JP2023085635A - Wind state estimation device and wind state estimation method - Google Patents
Wind state estimation device and wind state estimation method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023085635A JP2023085635A JP2021199760A JP2021199760A JP2023085635A JP 2023085635 A JP2023085635 A JP 2023085635A JP 2021199760 A JP2021199760 A JP 2021199760A JP 2021199760 A JP2021199760 A JP 2021199760A JP 2023085635 A JP2023085635 A JP 2023085635A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- period
- wind
- reference data
- regression model
- estimation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 48
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 27
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims description 19
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 15
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 230000004931 aggregating effect Effects 0.000 claims 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 37
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 19
- 230000008569 process Effects 0.000 description 18
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 235000019580 granularity Nutrition 0.000 description 7
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- PXFBZOLANLWPMH-UHFFFAOYSA-N 16-Epiaffinine Natural products C1C(C2=CC=CC=C2N2)=C2C(=O)CC2C(=CC)CN(C)C1C2CO PXFBZOLANLWPMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 3
- 238000012950 reanalysis Methods 0.000 description 3
- 238000012549 training Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013434 data augmentation Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- SDIXRDNYIMOKSG-UHFFFAOYSA-L disodium methyl arsenate Chemical compound [Na+].[Na+].C[As]([O-])([O-])=O SDIXRDNYIMOKSG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000002759 z-score normalization Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
本発明は、風況推定装置及び風況推定方法に関する。 The present invention relates to a wind condition estimation device and a wind condition estimation method.
近年、カーボンニュートラルが注目されている。カーボンニュートラルとは、温室効果ガスの二酸化炭素の排出量を削減することで、地球環境を保全しようとする国際的な取り組みである。日本政府も2020年10月に、2050年までに温室効果ガスの排出を全体としてゼロにする「2050年カーボンニュートラル」を目標として掲げた。温暖効果ガスの排出量削減に向け、新事業に取り組む企業や、経営方針を転換する企業も現れつつある。とくに発電分野には、低炭素化のため、再生可能エネルギー発電設備の更なる導入が期待されている。 In recent years, carbon neutrality has attracted attention. Carbon neutrality is an international effort to conserve the global environment by reducing emissions of carbon dioxide, a greenhouse gas. In October 2020, the Japanese government also set a goal of "carbon neutrality by 2050," which aims to reduce greenhouse gas emissions to zero by 2050. Some companies are starting new businesses or changing their management policies to reduce greenhouse gas emissions. Especially in the field of power generation, further introduction of renewable energy power generation equipment is expected for low carbonization.
再生可能エネルギー発電設備の導入に際して、事業者は事業計画段階で事業性評価を実施する。事業性評価では、発電設備のキャッシュ・フローを予測し、予測したキャッシュ・フローを、収益性や、融資返済の確実性の観点で評価する。再生可能エネルギー発電設備の場合、キャッシュ・フローの収入は売電収入であり、キャッシュ・フローの支出は建設費用や保守点検費用を含む。 When introducing renewable energy power generation equipment, business operators conduct business feasibility evaluations at the business planning stage. In the business feasibility evaluation, the cash flow of the power generation facility is predicted, and the predicted cash flow is evaluated from the perspective of profitability and certainty of loan repayment. In the case of renewable energy power generation facilities, cash flow income is electricity sales income, and cash flow expenditure includes construction costs and maintenance and inspection costs.
再生可能エネルギー発電設備の事業期間は20年程度であり、気象は年変動する性質があるため、売電収入の予測期間は、10-20年程度とすることが多い。10-20年後の気象を精度よく予測することは難しいため、気象予報ではなく、過去の気象が繰り返されると想定して、売電収入を予測する。しかし、一つの発電設備のために、10-20年間の気象観測をすることは現実的ではない。そこで、発電事業地で1年程度の気象観測を実施し、10-20年間の気象を表現する適当な参照用データを用意し、気象観測結果と参照用データの相関関係を算出し、相関関係と参照用データに基づいて、10-20年間の気象データを生成することが一般的である。生成された気象データに基づいて発電電力量を計算し、売電収入を予測する。
The business period of renewable energy power generation facilities is about 20 years, and the weather tends to fluctuate from year to year. Since it is difficult to accurately predict the
ここで、気象観測結果と参照用データの相関関係を算出し、相関関係と参照用データに基づいて、非観測期間における風況を推定する方法は、例えば特許文献1で開示されている。
A method of calculating the correlation between the weather observation result and the reference data and estimating the wind conditions during the non-observation period based on the correlation and the reference data is disclosed in
事業性評価では、予測値だけではなく、予測値の取り得る範囲や分布も考慮する必要がある。例えば、売電収入が予測値より下振れした場合であっても融資返済に支障がないことを確認することがある。予測値の不確かさも算出できれば、売電収入が下振れしても融資返済に支障がない発電設備のみ事業化する、あるいは積立金を準備する、といった対応を検討でき、有用である。 In the business feasibility evaluation, it is necessary to consider not only the predicted value but also the possible range and distribution of the predicted value. For example, it may be confirmed that the loan repayment will not be hindered even if the electricity sales revenue falls below the predicted value. If the uncertainty of the predicted value can also be calculated, it will be useful to consider measures such as commercializing only power generation facilities that will not hinder loan repayment even if the revenue from electricity sales declines, or preparing a reserve fund.
特許文献1には、各時刻における一つの予測値を算出する方法が開示されている。しかし、予測値が取り得る範囲や分布といった不確かさを算出する方法は開示されていない。
本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、非観測期間における風況を、不確かさも含めて推定する風況推定装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a wind condition estimating apparatus for estimating wind conditions including uncertainties during non-observation periods.
前記課題を解決するために、本発明の風況推定装置は、風力発電設備の設置場所付近で測定した風況を示す校正用データ、均質な測定方法又は解析方法で得られた風況を示す参照用データが格納された記憶部と、前記校正用データに含まれる期間を第1の期間、前記参照用データに含まれる期間を第2の期間、前記第2の期間から前記第1の期間を除いた期間を第3の期間とするとき、前記校正用データと前記参照用データに基づいて回帰モデルを学習する回帰モデル学習部と、前記第3の期間における前記参照用データと前記回帰モデルに基づいて、推定結果の不確かさも含めて風況を推定する風況推定部を備えることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。 In order to solve the above-mentioned problems, the wind resource estimation device of the present invention provides calibration data indicating the wind resource measured in the vicinity of the installation site of the wind power generation facility, and indicates the wind resource obtained by a homogeneous measurement method or analysis method. a storage unit storing reference data; a period included in the calibration data as a first period; a period included in the reference data as a second period; and from the second period to the first period. a regression model learning unit that learns a regression model based on the calibration data and the reference data when the period excluding is a third period; and the reference data and the regression model in the third period and a wind condition estimating unit for estimating the wind condition including the uncertainty of the estimation result. Other aspects of the present invention are described in embodiments below.
本発明によれば、非観測期間における風況を、不確かさも含めて推定する風況推定装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the wind condition estimation apparatus which estimates the wind condition in a non-observation period including uncertainty can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。風況推定装置の特徴的な構成や処理を説明するが、風況推定装置には以下で省略した構成や処理が存在しうる。
(全体構成)
図1は、実施形態に係る風況推定装置100の概略構成を示す図である。風況推定装置100は、処理部10、記憶部20、入力部30、表示部40、通信部50を有する。記憶部20は、校正用データ21、参照用データ22、学習済み回帰モデル23、風況推定結果24などを格納する、処理部10は、データ入力部11、回帰モデル学習部12、風況推定部13、画面表示処理部14などを備える。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Although the characteristic configuration and processing of the wind condition estimation device will be described, the wind condition estimation device may include configurations and processing that are omitted below.
(overall structure)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a wind
(動作環境)
風況推定装置100は、通信機能を有する電子計算機である。処理部10は、中央演算処理装置(CPU)であり、メモリに格納される各種プログラムを実行する。メモリは、風況推定装置100が処理を実行する各種プログラムおよび一時的なデータを保持する。表示部40は、ディスプレイなどであり、風況推定装置100による処理の実行状況や実行結果などを表示する。入力部30は、キーボードやマウスなどのコンピュータに指示を入力するための装置であり、プログラム起動などの指示を入力する。通信部50は、他の装置と各種データやコマンドを交換する。記憶部20は、風況推定装置100が処理を実行するための各種データを保存する。回帰モデルに行列計算が含まれる場合、計算高速化の観点でGPUを備えていると好ましい。インターフェースとして、入出力部としてのタッチパネル、音声入力を備えてもよい。
(Operating environment)
The wind
(校正用データ)
校正用データ21は、風力発電事業地の付近で測定した風況の時系列データである。データ入力部11は校正用データ21を記憶部20に保存する。
(data for calibration)
The
即時性を重視して風況推定する場合、データ入力部11は校正用データ21を取得するデータ取得機能を有し、測定器とデータ入力部11が通信できるようにすると好ましい。風況には、少なくとも風速が含まれる。
When estimating wind conditions with emphasis on immediacy, it is preferable that the
測定器には、風況観測塔、ドップラライダ(Doppler Lidar)、ドップラソーダ(Doppler Sodar)が含まれる。風況観測塔とは、60m程度の鉄塔からアームを張り出して風向風速計を備えた測定器である。ドップラライダとは、レーザ光を発射し、エアロゾルの散乱光を受信して風速や風向を計測する測定器である。なお、ドップラライダは地面に設置して上空にレーザ光を発射する方式、風力発電設備のナセルの上に設置して前方に発射する方式、無人航空機(ドローン)に設置する方式であってよい。ドップラソーダは、音波を発射して、風速や風向を計測する測定器である。 Instruments include wind towers, Doppler Lidar, and Doppler Sodar. A wind condition observation tower is a measuring instrument equipped with an anemometer by protruding an arm from a steel tower of about 60m. A Doppler lidar is a measuring device that emits laser light and receives scattered light from aerosols to measure wind speed and direction. The Doppler lidar may be installed on the ground and emit laser light into the sky, installed on the nacelle of the wind power generation facility and emitted forward, or installed on an unmanned aerial vehicle (drone). A Doppler soda is a measuring instrument that emits sound waves to measure wind speed and direction.
風速のほかに、風向が含まれると好ましい。日本は国土の7割が山岳地形であり、山岳地形に建設される風力発電設備も増えつつある。山岳地形における風力発電の発電計算では、風速だけではなく風向の考慮も必要である。平地や沿岸をはじめとする平坦地形と比較すると、周辺の起伏や粗度の影響を受けやすい。また、山岳地形における風力発電事業は、一台ではなく複数台で設置されることが多く、ウェイクの影響を受けやすい。ウェイクとは、風上側の風力発電設備によって、風下側の風力発電設備が受ける風が、自由気流と比較して減少する現象である。風下側の風力発電設備の発電電力量が減少するため、同じ風速であっても風向が異なれば、複数台の風力発電設備から得られる発電電力量の合計は異なる。さらに、温度、湿度、降水量、日射量を含んでもよい。 It is preferable to include the wind direction in addition to the wind speed. Seventy percent of Japan's land is mountainous, and the number of wind power generation facilities being built on mountainous terrain is increasing. In the power generation calculation of wind power generation in mountainous terrain, it is necessary to consider not only the wind speed but also the wind direction. Compared to flat terrain such as plains and coasts, it is more susceptible to the undulations and roughness of the surrounding area. Also, wind farms in mountainous terrain are often installed with multiple units instead of one, and are more susceptible to wakes. A wake is a phenomenon in which the wind received by the wind power generation equipment on the downwind side is reduced compared to the free air flow. Since the amount of power generated by the wind power generation equipment on the leeward side decreases, even if the wind speed is the same, if the wind direction is different, the total amount of power generated by the multiple wind power generation equipment will be different. Additionally, temperature, humidity, precipitation, and solar radiation may be included.
風況は、地上からの高さごとに値があると好ましい。風速は、地上から高くなるほど、大きくなる傾向が知られている。また、風力発電設備のナセルは地上から100m程度に設置されるが、ブレードは50m程度の長さがあるため、ブレードの先端が通過する軌跡の最下端は地上から50m程度にあり、最上端は地上から150m程度にある。したがって、地上からの高さが50mから150mまでの値があると、より好ましい。 It is preferable that the wind condition has a value for each height above the ground. It is known that the wind speed tends to increase with increasing height above the ground. In addition, the nacelle of wind power generation equipment is installed about 100m from the ground, but the blade has a length of about 50m, so the lowest end of the trajectory that the tip of the blade passes is about 50m from the ground, and the highest end is It is about 150m above the ground. Therefore, it is more preferable to have values from 50m to 150m above the ground.
データ入力部11は、校正用データ21を記憶部20に保存する前に、校正用データ21を検証する機能を有していると好ましい。例えば、校正用データ21が風速を表す場合、風速は0以上の数値であるため、0未満の数値がある場合にエラーを返す機能を有してもよい。
The
(参照用データ)
参照用データ22は、均質な測定方法や解析方法(測定方法又は解析方法)で得られた風況の時系列データである。データ入力部11は参照用データ22を記憶部20に保存する。
(reference data)
The
校正用データ21に含まれる期間を第1の期間、参照用データ22に含まれる期間を第2の期間、第2の期間から第1の期間を除いた期間を第3の期間とし、校正用データ21と参照用データ22に基づいて回帰モデルを学習し、第3の期間において参照用データ22と回帰モデルに基づいて推定することを考える。
The period included in the
参照用データ22は、第2の期間において、測定方法や解析方法は同一、あるいは無視できるほど変化が小さいことが望ましい。仮に測定方法や解析方法が異なるデータが含まれる場合、第1の期間で学習した回帰モデルを、第3の期間で適用できない懸念がある。測定方法が異なる要因としては、例えば、観測場所や観測機器が異なることが挙げられる。風況の場合、観測場所の周囲の影響を受けるため、観測場所が異なれば値が変わってしまう。解析方法が異なる要因として、例えば、空間解像度やデータ同化手法が異なることが挙げられる。
It is desirable that the
(各用途と相性がよい参照用データ)
用途によって好適な参照用データ22は異なる。本発明の用途は主として3種類ある。バックキャスト、フォアキャスト、補間、の3種類である。
(Reference data that is compatible with each application)
(バックキャストに好適な参照用データ)
再生可能エネルギー発電設備の導入に際して実施される事業性評価では、今後の10-20年間の風況予測の代わりに、過去10-20年間の気象が繰り返されると想定して、過去10-20年間の風況を算出することがある。
(Reference data suitable for backcasting)
In the business feasibility evaluation conducted when introducing renewable energy power generation facilities, instead of forecasting wind conditions for the next 10 to 20 years, it is assumed that the weather for the past 10 to 20 years will be repeated, and the past 10 to 20 years to calculate wind conditions.
バックキャストは、風力発電の事業性評価のため、過去の風況を推定する。校正用データ21に含まれる期間を第1の期間、参照用データ22に含まれる期間を第2の期間とするとき、第1の期間と第2の期間は重複があり、第2の期間の開始日は第1の期間の開始日よりも前となる。
Backcast estimates past wind conditions to evaluate the feasibility of wind power generation. Assuming that the period included in the
バックキャストでは、参照用データ22の期間が長いほどよく、10年以上あると好ましい。また、事業性評価は、事業者と金融機関との融資協議の一環で実施される都合、データ改竄防止の観点で、第3者機関が発行しているデータが望ましい。
In backcasting, the longer the period of the
これらを満足し、バックキャストに好適な参照用データ22として、例えば、気象庁や気象会社の観測結果や、長期再解析データが挙げられる。気象庁は、地域気象観測システム(アメダス)で観測した気象データをホームページで公開している。長期再解析データとは、主として気候変動の長期的な傾向を把握するため、同一の空間解像度やデータ同化手法で生成された気象データである。例えば、米国国家航空宇宙局のMERRA-2、欧州中期予報センターのERA5、気象庁のJRA-55が挙げられる。
(フォアキャストに好適な参照用データ)
2022年4月に施行されるフィード・イン・プレミアム制度(以下、FIP)を利用する発電事業の場合、発電事業者が発電電力量を予測して入札する。
(Reference data suitable for forecasting)
In the case of a power generation business that uses the feed-in premium system (hereinafter referred to as FIP), which will come into effect in April 2022, power generation companies will bid based on forecasts of the amount of power to be generated.
フォアキャストは、風力発電設備の発電量予測や制御のため、将来の風況を推定する。校正用データ21に含まれる期間を第1の期間、参照用データ22に含まれる期間を第2の期間とするとき、第1の期間と第2の期間は重複があり、第2の期間の終了日は第1の期間の終了日よりも後となる。
Forecast estimates future wind conditions for forecasting and controlling the amount of power generated by wind power generation facilities. Assuming that the period included in the
フォアキャストでは、参照用データ22は将来の予報値である。参照用データ22の期間はバックキャストと比較して短く、1日から数日であってもよい。
In the forecast, the
フォアキャストに好適な参照用データ22として、気象庁が公開している、日本を含む領域を三次元格子で予測する数値予報モデルであるGPV(Grid Point Value)やMSM(Meso scale model)が挙げられる。
Examples of
(補間に好適な参照用データ)
発電事業地における気象観測値は、落雷や凍結、動植物の干渉により、欠損することがある。補間は、風況データの欠損を補間する。校正用データ21に含まれる期間を第1の期間、参照用データ22に含まれる期間を第2の期間とするとき、補間しようとしている期間が、双方の期間に含まれればよい。参照用データ22の期間はバックキャストと比較して短くてよい。
(reference data suitable for interpolation)
Meteorological observations at the power generation project site may be lost due to lightning strikes, freezing, and interference from animals and plants. Interpolation interpolates missing wind condition data. When the period included in the
補間に好適な参照用データとして、バックキャストに好適な参照用データとして挙げた気象庁や気象会社の観測結果や長期再解析データのほかに、客観解析データであってもよい。例えば、米国国立環境予測センターのFNLが挙げられる。 Reference data suitable for interpolation may be objective analysis data in addition to the observation results and long-term reanalysis data of the Meteorological Agency and meteorological companies cited as reference data suitable for backcasting. For example, FNL of the US National Center for Environmental Prediction.
(参照用データに関する補足1)
参照用データ22が、大気の状態を格子点の値として表現する解析方法の場合、参照用データ22は、風力発電事業地ではなく格子点の緯度経度を表現した値となることがある。格子点を選ぶ方法として、風力発電事業地に近接する格子点を選ぶ方法、近接する格子点群のうち地形的な条件が類似している格子点を選ぶ方法が挙げられる。参照用データ22として採用する格子点は、一つであってもよく、複数であってもよい。
(
If the
(参照用データに関する補足2)
データ入力部11は、参照用データ22を記憶部20に保存する前に、参照用データ22を検証する機能を有していると好ましい。例えば、参照用データ22が解析値の場合、参照用データ22と校正用データ21のタイムゾーンが揃っているか確認する機能を有していると好ましい。参照用データ22のタイムゾーンは、日本国内であっても世界標準時で登録されていることがあるためである。
(
The
(処理フロー)
図2は、風況推定装置100による処理フローを示す図である。以下、処理フローに沿って説明する。なお、図2は一連の処理フローとして表記しているが、処理フローの途中から開始する、または、処理フローの途中で終了することも可能である。
(processing flow)
FIG. 2 is a diagram showing a processing flow by the wind
(回帰モデル学習処理)
回帰モデル学習処理S1は、回帰モデル学習部12で実行される。回帰モデル学習部12は、記憶部20から校正用データ21と参照用データ22を取得し、回帰モデルを学習し、学習済み回帰モデル23を記憶部20に保存する。
(Regression model learning process)
The regression model learning process S<b>1 is executed by the regression
回帰モデルは、参照用データ22を入力として所望の項目を出力できるモデルであって、校正用データ21によってパラメータを算出できるモデルであれば、様々な方式を適用できる。ここでは、ある2ヶ所で測定された1年間の風況データに対し、線形回帰やニューラル・ネットワークを適用した数値解析で例示する。
Various methods can be applied to the regression model as long as it is a model that can output a desired item using the
風況は、風速(m/s)と風向(度)の10分値である。風速は0以上の値で与えられている。風向は北を0度とする、0度以上360度未満の度数で与えられている。風況データのうち、片方を参照用データ22とする。もう片方のうち、最後から連続した四分の三の期間を校正用データ21とし、残りの期間を評価用データとする。
Wind conditions are 10-minute values of wind speed (m/s) and wind direction (degrees). The wind speed is given as a value greater than or equal to 0. The wind direction is given in degrees of 0 degrees or more and less than 360 degrees, with north being 0 degrees. One of the wind condition data is used as
校正用データ21に含まれる期間を第1の期間、参照用データ22に含まれる期間を第2の期間、第2の期間から第1の期間を除いた期間を第3の期間とする。このとき、評価用データに含まれる期間が第3の期間となる。また、参照用データ22(第2の期間)の開始日が校正用データ21(第1の期間)の開始日よりも前なのでバックキャストとなる。
A period included in the
風況推定結果24と評価用データを比較して、各回帰モデルの精度を検証する。精度指標には種々あるが、二乗平均平方根誤差(以下、Root Mean Square Errorの頭文字であるRMSE)で検証する。RMSEは、各時刻の誤差の二乗の平均の平方根を取って算出できる。風速と風向でそれぞれRMSEを算出する。なお、風向の誤差を算出する際は、誤差が180度未満になるように処理する。例えば、風況推定結果24が359度、評価用データが0度の場合、359度と0度の差分である359度を誤差とするのではなく、反対周りに比較して1度を誤差とする。 The wind condition estimation result 24 and evaluation data are compared to verify the accuracy of each regression model. Although there are various accuracy indexes, the root mean square error (hereinafter referred to as RMSE, which is an acronym for Root Mean Square Error) is used for verification. RMSE can be calculated by taking the square root of the mean of the squared errors at each time. Calculate the RMSE for each wind speed and wind direction. When calculating the wind direction error, it is processed so that the error is less than 180 degrees. For example, if the wind condition estimation result 24 is 359 degrees and the evaluation data is 0 degrees, the error is not 359 degrees, which is the difference between 359 degrees and 0 degrees. do.
図3は、回帰モデルの精度比較を示す図である。図3に、回帰モデルを変えながら精度検証した結果(点aから点g)を示す。RMSEは小さいほど精度が良く、0が最も精度が良いことを意味する。したがって、図3では左下ほど高精度である。 FIG. 3 is a diagram showing a comparison of accuracy of regression models. FIG. 3 shows the results of accuracy verification while changing the regression model (points a to g). The smaller the RMSE, the better the accuracy, and 0 means the highest accuracy. Therefore, in FIG. 3, the accuracy is higher toward the lower left.
(点aについて)
図3の点aは、参照用データ22を風況推定結果とする場合、すなわち補正しない場合である。風向RMSEは65(度)、風速RMSEは4.1(m/s)である。以降の数値解析では、この精度を基準として、どれだけ小さくできるか考察する。
(About point a)
Point a in FIG. 3 is the case where the
(点bについて)
図3の点bは、風速は、第1の期間において、参照用データ22を入力、校正用データ21を出力とする線形回帰式を学習し、第3の期間において、参照用データ22を入力して得られた値を推定結果とする。風向は参照用データ22を推定結果とする。風向の風況推定結果は図3の点aと同じであるため、風向RMSE(度)は図3の点aと変わらない。風速RMSE(m/s)は3.5(m/s)であり、図3の点aよりも風速の推定精度が高い。
(About point b)
Point b in FIG. 3 shows that the wind speed learns a linear regression equation that
(点cについて)
風向の推定精度を改善するためにはどうすればいいか。図3の点cにおいて、風向は、第1の期間において、参照用データ22を入力、校正用データ21を出力とする線形回帰式を学習し、第3の期間において、参照用データ22を入力して得られた値を推定結果とし、風速は参照用データ22を推定結果とする。風速の推定結果は図3の点aと同じであるため、風速RMSE(m/s)は図3の点aと変わらない。一方、風向RMSE(度)は94(度)であり、図3の点aよりも風向の推定精度が低い。風向は、0度から360度で不連続であるため、北風をうまく表現できず、推定精度が低くなるものと考えられる。
(About point c)
What can be done to improve the accuracy of wind direction estimation? At point c in FIG. 3, the wind direction learns a linear regression equation with
(点dについて)
そこで、風速Vと風向θを、風速の南北成分Vnsと東西成分Vewに分解して扱う手法を考える。まず、風速の南北成分と東西成分に変換する手法を示す。風速をV(m/s)とする。北を0(度)、東を90(度)とする時計回りの度数法による風向をθ(度)とする。東西方向をX軸、南北方向をY軸に見立て、北東を第1象限とする直交座標における、反時計回りの弧度法による風向φ(rad)は、円周率πを用いて数式(1)で算出できる。
φ=(90-θ)×π/180 …(1)
(About point d)
Therefore, a method for treating the wind speed V and the wind direction θ by decomposing them into the north-south component Vns and the east-west component Vew of the wind speed is considered. First, a method for converting the wind speed into north-south and east-west components is shown. Let the wind speed be V (m/s). Let θ (degrees) be the wind direction in a clockwise degree system where the north is 0 (degrees) and the east is 90 (degrees). With the east-west direction as the X axis, the north-south direction as the Y axis, and the northeast as the first quadrant, the wind direction φ (rad) by the counterclockwise radian method in the orthogonal coordinate system is calculated using the formula (1) using the circular constant π can be calculated by
φ=(90−θ)×π/180 (1)
風速の南北成分Vns(m/s)は数式(2)、風速の東西成分Vew(m/s)は数式(3)で算出できる。
Vns=V×sin(φ) …(2)
Vew=V×cos(φ) …(3)
The north-south component Vns (m/s) of the wind speed can be calculated by Equation (2), and the east-west component Vew (m/s) of the wind speed can be calculated by Equation (3).
Vns=V×sin(φ) …(2)
Vew=V×cos(φ) …(3)
次に、風速の南北成分Vnsと東西成分Vewを、風速Vと風向θに変換する手法を示す。反時計回りの弧度法による風向φ(rad)は、終域を-π/2からπ/2とするarctan関数を用いて数式(4)で算出できる。
Vew>0ならばφ=arctan(Vns/Vew)、
Vew<0ならばφ=arctan(Vns/Vew)-π、
Vew=0かつVns>0ならばφ=π/2、
Vew=0かつVns<0ならばφ=-π/2 …(4)
Next, a method for converting the north-south component Vns and the east-west component Vew of the wind speed into the wind speed V and the wind direction θ will be described. The wind direction φ (rad) by the counterclockwise radian method can be calculated by Equation (4) using the arctan function with the end region from -π/2 to π/2.
If Vew>0, φ=arctan(Vns/Vew),
If Vew<0, φ=arctan(Vns/Vew)−π,
φ=π/2 if Vew=0 and Vns>0,
If Vew=0 and Vns<0, then φ=-π/2 (4)
反時計回りの弧度法による風向φ(rad)が与えられているとき、時計回りの度数法による風向θ(度)は、数式(5)で算出できる。
θ=90-φ×180/π …(5)
When the counterclockwise wind direction φ (rad) is given by the radian method, the clockwise wind direction θ (degrees) can be calculated by Equation (5).
θ=90−φ×180/π (5)
数式(4)においてφ(rad)の取り得る範囲は-3π/2からπ/2のため、数式(5)においてθ(度)の取り得る範囲は0(度)から360(度)となる。
風速Vは数式(6)で算出できる。
V=√(Vns2+Vew2) …(6)
Since the possible range of φ (rad) in Equation (4) is from -3π/2 to π/2, the possible range of θ (degrees) in Equation (5) is from 0 (degrees) to 360 (degrees). .
The wind speed V can be calculated by Equation (6).
V=√(Vns 2 +Vew 2 ) (6)
図3の点dは以下の手順で求める。
まず、参照用データ22と校正用データ21の風速と風向を、数式(1)~(3)に基づいて、風速の南北成分と東西成分に変換する。
Point d in FIG. 3 is obtained by the following procedure.
First, the wind speed and wind direction of the
次に、第1の期間において、参照用データ22の風速の南北成分を入力、校正用データ21の風速の南北成分を出力とする線形回帰式を学習し、第3の期間において参照用データ22の風速の南北成分を入力することで、風速の南北成分を推定する。また、第1の期間において、参照用データ22の風速の東西成分を入力、校正用データ21の風速の東西成分を出力とする線形回帰式を学習し、第3の期間において参照用データ22の風速の東西成分を入力することで、風速の東西成分を推定する。
Next, in the first period, the north-south component of the wind speed of the
さらに、推定した風速の南北成分と東西成分から、数式(4)~(6)に基づいて、第3の期間における風速と風向の推定結果を得る。風向RMSE(度)は76(度)であり、風向の推定精度は図3の点cより高いが、図3の点aより低い。風速RMSE(m/s)は4.2(m/s)であり、風速の推定精度は図3の点aより低い。風速の南北成分や東西成分は、線形では表現しづらい可能性が示唆される。 Furthermore, from the north-south component and the east-west component of the estimated wind speed, the estimation result of wind speed and wind direction in the third period is obtained based on Equations (4) to (6). The wind direction RMSE (degrees) is 76 (degrees), and the wind direction estimation accuracy is higher than point c in FIG. 3, but lower than point a in FIG. The wind speed RMSE (m/s) is 4.2 (m/s), and the wind speed estimation accuracy is lower than that at point a in FIG. This suggests that the north-south and east-west components of wind speed may be difficult to express linearly.
(点eについて)
図3の点eは、図3の点dの線形回帰式をニューラル・ネットワークとしたものである。ニューラル・ネットワークは、脳のニューロンに着想を得た数理モデルである。任意の連続関数を精度よく近似できる性質が知られており、様々な分野で使用されている。ニューラル・ネットワークは、ニューラル・ネットワークのパラメータを調整することで、回帰問題や分類問題を解く。ニューラル・ネットワークのパラメータは、ニューロンの、個数、結合方法、実装方法、使用不使用を含む。
(About point e)
Point e in FIG. 3 is obtained by using the linear regression equation of point d in FIG. 3 as a neural network. A neural network is a mathematical model inspired by neurons in the brain. It is known for its ability to accurately approximate arbitrary continuous functions, and is used in various fields. Neural networks solve regression and classification problems by adjusting the parameters of the neural network. Neural network parameters include the number of neurons, how they are connected, how they are implemented, and whether or not they are used.
ニューロン同士の結合は、主として、連続する層構造で表現される。層は、ニューロンまたはニューロン群によって構成される。入力層、中間層、出力層がある。中間層は複数あってもよい。入力層側のニューロンが出す信号を、出力層側のニューロンが受け取る。入力層のニューロンは情報(データや引数)を受け取り、出力層のニューロンはその情報に対する回帰問題や分類問題の答えを出力する。 Connections between neurons are mainly represented by a continuous layer structure. Layers are made up of neurons or groups of neurons. There is an input layer, an intermediate layer and an output layer. There may be multiple intermediate layers. A neuron on the output layer side receives a signal emitted by a neuron on the input layer side. Input layer neurons receive information (data and arguments), and output layer neurons output answers to regression and classification problems.
ニューロン同士の結合強度は、アフィン変換で表現される。アフィン変換は、隣接する二つの層において、入力層側のニューロンが出す信号をx、出力層側のニューロンが受け取る信号をy、とすると、y=Wx+bの形式で表現される。アフィン変換のパラメータのうち、線形変換を表す部分(W)を重み、定数項を表す部分(b)をバイアスという。ニューロンは、活性化関数で表現される。活性化関数は、例えば恒等関数、ソフトマックス関数、シグモイド関数、双曲線正接関数(tanh関数)、正規化線形関数(ReLU関数)がある。 The coupling strength between neurons is represented by affine transformation. Affine transformation is expressed in the form of y=Wx+b, where x is a signal output by a neuron on the input layer side and y is a signal received by a neuron on the output layer side in two adjacent layers. Among the parameters of the affine transformation, the part (W) representing the linear transformation is called the weight, and the part (b) representing the constant term is called the bias. A neuron is represented by an activation function. Activation functions include, for example, identity functions, softmax functions, sigmoid functions, hyperbolic tangent functions (tanh functions), and normalized linear functions (ReLU functions).
風向RMSE(度)は63(度)であり、風向の推定精度は図3の点aよりも高い。風速の南北成分や東西成分の非線形な性質をニューラル・ネットワークでうまく学習できる可能性が示唆される。 The wind direction RMSE (degrees) is 63 (degrees), and the wind direction estimation accuracy is higher than at point a in FIG. It suggests the possibility that the neural network can successfully learn the nonlinear properties of the north-south and east-west components of wind speed.
(点fについて)
図3の点fは、図3の点eのニューラル・ネットワークの入力層と出力層を変形させたものである。図3の点eでは、風速の南北成分と東西成分をそれぞれ学習と推定している。ここで、ニューラル・ネットワークは、複数入力と複数出力できる回帰モデルであることに注目すると、風速の南北成分と東西成分を同じニューラル・ネットワークに入力し、風速の南北成分と東西成分を出力させてもよい。
(About point f)
Point f in FIG. 3 is a modification of the input and output layers of the neural network of point e in FIG. At point e in FIG. 3, the north-south component and the east-west component of the wind speed are assumed to be learning. Note that the neural network is a regression model that can have multiple inputs and multiple outputs. good too.
風向RMSE(度)は62(度)であり、風向の推定精度は図3aよりも高い。今回の数値解析例では、風向の推定精度が最も高い。風速RMSE(m/s)は4.0(m/s)であり、風速の推定精度は図3の点eよりも高い。 The wind direction RMSE (degrees) is 62 (degrees), and the wind direction estimation accuracy is higher than that in FIG. 3a. In this numerical analysis example, the estimation accuracy of the wind direction is the highest. The wind speed RMSE (m/s) is 4.0 (m/s), and the wind speed estimation accuracy is higher than that at point e in FIG.
なお、図3の点fは、入力層と最初の中間層、最後の中間層と出力層の間のパラメータ数は増えるものの、パラメータ数の多い中間層は同じニューラル・ネットワークを使えるため、図3の点eよりも計算量が少なくなることが期待される。 At point f in FIG. 3, although the number of parameters between the input layer and the first intermediate layer and between the last intermediate layer and the output layer increases, the intermediate layers with a large number of parameters can use the same neural network. It is expected that the amount of calculation will be less than the point e of .
実務的には、参照用データ22と校正用データ21の時間粒度が異なることが考えられる。粗いほうの時間粒度に合わせる場合、細かい時間粒度にしか現れない特徴を放棄することになる。図3の点gは、図3の点fにおいて、風速の南北成分と東西成分の時間粒度を、10分値から1分値に変えたものである。
Practically, it is conceivable that the
参照用データ22と校正用データ21が風速と風向の場合を考える。風速は適当な補間手法によって任意に時間粒度を変えることができる。補間手法には、例えば、線形補間、スプライン補間、多項式補間が挙げられる。一方、不連続値である風向は補間が困難である。例えば、風速が同値であり、風向が1度と359度を補間することを考える。風向を線形補間すると180度となるが、1度と359度は北風であり、180度は南風であるため、うまく補間できているとは言い難い。一方、参照用データ22と校正用データ21を風速の南北成分と東西成分に変換、風速の南北成分と東西成分をそれぞれ線形補間、線形補間した南北成分と東西成分から風速と風向を算出すれば、補間された風向は0度となり、うまく補間できる。
Consider the case where the
風力発電設備の発電電力を計算するソフトウェアで、風況データを入力して、対応する発電電力(kW)を算出する機能を備えるソフトウェアがある。風況データの10分値を入力すると発電電力の10分値、風況データの1時間値を入力すると発電電力の1時間値が出力される。例えば、ウィンドファームコントローラ(複数台の風力発電設備の定格出力の合計が連系容量を超える発電所のとき、連系容量を超えないように風力発電設備の出力を抑制する機能)を模擬して発電電力の後処理をする際、時間粒度が細かいほうが、精度が高い処理となる。 There is software for calculating the power generated by a wind power generation facility, which has a function of inputting wind condition data and calculating the corresponding power generated (kW). When the 10-minute value of the wind condition data is input, the 10-minute value of the generated power is output, and when the 1-hour value of the wind condition data is input, the 1-hour value of the generated power is output. For example, by simulating a wind farm controller (a function that suppresses the output of wind power generation equipment so that it does not exceed the interconnection capacity when the total rated output of multiple wind power generation equipment exceeds the interconnection capacity). When the generated power is post-processed, the finer the time granularity, the higher the accuracy of the process.
図3の点gの風向RMSE(度)は62(度)、風速RMSE(m/s)は3.9(m/s)であり、風向と風速の推定精度はともに図3の点aよりも高い。時間粒度を細かくする処理が、データ拡張(ニューラル・ネットワークの学習に使用するデータ数を増やす手法)の効果がある可能性が示唆される。風速の推定精度が改善すると、発電電力量の推定精度も改善する。風力エネルギーは風速の3乗に比例するため、発電電力量の推定精度は、風速の推定精度よりも大きく改善する。 The wind direction RMSE (degrees) at point g in FIG. 3 is 62 (degrees) and the wind speed RMSE (m/s) is 3.9 (m/s). is also expensive. It is suggested that processing with finer time granularity has the effect of data augmentation (a method of increasing the amount of data used for neural network learning). If the wind speed estimation accuracy is improved, the power generation estimation accuracy is also improved. Since the wind energy is proportional to the cube of the wind speed, the accuracy of estimating the amount of power generated is greatly improved over the accuracy of estimating the wind speed.
(回帰モデル学習処理の入力における工夫)
今回は風速と風向を入力したが、高精度化の観点で、その他のデータを入力してもよい。例えば、温度、湿度、降水量、日射量といった気象条件を含んでもよい。風況は年変動や季節変動する性質があり、暦を含んでもよい。沿岸部の風況では、海陸風が知られており、時刻や、日没前と日没後を表すバイナリ変数を含んでもよい。さらに、ある時刻における値だけではなく、前の時刻との差分、前の時刻の値、前の時刻までの移動平均を含んでもよい。
(Ingenuity in inputting regression model learning processing)
Although wind speed and wind direction are input this time, other data may be input from the viewpoint of high accuracy. For example, weather conditions such as temperature, humidity, precipitation, and solar radiation may be included. Wind conditions are characterized by yearly and seasonal fluctuations, and may include calendars. For coastal wind conditions, land and sea breezes are known and may include time of day and binary variables representing pre-sunset and post-sunset. Furthermore, not only the value at a certain time, but also the difference from the previous time, the value at the previous time, and the moving average up to the previous time may be included.
値は、そのまま入力するのではなく、適当な手法で正規化したものを入力してもよい。正規化の手法には、例えば、各時刻の値から第1の期間における最小値を引いて、第1の期間における最大値と最小値の差で除する手法(Min-Max Normalization)、第1の期間の平均を引いて第1の期間の標準偏差で除する手法(Z-Score Normalization)が挙げられる。 The value may not be input as it is, but may be input after being normalized by an appropriate method. Normalization methods include, for example, a method of subtracting the minimum value in the first period from the value at each time and dividing by the difference between the maximum value and the minimum value in the first period (Min-Max Normalization); There is a technique (Z-Score Normalization) of subtracting the average of the period and dividing by the standard deviation of the first period.
(回帰モデル学習処理の出力における工夫)
回帰モデルは推定よりも学習に時間がかかるので、回帰モデルを保存できるようにすることは、計算高速化の観点で好ましい。回帰モデルが線形回帰の場合、例えば、各変数に対する一次係数(傾き)や切片を保存する。回帰モデルがニューラル・ネットワークの場合、例えば、ニューロン同士の結合強度を保存する。
(Ingenuity in the output of regression model learning processing)
Since the regression model takes more time to learn than to estimate, it is preferable to save the regression model from the viewpoint of speeding up calculation. If the regression model is linear regression, for example, store the linear coefficient (slope) and intercept for each variable. If the regression model is a neural network, it stores, for example, the strength of connections between neurons.
(風況推定処理)
風況推定処理S2は、風況推定部13で実行される。風況推定部13は、記憶部20から学習済み回帰モデル23と参照用データ22を取得する。校正用データ21に含まれる期間を第1の期間、参照用データ22に含まれる期間を第2の期間とするとき、第2の期間から第1の期間を除いた第3の期間の風況を推定する。そして、推定結果を、風況推定結果24として記憶部20に保存する。
(Wind condition estimation processing)
The wind condition estimation process S<b>2 is executed by the wind
例えば、学習済み回帰モデル23が、参照用データ22の風速を入力して、風速を出力する方式の場合、風況推定部13は第3の期間における各時刻の風速を推定する。
For example, in the case where the learned
風況推定結果24は、各時刻の値だけではなく、範囲を含んでもよい。回帰モデルが線形回帰の場合、t分布を利用して予測区間を算出できる。回帰モデルがニューラル・ネットワークの場合、範囲を算出する手法として、モンテカルロ・ドロップアウトが挙げられる。ニューラル・ネットワークにおけるドロップアウトは過学習を防ぐ手法である。訓練時に無作為にニューロンを無視し、毎回異なるニューラル・ネットワークを学習させる手法である。モンテカルロ・ドロップアウトは、訓練時だけではなく、推定時にも無作為にニューロンを消失させることが特徴である。ドロップアウトの場合、推定時には全てのニューロンを使うため、学習済みモデルに同じ入力を入れると同じ結果が得られる。一方、モンテカルロ・ドロップアウトの場合、推定時にも無作為にニューロンを消失させるため、同じ入力を入れると異なる結果が得られる。複数の結果を出力させることで、ニューラル・ネットワークの不確かさを表現することができる。ニューロンだけではなく、層を消失させる実装としてもよい。 The wind condition estimation result 24 may include not only values at each time but also ranges. If the regression model is linear regression, the prediction interval can be calculated using the t-distribution. If the regression model is a neural network, one method for calculating the range is Monte Carlo dropout. Dropout in neural networks is a technique to prevent overfitting. It is a method of ignoring neurons at random during training and training a different neural network each time. Monte Carlo dropout is characterized by randomly dropping neurons not only during training but also during estimation. In the case of dropout, all neurons are used when estimating, so feeding the same input to a trained model yields the same result. On the other hand, in the case of Monte Carlo dropout, neurons are randomly lost during estimation, so the same input gives different results. By outputting multiple results, the uncertainty of the neural network can be expressed. An implementation that eliminates not only neurons but also layers may be used.
図4は、回帰モデルをニューラル・ネットワークとし、モンテカルロ・ドロップアウトによって不確かさを推定する不確かさ推定処理S40を示すフロー図である。 FIG. 4 is a flow chart showing uncertainty estimation processing S40 for estimating uncertainty by Monte Carlo dropout using a regression model as a neural network.
まず、風況推定部13は、学習済み回帰モデルfを記憶部20から読み込む(処理S41)。次に、風況推定部13は、予測対象期間の参照用データXを記憶部20から読み込む(処理S42)。Xは配列であり、0から始まり連続する番号iを添え字、Xのi番目の要素をX[i]、Xの要素数をlength(X)とする。また、fは関数であり、fの引数はある時刻における参照用データの値、fの戻り値yは風況推定結果である。なお、fは同じ引数を入力しても異なるyを返す。0から始まり連続する番号jをカウンタ変数とする。
First, the wind
風況推定部13は、iを0に設定し(処理S43)、jを0に設定し(処理S44)、iとjを添え字とする二次元配列Yにyを格納する(処理S45)。そして、風況推定部13は、jが1000未満か否かを判定し(処理S46)、jが1000未満の場合(処理S46,YES)、処理S45に戻り、jが1000以上の場合(処理S46,NO)、処理S47に進む。なお、処理S46は1000を閾値として例示しているが、閾値は任意に設定してよい。
The wind
そして、風況推定部13は、得られたYを集計関数gで集計しzを得る(処理S47)。ここで、gは関数であり、gの引数はYとiである。また、gの戻り値zは、Yのうち、iが同じで、全てのjに対する風況推定結果(図4では1,000件)の統計量を格納した構造体である。統計量は、平均、最大、最小、標準偏差、出現確率を表すヒストグラムを含む。尖度や歪度を含んでもよい。カーネル密度推定をはじめとするノンパラメトリック手法によって推定した確率密度関数を含んでもよい。
Then, the wind
そして、風況推定部13は、iがlength(X)未満か否かを判定し(処理S48)、iがlength(X)未満の場合(処理S48,YES)、処理S44に戻り、iがlength(X)以上の場合(処理S48,NO)、一連の処理を終了する。すなわち、処理S44~S47で、異なるiに対しても実施して、Xに対する、不確かさを含む風況推定結果Zを得る。Zは、iを添え字とする配列であり、配列の長さはXと同じとなる。
Then, the wind
図5は、風速の推定時にモンテカルロ・ドロップアウトを適用した例であり、風速推定結果の不確かさの表示例を示す図である。各時刻で1,000回出力させ、平均を実線、最大と最小の範囲を灰塗りで示す。 FIG. 5 is an example in which Monte Carlo dropout is applied at the time of estimating wind speed, and is a diagram showing an example of display of the uncertainty of wind speed estimation results. Output is performed 1,000 times at each time, the average is indicated by a solid line, and the maximum and minimum ranges are indicated by gray areas.
例えば、5時の出現確率は、平均4.8(m/s)、最大5.4(m/s)、最小4.2(m/s)の分布であった。10時の出現確率は、平均9.4(m/s)、最大10.4(m/s)、最小7.9(m/s)の分布であった。18時の出現確率は、平均4.0(m/s)、最大4.5(m/s)、最小3.1(m/s)の分布であった。分布が広がっていれば、不確かさが大きいと解釈する。図5の5時、10時、18時、では、10時は5時や18時よりも不確かさが大きい、と解釈する。 For example, the appearance probability at 5 o'clock was distributed with an average of 4.8 (m/s), a maximum of 5.4 (m/s), and a minimum of 4.2 (m/s). The appearance probability at 10 o'clock was distributed with an average of 9.4 (m/s), a maximum of 10.4 (m/s), and a minimum of 7.9 (m/s). The appearance probability at 18:00 was distribution with an average of 4.0 (m/s), a maximum of 4.5 (m/s), and a minimum of 3.1 (m/s). If the distribution is broad, interpret that the uncertainty is large. At 5:00, 10:00, and 18:00 in FIG. 5, it is interpreted that the uncertainty at 10:00 is greater than at 5:00 and 18:00.
なお、最大の代わりとして平均に標準偏差を足した値、最小の代わりとして平均から標準偏差を引いた値を表示してもよい。推定結果に外れ値が含まれる場合、分布の広がりと比較して最大/最小と平均の差が大きくなり、不確かさを不必要に大きく見積もってしまう。 A value obtained by adding the standard deviation to the average may be displayed instead of the maximum, and a value obtained by subtracting the standard deviation from the average may be displayed instead of the minimum. When outliers are included in the estimation results, the difference between the maximum/minimum and the mean becomes large compared to the spread of the distribution, which unnecessarily overestimates the uncertainty.
今回は1日の1時間値を例示しており、計算負荷が小さかったため、各時刻で1,000サンプルを採取して平均、最大、最小を算出している。20年間を推定する場合や、1分値を推定する場合といった、計算負荷が大きい場合、全ての時刻で等しいサンプル数を採取する必要はない。はじめの一部のサンプルで風速が低い場合、あるいは標準偏差が小さい場合は、計算を打ち切ってもよい。すなわち、風況推定部13は、風況推定結果を複数算出する際、推定結果の平均または標準偏差が所定の値よりも小さいとき、繰り返し計算を打ち切る機能を備える。例えば、はじめの100サンプルで平均が1(m/s)、標準偏差が0.1(m/s)である場合、計算を打ち切ってもよい。風力発電設備における風速(m/s)と出力(kW)の関係をパワーカーブと呼ぶ。パワーカーブ上、風速0(m/s)から2(m/s)は、出力0(kW)となっていることがあり、風速1(m/s)前後の場合、出力(kW)は全て0(kW)となって、風速の推定誤差の影響を受けないためである。
This time, the values for one hour per day are illustrated, and since the calculation load was small, 1,000 samples were collected at each time to calculate the average, maximum, and minimum values. When the calculation load is large, such as when estimating 20 years or when estimating 1-minute values, it is not necessary to collect the same number of samples at all times. If the wind speed is low in the first few samples, or if the standard deviation is small, the calculation may be terminated. That is, the
例えば、10分値を20年分推定する場合、推定対象の時刻は約100万点(=20×365×24×60/10)である。各時刻で一律1,000サンプル採取する場合、約10億サンプル(=約100万×1,000)の推定が必要となり、計算負荷が大きい。パワーカーブの性質に注意し、計算精度を下げずに計算負荷を削減できる本処理は、計算時間を短縮する観点で好ましい。 For example, when estimating 10-minute values for 20 years, there are approximately 1,000,000 points of time (=20×365×24×60/10) to be estimated. If 1,000 samples are uniformly collected at each time, approximately 1 billion samples (=approximately 1,000,000×1,000) are required to be estimated, resulting in a large computational load. This process, which can reduce the calculation load without lowering the calculation accuracy while paying attention to the properties of the power curve, is preferable from the viewpoint of shortening the calculation time.
(画面表示処理)
図6は、風況推定装置100の表示部40の表示例を示す図である。画面表示処理S3は、画面表示処理部14で実行される。画面表示処理部14は、記憶部20から風況推定結果24を取得して、表示部40に表示する。表示部40は、参照用データ登録ボタン61、校正用データ登録ボタン62、回帰モデル設定フォーム63、風況推定結果の出力ボタン64を備える。登録された参照用データ22、登録された校正用データ21、推定結果24を表示する機能を備えてもよい。
(Screen display processing)
FIG. 6 is a diagram showing a display example of the
この図6は、風速(m/s)をバックキャストしている状況である。右側のグラフ65,66,67は上から順に参照用データ22、校正用データ21、風況推定結果24を示す。校正用データ21に含まれる期間を第1の期間、参照用データ22に含まれる期間を第2の期間とするとき、第1の期間と第2の期間に重複があり、第2の期間の開始日が第1の期間の開始日よりも前であることを確認できる。また、第2の期間から第1の期間を除いた期間を第3の期間とするとき、風況推定結果24に第3の期間が含まれることも確認できる。風況推定結果24は、予測値を実線で表現し、予測値の取り得る範囲を灰塗りで表現している。
This FIG. 6 shows the situation in which the wind speed (m/s) is backcasting.
なお、フォアキャストする場合は、参照用データ22の終端は校正用データ21の終端よりも後となり、図6では、校正用データ21の右側(グラフ66の右側)が第3の期間となる。
Note that when forecasting, the end of the
再生可能エネルギー発電設備の事業者は、発電設備の建設前の事業計画段階ではバックキャスト、建設後の事業運用段階ではフォアキャストを使うことが想定される。 Business operators of renewable energy power generation facilities are expected to use backcasting at the business planning stage before construction of power generation facilities, and forecasting at the business operation stage after construction.
図6のように、不確かさを含む風況を予測できれば、バックキャストとフォアキャストのいずれでも、発電量計算や売電収入の不確かさを考慮できる。バックキャストでは、収益性や、融資返済の確実性を評価する際に、下振れリスクを評価でき、下振れしても融資返済に支障がない発電設備のみ事業化する、あるいは積立金を準備する、といった活用ができる。 As shown in FIG. 6, if wind conditions including uncertainty can be predicted, both backcasting and forecasting can take into account the uncertainty of power generation calculation and electricity sales income. In backcasting, when evaluating profitability and the certainty of loan repayment, downside risks can be evaluated, and only power generation facilities that will not hinder loan repayment will be commercialized or a reserve fund will be prepared. , can be used.
また、フォアキャストでは、フィード・イン・プレミアム制度(FIP)を利用する再生可能エネルギー発電設備において、入札量の計画に活用できる。FIPを利用する発電事業の場合、発電事業者は発電電力量を予測して入札する必要があるが、落札した量と、実際の発電電力量が異なる場合、その差分を清算する必要がある。上振れ誤差と下振れ誤差とでは、清算するための単価が異なることがあるため、予測値が取り得る範囲や分布を把握できると、予測値を入札量とせず、経済的になるよう修正した値を入札量にできる。 Forecasts can also be used to plan bidding volumes for renewable energy power plants that use the Feed-In-Premium Scheme (FIP). In the case of a power generation business using FIP, the power generation company needs to predict the amount of power generation and bid, but if the amount of power generated by the successful bid differs from the actual amount of power generated, it is necessary to settle the difference. Since the unit price for liquidation may differ between the upside error and the downside error, if the range and distribution that the forecast value can take can be understood, the forecast value will not be used as the bid amount, and it will be more economical. The value can be the bid amount.
本装置は、バックキャスト、フォアキャスト、補間のいずれの用途であっても、必要な期間の参照用データ22と校正用データ21を用意すれば、風況推定結果24を得ることができる。事業者の習得容易性の観点で、事業計画段階から事業運用段階まで同一の装置で、風況推定結果を得ることができることは好ましい。
This device can obtain the wind condition estimation result 24 by preparing
回帰モデルフォームによって、本装置に実装された回帰モデルを設定する。使用する回帰式のほか、回帰式の変数を設定できるようにしてもよい。風況推定結果24の出力ボタンによって、風況推定結果24を出力する。図6の場合、風況推定結果24として、第3の期間における風速の時系列を、コンマ区切り文字列(CSV)ファイルによって出力する方式が挙げられる。 The regression model form configures the regression model implemented in the device. In addition to the regression formula to be used, variables of the regression formula may be set. The wind condition estimation result 24 is output by pressing the wind condition estimation result 24 output button. In the case of FIG. 6, as the wind condition estimation result 24, there is a method of outputting the time series of the wind speed in the third period as a comma-separated character string (CSV) file.
10 処理部
11 データ入力部
12 回帰モデル学習部
13 風況推定部
14 画面表示処理部
20 記憶部
21 校正用データ
22 参照用データ
23 学習済み回帰モデル
24 風況推定結果(推定結果)
30 入力部
40 表示部
50 通信部
61 参照用データ登録ボタン
62 校正用データ登録ボタン
63 回帰モデル設定フォーム
64 風況推定結果の出力ボタン
100 風況推定装置
S1 回帰モデル学習処理
S2 風況推定処理
S3 画面表示処理
S40 不確かさ推定処理
10
30
前記課題を解決するために、本発明の風況推定装置は、風力発電設備の設置場所付近で測定した風況を示す校正用データ、均質な、かつ、観測場所が観測期間内で不変の測定方法、又は解析方法で得られた風況を示す参照用データが格納された記憶部と、前記校正用データに含まれる期間を第1の期間、前記参照用データに含まれる期間を第2の期間、前記第2の期間から前記第1の期間を除いた期間を第3の期間とするとき、前記校正用データと前記参照用データに基づいて回帰モデルを学習する回帰モデル学習部と、前記第3の期間における前記参照用データと前記回帰モデルに基づいて、推定結果の不確かさも含めて風況を推定する風況推定部を備えることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。 In order to solve the above-mentioned problems, the wind resource estimation device of the present invention provides calibration data indicating the wind resource measured in the vicinity of the installation location of the wind power generation equipment, uniform measurement, and measurement of the observation location unchanged within the observation period. a storage unit storing reference data indicating wind conditions obtained by a method or an analysis method; a period included in the calibration data as a first period; and a period included in the reference data as a second period a regression model learning unit for learning a regression model based on the calibration data and the reference data, where a period obtained by subtracting the first period from the second period is a third period; It is characterized by comprising a wind condition estimating unit for estimating the wind condition including the uncertainty of the estimation result based on the reference data and the regression model in the third period. Other aspects of the present invention are described in embodiments below.
Claims (9)
前記校正用データに含まれる期間を第1の期間、前記参照用データに含まれる期間を第2の期間、前記第2の期間から前記第1の期間を除いた期間を第3の期間とするとき、前記校正用データと前記参照用データに基づいて回帰モデルを学習する回帰モデル学習部と、
前記第3の期間における前記参照用データと前記回帰モデルに基づいて、推定結果の不確かさも含めて風況を推定する風況推定部を備える
ことを特徴とする風況推定装置。 a storage unit storing calibration data indicating the wind conditions measured near the installation site of the wind power generation facility and reference data indicating the wind conditions obtained by a homogeneous measurement method or analysis method;
A period included in the calibration data is defined as a first period, a period included in the reference data is defined as a second period, and a period obtained by subtracting the first period from the second period is defined as a third period. a regression model learning unit that learns a regression model based on the calibration data and the reference data;
A wind condition estimating device comprising: a wind condition estimating unit that estimates a wind condition including uncertainty of an estimation result based on the reference data and the regression model in the third period.
ことを特徴とする請求項1に記載の風況推定装置。 The wind condition estimation device according to claim 1, wherein the uncertainty of the estimation result is expressed as the appearance probability of the estimation result.
ことを特徴とする請求項1に記載の風況推定装置。 The wind condition estimation device according to claim 1, wherein the regression model learning unit learns the regression model after converting the input wind speed and wind direction into a north-south component and an east-west component of the wind speed.
ことを特徴とする請求項1に記載の風況推定装置。 The wind condition estimation device according to claim 1, wherein the regression model learning unit has a function of learning after changing the time granularity of the calibration data and the reference data.
前記入力層は、前記参照用データを入力し、前記出力層の出力と、前記校正用データとの誤差を小さくするように、パラメータを調整する
ことを特徴とする請求項1に記載の風況推定装置。 The regression model is a neural network having an input layer, an intermediate layer, and an output layer,
The wind condition according to claim 1, wherein the input layer inputs the reference data and adjusts parameters so as to reduce the error between the output of the output layer and the calibration data. estimation device.
ことを特徴とする請求項6に記載の風況推定装置。 6. The wind resource estimation unit has a function of randomly changing the parameters of the regression model, and calculates the uncertainty of the estimation result by calculating and aggregating a plurality of estimation results. The wind condition estimation device according to .
ことを特徴とする請求項7に記載の風況推定装置。 The wind condition estimator according to claim 7, characterized in that, when calculating a plurality of estimation results, the wind condition estimation unit has a function of terminating repeated calculations when an average or standard deviation of the estimation results is smaller than a predetermined value. situation estimation device.
前記校正用データに含まれる期間を第1の期間、前記参照用データに含まれる期間を第2の期間、前記第2の期間から前記第1の期間を除いた期間を第3の期間とするとき、前記第3の期間における前記参照用データと前記回帰モデルに基づいて、推定結果の不確かさも含めて風況を推定する第2の工程を備える
ことを特徴とする風況推定方法。 A first step of learning a regression model based on calibration data indicating wind conditions measured near the installation location of the wind power generation facility and reference data indicating wind conditions obtained by a homogeneous measurement method or analysis method; ,
A period included in the calibration data is defined as a first period, a period included in the reference data is defined as a second period, and a period obtained by subtracting the first period from the second period is defined as a third period. a second step of estimating wind conditions including uncertainties of estimation results based on the reference data and the regression model in the third period.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021199760A JP7114162B1 (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | Wind condition estimation device and wind condition estimation method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021199760A JP7114162B1 (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | Wind condition estimation device and wind condition estimation method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP7114162B1 JP7114162B1 (en) | 2022-08-08 |
JP2023085635A true JP2023085635A (en) | 2023-06-21 |
Family
ID=82748835
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021199760A Active JP7114162B1 (en) | 2021-12-09 | 2021-12-09 | Wind condition estimation device and wind condition estimation method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7114162B1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017187371A (en) * | 2016-04-05 | 2017-10-12 | 株式会社日立パワーソリューションズ | Weather prediction device and wind power generation |
JP2019179013A (en) * | 2018-03-30 | 2019-10-17 | 株式会社熊谷組 | Wind state prediction method |
-
2021
- 2021-12-09 JP JP2021199760A patent/JP7114162B1/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017187371A (en) * | 2016-04-05 | 2017-10-12 | 株式会社日立パワーソリューションズ | Weather prediction device and wind power generation |
JP2019179013A (en) * | 2018-03-30 | 2019-10-17 | 株式会社熊谷組 | Wind state prediction method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP7114162B1 (en) | 2022-08-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ghimire et al. | Global solar radiation prediction by ANN integrated with European Centre for medium range weather forecast fields in solar rich cities of Queensland Australia | |
Monteiro et al. | Wind power forecasting: State-of-the-art 2009. | |
US10598157B2 (en) | Reducing curtailment of wind power generation | |
US8930299B2 (en) | Systems and methods for wind forecasting and grid management | |
Thorarinsdottir et al. | Probabilistic wind gust forecasting using nonhomogeneous Gaussian regression | |
Mabel et al. | Estimation of energy yield from wind farms using artificial neural networks | |
Naveen et al. | Atmospheric weather prediction using various machine learning techniques: a survey | |
Zhao et al. | A review on proliferation of artificial intelligence in wind energy forecasting and instrumentation management | |
Pryor et al. | Downscaling wind | |
Shi et al. | Estimation of wind energy potential and prediction of wind power | |
Clifton et al. | Research challenges and needs for the deployment of wind energy in hilly and mountainous regions | |
Shin et al. | Effects of spatiotemporal correlations in wind data on neural network-based wind predictions | |
Qian et al. | A novel probabilistic power curve model to predict the power production and its uncertainty for a wind farm over complex terrain | |
Krishnamurthy et al. | Boundary layer climatology at ARM southern great plains | |
JP7114162B1 (en) | Wind condition estimation device and wind condition estimation method | |
Huang et al. | Soil moisture content prediction model for tea plantations based on SVM optimised by the bald eagle search algorithm | |
CN115912334A (en) | Method for establishing prediction model of output guarantee rate of wind power plant and prediction method | |
Hallgren et al. | The smoother the better? A comparison of six post-processing methods to improve short-term offshore wind power forecasts in the Baltic Sea | |
Valsaraj et al. | Machine learning-based simplified methods using shorter wind measuring masts for the time ahead wind forecasting at higher altitude for wind energy applications | |
CN113379151A (en) | Wind speed ultra-short term prediction method based on Bagging-CNN-GRU | |
Tai et al. | Validation of turbulence intensity as simulated by the Weather Research and Forecasting model off the US northeast coast | |
Mahabub et al. | An overview of weather forecasting for Bangladesh using machine learning techniques | |
Möhrlen et al. | EirGrid's met mast and alternatives study | |
Rosencrans et al. | Seasonal variability of wake impacts on US mid-Atlantic offshore wind plant power production | |
Clifton et al. | Research challenges and needs for the deployment of wind energy in atmospherically complex locations |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20211209 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20211209 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220125 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20220307 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20220427 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220628 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220725 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7114162 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |