劉蓉暉,趙才濤
(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院,上海 200090)
隨著我國(guó)智能電網(wǎng)技術(shù)和裝備的快速發(fā)展,供電系統(tǒng)的建設(shè)也越來(lái)越復(fù)雜,使得一些負(fù)荷更易受氣象因素[1]等外界環(huán)境的干擾。同時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)的急劇增加,導(dǎo)致從中找出有利于負(fù)荷預(yù)測(cè)的信息困難加大,這些都不利于負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因?yàn)樨?fù)荷預(yù)測(cè)在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、負(fù)荷調(diào)度、控制、能源管理等方面起著重要作用,所以提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的意義[2]。因此需要不斷完善各方面的信息以及優(yōu)化預(yù)測(cè)模型來(lái)提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度。
提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度不僅要考慮影響負(fù)荷變化的因素,還需要合理的預(yù)測(cè)方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)提出了多種方法,常見(jiàn)的預(yù)測(cè)方法有時(shí)序分析法、回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法以及綜合分析法等[3-5]。文獻(xiàn)[6]中將大數(shù)據(jù)分析技術(shù)運(yùn)用于智能電網(wǎng)的建設(shè)中,基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行短期電力負(fù)荷預(yù)測(cè),有效地提高了負(fù)荷預(yù)測(cè)的速度和精度。文獻(xiàn)[7]中運(yùn)用大數(shù)據(jù)管理技術(shù)結(jié)合隨機(jī)森林算法,基于Hadoop預(yù)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè),在不同的數(shù)據(jù)集上運(yùn)用此方法進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)可有效提高預(yù)測(cè)的精度。文獻(xiàn)[8]中引入元胞概念,通過(guò)對(duì)元胞進(jìn)行聚類(lèi),分成多個(gè)等級(jí),然后針對(duì)不同的等級(jí)運(yùn)用支持向量機(jī)模型進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè),這樣可以提高預(yù)測(cè)的有效性與適應(yīng)度。文獻(xiàn)[9]中考慮了影響負(fù)荷變化的氣象因素,并運(yùn)用修正模型對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正,可使預(yù)測(cè)結(jié)果更加精確。
基于以上分析,本文提出一種考慮氣象因素的基于改進(jìn)K-means聚類(lèi)的ARMA預(yù)測(cè)模型對(duì)短期氣溫敏感負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。首先通過(guò)改進(jìn)的K-means聚類(lèi)算法對(duì)負(fù)荷和氣溫進(jìn)行聚類(lèi)分析,建立負(fù)荷與氣溫的關(guān)系函數(shù);其次,經(jīng)過(guò)聚類(lèi)分析后在各個(gè)簇內(nèi)建立相應(yīng)的ARMA預(yù)測(cè)模型,考慮氣溫和濕度因素;最后,對(duì)各個(gè)簇內(nèi)的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正、綜合,通過(guò)平均相對(duì)誤差來(lái)評(píng)判預(yù)測(cè)的好壞。文中通過(guò)單純的ARMA預(yù)測(cè)法,考慮氣象因素的基于K-means聚類(lèi)的ARMA預(yù)測(cè)法以及本文的改進(jìn)法進(jìn)行實(shí)例分析對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文所提出的方法可有效提高負(fù)荷預(yù)測(cè)的精度和效率。
數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集后,經(jīng)過(guò)傳輸、存儲(chǔ)等一系列過(guò)程處理后組成數(shù)據(jù)庫(kù),但在這一系列過(guò)程中都有可能使數(shù)據(jù)損壞[10]。因此在運(yùn)用采集的數(shù)據(jù)之前必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本文中所用到的預(yù)處理技術(shù)包括數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和增補(bǔ)缺失值等。
聚類(lèi)就是將大量的數(shù)據(jù)分成不同的簇,每一個(gè)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)彼此間有某種聯(lián)系或有相似之處,簇與簇之間有一定的界限或區(qū)別,通過(guò)整體結(jié)構(gòu)的不同或?qū)哟蔚膮^(qū)別來(lái)尋找這些數(shù)據(jù)之間隱藏的關(guān)系。因?yàn)镵-means聚類(lèi)算法具有計(jì)算時(shí)間短、速度快、容易解釋、聚類(lèi)效果較好等優(yōu)點(diǎn)[11-13]而被廣泛運(yùn)用。
傳統(tǒng)K-means聚類(lèi)算法的基本步驟如下:
1)在一個(gè)數(shù)據(jù)集N={N1,N2,…,Nn}中,選取K個(gè)點(diǎn)作為聚類(lèi)的初始中心Sj(j=1,2,…,K)。
2)計(jì)算數(shù)據(jù)集中各個(gè)點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離,即Dj=|Ni-Sj|,按照就近原則,根據(jù)各數(shù)據(jù)點(diǎn)離自身周?chē)膫€(gè)聚類(lèi)中心近的就劃分在哪個(gè)簇內(nèi),從而形成K個(gè)簇Ck(k=1,2,…,k)。
3)計(jì)算各簇內(nèi)樣本Nj到聚類(lèi)中心Si的距離平方和E,如式(1)所示。
4)對(duì)每個(gè)簇內(nèi)對(duì)象作均值處理,將計(jì)算后的結(jié)果作為新的聚內(nèi)中心。
5)檢查E和聚類(lèi)中心是否發(fā)生變化,若發(fā)生變化則跳轉(zhuǎn)步驟2)重新計(jì)算,直到不變化為止。
由于傳統(tǒng)聚類(lèi)方法的聚類(lèi)個(gè)數(shù)是由用戶自己選定的,根據(jù)具體情況分析易受人為主觀和經(jīng)驗(yàn)的影響,這樣的聚類(lèi)數(shù)具有不確定性,而且初始聚類(lèi)中心也是隨機(jī)選取的,具有盲目性,這會(huì)使聚類(lèi)更耗時(shí),且結(jié)果不準(zhǔn)確。本文為了得到較好的聚類(lèi)結(jié)果,提出引入Davies—Bouldin指數(shù)[14],通過(guò)DB指數(shù)的值來(lái)選取聚類(lèi)數(shù)K。DB指數(shù)可由式(2)-(5)求得:
式(2)中Si為第i個(gè)簇的分散度值,Xj為第i個(gè)簇的第j個(gè)數(shù)據(jù)值,Ai為第i個(gè)簇的中心點(diǎn),N為第i個(gè)簇的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。式(3)中Mij為第i個(gè)簇與第j個(gè)簇的距離,aki,akj分別為各個(gè)簇的中心點(diǎn)的第K個(gè)屬性值。式(4)中Ri,j是第i個(gè)簇與第j個(gè)簇的相似度。將式(2)、(3)、(4)代入式(5)可求得DB指數(shù)值R,其中K為聚類(lèi)個(gè)數(shù)。當(dāng)K變化時(shí)R也隨之變化,R越小表明簇內(nèi)數(shù)據(jù)越緊密且簇與簇之間的分離性越好,聚類(lèi)效果越好。因此R最小時(shí)可選取最優(yōu)聚類(lèi)數(shù)K。
對(duì)于初始聚類(lèi)中心,本文采用文獻(xiàn)[15]所提的通過(guò)簇內(nèi)對(duì)象密度的大小來(lái)選取,簇內(nèi)對(duì)象密度越大,說(shuō)明簇內(nèi)對(duì)象越集中,聚類(lèi)效果越好。設(shè)對(duì)象集合X={x1,x2,…,xn},xi=(xi1,…,xim),不同對(duì)象xi和xj的歐式距離d(xi,xj)可由式(6)求得。
對(duì)象集X的平均密度Ave_Den(X)如式(7)所示。
對(duì)任一對(duì)象xi的密度Den(xi)如式(8)所示。
其中R為以對(duì)象xi為圓心的圓的半徑,且xi到其他點(diǎn)的距離滿足0<d(x,xi)<R。將所有密度構(gòu)成一個(gè)集合,選取其中密度最大的對(duì)象作為第一個(gè)初始聚類(lèi)中心,按大到小以此類(lèi)推,將第K個(gè)最大密度對(duì)象作為第K個(gè)簇的初始聚類(lèi)中心,且每個(gè)簇的密度要大于平均密度,按照就近原則將各個(gè)對(duì)象分配到附近的簇內(nèi)。
本文所考慮的氣象因素主要是氣溫和相對(duì)濕度,兩者間有一定的相關(guān)關(guān)系。在夏季當(dāng)氣溫高于某一溫度TH時(shí),實(shí)際溫度可以由式(9)表示。在冬季當(dāng)氣溫低于某一溫度TL時(shí),實(shí)際溫度可以由式(10)表示。其他情況下當(dāng)氣溫在TL到TH之間時(shí),濕度對(duì)氣溫的影響很小,可以忽略不計(jì)[16]。
TA、TB為有效氣溫,a、b為常系數(shù),需根據(jù)實(shí)際預(yù)測(cè)需要取值,T為實(shí)際氣溫,H為相對(duì)濕度。
自回歸移動(dòng)平均模型(ARMA)由自回歸模型(AR)和移動(dòng)平均模型(MA)組成,是較為成熟的時(shí)間序列模型,廣泛應(yīng)用于電力負(fù)荷預(yù)測(cè)中。ARMA模型如式(11)所示[17],式中的預(yù)測(cè)負(fù)荷由兩部分主成:第一部分為t時(shí)刻之前的負(fù)荷序列值,第二部分為t時(shí)刻及t時(shí)刻之前的負(fù)荷誤差值。Lt為t時(shí)刻的電力負(fù)荷,p、q分別為AR和MA的階數(shù),α是自回歸系數(shù),β是滑動(dòng)平均系數(shù),et為t時(shí)刻的誤差,符合正態(tài)分布。
當(dāng)運(yùn)用ARMA模型進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)考慮氣象因素會(huì)使預(yù)測(cè)結(jié)果更加精確,但是,ARMA模型是一個(gè)線性模型,它不能完全描述氣象因素與非線性負(fù)荷的關(guān)系,一旦氣象因素發(fā)生較大的變化,就會(huì)引起過(guò)度擬合,使預(yù)測(cè)精度大大降低。因此,需要對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的修正,修正模型如式(12)所示,式中ΔL是負(fù)荷修正值,ΔT是溫度的變化值,L1-L0是負(fù)荷變化值,ΔT′是預(yù)測(cè)日與預(yù)測(cè)日前一天的溫度差。
本文研究的是上海市某配電網(wǎng)負(fù)荷,為典型的辦公、居民負(fù)荷,具有很強(qiáng)的周期性和季節(jié)性。一般工作日負(fù)荷比周末負(fù)荷更重要,所以本文只對(duì)工作日負(fù)荷作重點(diǎn)研究。城市負(fù)荷中易受氣象因素影響的氣溫敏感性負(fù)荷越來(lái)越多,一般夏季和冬季較為明顯,這會(huì)加大負(fù)荷預(yù)測(cè)的誤差。為提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度,本文在預(yù)測(cè)時(shí)不僅考慮了氣象因素,而且還運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)前的預(yù)處理工作。
文中所選數(shù)據(jù)為2011年5月1日至2012年5月1日電網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的負(fù)荷數(shù)據(jù),以每小時(shí)的采樣點(diǎn)為采樣數(shù)據(jù),共選取8 760個(gè)采樣數(shù)據(jù),并選取與負(fù)荷數(shù)據(jù)時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的氣溫、相對(duì)濕度數(shù)據(jù),建立對(duì)象數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
對(duì)所選目標(biāo)對(duì)象分別用傳統(tǒng)K-means聚類(lèi)算法和改進(jìn)的K-means聚類(lèi)算法進(jìn)行6次比對(duì)聚類(lèi)分析,并引用文獻(xiàn)[18]中聚類(lèi)質(zhì)量評(píng)估方法對(duì)聚類(lèi)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),選取最優(yōu)K值作為聚類(lèi)數(shù)。表1為兩種聚類(lèi)算法的結(jié)果比較,從表中可以看出隨著K值得增大聚類(lèi)的準(zhǔn)確率及所耗時(shí)間均會(huì)增加,對(duì)于改進(jìn)的K-means算法,K值是確定的,取K=4且聚類(lèi)準(zhǔn)確率和時(shí)耗都比較理想,通過(guò)兩種聚類(lèi)算法的結(jié)果對(duì)比可以說(shuō)明提出的改進(jìn)K-means聚類(lèi)算法不僅可以確定聚類(lèi)數(shù)K,而且聚類(lèi)效果也較好。
圖1為2011-2012年負(fù)荷與氣溫的聚類(lèi)圖。從圖中可知負(fù)荷與氣溫的關(guān)系可以表示成三部分:第一部分是當(dāng)溫度T<Tl時(shí),此時(shí)Tl=15℃,負(fù)荷與溫度呈負(fù)相關(guān)性,系數(shù)比為-Kl,表示當(dāng)溫度低于一定范圍時(shí),負(fù)荷會(huì)隨著溫度的降低而增大,說(shuō)明氣溫越低取暖負(fù)荷越大;第二部分是當(dāng)溫度Tl≤T≤Th時(shí),此時(shí)Th=25℃,負(fù)荷基本不受溫度的影響,說(shuō)明此范圍內(nèi)的負(fù)荷基本屬于日常的基礎(chǔ)負(fù)荷LB;第三部分是當(dāng)溫度T>Th時(shí),負(fù)荷與溫度呈正相關(guān)性,系數(shù)比為Kh,表示當(dāng)溫度高于一定范圍時(shí),負(fù)荷會(huì)隨著溫度的升高而增大,說(shuō)明氣溫越高降溫負(fù)荷越大。在一般情況下,對(duì)于城市負(fù)荷而言,降溫負(fù)荷所需的用電量往往要大于取暖負(fù)荷所需的用電量,即系數(shù)K1<Kh。綜上所述,負(fù)荷與氣溫的函數(shù)關(guān)系可由式(11)表示,與其對(duì)應(yīng)的曲線圖如圖2所示。
表1 K-means聚類(lèi)算法與改進(jìn)K-means聚類(lèi)算法比較Tab.1 Comparison of K-means clustering algorithm and improved K-means clustering algorithm
圖1 2011-2012年負(fù)荷—?dú)鉁氐木垲?lèi)圖Fig.1 The clustering figure of load and temperature from 2011 to 2012
圖2 負(fù)荷與氣溫的關(guān)系曲線圖Fig.2 The relation curve of load and temperature
本文基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),運(yùn)用時(shí)間序列分析技術(shù)對(duì)氣溫敏感性負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)快速而精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)?;跀?shù)據(jù)挖掘技術(shù)的ARMA預(yù)測(cè)方法流程如圖3所示,主要分為以下幾部分:
圖3 負(fù)荷預(yù)測(cè)流程圖Fig.3 Flowchart of the load forecasting
1)提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的目標(biāo)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理,并查找與之對(duì)應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)建立對(duì)象數(shù)據(jù)集。
2)基于改進(jìn)K-means聚類(lèi)算法對(duì)負(fù)荷和氣溫進(jìn)行聚類(lèi)分析,按照負(fù)荷與氣溫的關(guān)系分成不同的簇,考慮氣象因素,在各個(gè)簇內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷預(yù)測(cè)。
3)對(duì)各預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的修正、綜合、誤差評(píng)估,從而得出結(jié)論。
經(jīng)分析可知,春、秋季節(jié)氣溫、濕度對(duì)負(fù)荷變化影響較小,與之相比,夏、冬季節(jié)的影響較大。所以本文主要選取配電網(wǎng)2011年5月1日至2012年5月1日夏季和冬季的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為歷史負(fù)荷數(shù)據(jù),并選取2012年7月和2013年1月各一個(gè)工作日的最大日負(fù)荷數(shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)樣本進(jìn)行季節(jié)性的負(fù)荷預(yù)測(cè),再選取2012年7月6日一天24h的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè),通過(guò)比較分析3種預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)證明本文所提方法的有效性。
通過(guò)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果需要經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)說(shuō)明預(yù)測(cè)的精確度,一般選取平均相對(duì)誤差來(lái)進(jìn)行評(píng)估。式(12)為平均相對(duì)誤差表達(dá)式。
表2為2012年7月和2013年1月夏季和冬季各一個(gè)工作日的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果。從表2可知,夏季一個(gè)工作日的總平均相對(duì)誤差為1.78%,冬季一個(gè)工作日的總平均相對(duì)誤差為1.48%,相比于文獻(xiàn)[7]、[8]、[10]所用的預(yù)測(cè)方法,本文所提的方法能更有效地提高預(yù)測(cè)的精度。從表中還可得知夏季的氣象因素對(duì)負(fù)荷的影響要大于冬季,致使夏季負(fù)荷預(yù)測(cè)的誤差要比冬季大。
表2 工作日負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.2 Load forecasting results of workday
圖4為對(duì)應(yīng)表2中7月16日至20日三種預(yù)測(cè)方法的工作日負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差,其中e1為不考慮氣象因素的單純ARMA負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差,e2為考慮氣象因素的基于傳統(tǒng)K-means聚類(lèi)的ARMA負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差,e3為本文所提考慮氣象因素的基于改進(jìn)K-means聚類(lèi)的ARMA負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差。從圖4可以得知本文所提方法相比于其他兩種方法能有效降低負(fù)荷預(yù)測(cè)的誤差,提高預(yù)測(cè)精度。
表3為2012年7月6日的日負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果,其對(duì)應(yīng)的曲線圖如圖5所示。單純ARMA負(fù)荷預(yù)測(cè)值用L1表示,預(yù)測(cè)誤差用e1表示;考慮氣象因素的基于傳統(tǒng)K-means聚類(lèi)ARMA負(fù)荷預(yù)測(cè)值用L2表示,預(yù)測(cè)誤差用e2表示;本文所提方法的預(yù)測(cè)值用L3表示,預(yù)測(cè)誤差用e3表示。從表3可知,L1的日平均相對(duì)誤差為3.95%,L2的日平均相對(duì)誤差為2.31%,L3的日平均相對(duì)誤差為1.9%。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)本文方法可以提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度。
圖4 三種預(yù)測(cè)方法的工作日負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差Fig.4 Load forecasting errors of working days with three kinds of prediction methods
表3 2012年7月6日的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果Tab.3 Load forecasting results on July 6,2012
針對(duì)氣溫敏感性負(fù)荷,本文提出一種由數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和ARMA預(yù)測(cè)模型相結(jié)合的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法,在考慮了氣溫、濕度等因素的影響后,通過(guò)建立氣溫與濕度的關(guān)系函數(shù),運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并對(duì)負(fù)荷與氣溫進(jìn)行聚類(lèi)分析,然后在不同簇內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的負(fù)荷預(yù)測(cè),最后對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正與綜合。通過(guò)比較本文方法與傳統(tǒng)方法所得到的預(yù)測(cè)結(jié)果,可以得到本文所提方法能夠有效提高負(fù)荷預(yù)測(cè)的精度和效率,為電力部門(mén)在運(yùn)行管理與調(diào)度負(fù)荷時(shí)提供更好的技術(shù)支撐。
圖5 2012年7月6日的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.5 Forecasting results on July 6,2012
文中通過(guò)單純的ARMA預(yù)測(cè)方法、考慮氣象因素的基于傳統(tǒng)K-means聚類(lèi)的ARMA預(yù)測(cè)方法和本文所提的考慮氣象因素的基于改進(jìn)K-means聚類(lèi)的ARMA預(yù)測(cè)方法進(jìn)行比較分析可知:
1)改進(jìn)的K-means聚類(lèi)算法可解決傳統(tǒng)K-means算法聚類(lèi)數(shù)不確定,初始聚類(lèi)中心隨機(jī)選取的缺點(diǎn),可有效提高聚類(lèi)算法的準(zhǔn)確率和效率。
2)預(yù)測(cè)中考慮了氣象因素,建立氣溫與濕度的關(guān)系函數(shù),并且在聚類(lèi)的基礎(chǔ)上進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè),而且對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)修正,這樣能有效提高負(fù)荷預(yù)測(cè)的精度。
3)通過(guò)三種預(yù)測(cè)方法的比較分析可知,在進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)考慮影響因素越多,技術(shù)越成熟,預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)越精確,從預(yù)測(cè)結(jié)果可以驗(yàn)證本文所提方法的有效性。
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