fēng)機(jī)自身出力特性變化等影響，因而計(jì)算誤差較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本項(xiàng)發(fā)明利用無棄風(fēng)條件下風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過異常數(shù)據(jù)剔除、缺失數(shù)據(jù)重構(gòu)等數(shù)據(jù)質(zhì)量控制手段獲取有效的風(fēng)速、功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速等實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)不同型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組建立相應(yīng)理論功率計(jì)算模型。然后，根據(jù)風(fēng)速測量數(shù)據(jù)，分別恢復(fù)特定型號(hào)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的理論功率。最后，通過累加得到風(fēng)電場的理論功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電利用率的準(zhǔn)確計(jì)算及風(fēng)電利用情況的合理評(píng)價(jià)。基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電場理論功率恢復(fù)方法將為風(fēng)電利用率的計(jì)算提供一種有效途徑，也將為風(fēng)電場運(yùn)行情況評(píng)估和風(fēng)電、電網(wǎng)的規(guī)劃發(fā)展提供合理手段和科學(xué)依據(jù)。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

一種基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電利用率計(jì)算方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

1)基于風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選剔除；

2)采用參數(shù)優(yōu)化的四分位法進(jìn)一步剔除異常數(shù)據(jù)；

3)采用聚類算法深入剔除異常數(shù)據(jù)；

4)采用分段hermite插值進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)重構(gòu)；

5)建立相關(guān)型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的理論功率計(jì)算模型及風(fēng)電場理論功率恢復(fù)；

6)風(fēng)電利用率相關(guān)指標(biāo)計(jì)算。

進(jìn)一步，所述步驟1)包括：

s101：根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理將其劃分為5個(gè)運(yùn)行區(qū)間：

區(qū)間1：0≤v<vcut_in,p＝0；

區(qū)間2：

區(qū)間3：

區(qū)間4：vrated≤v<vcut_out,p＝prated<pmax；

區(qū)間5：v≥vcut_out,p＝0；

其中，v為測量風(fēng)速，vcut_in為切入風(fēng)速，為額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)風(fēng)速，vrated為額定風(fēng)速，vcut_out為切出風(fēng)速；ωr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，為最低風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，為額定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，為最大風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；p為有功功率，為額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的有功功率，prated為額定有功功率，pmax為最大有功功率；

s102：同一時(shí)間段下，基于相同采樣周期獲取v、ωr和p的時(shí)間序列，定義數(shù)據(jù)點(diǎn)(v,ωr,p)，基于風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理得到如下數(shù)據(jù)初篩剔除原則：

a.當(dāng)0≤v<vcut_in時(shí)，機(jī)組空轉(zhuǎn)未并網(wǎng)，p＝0；當(dāng)v≥vcut_out時(shí)，風(fēng)輪葉片順槳且風(fēng)輪低速旋轉(zhuǎn)或剎車，機(jī)組離網(wǎng)切機(jī)，p＝0；當(dāng)v≠0，機(jī)組發(fā)生故障或人為干預(yù)時(shí)剎車，ωr＝0，機(jī)組離網(wǎng)切機(jī)。根據(jù)以上三種情形剔除所有超限的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)；

b.當(dāng)時(shí)，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性，采用可變風(fēng)速間隔εi將風(fēng)速區(qū)間劃分為k個(gè)間隔，則風(fēng)速間隔可表示為vi^min≤vi<vi^max(vi^min＝vcut_in+∑εi-1，vi^max＝vcut_in+∑εi，i＝1,2,…k，ε0＝0)；

已知最優(yōu)葉尖速比λopt時(shí)，風(fēng)機(jī)的理論最優(yōu)轉(zhuǎn)速不同vi^min≤vi<vi^max內(nèi)，有最小理論最優(yōu)轉(zhuǎn)速則最小理論最優(yōu)出力也即(為最優(yōu)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為最大風(fēng)能利用系數(shù))；風(fēng)機(jī)的最大理論最優(yōu)轉(zhuǎn)速則最大理論最優(yōu)出力也即因此，vi^min≤vi<vi^max時(shí)，實(shí)際操作過程中，時(shí)，其中ξ′、ξ″為計(jì)及波動(dòng)性的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速上下限縮放系數(shù)；相應(yīng)地，風(fēng)機(jī)有功功率輸出為其中η′、η″為計(jì)及波動(dòng)性的風(fēng)機(jī)有功功率上下限縮放系數(shù)。對(duì)風(fēng)速v進(jìn)行合理劃分并在不同vi內(nèi)，初篩剔除超限異常數(shù)據(jù)點(diǎn)；

c.當(dāng)時(shí)，有實(shí)際操作時(shí)，其中，α′、α″和κ′、κ″分別為該區(qū)間內(nèi)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和有功輸出的計(jì)及波動(dòng)性的上下限縮放系數(shù)。在該風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，可根據(jù)上述范圍要求對(duì)超限數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行初篩剔除。

d.當(dāng)vrated≤v<vcut_out時(shí)，p＝prated<pmax。實(shí)際操作時(shí)，prated-γ′≤p<prated+γ″<pmax，其中，β′、β″和γ′、γ″分別為該區(qū)間內(nèi)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和有功輸出的計(jì)及波動(dòng)性的上下限縮放系數(shù)。在該風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，可根據(jù)此范圍對(duì)超限數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行初篩剔除。

進(jìn)一步，步驟2)中所述四分位法為：根據(jù)采集到的v、ωr和p數(shù)據(jù)，建立三維散點(diǎn)圖，對(duì)上述三維數(shù)據(jù)運(yùn)用四分位法得到某維數(shù)據(jù)的有效取值范圍[fl,fu]＝[q1-μiqr,q3+μiqr]，有效取值范圍外的數(shù)據(jù)視為異常值進(jìn)行剔除。其中,f1、fu為數(shù)據(jù)有效取值范圍的上下界限；沿單維坐標(biāo)方向?qū)υ摼S數(shù)據(jù)值排序，然后依據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)將其均勻劃分為四部分，由此得到三個(gè)四分位數(shù)q1、q2、q3；iqr＝q3-q1是四分位距，μ為四分位系數(shù)，通常取1.5；

所述步驟2)中的參數(shù)優(yōu)化為：為了保證四分位系數(shù)μ取值的合理性，采用粒子群算法對(duì)μ的取值進(jìn)行尋優(yōu)，尋優(yōu)過程如下：

s201：在v、ωr和p組成的三維數(shù)據(jù)空間中，在v、ωr和p方向上分別設(shè)定μv、和μp，其取值范圍均為[a,b]，組成三維空間中的點(diǎn)在三維空間中隨機(jī)產(chǎn)生m個(gè)粒子，這些粒子代表μ的取值；

s202：初始化一組μ值的位置和速度，在第t次尋優(yōu)迭代的過程中，μ的位置表示為速度表示為

s203：得到一組μ值后，就可以確定各維坐標(biāo)方向有效數(shù)據(jù)的取值范圍；然后，對(duì)未更新前的某型號(hào)風(fēng)機(jī)理論功率計(jì)算模型進(jìn)行檢測，將三維有效數(shù)據(jù)中的風(fēng)速值帶入模型,得到該模型下的理論功率，計(jì)算該模型下的理論功率與三維有效數(shù)據(jù)中實(shí)測功率值的相關(guān)性r；

定義相關(guān)性系數(shù)

其中，pmk為第k個(gè)樣本的實(shí)際功率；ppk為第k個(gè)樣本的理論恢復(fù)功率；和分別為實(shí)際功率pmk和理論功率ppk的期望值；n為樣本個(gè)數(shù)。

s204：在每一次迭代中，μ通過跟蹤兩個(gè)極值來更新本身的速度和位置，一個(gè)極值是μ本身迄今為止搜索到的最優(yōu)解，稱為個(gè)體極值，表示為：另一個(gè)極值是到目前為止找到的最優(yōu)解，稱為全局極值，表示為：

在第t+1次迭代計(jì)算時(shí)，μi_labe根據(jù)以下規(guī)則來更新自己的速度和位置：

vi_labe(t+1)＝αvi_labe(t)+c1r1(μi_labe(t)-xi_labe(t))+c2r2(μg_labe(t)-xi_labe(t))

xi_labe(t+1)＝xi_labe(t)+vi_labe(t+1)

其中，i＝1,2,…,m；下標(biāo)labe可分別代表v、ωr和p；α為慣性權(quán)重，其主要是作用是為了權(quán)衡全局搜索和局部搜索的能力，α(α<0.8)較小時(shí)，其局部搜索能力較強(qiáng)，而α(α>1.2)較大時(shí)，其全局搜索能力較強(qiáng)，且總是搜尋新的區(qū)域；c1，c2是兩個(gè)學(xué)習(xí)因子，通常二者均取為2；r1，r2是兩個(gè)均勻分布在[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)。

s205：μ每更新一次，即依據(jù)s203得到一個(gè)r值，當(dāng)r值達(dá)到最大值或滿足要求時(shí)，迭代達(dá)到最優(yōu)，迭代結(jié)束。

進(jìn)一步，步驟3)中對(duì)于由v、ωr和p組成的三維數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行情況初始化產(chǎn)生kclus個(gè)聚類中心，通過計(jì)算所有數(shù)據(jù)點(diǎn)到聚類中心的距離對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類，將數(shù)據(jù)劃分到離它最近的那個(gè)聚類中心所在的類中，并根據(jù)劃分好的類產(chǎn)生新的聚類中心；如此反復(fù)進(jìn)行，直到滿足距離評(píng)價(jià)指標(biāo)將同一個(gè)聚類中到聚類中心的距離超過該聚類中所有點(diǎn)到聚類中心距離平均值的n倍的數(shù)據(jù)視為異常數(shù)據(jù)，并進(jìn)行刪除；通常情況下，n取2.5,3.5,4.5等，根據(jù)不同的情況選取合適的n值。

進(jìn)一步，所述步驟4)中：對(duì)于非連續(xù)的缺失點(diǎn)，直接運(yùn)用缺失點(diǎn)兩端的節(jié)點(diǎn)，建立三次hermite插值多項(xiàng)式，進(jìn)行缺失值的填補(bǔ)；對(duì)于連續(xù)的缺失點(diǎn)，采用分段三次hermite插值法，先由缺失數(shù)據(jù)段兩端的節(jié)點(diǎn)填補(bǔ)最中心的缺失值，將缺失數(shù)據(jù)分成兩段再依次進(jìn)行最中心缺失數(shù)據(jù)的填補(bǔ)。

進(jìn)一步，所述步驟5)中：根據(jù)風(fēng)機(jī)型號(hào)建立相應(yīng)理論功率計(jì)算模型，通過累計(jì)得到風(fēng)電場理論功率。風(fēng)機(jī)理論功率計(jì)算模型的建立按如下步驟進(jìn)行：

s501：采用bin方法將處理過的數(shù)據(jù)按風(fēng)速間隔τm/s得到nbin個(gè)區(qū)間劃分；

s502：求出各個(gè)小區(qū)間內(nèi)風(fēng)速和功率的平均值，得到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)(vi,pi)，i＝1,2,…,nbin；

s503：采用最小二乘法對(duì)所有點(diǎn)(vi,pi)進(jìn)行曲線擬合，得到某種型號(hào)風(fēng)機(jī)的單機(jī)理論功率計(jì)算模型為

其中，prated為常數(shù)，是風(fēng)機(jī)的理論功率最大值；p為功率；v為風(fēng)速；aj(j＝0,1,…,6)為多項(xiàng)式系數(shù)。

為了保證模型的有效性，采用滑動(dòng)窗口法更新數(shù)據(jù)；記窗口長度即模型所用的數(shù)據(jù)長度為l，上一模型建模點(diǎn)為xt-t，模型更新周期為t，則當(dāng)前建模點(diǎn)為xt,建模數(shù)據(jù)為從建模點(diǎn)xt開始至向后長度為l的數(shù)據(jù)。

為了評(píng)價(jià)理論功率恢復(fù)精度，采用相關(guān)性系數(shù)、理論功率恢復(fù)準(zhǔn)確率和理論功率恢復(fù)均方根誤差作為衡量理論功率恢復(fù)精度的指標(biāo)；相關(guān)性系數(shù)的定義參考s203中相關(guān)性系數(shù)的定義，它反映了兩個(gè)變量之間的相關(guān)性，理論功率恢復(fù)準(zhǔn)確率和理論功率恢復(fù)均方根誤差能夠反映理論功率恢復(fù)情況。

定義功率恢復(fù)準(zhǔn)確率為

定義功率恢復(fù)均方根誤差為

其中，pmk為第k個(gè)樣本的實(shí)際功率，ppk為第k個(gè)樣本的理論功率，n為樣本個(gè)數(shù)，pcap為風(fēng)電場額定裝機(jī)容量。

進(jìn)一步，所述步驟6)中，對(duì)風(fēng)電場的實(shí)測功率進(jìn)行積分可以得到風(fēng)電場實(shí)際發(fā)電量；根據(jù)各風(fēng)機(jī)實(shí)測風(fēng)速值和不同型號(hào)風(fēng)機(jī)理論功率計(jì)算模型得到的各風(fēng)機(jī)的理論功率并累加得到風(fēng)電場的理論功率，然后，通過積分得到相應(yīng)的風(fēng)電場理論發(fā)電量；上述內(nèi)容用公式表達(dá)如下

其中，gprac為風(fēng)電場實(shí)際發(fā)電量，t0為初始時(shí)刻，tinte為積分時(shí)間，pprac(v(t))為風(fēng)電場實(shí)際功率，gtheo為風(fēng)電場理論發(fā)電量，ptheo(v(t))為風(fēng)電場理論功率。

定義棄風(fēng)率ρ為

其中，gtheo為理論發(fā)電量，gprac為實(shí)際發(fā)電量；

定義最優(yōu)風(fēng)電利用率η為

其中，g′theo為每月理論發(fā)電量，g′full為每月滿發(fā)電量；

定義統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的最大極限風(fēng)電利用率為

ηmax＝max(η)

定義統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的最小極限風(fēng)電利用率為

ηmin＝min(η)

根據(jù)定義，利用上述計(jì)算得到的風(fēng)電場理論發(fā)電量、實(shí)際發(fā)電量和額定裝機(jī)容量等，可以分析并評(píng)價(jià)風(fēng)電場的風(fēng)電利用情況。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明的方法以風(fēng)電場scada系統(tǒng)記錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)各型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)棄風(fēng)限電等引發(fā)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)，避免了機(jī)組檢修、故障、限電等情況下對(duì)風(fēng)電利用率計(jì)算帶來的偏差等不利影響。如圖2所示為三維原始采樣數(shù)據(jù)，圖3為三維原始數(shù)據(jù)經(jīng)過異常數(shù)據(jù)剔除后的效果圖，圖4為風(fēng)速、功率在相應(yīng)單維坐標(biāo)方向經(jīng)過缺失值填補(bǔ)后組合成的二維散點(diǎn)圖。通過這3幅圖可以看出采用一系列數(shù)據(jù)質(zhì)量控制手段進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除和缺失值填補(bǔ)后地處理效果。

(2)本發(fā)明方法基于不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)不同型號(hào)風(fēng)機(jī)單獨(dú)建立相應(yīng)理論功率計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，恢復(fù)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的理論功率并進(jìn)行累加，從而得到風(fēng)電場理論功率，準(zhǔn)確度更高。圖5為根據(jù)風(fēng)機(jī)型號(hào)建立的單機(jī)理論功率計(jì)算模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)是如下

其中，prated為常數(shù)，是風(fēng)機(jī)的理論功率最大值；p為功率；v為風(fēng)速；aj(j＝0,1,…,6)為多項(xiàng)式系數(shù)。

(3)本發(fā)明在風(fēng)電場理論功率計(jì)算的基礎(chǔ)上，給出了衡量風(fēng)電利用率的計(jì)算指標(biāo)：相關(guān)性系數(shù)、理論功率恢復(fù)準(zhǔn)確率和理論功率恢復(fù)均方根誤差，合理解決了風(fēng)電利用率的評(píng)價(jià)問題。

(4)本發(fā)明的方法基于風(fēng)電場scada系統(tǒng)的記錄數(shù)據(jù)，提出的風(fēng)電場理論功率計(jì)算方法為風(fēng)電利用率的計(jì)算提供了一種有效的途徑，也為風(fēng)電場運(yùn)行情況的評(píng)估、風(fēng)電與電網(wǎng)的規(guī)劃發(fā)展等提供了科學(xué)的依據(jù)。

附圖說明

圖1所示為風(fēng)電利用率計(jì)算方法的實(shí)施步驟示意圖。

圖2為采集到的單機(jī)原始風(fēng)速、功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的三維數(shù)據(jù)。

圖3為采集到的單機(jī)原始風(fēng)速、功率的二維數(shù)據(jù)。

圖4為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過異常數(shù)據(jù)剔除后的風(fēng)速、功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的三維數(shù)據(jù)。

圖5為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過異常數(shù)據(jù)剔除后的風(fēng)速、功率二維數(shù)據(jù)效果圖。

圖6為風(fēng)速、功率在單一方向經(jīng)過缺失值填補(bǔ)后組合成的二維散點(diǎn)圖。

圖7為利用bin方法得到的風(fēng)電單機(jī)理論功率計(jì)算模型。

圖8為采用滑動(dòng)窗口法的建模數(shù)據(jù)更新機(jī)制。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

某一風(fēng)電場擁有30臺(tái)1.5mw的風(fēng)電機(jī)組，采樣周期為5min/點(diǎn)，研究數(shù)據(jù)為2015年1月1日至2015年12月31日采集到的數(shù)據(jù)。

如圖1所示為風(fēng)電利用率計(jì)算方法的實(shí)施步驟示意圖，圖2為采集到的單機(jī)原始風(fēng)速、功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，圖3為采集到的單機(jī)原始風(fēng)速、功率數(shù)據(jù)，一種基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的風(fēng)電利用率計(jì)算方法具體包括以下步驟：

步驟一：基于風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理的異常數(shù)據(jù)初篩剔除，異常數(shù)據(jù)占數(shù)據(jù)總量的比例越小，采用數(shù)據(jù)預(yù)處理方法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)剔除的準(zhǔn)確度越高。根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，可對(duì)異常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選和剔除。根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，將風(fēng)機(jī)的運(yùn)行區(qū)間及運(yùn)行特征分為如下5個(gè)區(qū)間：

區(qū)間1：0≤v<vcut_in,p＝0；

區(qū)間2：

區(qū)間3：

區(qū)間4：vrated≤v<vcut_out,p＝prated<pmax；

區(qū)間5：v≥vcut_out,p＝0。

然后，分別采集相同時(shí)間段下相同采樣周期的v、ωr和p的時(shí)間序列，通過風(fēng)機(jī)運(yùn)行原理分析得到如下數(shù)據(jù)剔除原則：

a.當(dāng)0≤v<vcut_in時(shí)，機(jī)組空轉(zhuǎn)未并網(wǎng)，p＝0；當(dāng)v≥vcut_out時(shí)，風(fēng)輪葉片順槳且風(fēng)輪低速旋轉(zhuǎn)或剎車，機(jī)組離網(wǎng)切機(jī)，p＝0；當(dāng)v≠0，機(jī)組發(fā)生故障或人為干預(yù)時(shí)剎車，ωr＝0，機(jī)組離網(wǎng)切機(jī)。根據(jù)以上三種情形剔除所有超限的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)；

b.當(dāng)時(shí)，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性，采用可變風(fēng)速間隔εi將風(fēng)速區(qū)間劃分為k個(gè)間隔，則風(fēng)速間隔可表示為vi^min≤vi<vi^max(vi^min＝vcut_in+∑εi-1，vi^max＝vcut_in+∑εi，i＝1,2,…k，ε0＝0)；

已知最優(yōu)葉尖速比λopt時(shí)，風(fēng)機(jī)的理論最優(yōu)轉(zhuǎn)速不同vi^min≤vi<vi^max內(nèi)，有最小理論最優(yōu)轉(zhuǎn)速則最小理論最優(yōu)出力也即(為最優(yōu)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為最大風(fēng)能利用系數(shù))；風(fēng)機(jī)的最大理論最優(yōu)轉(zhuǎn)速則最大理論最優(yōu)出力也即因此，vi^min≤vi<vi^max時(shí)，實(shí)際操作過程中，時(shí)，其中ξ′、ξ″為計(jì)及波動(dòng)性的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速上下限縮放系數(shù)；相應(yīng)地，風(fēng)機(jī)有功功率輸出為其中η′、η″為計(jì)及波動(dòng)性的風(fēng)機(jī)有功功率上下限縮放系數(shù)。對(duì)風(fēng)速v進(jìn)行合理劃分并在不同vi內(nèi)，初篩剔除超限異常數(shù)據(jù)點(diǎn)；

c.當(dāng)時(shí)，有實(shí)際操作時(shí)，其中，α′、α″和κ′、κ″分別為該區(qū)間內(nèi)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和有功輸出的計(jì)及波動(dòng)性的上下限縮放系數(shù)。在該風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，可根據(jù)上述范圍要求對(duì)超限數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行初篩剔除。

d.當(dāng)vrated≤v<vcut_out時(shí)，p＝prated<pmax。實(shí)際操作時(shí)，prated-γ′≤p<prated+γ″<pmax，其中，β′、β″和γ′、γ″分別為該區(qū)間內(nèi)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和有功輸出的計(jì)及波動(dòng)性的上下限縮放系數(shù)。在該風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，可根據(jù)此范圍對(duì)超限數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行初篩剔除。

綜上，根據(jù)上述剔除原則對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選和剔除，提高有效數(shù)據(jù)在總數(shù)據(jù)量中的占比。

步驟二：采用參數(shù)優(yōu)化的四分位法進(jìn)一步對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

經(jīng)過數(shù)據(jù)初篩，保留的數(shù)據(jù)點(diǎn)中有效數(shù)據(jù)比例大大增加，但是依然存在可觀的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)。進(jìn)一步地，基于三維散點(diǎn)圖，對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行四分位法異常數(shù)據(jù)剔除；同時(shí)，采用粒子群算法對(duì)四分位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)采集到的v、ωr和p數(shù)據(jù)，建立三維散點(diǎn)圖，對(duì)三維數(shù)據(jù)運(yùn)用四分位法得到數(shù)據(jù)的有效取值范圍[fl,fu]＝[q1-μiqr,q3+μiqr]，并將有效取值范圍外的數(shù)據(jù)視為異常值進(jìn)行剔除；其中,f1、fu為數(shù)據(jù)有效取值范圍的上下界限；沿單維坐標(biāo)方向?qū)υ摼S數(shù)據(jù)值排序，然后依據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)將其均勻劃分為四部分，由此得到三個(gè)四分位數(shù)q1、q2、q3；iqr＝q3-q1是四分位距，μ為四分位系數(shù)，通常取1.5；

為了保證四分位系數(shù)μ取值的合理性，采用粒子群算法對(duì)μ的取值進(jìn)行尋優(yōu)，尋優(yōu)過程如下：

在v、ωr和p組成的三維數(shù)據(jù)空間中，在v、ωr和p方向上分別設(shè)定μv、μωr和μp，其取值范圍均為[a,b]，組成三維空間中的點(diǎn)μ＝(μv,μωr,μp)，在三維空間中隨機(jī)產(chǎn)生m個(gè)粒子，這些粒子代表μ的取值；

初始化一組μ值的位置和速度，在第t次尋優(yōu)迭代的過程中，μ的位置表示為：速度表示

得到一組μ值后，就可以確定各維坐標(biāo)方向有效數(shù)據(jù)的取值范圍；然后，對(duì)未更新前的某型號(hào)風(fēng)機(jī)理論功率計(jì)算模型進(jìn)行檢測，將三維有效數(shù)據(jù)中的風(fēng)速值帶入模型,得到該模型下的理論功率，計(jì)算該模型下的理論功率與三維有效數(shù)據(jù)中實(shí)測功率值的相關(guān)性r；

定義相關(guān)性系數(shù)

其中，pmk為第k個(gè)樣本的實(shí)際功率；ppk為第k個(gè)樣本的理論恢復(fù)功率；和分別為實(shí)際功率pmk和理論功率ppk的期望值；n為樣本個(gè)數(shù)。

在每一次迭代中，μ通過跟蹤兩個(gè)極值來更新本身的速度和位置，一個(gè)極值是μ本身迄今為止搜索到的最優(yōu)解，稱為個(gè)體極值，表示為：另一個(gè)極值是到目前為止找到的最優(yōu)解，稱為全局極值，表示為：

在第t+1次迭代計(jì)算時(shí)，μi_labe根據(jù)以下規(guī)則來更新自己的速度和位置：

vi_labe(t+1)＝αvi_labe(t)+c1r1(μi_labe(t)-xi_labe(t))+c2r2(μg_labe(t)-xi_labe(t))

xi_labe(t+1)＝xi_labe(t)+vi_labe(t+1)

其中，i＝1,2,…,m；下標(biāo)labe可分別代表v、ωr和p；α為慣性權(quán)重，其主要是作用是為了權(quán)衡全局搜索和局部搜索的能力，α(α<0.8)較小時(shí)，其局部搜索能力較強(qiáng)，而α(α>1.2)較大時(shí)，其全局搜索能力較強(qiáng)，且總是搜尋新的區(qū)域；c1，c2是兩個(gè)學(xué)習(xí)因子，通常二者均取為2；r1，r2是兩個(gè)均勻分布在[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)。

μ每更新一次，就可以根據(jù)前述相關(guān)性系數(shù)定義得到一個(gè)r值，當(dāng)r值達(dá)到最大值或滿足要求時(shí)，迭代達(dá)到最優(yōu)，迭代結(jié)束。

步驟三：采用聚類算法深入剔除異常數(shù)據(jù)，對(duì)于由v、ωr和p組成的三維數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行情況初始化產(chǎn)生4個(gè)聚類中心，通過計(jì)算所有數(shù)據(jù)點(diǎn)到聚類中心的距離對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類，將數(shù)據(jù)劃分到離它最近的那個(gè)聚類中心所在的類中，并根據(jù)劃分好的類產(chǎn)生新的聚類中心；如此反復(fù)進(jìn)行，直到滿足距離評(píng)價(jià)指標(biāo)將同一個(gè)聚類中到聚類中心的距離超過該聚類中所有點(diǎn)到聚類中心距離平均值的n倍的數(shù)據(jù)視為異常數(shù)據(jù)，并進(jìn)行刪除；通常情況下，n可以取2.5,3.5,4.5等，可以根據(jù)不同的情況選取合適的n值。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過異常數(shù)據(jù)剔除后的效果圖，如圖4、5所示，圖4為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過異常數(shù)據(jù)剔除后的風(fēng)速、功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的三維數(shù)據(jù)，圖5為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過異常數(shù)據(jù)剔除后的風(fēng)速、功率二維數(shù)據(jù)效果圖。

步驟四：采用分段hermite插值進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)重構(gòu)，對(duì)于非連續(xù)的缺失點(diǎn)，可以直接運(yùn)用缺失點(diǎn)兩端的節(jié)點(diǎn)，建立三次hermite插值多項(xiàng)式，進(jìn)行缺失值的填補(bǔ)；對(duì)于連續(xù)的缺失點(diǎn)，采用分段三次hermite插值法，先由缺失數(shù)據(jù)段兩端的節(jié)點(diǎn)填補(bǔ)最中心的缺失值，將缺失數(shù)據(jù)分成兩段再依次進(jìn)行最中心缺失數(shù)據(jù)的填補(bǔ)。如圖6所示，為風(fēng)速、功率在相應(yīng)坐標(biāo)維度經(jīng)過缺失值填補(bǔ)后組合成的二維散點(diǎn)圖。

其中，單一坐標(biāo)維度填補(bǔ)數(shù)據(jù)所構(gòu)造插值多項(xiàng)式的方法為：對(duì)于時(shí)間序列x＝[x1,x2,x3,…,xn]中互異的節(jié)點(diǎn)xk,xk+1，給定的函數(shù)值f(xi)＝y(tǒng)i,f′(xi)＝y(tǒng)′i,i＝k，k+1。則其存在唯一的hermite插值多項(xiàng)式h3(x)滿足

采用基函數(shù)法，令

h3(x)＝αk(x)yk+αk+1(x)yk+1+βk(x)y′k+βk+1(x)y′k+1

其中，αk(x)、αk+1(x)、βk(x)、βk+1(x)是關(guān)于節(jié)點(diǎn)xk及xk+1的三次hermite插值基函數(shù)，它們應(yīng)分別滿足條件

αk(xk)＝1,αk(xk+1)＝0,α′k(xk)＝α′k(xk+1)＝0；

αk+1(xk)＝0,αk+1(xk+1)＝1,α′k+1(xk)＝α′k+1(xk+1)＝0；

βk(xk)＝βk(xk+1)＝0,β′k(xk)＝1,β′k(xk+1)＝0；

βk+1(xk)＝βk+1(xk+1)＝0,β′k+1(xk)＝0,β′k+1(xk+1)＝1.

解得

步驟五：建立某型號(hào)風(fēng)機(jī)理論功率計(jì)算模型及風(fēng)電場理論功率恢復(fù)。如圖7所示，根據(jù)風(fēng)機(jī)型號(hào)建立相應(yīng)理論功率計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，恢復(fù)每臺(tái)風(fēng)機(jī)的理論功率，并通過累加得到風(fēng)電場理論功率。

采用bin方法將處理過的數(shù)據(jù)按風(fēng)速間隔τm/s得到nbin個(gè)區(qū)間劃分；

求出各個(gè)小區(qū)間內(nèi)風(fēng)速和功率的平均值，得到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)(vi,pi)，i＝1,2,…,nbin；

采用最小二乘法對(duì)通過點(diǎn)(vi,pi)的曲線進(jìn)行擬合，得到某種型號(hào)風(fēng)機(jī)的單機(jī)理論功率的計(jì)算模型為

其中，prated為常數(shù)，是風(fēng)機(jī)的理論功率最大值；p為功率；v為風(fēng)速；aj(j＝0,1,…,6)為多項(xiàng)式系數(shù)。

為了保證模型的有效性，需要定期對(duì)模型進(jìn)行更新，這里將通過更新數(shù)據(jù)來完成對(duì)模型的更新，采用滑動(dòng)窗口法更新數(shù)據(jù)；記窗口長度即模型所用的數(shù)據(jù)長度為l，上一模型建模點(diǎn)為xt-t，模型更新周期為t，則當(dāng)前建模點(diǎn)為xt,建模數(shù)據(jù)為從建模點(diǎn)xt開始至向后長度為l的數(shù)據(jù)，更新機(jī)制如圖8所示。

為了評(píng)價(jià)理論功率恢復(fù)精度，采用相關(guān)性系數(shù)、理論功率恢復(fù)準(zhǔn)確率和理論功率恢復(fù)均方根誤差作為衡量理論功率恢復(fù)精度的指標(biāo)。其中，相關(guān)性系數(shù)可以反映兩個(gè)變量之間的相關(guān)性，理論功率恢復(fù)準(zhǔn)確率和理論功率恢復(fù)均方根誤差能夠反映理論功率恢復(fù)情況。

定義功率恢復(fù)準(zhǔn)確率為

定義功率恢復(fù)均方根誤差為

其中，pmk為第k個(gè)樣本的實(shí)際功率，ppk為第k個(gè)樣本的理論功率，n為樣本個(gè)數(shù)，pcap為風(fēng)電場額定裝機(jī)容量。

步驟六：計(jì)算風(fēng)電利用率相關(guān)指標(biāo)，對(duì)風(fēng)電場的實(shí)測功率進(jìn)行積分可以得到風(fēng)電場實(shí)際發(fā)電量；根據(jù)各風(fēng)機(jī)實(shí)測風(fēng)速值和不同型號(hào)風(fēng)機(jī)理論功率計(jì)算模型得到的各風(fēng)機(jī)的理論功率并累加得到風(fēng)電場的理論功率，然后，通過積分得到相應(yīng)的風(fēng)電場理論發(fā)電量；可用公式表達(dá)如下

其中，gprac為風(fēng)電場實(shí)際發(fā)電量，t0為初始時(shí)刻，tinte為積分時(shí)間，pprac(v(t))為風(fēng)電場實(shí)際功率，gtheo為風(fēng)電場理論發(fā)電量；ptheo(v(t))為風(fēng)電場理論功率。

定義棄風(fēng)率ρ為

其中，gtheo為理論發(fā)電量，gprac為實(shí)際發(fā)電量。

定義最優(yōu)風(fēng)電利用率η為

其中，g′theo為每月理論發(fā)電量，g′full為每月滿發(fā)電量；

定義統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的最大極限風(fēng)電利用率為

ηmax＝max(η)

定義統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的最小極限風(fēng)電利用率為

ηmin＝min(η)

根據(jù)定義，利用上述計(jì)算得到的風(fēng)電場理論發(fā)電量、實(shí)際發(fā)電量和額定裝機(jī)容量等，可以分析并評(píng)價(jià)風(fēng)電場的風(fēng)電利用情況。

以上對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說明。顯然，本發(fā)明并不局限于所描述的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員還可據(jù)此做出多種變化，但任何與本發(fā)明等同或相類似的變化都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。