北極星太陽能光伏網訊:本期邀請長期在電網公司從事新能源功率預測研究的專家，詳細講解各種新能源功率預測評價指標的優劣，解讀華北地區最新修訂版功率預測考核採用的最新指標。
（來源：微信公眾號「我愛新能源」 作者：小新）
背景
1994年Landberg開發了一套風電功率預測系統，並提出了均方根誤差（RMSE）的功率預測指標；2013年國家能源局發布了能源行業標準《風電功率預測系統功能規範》(NB/T 31046-2013)與《光伏發電站功率預測系統技術要求》(NB/T 32011-2013)，明確風電場、光伏電站的功率預測評價指標包含均方根誤差、平均絕對誤差、相關係數、最大預測誤差等，自此基於均方根誤差等指標成了新能源功率預測中通用的評價指標。
2019年以前，華北新能源功率預測評價指標也沿用了均方根誤差等指標，2019年末，國家能源局華北監管局牽頭修訂《華北區域發電廠併網運行管理實施細則》，進一步改進了評價指標。
功率預測評價指標的基本條件
1）客觀性，評價指標能真實反映場站的預測水平高低；
2）適應性，考核指標應有廣泛適應性，適應性指不論風電場還是光伏電站、不論是正常運行階段還是啟停過渡過程，指標均能適用；
3）統一性，統一性是指無論統計周期長短，評價指標都可應用，不需要因不同的統計周期而引入不同的指標；
4）對稱性，對稱性指無論誤差是正偏離或負偏離，只要偏離量相同，考核就相同。不會誘導場站預測時做出傾向性的選擇；
5）穩定性，穩定性是指獎勵誤差平穩的預測，引導減少誤差嚴重突變的預測，因為從電力系統應對情況來說，平穩的預測結果意味著系統可控，大幅的誤差突變可能突破系統實時的備用極限。
原有指標的局限性
1. 均方根誤差(RMSE)
均方根誤差因其眾多優點，被作為評價新能源場站功率預測最常用的指標。均方根誤差作為關於預測偏差的函數，能真實評判新能源場站的整體預測水平，具有客觀性與對稱性；且在不同統計周期的預測中，都能統一應用。
但是，均方根誤差指標也有不足之處，由於其誤差平均效應，容易出現把預測不準確的情況給掩蓋掉的現象。例如，對於光伏功率預測，晚上時段的誤差率幾乎為零，而系統更關心其白天發電時段的預測精度。行標文件《光伏發電站功率預測系統技術要求》(NB/T 32011-2013)對預測性能指標的要求是考核發電時段的預測準確率，而發電時段跟區域、季節、天氣等眾多因素密切相關，不同季節、不同區域的日出日落時間均不相同，因而發電時段的統計周期無法統一確定。
原有光伏功率預測評價指標採用全天96點為統計周期，是一種退而求其次的妥協方法。例如冬至日照只有9個小時左右，而夏至日照能達到15個小時左右，採用均方根誤差指標，冬天的預測誤差比夏天小，並不能說明冬天的預測水平就比夏天提高了，而是因為誤差指標被冬天更長的夜間100%準確率平均了而已。
在上述場景下，均方根誤差的場景適應性是比較差的，同一個誤差值，在不同季節、不同區域代表的預測水平都不一樣，指標的客觀性存在一定不足。此外，實際算例也表明，均方根誤差指標在穩定性上的表現也較差，指標無法區分樣本的誤差波動性，導致某些預測偏差嚴重的情況無法得到準確評價。
2. 平均絕對誤差(MAE)
平均絕對誤差與均方根誤差類似，具有誤差對稱性、客觀性與統一性，也能很好反映預測誤差的實際情況，但是平均絕對誤差的適應性與穩定性比均方根誤差更差，對異常誤差更不敏感，掩蓋誤差畸變對統計周期內整體誤差率的影響。因此，平均絕對誤差指標的應用較少，只在西班牙等少部分國家採用。
3. 平均相對誤差(MRE)
平均相對誤差能直觀反映預測誤差偏離場站實際出力的程度，也能應用於不同的預測周期，具有統一性；然而誤差大小並不能說明場站的預測水平，對於實際出力接近零的點，誤差會特別大，失去了指標的客觀性；同時平均相對誤差引入了誤差之外的變量，對於枯風期與寡照期的適應性較差，預測誤差畸變的情況也容易被掩蓋，穩定性差。指標使用範圍較少。
4. 最大預測誤差(MAX)
最大預測誤差為單點預測，反映預測功率最大偏離程度，一般不單獨使用，配合其他考核指標一起使用。
5. 調和相對誤差(HRE)
調和相對誤差引入了某點預測誤差佔總誤差的權重，停機工況下對誤差率的影響可以忽略，適應性、穩定性好，也具有統一性；但是因為引入了誤差之外的因子，會引導場站進行預測時，做出與實際偏高預測的傾向性，損害了指標的客觀性，當然此指標也不具備誤差對稱性。調和相對誤差的指標目前應用於部分地區新能源場站的超短期預測。
6. 相關係數(r)
相關係數並不直接反映預測偏差，而是反映預測值、真實值各自與其均值差的相關性關係，並不能直接反映各場站預測水平的高低，客觀性差，同時也不具備誤差對稱性；引入均值變量後，適應性與穩定性也較差。極少使用相關係數的指標來評價新能源場站的功率預測水平。
新指標——加權均方根誤差指標
傳統各評價指標均有相應的不足之處，均方根誤差因其眾多優良特性，在目前的評價指標佔主導地位。考慮通過引入誤差權重，改進均方根誤差適應性、穩定性不足的缺陷，優化功率預測的評價指標。
加權均方根誤差(WRMSE)
其中：Accday-ahead為次日預測準確率；Cap為新能源電站考核日的最大開機容量（單位：MW）；pi為i時刻新能源電站實際功率（單位：MW）；p'i為i時刻新能源電站預測功率（單位：MW）；n為該日考核的預測點數。
加權均方根誤差在保留目前均方根誤差對稱性、客觀性、統一性的優良特性前提下，同時優化了均方根誤差的不足。
例如，對於如光伏這種發電時段無法確定的場站，晚上停機時誤差極小，但其權重也極小，不影響實際發電時段功率預測誤差，能真實反映場站的預測水平，加強了指標的適應性，強化了指標的客觀性與統一性；又如，如果某點的預測誤差出現了大的畸變，而導致突破了系統預留的備用，則此點誤差佔比權重也會很大，最終提高了整體誤差率，強化了對功率預測結果穩定性的要求。
實際上，均方根誤差是加權均方根誤差的特殊型式，當預測周期內各點的誤差相同，即表現出絕對的穩定性後，各點誤差的權重相同，加強均方根誤差指標就簡化為傳統均方根誤差。
總結
總結華北預測考核新指標，較傳統均方根指標的改進之處主要包括：
1）提升指標評價的適應性和統一性，不論風電場還是光伏電站、不論是正常運行階段還是啟停過渡過程，指標均能適用。特別是對於光伏預測，既去除夜間對預測評價結果的影響，又避免了光伏電站的日出日落時間的判斷。
2）增加對預測時序穩定性的評價，獎勵誤差平穩的功率預測，引導減少嚴重誤差突變的預測，從而儘量避免用盡電力系統的實時備用容量。
3）延續對稱性預測結果的引導，無論誤差是正偏離或負偏離，只要偏離量相同，考核就相同，不會引導場站預測時做出傾向性的選擇。
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