風力発電所の運営会社が気象の予報と過去の発電の記録から Python で翌日の発電量を30分ごとに予測し、発電計画の提出の下地を作る

処理の起点を決める

気象会社の予報の配信が届いたことを起点にします。 毎朝、決まった初期時刻の予報が届いた後に動かし、翌々日計画の提出期限（10時）の前に担当が計画を確かめる時間を残します。 配信の時刻は契約している気象会社に確かめ、それに合わせて仕組みを組みます。

同じ朝に、翌日分の見込みも作り直します。 翌々日の見込みを出した前日の予報と、今朝の予報で風速が大きく変わっていれば、翌日計画として直すかどうかを担当が決める材料になります。変わっていなければ、翌日計画は出し直しません。

予報の配信が届かない、または初期時刻が前日のままなら、動かしません。 古い予報で見込むと、風の変わり目がまるごとずれます。担当に知らせ、気象会社の画面で予報を確かめて、これまでの方法で作ります。

当日の直しは、この構成では扱いません。 ゲートクローズまでの当日の直しは、監視の画面で実績を見ながら担当が行います。当日の短い先の見込みは別の作りが要るので、まずは翌日・翌々日に絞ります。

入力データを集める

質を決めるのは、出力の制御と停止の記録です。 出力の制御で抑えた日や、号機が故障で止まっていた時間は、風があっても発電量が少ない記録になります。 そのまま学ばせると、「この風速ならこのくらい」の値が全体に低めにずれます。止まっていた時間と抑えていた時間を、学ばせる記録から外す印にします。

予報の初期時刻を必ず残します。 同じ時刻の予報でも、前日の朝に出たものと前々日に出たものでは外れ方が違います。翌々日分を見込むモデルには前々日の朝の予報を、翌日分には前日の朝の予報を、学ばせるときから合わせて使います。

データの取得方法を決める

監視の仕組みからは、決まった時刻に、号機ごとの10分ごとの記録を決まった列の並びで書き出す設定を作ります。書き出しは風車のメーカーか保守の会社の作業になることが多いので、列の並びと運転の状態の符号の意味を最初に取り決めます。

過去の予報を保存しておくことが、いちばん大事な準備です。 学ばせるときに観測の風速を使うと、モデルは「本当の風速なら発電量はこう」という関係を学びます。本番で入るのは予報の風速なので、予報の外れの分だけ見込みが楽観に寄ります。 気象会社の配信を、少なくとも1年分、初期時刻ごとに保存してから学ばせます。保存が無ければ、過去の予報を気象会社から買えるかを確かめます。

AIへ渡す前に整形する

1. 止まっていた時間を外す … 運転の状態が停止・故障・保守の10分は、号機ごとに印を付けます
2. 出力の制御の時間を外す … 制御の指示があった時間は、発電所ごと学ばせる記録から外します
3. 着氷の疑いを外す … 冬に、気温が0度前後で、風速の割に出力が大きく下がった時間に印を付けます。印の付いた時間は、学ばせる記録から外し、別に数えます
4. 運転できる基数の割合で割る … 30分ごとに、運転できた基数 ÷ 全基数 を出し、発電量をこの割合で割って「全基が動いていたら」の値にします
5. 30分ごとに束ねる … 予報の時間ごとの値を30分ごとに引き延ばし、計量の30分ごとの電力量と時刻を合わせます
6. 項目を作る … 予報の風速、風速の3乗、風向（sin と cos の2つ）、気温と気圧から求めた空気の密さ、時刻、予報の初期時刻からの時間、前後の時間の風速の差
7. 強風の項目を作る … 予報の風速が、仕様の強風で止まる風速の何割かを項目にします

4番目を軽く見ないでください。 点検で半分の号機を止めていた日の発電量を、そのまま学ばせると、その風速での見込みが半分にずれます。 割合で割って「全基の値」にそろえ、見込んだ後に翌日の運転できる割合を掛け戻します。

6番目で風向を sin と cos に分けるのは、359度と1度を近い向きとして扱うためです。 角度のまま入れると、北風の両側が遠い値として学ばれます。山の尾根の発電所では、向きで風の通り方が大きく変わります。

目的の値に、監視の仕組みの出力の合計ではなく、計量の30分ごとの電力量を使うのも意図してのことです。 号機ごとの出力の合計には、発電所の中の変圧器や線の損失、所内で使う電力が入っていません。計画と照らされるのは送電の端の量なので、学ばせる値もそれにそろえます。 監視の側の出力は、止まっていた時間の印と運転できる基数を出すためだけに使います。

AIに処理させる

させるのは、発電所ごとに「30分ごとの全基の発電量の真ん中と幅」を見込むことだけです。 運転できる基数の割合を掛けること、計画の値の案、印付けは、決まった計算で行います。

真ん中と幅を、別々のモデルで見込むのは、外れ方が風速によって違うからです。 弱い風の日は発電量が小さく幅も狭い一方、風車が満量に近づく手前の風速の日は、少しの予報の外れで発電量が大きく動きます。 分位点のモデルなら、風速ごとに広がる幅をそのまま見込めます。

5行目がいちばん起きやすい失敗です。 「この気象会社の予報はいつも1メートル強い」と感じると、プログラムの中で予報を補正したくなります。予報の外れ方は、学ばせた記録の中にすでに入っています。 さらに補正を入れると、外れが二重になります。外れ方は保存して数え、気象会社と話す材料にします。

指示内容を固定する

この構成は生成AIを使わないので、プロンプトの代わりに、モデルの設定と計算の規則を書いておきます。

【モデル（発電所ごと・見込む先ごとに3つ）】
- LightGBM
  ・objective = "quantile"
  ・alpha = 0.5（真ん中）、0.9（上側）、0.1（下側）
  ・目的の値 = 30分ごとの全基の発電量（運転できる基数の割合で割った値）
  ・項目 = [予報の風速, 風速の3乗, 風向sin, 風向cos, 空気の密さ,
            時刻, 初期時刻からの時間, 前後1時間の風速の差, 強風の比]
- 見込む先は2つ：翌々日分（前々日の朝の予報）と翌日分（前日の朝の予報）
- 学ばせる記録 = 停止・出力の制御・着氷の印のある時間を外した過去2年
- 学ばせ直しは月に1回。確かめは直近1か月を外して学ばせ、外した1か月で見る

【計画の値の案】
- 案の値 = 真ん中 × 翌日の運転できる基数の割合
- 上側が真ん中を下回る、下側が真ん中を上回る（分位点の交差）ときは、
  3つを小さい順に並べ替えてから使う
- 案の値は定格出力の合計 × 運転できる割合を上限、0を下限で切る
- 実際にどの値で出すかは担当が決める。案は真ん中で作る

【印を付ける条件】
- cutout_risk  … 予報の風速が仕様の強風で止まる風速の9割超
- ramp         … 1時間で見込みの真ん中が定格出力の3割以上動く
- wide         … 上側と下側の差が定格出力の4割超
- out_of_range … 予報の風速が学ばせた記録の範囲の外
- maint_check  … 点検の予定表と前日の運転の状態が食い違う号機がある
- 印の無いコマは、案の値をそのまま計画の案の表に載せる

分位点の交差の並べ替えを書いておくのは、3つのモデルを別々に学ばせると、まれに上側が真ん中を下回るからです。 そのまま表に出すと、担当が幅を読み違えます。並べ替えたコマの数は保存して数えます。 多い発電所は、学ばせる記録が足りていません。

案を真ん中で作り、どの幅で出すかを担当に残すのは、インバランスの損が上下で同じではないからです。 どちらにずれたほうが損が小さいかは、その日の市場の値の見通しで変わります。見込みのモデルはその判断の材料を出すだけにし、判断の物差しは需給計画の責任者が決めます。

出力形式を固定する

発電所・計画の対象日ごとに、次の形のJSONを作り、48コマの表にして計画の案の表に載せます。

{
  "plant": "",
  "target_date": "",
  "horizon": "day_after_next | next_day",
  "forecast_issued_at": "",
  "available_ratio": [ { "slot": 1, "ratio": 0 } ],
  "slots": [
    { "slot": 1, "wind_ms": 0, "p10_kwh": 0, "p50_kwh": 0, "p90_kwh": 0,
      "plan_draft_kwh": 0, "flags": ["cutout_risk | ramp | wide | out_of_range"] }
  ],
  "maint_check": [],
  "quantile_crossing_count": 0,
  "model_version": "",
  "operator_plan": { "chosen": "p50 | adjusted", "reason": "" }
}

1つ目の理由は、forecast_issued_at を見込みと並べて残せることです。 どの初期時刻の予報で見込んだかが分かれば、外れたときに、予報の外れかモデルの外れかを分けられます。

2つ目は、available_ratio を48コマごとに持てることです。 点検が午前だけの日は、午後のコマの割合が戻ります。1日1つの割合で掛けると、午後の計画が少なすぎます。

3つ目は、operator_plan で担当が選んだ値と理由が残ることです。 真ん中で出したのか、強風の止まりを見込んで下げたのか。主任が直した理由が残れば、それがそのまま引き継ぎの材料になります。

システムへ連携する

計画の作成と提出の仕組みへは、何もつなぎません。 計画の案の表までで、担当が表を見て、提出の仕組みに自分で値を入れます。 提出の形式や期限が変わっても、この構成は直さずに済みます。

監視の仕組みへも、何もつなぎ返しません。 計画の値から風車の運転を変える経路は作りません。出力を抑える操作は、制御の指示を受けた担当が監視の側で行います。

人が確認する

需給計画の担当が見るのは、毎朝の計画の案と、印の付いたコマの理由です。 印の無いコマは、真ん中の案を流し見て提出に回します。全コマを前の方法で計算し直す運用にすると、第10章の15.0時間には収まりません。

1. maint_check を先に見る … 点検の予定と運転の状態が食い違う号機です。保守の担当に、点検が延びたのか、予定外の停止かを確かめます
2. cutout_risk と ramp を見る … 強風で止まるおそれと風の急な変わり目です。幅の上側と下側のどちらで出すかを、責任者の決めた物差しで選びます
3. wide と out_of_range を見る … 見込みの土台が弱いコマです。気象会社の予報の解説を読み、前線の通る時刻を確かめます
4. 選んだ値と理由を書く … operator_plan に残します

1番目を省かないでください。 点検が1日延びたのを見落とすと、止まっている号機の分の発電量を計画に載せ、そのまま不足のインバランスになります。 見込みの精度より、運転できる基数の入れ違いのほうが外れが大きくなります。

主任が在職しているうちは、週に1回、印の無い日も並べて見てもらいます。 見込みと主任の見立てが同じ向きにずれる発電所が続くなら、モデルに入っていない手がかり（羽根の汚れ、地形の陰、新しい建物）があるということです。

例外に対処する

上から3行目は、毎月どこかで起きます。 風車は部品の不調で止まり、復旧まで数時間から数日かかります。止まった号機の分を見込みから引く作業を、毎朝の最初に置きます。 見込みのモデルが正しくても、運転できる基数を取り違えれば計画は外れます。

記録を残す

• 読み込んだ予報（配信の初期時刻を含めて）と、監視の書き出しの件数
• 発電所・コマごとの見込み（真ん中・上側・下側）と、運転できる基数の割合
• 計画の値の案と印、分位点の交差の数
• 担当が選んだ値と理由（operator_plan）、実際に提出した値
• 翌日・翌々日の実際の発電量と、見込み・予報の外れ方
• モデルの版、学ばせた期間、印の線の値

4行目で、案の値と提出した値の両方を残すのは、担当の直しが効いたかを後から数えるためです。 真ん中のまま出した日と直して出した日で、どちらの外れが小さかったかを月ごとに比べます。直しが外れを増やしている型が見つかれば、その型の日は案のまま出す、という決まりに変えられます。

最後から2行目は、発電所ごと・季節ごとに並べます。 冬の季節風の時期だけ外れる発電所、前線の日だけ外れる発電所が見えてきます。外れの型が分かれば、どの日に人が時間を使うべきかが分かります。