一种改进的SVM短期电力系统负荷预测方法
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第45卷第6期2023年11月
沈 阳 工 业 大 学 学 报JournalofShenyangUniversityofTechnology
Vol 45No 6Nov 2023
收稿日期:2021-04-09
基金项目:贵州省科技计划项目重大专项([2018]3002)。
作者简介:周思明(1987—),女,贵州遵义人,高级工程师,硕士,主要从事电力市场自动化调度,电力监控网络安全等方面的研究。
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电气工程
DOI:10.7688/j.issn.1000-1646.2023.06.11
一种改进的SVM短期电力系统负荷预测方法
周思明1,段金长2,李颖杰1,覃 海1
(1 贵州电力科学研究院电力调度控制中心,贵州贵阳550007;2 国电南瑞南京控制系统有限公司电网调控技术分公司,江苏南京211106)
摘 要:针对电力市场环境下短期电力系统负荷预测准确、高效的要求,提出了一种改进的支持向量机短期负荷预测方法。
利用主成分降维获取日负荷数据的特征因子,通过灰色关联分析建立负荷特征因子与影响因素之间的关联关系。
构建不同日之间影响因素的加权差异度值,将倒数作为权重系数引入支持向量机模型,建立了一种考虑影响因素权值特征的SVM负荷预测模型。
仿真结果表明,改进的SVM模型在一个月内负荷预测的平均预测准确率约为97 01%,日均相对误差在0 32%~3 57%范围内波动。
该模型的负荷预测准确率和稳定性均优于常规的SVM模型与LS SVM模型。
关 键 词:负荷预测;支持向量机;主成分分析;负荷特征;灰色关联分析;差异度值;权重系
数;相对误差
中图分类号:TM744 文献标志码:A 文章编号:1000-1646(2023)06-0661-05
AnimprovedSVMshorttermloadforecastingmethodforpowersystem
ZHOUSiming1,DUANJinchang2,LIYingjie1,QINHai
1
(1.PowerDispatchingandControlCenter,GuizhouElectricPowerResearchInstitute,Guiyang550007,Guizhou,China;2.PowerGridRegulationandControlTechnologyBranch,GuodianNariNanjingControlSystemCo.,Ltd.,Nanjing211106,Jiangsu,China)
Abstract:Inordertomeettherequirementsofaccurateandefficientshort termpowersystemloadforecastinginthepowermarket,animprovedsupportvectormachineshort termloadforecastingmethodwasproposed.Theloadcharacteristicfactorsofdailyloaddatawereobtainedbyusingprincipalcomponentanalysismethod.Therelationshipbetweentheloadcharacteristicfactorsandinfluencingfactorswasestablishedbygreycorrelationanalysis.Byconstructingtheweighteddifferencedegreevalueofinfluencingfactorsbetweendifferentdays,thereciprocalwasintroducedintothesupportvectormachinemodelastheweightcoefficient,thusaSVMloadforecastingmodelconsideringtheweightcharacteristicsofinfluencingfactorswasestablished.ThesimulationresultsshowthattheaverageforecastingaccuracyoftheimprovedSVMmodelisabout97 01%,andthedailyaveragerelativeerrorfluctuateswithintherangeof0 32%to3 57%.Theaccuracyandstabilityoftheas proposedmodelarebetterthanthoseofconventionalSVMandLS SVMmodels.
Keywords:loadforecasting;supportvectormachine;principalcomponentanalysis;loadcharacteristic;
greycorrelationanalysis;differencevalue;weightcoefficient;relativeerror
随着我国电力体制改革的推进以及电力市场的建设和发展,对电力市场需求的预测成为了电
力现货市场的基础性支撑技术[1-2]。
电力系统短
期负荷预测是支撑电力现货交易及辅助服务交易
的重要技术保障,关系着电力市场各方利益[3]。
国内外学者对电力系统负荷预测也开展了广
泛研究[4-6]。
王增平等[7]
采用统计分析和机器学
习的方法,引入门控循环单元的深度神经网络处理方法,进一步提升了负荷预测的精度。
史佳琪
等[8]将长短记忆网络算法嵌入Stacking集成学习
的负荷预测模型,基于多模型集成学习的负荷预测方法其精度要优于传统的单模型预测方法。
孔
祥玉等[9]基于最小二乘支持向量机模型,结合经
验模态分析与特征分析,实现了对外部因素敏感的短期负荷预测。
张宇帆等
[10]
采用随机搜索的
方法研究了L
STM算法对负荷特征的提取情况及学习能力。
彭文等[11]
分析了电价、样本数据和
负荷的相关性,利用负荷的时序特性建立了At
tention LSTM负荷预测模型。
郝晓弘等[12]研究
了混沌优化的最小二次支持向量机在高渗透率分布式电源接入情况下的负荷预测模型,并利用仿真计算验证了模型的有效性。
支持向量机是一种基于统计学结构风险最小化原则的人工智能算法,和其他人工智能算法相比,其可以在有限数据集情况下取得较高的预测精度。
因此,为了进一步提高负荷预测的准确度和效率,文中在线性支持向量机回归模型的基础上,结合负荷影响因素差异度对负荷预测结果的影响,将权重系数引入支持向量机目标函数,提出了一种改进SVM短期电力系统负荷预测模型。
1 预测模型
1 1 支持向量机
假设电力系统负荷预测模型为
f(x)=w
(x)+b (1)式中:
(x)为训练数据集;w和b分别为方程参数。
由此可建立目标函数为
F=m
∑N
i=1
λi(ξi+ξ
i) (2)式中:C为惩罚因子;λi为权重系数;ξi和ξ
i为松弛变量;N为输入样本的总数。
约束条件为
yi-w (xi)-b≤ε+ξi
(3)-yi+w (xi)+b≤ε+ξ
i
(4)
式中:yi为第i时刻负荷的真实值;ε为函数的误差要求值。
求解上述目标函数时,需要将其转换为对偶形式,即
F=[
max-12∑Ni=1∑N
j=
1(αi-α i)(αj-α
j)K(xi,xj
)-∑N
i=1(αi+α
i
)ε+∑N
i=1
(αi-α
i)y]i(5)
约束条件为
∑N
i=1
(ai-a
i)=00≤ai≤λi
C0≤a i≤λi
{
C (6)
式中:αi,α
i为对偶参数;K(xi,xj
)为核函数。
求解式(6)可以得到a=(a1,a2,…,aN)、a =(a 1,a 2,…,a
N)
,于是回归函数可写为f0(x)=∑N
i=1
(ai-a i)K(xi
,x)+b
(7)
1 2 权值计算
本文通过引入“差异度”的概念来描述不同时刻的负荷,即由于影响因素的差别而表现出的差异化程度,并以此为基础建立权值系数计算公式。
假设有i,j两个时刻,各自影响因素的量化指标分别为s(i,m)、s(j,m),则定义差异度值为
dij
=∑M
m=1
s(i,m)-s(j,m)槡
2
(8)
式中,M为影响因素的种类,文中考虑的负荷影响因素分别为平均温度、降雨量、湿度、气象类型、星期类型、日期差、日分类(即正常日和节假日)等7类。
将待预测时刻j记为0,则第i时刻和预测时刻之间的差异度为
di
=∑M
m=1
s(i,m)-s(0,m)槡
2
(9)
差异度越大,说明样本和预测时刻之间的相
关性越小,对预测结果的影响也越小。
因此文中选择差异度的倒数作为支持向量机的权重系数。
2 模型算法
2 1 数据处理
负荷预测过程中影响因素的量纲各不相同,因此需要进行归一化处理。
归一化处理过程中,同一类型影响因素对负荷的影响也存在一定的差异。
以温度变化为例,在20~25℃之间温度变化对负荷影响有限,而在25~35℃温度变化对负荷会有明显影响,因此需要进行差异化处理。
若直接采用所有数据进行模型训练,则数据量较大。
为了优化预测模型,建立负荷和各影响因素之间的关系,本文利用主成分分析方法对负荷数据进行降维处理,并选择累积贡献率大于95%的主成分得到每日负荷数据的特征因子γ,即
γ=p1r1+p2r2+…+psrs
(10)式中:p为各主成分元素;r为贡献率,且满足
r1+r2+…+rs
≥0 95 (11)根据灰色关联分析法,可以利用特征因子和影响因素之间的相关关系来代替负荷数据与影响因素之间的关系。
选定特征因子为参考序列z0(k),负荷影响因素为比较序列zm(k),计算特征因子与影响因素之间的关联系数tm,
即266沈 阳 工 业 大 学 学 报 第45卷
tm=124∑24
t=1
μ(z0(t),zm(t)) (12)
式中,μ为参考序列和影响因素之间的灰色关联度,其计算方法可参考相关资料。
在此基础上,计算得到影响因素对于日负荷的权重值为
cm=
t
m
∑M
m=1
tm
(13)
表1为2
020年9月某周不同样本数据对应的特征因子及各影响因素的权值系数,日期为待预测日。
表1 特征因子及日负荷影响因素的权值
Tab 1 Characteristicfactorsandweightofinfluencingfactorsofdailyload
日期特征因子温度降雨量湿度气象类型星期类型日期差日分类9月1日4 130 1740 1250 1410 1450 1450 1520 1189月2日6 150 1840 1300 1380 1410 1420 1440 1219月3日4 210 1420 1520 1410 1650 1530 1420 1059月4日5 420 1420 1420 1320 1510 1520 1510 1309月5日4 150 1350 1340 1160 1590 1820 1420 1329月6日3 340 1420 1520 1300 1350 1620 1480 1319月7日
4 21
0 169
0 145
0 135
0 135
0 152
0 148
0 116
由表1数据可知,影响因素和不同日期的负荷特征因子之间的权值存在差异,将这一变化引入差异度值,则更新后的差异度值为
d′i
=∑M
m=1
cm
s(i,m)-s(0,m)槡
2 (
14)对负荷数据按照差异度值升序排列,选择差异度值最小的前10组数据作为模型预测负荷的输入量,并利用更新后的差异度值计算新的权重。
2 2 影响因素优化
负荷影响因素采用分段线性归一化的处理方式并不是最优解,因此可以在此基础上进行动态调整以期达到最佳预测目标。
其基本思想是对影响因素归一化处理之后产生正向或负向变化,比较变化后的计算结果,选择最优解。
假设所有各影响因素的取值为S=[s(1,1,1),s(1,1,2),…,s(i,m,qm)](15)式中,s(i,m,qm)为第m种影响因素中第qm个特征量的取值。
影响因素特征值的正向变化步长为
ρ1>1,反向变化步长为0<ρ2<
1。
分段线性化处理方法首先计算初始预测结果,记为fopt,对产生正向和反向变化的特征量进行取值,即
ΔS′=(0,0,…,s(i,m,qm)ρ1,…,0) (16)ΔS″=(0,0,…,s(i,m,qm)ρ2
,…,0) (17)然后求取迭代后的影响因素特征量为
S′=S(k)
+Δ
S′ (18)S″=S(k)
+Δ
S″ (19)式中,k为迭代次数。
分别对每个特征量的取值进行循环迭代,直至满足精度要求或达到了最大
迭代次数为止。
2 3 计算流程
综上所述得到改进SVM模型短期电力系统负荷预测方法的计算流程,如图1
所示。
图1 算法基本流程图
Fig 1 Basicflowchartofalgorithm
对影响因素进行动态调整之后,可以采用方式1,即利用调整后的特征值重新计算SVM模型
3
66第6期 周思明,等:一种改进的SVM短期电力系统负荷预测方法
的权值系数,更新模型参数。
此外,也可以采用方式2直接利用训练好的模型对负荷预测结果进行计算。
方式2与方式1相比,提高了计算效率,但对预测效果的影响不如方式1。
除此之外,各影响因素是以日为单位变化的,在对日负荷各点进行预测时,影响因素可以看作模型参数,并采用PSO算法进行动态调整,即方式3。
3 仿真分析
模型计算过程中,影响因素特征值正向变化步长取1 15,反向变化步长取0 85,算法停止计算的精度为0 1%,PSO最大寻优次数为50次,影响因素最大训练次数为20次。
算法运行效率以方式3为基准进行比较。
利用相对误差与负荷预测准确率衡量模型的预测性能,计算表达式分别为
ei=y
i-yi
yi
×100% (20)A=1-1n∑n
i=1
e2槡
(
)
i×100% (21)
式中:y
i
为负荷预测值;yi为实际负荷值;n为日负荷预测总点数。
为了比较影响因素特征值的变化对负荷预测结果的影响,以各影响因素变化较明显的一周为例进行负荷预测。
2020年9月2日某城市的极端高温为31℃,平均温度为25℃;9月3日为大雨转多云天气;
9月6日为中雨转阵雨天气;9月5日和9月6日为周末。
表2为负荷预测结果对比。
将数据进行归一化处理后,不同算法的负荷预测准确率对比结果图2所示。
由图2可知,采用分段线性归一化的处理方式较为合理,其负荷预测准确率略小于优化后的。
经优化后的影响因素值有利于提升模型预测的准确率。
表2 负荷预测结果对比
Tab 2 Comparisonofloadforecastingresults
(kW·h)
日期日电量实际值
分段线性预测值
优化方式1预测值
优化方式2预测值
优化方式3预测值
9月1日46582479324828247676481179月2日66902697916873468871685749月3日75712785897806078455776809月4日52538539035416654094537989月5日61754642526348463297629899月6日48112505174950849651497479月7日
53226
55035
55796
54609
5418
4
图2 负荷预测准确率比较
Fig 2 Comparisonofloadforecastingaccuracy
文中采用方式2对影响因素进行动态调整,并比较了文中所提出的加权SVM模型、SVM模型、最小二乘SVM模型(LS SVM)的日内负荷数据预测结果,如图3所示。
对比不同SVM的日负荷预测结果可知,SVM模型自身具有良好的负荷预测能力,
只是不
图3 日负荷预测曲线
Fig 3 Dailyloadforecastingcurves
同预测模型在预测精度上存在一定的差异。
文中所提出的改进SVM模型得到的日负荷预测数据的平均相对误差为1
94%,而SVM模型和LS SVM模型得到的日负荷预测数据平均相对误差分别为3 49%和5 04%。
统计3种模型一个月的日均相对误差对比结果如图4所示。
466沈 阳 工 业 大 学 学 报
第45卷
图4 负荷预测日均相对误差
Fig 4 Averagedailyrelativeerrorsofloadforecasting
由图4可知,改进SVM模型一个月内负荷预测的日均相对误差在0
32%~3 57%范围内波动;LS SVM模型预测数据的日均相对误差范围为1 22%~5 95%;SVM模型预测数据的日均相对
误差范围为1
05%~7 03%。
由此可见,改进SVM模型负荷预测的稳定性要优于其他两种模型。
4 结束语
文中在标准回归支持向量机模型的基础上引入了权重系数,用来控制误差项方差不同造成的
影响。
并将影响因素对日负荷的权重计入差异度值,建立了一种新的SVM预测模型。
文中所提出的改进SVM模型得到的日负荷预测数据的平均相对误差为1 98%,而SVM模型和LS SVM模型得到的日负荷预测数据平均相对误差分别为3 91%和3 22%。
改进SVM模型一个月内负荷预测的日均相对误差在0 32%~3 57%范围内波动,SVM模型和LS SVM模型预测数据的日均相对误差范围分别为1 05%~7 03%和1 22%~5 95,可见改进SVM模型负荷预测的稳定性要优于其他两种模型。
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(责任编辑:景 勇 英文审校:尹淑英)
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