基于機(jī)器學(xué)習(xí)的光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)
——以金華市為例

張 波，王曉晨，周 旺，陳志華，王劍強(qiáng)

(國(guó)家電網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321017)

1 研究背景

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，電力需求量越來越大。當(dāng)前我國(guó)主要依靠火力發(fā)電，火力發(fā)電主要來源于煤、天然氣和石油等化石燃料燃燒，但大量使用這些化石燃料已經(jīng)造成了化石燃料的巨大消耗和環(huán)境污染問題[1-2]。鑒于這些事實(shí)，人們已經(jīng)深入探索使用替代能源來滿足電力需求，其中可再生能源(如太陽(yáng)風(fēng)、風(fēng)能等)在全球范圍內(nèi)得到了極大關(guān)注。與傳統(tǒng)能源相比，可再生能源具有溫室氣體排放極低、使用壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型能源[3-4]。盡管近年來我國(guó)大力推進(jìn)可再生能源，如太陽(yáng)能和風(fēng)能，但是發(fā)電量非常少[5-6]，2020年國(guó)家更是出臺(tái)了關(guān)于“碳中和碳達(dá)峰”的政策，目的是控制碳的排放量并大力發(fā)展新能源[7]。

太陽(yáng)能發(fā)電主要分為太陽(yáng)能熱發(fā)電和光伏發(fā)電，其中光伏發(fā)電每年以較快的速度增長(zhǎng)。然而，光伏發(fā)電依賴于各種因素，如氣候條件、風(fēng)壓、濕度、太陽(yáng)輻射、環(huán)境溫度和組件溫度。由于光照的隨機(jī)性和晝夜的周期性，光伏電站發(fā)電具有典型的波動(dòng)性和間歇性特征[8]。太陽(yáng)能輸出功率的突變會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和規(guī)劃產(chǎn)生影響。為了避免這種情況的發(fā)生，需要對(duì)光伏發(fā)電功率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)方法主要有3類。第一類是基于物理模型；第二類是傳統(tǒng)的時(shí)間系列分析方法；第三類是機(jī)器學(xué)習(xí)算法。物理方法是根據(jù)光伏發(fā)電原理建立的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)獲得的太陽(yáng)輻射、溫度、濕度、云量、氣壓和風(fēng)速，結(jié)合光伏系統(tǒng)安裝角度、光伏陣列轉(zhuǎn)換效率建立物理模型，然后直接計(jì)算光伏發(fā)電功率。物理預(yù)測(cè)模型不需要?dú)v史數(shù)據(jù)，僅依賴于詳細(xì)的站點(diǎn)地理信息、準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)和完整的數(shù)據(jù)光伏電池的信息[9]。由于認(rèn)知程度的關(guān)系，所建立的物理相關(guān)模型存在一定的誤差，且模型需要依賴經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(閾值)，而不同區(qū)域之間的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)不同，導(dǎo)致局部抗干擾能力差、魯棒性弱[10]。

常用的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)方法有時(shí)間序列法[11]、回歸分析法[12]、灰色理論[13]、模糊理論[14]、時(shí)空相關(guān)法[15]。統(tǒng)計(jì)方法是通過對(duì)處理過的太陽(yáng)輻射、光伏發(fā)電出力等歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合、參數(shù)估計(jì)和相關(guān)分析，建立投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)之間的相關(guān)映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未來光伏發(fā)電產(chǎn)量的預(yù)測(cè)。與物理方法不同，統(tǒng)計(jì)建模不需要對(duì)復(fù)雜的光電轉(zhuǎn)換關(guān)系有清晰完整的認(rèn)識(shí)，對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行初步的了解，僅通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

然而，這種技術(shù)通常產(chǎn)生低精度的預(yù)測(cè)，也不能很好地處理非線性數(shù)據(jù)。鑒于機(jī)器學(xué)習(xí)具有高效提取高維復(fù)雜非線性特征并將其直接映射到輸出的能力，因此已成為最常用的時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法之一。Antonanzas等學(xué)者使用支持向量機(jī)(SVM)和隨機(jī)森林(RandFore)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)預(yù)測(cè)光伏發(fā)電功率[16]。Leva等學(xué)者利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)基于天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)每日的PV輸出功率[17]。Wang等學(xué)者比較了深度學(xué)習(xí)模型，包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)以及它們的組合，用于光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)[18]。文獻(xiàn)[19]提出了一種基于ANN的太陽(yáng)能發(fā)電預(yù)測(cè)模型，并在研究中選擇氣象數(shù)據(jù)作為模型的輸入。結(jié)果表明，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)性能優(yōu)于一些典型的物理和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有比淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更高的特征提取能力，能顯著改善淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的梯度消失問題，已經(jīng)被證明是時(shí)間序列預(yù)測(cè)的非常強(qiáng)大的工具。常見的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)主要有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)(CNN)、深度信念網(wǎng)絡(luò)(DBN)、堆疊去噪自動(dòng)編碼器(SDAE)和長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(LSTM)、門控循環(huán)單元(GRU)、一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN1D)和其他混合架構(gòu)[20]。Gensler等學(xué)者采用編碼器和LSTM對(duì)光伏發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，與眾所周知的多層感知器網(wǎng)絡(luò)(MLP)相比，Auto-LSTM具有較好的效果[21]。De團(tuán)隊(duì)提出了基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的LSTM算法進(jìn)行光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)[22]。Mellit等學(xué)者對(duì)比了多種深度學(xué)習(xí)算法的光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)結(jié)果，這些算法包括長(zhǎng)短期記憶(LSTM)、雙向LSTM (BiLSTM)、門控循環(huán)單元(GRU)、雙向GRU (BiGRU)以及混合一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明，這些深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)結(jié)果都很準(zhǔn)，當(dāng)預(yù)測(cè)時(shí)間窗口非常短時(shí)，預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確[23]。

本文將采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，包括4個(gè)傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法和2個(gè)深度學(xué)習(xí)算法，預(yù)測(cè)金華市3個(gè)地區(qū)(萬(wàn)里揚(yáng)發(fā)電站、領(lǐng)跑發(fā)電站、蒙牛乳業(yè)發(fā)電站)的光伏發(fā)電功率。因?yàn)楣夥l(fā)電功率數(shù)據(jù)中沒有天氣信息，本文擬首先通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲取對(duì)應(yīng)時(shí)間的天氣數(shù)據(jù)，將這些天氣信息作為輸入，對(duì)不同類型天氣預(yù)測(cè)光伏發(fā)電功率。

2 數(shù)據(jù)分析與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)概述

國(guó)家電網(wǎng)金華供電公司有浙江省金華市3個(gè)光伏發(fā)電站數(shù)據(jù)，分別是萬(wàn)里揚(yáng)光伏發(fā)電站、零跑光伏發(fā)電站和蒙牛乳業(yè)發(fā)電站。時(shí)間段：2020年1月1日—2020年1月25日和2021年5月1日—2021年5月20日，以每5分鐘記錄的數(shù)據(jù)，其中2021年5月8日—2021年5月11日四天的數(shù)據(jù)缺失，因此一共有57 d以每5分鐘記錄的光伏發(fā)電功率數(shù)據(jù)。

由于光伏發(fā)電功率主要受天氣影響，本文首先分析不同天氣下光伏發(fā)電功率(MW)。不妨將晴天、晴天轉(zhuǎn)多云設(shè)為“晴天”，將多云、多云轉(zhuǎn)陰、晴轉(zhuǎn)陰設(shè)為“多云”，將陰、晴轉(zhuǎn)小雨、多云轉(zhuǎn)小雨設(shè)為“陰”，將其他天氣如陰轉(zhuǎn)小雨、雷陣雨、大中小雨和其他惡劣天氣設(shè)為“雨雪等天氣”。從2020年1月1日—2020年1月25日和從2021年5月1日—2021年5月20日金華市這4類天氣的天數(shù)分別為7 d、8 d、10 d和40 d。

為了預(yù)測(cè)4類天氣光伏發(fā)電功率，本文分析4類天氣的發(fā)電功率與時(shí)間的變化關(guān)系。不妨從數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇5 d四種天氣類型(見圖1)，可以發(fā)現(xiàn)晴朗的天氣光伏發(fā)電較為穩(wěn)定，而陰天和雨雪等天氣光伏發(fā)電功率的波動(dòng)性很大，表明光伏發(fā)電功率受天氣影響非常大。從圖1中可以看出一般6：00以后光伏發(fā)電站才能收集到發(fā)電數(shù)據(jù)，19：00以后幾乎收集不到發(fā)電數(shù)據(jù)，表明光伏發(fā)電時(shí)間段集中于6：00—19：00。

圖1 四類天氣的每5分鐘的光伏發(fā)電功率(MW)(隨機(jī)選擇5 d數(shù)據(jù))

為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)光伏發(fā)電功率，本位期望預(yù)測(cè)出每5分鐘的光伏發(fā)電功率。通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲，獲取了每小時(shí)的天氣信息，包括濕度(humidity)、AQI(空氣質(zhì)量指數(shù))、weather(天氣)、wind(風(fēng)向)、winp(風(fēng)速)、temp(溫度：攝氏度)。前5行數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 爬取的金華市2020年1月1日前5小時(shí)的天氣數(shù)據(jù)

本文僅僅能爬取每小時(shí)的天氣信息，同時(shí)假設(shè)每小時(shí)內(nèi)天氣變化不大，為了能匹配光伏發(fā)電站以每5分鐘收集的數(shù)據(jù)，將爬取的天氣數(shù)據(jù)復(fù)制12次，即每小時(shí)內(nèi)的天氣信息相同。理論上光伏發(fā)電與光照強(qiáng)度非常相關(guān)，但是筆者爬取不到光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。因此擬通過上述特征作為輸入，預(yù)測(cè)每5分鐘的光伏發(fā)電功率。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1)數(shù)值類型Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方法。

(1)

2)字符類型特征數(shù)值化方法?；谀硞€(gè)特征，找出所有不同的字符串及個(gè)數(shù)，將不同字符串用整數(shù)標(biāo)號(hào)，最后再對(duì)這一特征進(jìn)行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3 光伏發(fā)電預(yù)測(cè)研究

本文采用6種算法預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)異常行為和預(yù)測(cè)安全威脅等級(jí)，分別為貝葉斯算法(Byes)，K最近鄰算法(KNN)，支持向量機(jī)(SVM)，隨機(jī)森林(RandFore)以及2個(gè)深度學(xué)習(xí)算法，即多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP)和雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Bi-LSTM)。

這些算法可以從Python中的第三方庫(kù)直接調(diào)用。對(duì)于貝葉斯算法(Byes)，K最近鄰算法(KNN)，支持向量機(jī)(SVM)，隨機(jī)森林(RandFore)4種算法，本文直接用默認(rèn)參數(shù)，對(duì)于BP和Bi-LSTM算法，采用3個(gè)隱藏層，每層神經(jīng)元數(shù)量為64個(gè)，最后一層采用全連接層。為了減少或避免進(jìn)入局部最優(yōu)解和過擬合，dropout設(shè)為0.2，即隨機(jī)將20%的神經(jīng)元當(dāng)作遺忘。運(yùn)算批量大小batch_size為200。

為了研究預(yù)測(cè)效果，給出3種預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別為均方根誤差RMSE，平均絕對(duì)誤差MAE，R2分?jǐn)?shù)。

均方根誤差(RMSE)：用于刻畫預(yù)測(cè)值存在多大的誤差。其計(jì)算公式如下：

(2)

平均絕對(duì)誤差(MAE)：用于評(píng)估預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的平均絕對(duì)誤差，與RMSE一樣，MAE值越小越好。其計(jì)算公式如下：

(3)

R2分?jǐn)?shù)(R-Squre score)：反映預(yù)測(cè)結(jié)果大概有多準(zhǔn)。其定義如下：

(4)

其中，R2≤1，其值越大預(yù)測(cè)得越準(zhǔn)。當(dāng)R2小于0時(shí)，表示預(yù)測(cè)結(jié)果非常差。

基于上述算法和評(píng)估指標(biāo)，對(duì)4類天氣以每5分鐘為單位的光伏發(fā)電進(jìn)行預(yù)測(cè)。不妨選擇2020年1月8日(“晴天”)、2020年1月20日(“多云”)、2020年1月22日(“陰”)、2021年5月17日(“雨雪等”)四天作為測(cè)試集進(jìn)行預(yù)測(cè)，其他數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集。如表2所示，從3個(gè)指標(biāo)的結(jié)果揭示Bi-LSTM算法占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，除了2020年1月22日中的BP算法在MAE指標(biāo)高于Bi-LSTM外，其他所有數(shù)據(jù)都顯示Bi-LSTM更好。其他4個(gè)傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法中隨機(jī)森林預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)，之后是最近鄰KNN算法，貝葉斯Byes和支持向量機(jī)SVM兩個(gè)算法預(yù)測(cè)結(jié)果較差。此外，筆者還發(fā)現(xiàn)，“晴天”和“多云”2類天氣預(yù)測(cè)得更準(zhǔn)，而“陰”和“雨雪等”2類天氣預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)較差，R2指標(biāo)甚至出現(xiàn)負(fù)數(shù)，表明預(yù)測(cè)結(jié)果很差。

表2 基于不同光伏功率預(yù)測(cè)算法下的3種評(píng)估指標(biāo)結(jié)果

為了更好地顯示和對(duì)比各類算法的預(yù)測(cè)結(jié)果，筆者給出上述各類天氣的可視化預(yù)測(cè)結(jié)果和真實(shí)結(jié)果對(duì)照?qǐng)D，這里僅僅展示“多云”和“雨雪等天氣”的預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖2和圖3所示。從圖2中可以明顯看出BP和Bi-LSTM兩種算法的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯好于其他4種，尤其是Bi-LSTM算法的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示在光伏發(fā)電功率的最高值時(shí)有點(diǎn)偏差，其他時(shí)刻預(yù)測(cè)非常準(zhǔn)確。Byes算法和SVM算法預(yù)測(cè)結(jié)果非常差。

圖2 六種算法對(duì)2020年1月8日(“多云”)光伏發(fā)電功率P(MW)預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 六種算法對(duì)2021年5月17日(“雨雪等”)光伏發(fā)電P(MW)預(yù)測(cè)結(jié)果

2021年5月17日“雨雪等天氣”各算法光伏發(fā)電功率的預(yù)測(cè)結(jié)果(見圖3)，明顯可以看出，除了Bi-LSTM算法預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值比較吻合外，其他算法預(yù)測(cè)的結(jié)果都非常糟糕，雖然BP算法在前面的例子中展現(xiàn)了較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，但是在本例子中預(yù)測(cè)也非常差，其主要原因可能是沒有捕捉到時(shí)間系列特征，而Bi-LSTM算法能很好地對(duì)前和后2個(gè)序列的特征進(jìn)行捕捉，因此Bi-LSTM算法預(yù)測(cè)得更準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力受天氣、氣候等因素影響較大。這些特點(diǎn)給高比例光伏接入后的電力系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)，如增加了電網(wǎng)調(diào)度的難度和復(fù)雜性。本文利用4個(gè)傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和2個(gè)深度學(xué)習(xí)算法研究對(duì)金華市3個(gè)光伏發(fā)電站的光伏發(fā)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。發(fā)現(xiàn)“晴天”和“多云”2種類型天氣的光伏發(fā)電功率隨著時(shí)間呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的正態(tài)分布，而“陰”天和“雨雪等天氣”波動(dòng)較大。針對(duì)這種情況，筆者爬取了天氣數(shù)據(jù)，將天氣數(shù)據(jù)作為輸入特征，基于6種機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)各類型天氣的每5分鐘光伏發(fā)電功率，模擬結(jié)果揭示，雙向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Bi-LSTM)算法的預(yù)測(cè)結(jié)果最好，也最穩(wěn)定，此外，“晴天”和“多云”2種類型天氣的預(yù)測(cè)結(jié)果比“陰”天和“雨雪等天氣”預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)。

已有研究發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電功率與光照強(qiáng)度非常相關(guān)[24]。本文并沒有爬取到光照信息，如果有光照信息，預(yù)測(cè)結(jié)果很可能會(huì)進(jìn)一步提高。不少研究結(jié)果揭示采用混合算法，可能會(huì)得到更好的預(yù)測(cè)結(jié)果[25]。如Liu等學(xué)者提出了基于變分模態(tài)分解、奇異譜分析、LSTM網(wǎng)絡(luò)和ELM的混合模型，用于提高預(yù)測(cè)精度和魯棒性[26]。Wang等學(xué)者提出了一種小波變換和CNN相結(jié)合的混合預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)確定性和概率光伏功率的直接預(yù)測(cè)[27]。未來將嘗試采用混合算法預(yù)測(cè)光伏發(fā)電功率，找出預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確的算法。