基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测.pdf

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基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测1 基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测2 基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测3 基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测4 基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测5 基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测6
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第38卷第11期2010年6月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV0l_38NO.11Jun.1,2010基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测李光珍,刘文颖(华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206)摘要:提出了一种母线负荷短期预测混合算法。采用最小二乘支持向量回归方法(LSSVM)进行短期母线负荷预测,并提出一种广义网格搜索算法对模型参数进行优化;由历史预测误差组成误差序列,将历史预测误差序列看作是一个符合马尔可夫过程的时间序列,采用马尔可夫链方法对未来的预测误差进行估计,采用误差估计结果对上一步LSSVM的预测结果进行修正,得出最终预测结果。经算例分析证明,所提方法能显著提高预测精度。关键词:母线负荷;母线负荷预测;最小二乘支持向量机;广义网格搜索算法;马尔可夫链BUSloadshort.termf0recastbasedonLSSVMandMarkovchainLIGuang・zhen,LIUWen-ying(SchoolofElectricandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)—Abstract:Ahybridmethodisproposedforbusloadshorttermforecast.Itfirstlyadoptstheleastsquaressupportvectormachines—(LSSVM)methodtoforecastbusloadandputsforwardageneralizedgridsearchalgorithmtooptimizetheselectionofmodelparameter.ThenregardingtheseriesofhistoryforecasterrorasaprocessofMarkovchain,itadoptstheMarkovchainmethodtoforecastthepotentialforecasterrorproducedbyLSSVMmode1.Atlast,itadoptstheresultsfromMarkovChainMethodtomodifytheresultsfromLSSVMandgetthefinalforecastload.Thecasestudyintheendofthispaperprovesthattheproposedhybridmethodisavailabletosatisfactoryforecastaccuracy.—Keywords:busload;busloadforecasting;leastsquaressupportvectormachines;generalizedgridsearchalgorithm:Markovchain中图分类号:TM7l5文献标识码:A——文章编号:l6743415(2010)11-0055050引言短期母线负荷预测的精度直接影响后续电网安全分析结果、电网输送能力的计算和运行计划方式的安排。母线负荷基负荷小,具有多重季节性分量和高频波动分量,相邻点的预测误差有很大的随机性,各点误差之间的相关性不强,如何更好地提高短期母线负荷预测精度成为当前电网在线安全分析和预警研究的热点之一。短期母线负荷预测主要有两类方法:一类是基于系统负荷分配的预测方法,另一类[3-91是采用母线负荷的历史数据、负荷特性以及相应的影响因素直接进行母线负荷预测。目前关于提高母线负荷预测精度的研究集中于第二类预测方法。文献[3]先采用线性回归方法来预测负荷的季节性变化趋势,然后采用马尔可夫链方法来构建母线负荷在季节性变化趋势中的日常变化模型;文献【4各累积式自回归动平均算法(ARIMA)和BP神经网络方法综合起来对母线有功负荷进行预测;文献[6]提出了一种模糊神经网络算法;文献[7]将FASE(自适应状态估计)和MLP(多层反馈神经网络)结合起来,前者作为粗估计估计出母线负荷,后者研究FASE的输入输出量与实际母线负荷之间的映射关系;文献f81提出了基于有色噪声的卡尔曼滤波算法;文献[9】先采用K均值聚类方法对电网中众多母线进行特性聚类,形成几大类聚类中心,然后采用多层神经网络方法进行母线负荷预测。母线负荷序列具有较强非线性,直接采用线性回归方法难以达到理想精度;由于电力市场的开放,发输配电分开,缺乏整体的母线负荷管理,经验缺乏,专家系统方法、模糊方法等不太适用于母线负荷预测;在智能预测方法中,神经网络预测方法存在学习不足或过拟合的固有缺陷。本文提出一种混合算法,先采用最小二乘支持向量回归方法(LSSVM)进行短期母线负荷预测;然后由历史预测误差组成误差序列,将历史预测误.56.电力系统保护与控制差看作是一个符合马尔可夫过程的时间序列,采用马尔可夫链方法对未来的预测误差进行估计,并采用预测误差估计结果对上一步LSSVM的预测结果进行修正,得出最终预测结果。经算例分析证明,所提方法能显著提高预测精度。‘1基于LSSVM的母线负荷预测。。标准支持向量回归方法(SVM)的核心思想就是通过一个非线性函数将样本映射到高维特征空间,然后再在高维特征空间进行线性回归。SVM是基于结构风险最小化原则并针对有限样本学习的,能有效地防止过拟合现象,具有良好的泛化能力,能够有效克服神经网络预测方法存在学习不足或过拟合的缺陷。最d.,--乘支持向量回归估计方法(LSSVM)继承了SVM的上述优势,并用平方误差损失函数代替不敏感损失函数,用等式约束来代替标准SVM方法中的不等式约束,将优化问题转化为求解线性方程组,对内存要求低,运算量少,更易于实现。LSSVM的模型结构主要包括输入变量的选择、核函数类型、模型参数三个关键问题。1.1输入变量的选取采用灰色关联度方法【J,从距离预测日比较近Ⅳ的数日内选择J天历史日作为相似日,并按照相似程度进行排序。将相似度最大的前日的各点负荷Ⅳ作为测试样本,其余_天的作为训练样本。按照以下方式从样本中选取8个输入量:(1,h),L(d-l,h一1),L(d-1,h.2),L(d-1,h.3),L(d-2,),L(d-3,h),L(d-4,h),L(d-7,h),其中,前四个数用于定义日负荷的变化趋势,后四个数用于定义负荷的日季节因素影响和周季节因素影响。暂不考虑气温等相关因素的影响。1.2核函数的选取选择不同类型的核函数可以构造不同的学习机器,常用的核函数主要有以下几种:线性函数、多项式函数、RBF径向基函数、傅立叶核、Sigmoid函数。在已有的核函数中,RBF径向基函数因其自身良好的特性得到了广泛的应用,在解决各种基于数据的学习问题时,RBF核函数表现出了较好地学习能力。这里采用RBF径向基函数作为LSSVM模型的核函数,其基本表达式如下:№’一,㈩其中:()-为核函数的宽度系数。1.3模型参数的广义网格搜索算法确定了输入变量和核函数类型之后,模型的性能主要取决于模型的参数,即惩罚参数7/和RBF核函数的宽度系数。如何选择这两个模型参数,目前尚未有统一有—效的方法,常常采用经验选择法或者kfold交叉验证方法。近期有研究者对模型参数的优化问题进行了研究,文献[12]建立了一种联合相似日和蚁群算法的模型参数选择方法,文献[13】将网格搜索法和k.fold交叉验证法结合起来完成模型参数的选择。遗传算法相对复杂,不利于母线负荷预测实际应用;传统网格搜索算法【I3J是按一定方式预先列举出模型参数的具体值,有很大局限性。本文提出一种广义网格搜索算法:先对样本数据按照相似程度排序,将与待预测日相似度最高的样本作为测试样本,其余的作为训练样本;设置模型参数的初始值∽、O-(,迭代次数ny、/,/,等比数g、,由此形成一个呈等比特性的参数范围,通过评价每组参数对应的预测误差,确定最佳模型参数,并且可以通过调整等比数和来“”“”方便地实现粗搜索和细搜索。具体步骤如图1所示。图1广义网格搜索算法示意框图—Fig.1Blockdiagramofgeneralizedgridsearchalgorithm李光珍,等基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测—.572基于马尔可夫链的误差修正任何预测方法都是根据历史数据对未来的一种估计,都将或多或少地存在误差,有必要对预测结果进行修正。如果能够从历史预测数据中找出预测误差的变化规律,就可以对未来的预测误差进行估计,并采用此估计误差对原始预测值进行修正,提高预测精度。母线负荷影响因素众多,随机波动性大,相邻点的预测误差有很大的随机性,各点误差之间的相关性不强,由预测误差组成的时间序列呈现很大的离散性和随机性,可以看成是一个马尔可夫过程Il训。根据历史预测误差的分布情况将预测误差划分为几大类,统计出各类别之间的状态转移概率,估计出下一步的预测误差范围,并采用此误差估计结果对LSSVM的预测结果进行修正。2.1转移概率矩阵数据序列由状态E经过k步转移到状态,的概率称为k步转移概率,并记为:R!k)-警其中:为状态经过k步转移到状态,的次数,为状态出现的次数。将依次排列,可得马尔可夫链的步转移概率矩阵P(),…1,,,I)_l,,..・,l(3)p()p()p()…』nl,』n2,,nn∑其中:巧一。=12.2基于马尔可夫链误差修正的具体过程基于马尔可夫链误差修正的具体过程如下:(1)按照相似日算法[15],选择与待预测日相Ⅳ似度较高的前天历史预测误差作为样本数据;(2)分别求取样本数据的96点误差样本均值集合{}和方差集合{S}。其中:、S分别表示第i点负荷预测误差的Ⅳ…天数据序列的均值和方差;i=1,2,,96。(3)确定96点负荷预测误差的状态““{,,,,。)。比如,第i点负荷预测误差划分为5个状态:。(一,--S),Q(—2i)[Si-0.5s),Q3[x/一0.5sf,+0.5s),40[+0.5sf,+),50[+,+oo)。(4)构造96点负荷预测误差的步转移概率矩阵J。表示第i点负荷预测误差的k步转移概率…矩阵,i=1,2,,96,k<N。(5)编制96点负荷预测误差的状态计算矩阵C(,)。利用状态转移概率矩阵,选择离待预测时刻最…近的k个时段,其转移步数分别定为1,2,,k。在转移步数所对应的转移概率矩阵中,取起始状态所对应的行向量,得到新的概率矩阵,即状态计算矩阵。设第i点负荷预测误差的状态计算矩阵为C(尼,),则:‘’C(,J)={(Q(一尼),)}(4)’其中:Q(一尼)表示第尼天第i点负荷预测误差所处的状态;Qu(一尼)=1,2,3,4,5;j=1,…2,3,4,5:i=1,2,,96。(6)求取待预测日96点预测误差所属的状态。求取状态计算矩阵的列向量之和的最大值,如果矩阵(,)的第J列列向量之和最大,则待预测日第i点负荷的预测误差所属状态为,,且误差∈ei。(7)根据预测误差的预测状态修正预测负荷。按照下面的公式进行修正:L(d+l,)=1,木其中:L(d+l,)表示第l天的第i点预测负荷;’’(1)、(2)分别代表第i点预测误差所处状态的上下界。如果上界或者下界为无穷大,则在修正公式中将此上界或下界对应的值取为0。3流程框图基于LSSVM和马尔可夫链的短期母线负荷预测流程框图如图2所示。.58.电力系统保护与控制开始按照相似度选择历史负荷样本数据样本数据预处理按照广义网格搜索算法训练LSSVM模型参数进行LSSVM预测LSSVM预测负荷按照相似度选择J力史预测误差样本求取预测误差样本的数学期望集合和方差集合构造96点预测误差的k步状态转移概率矩阵修正预测负荷图2基于LSSVM和马尔可夫链的短期母线.负荷预测流程框图—Fig.2BlockdiagramofshorttermbusloadforecastingbasedOnLSSVMandMarkovchain4算例分析采用SCADA系统采集上来的甘肃某地区电网330kV母线有功负荷作为数据源,预测2009年3月3目的96点母线有功负荷。选取与待预测日相似度最高的10天历史负荷作为样本,其中,前9天为训练样本,最近一天的为测试样本。样本数据预处理方法采用传统的数据横向纵向比较法『4J。兼顾各时段负荷差异性和预测速度,将96点负荷依次分为12组,每8点负荷构成一组,每组负荷共用同一预测模型,以同一组的8点负荷的预测误差均方根最小为标准,选择最优模型参数。“”为了避免模型参数在迭代过程中出现过多0元素的情况,保持初值的各位数上的数字的多样性,设置惩罚参数初始值=0.123456、RBF核函数的宽度系数初始值(。)=4.987654,迭代次数g/y=40、=40,等比数gy=2,g:2。优化后的模型参数如表1。表1优化后的模型参数Tab.1Optimizedmodelparameter采用优化的模型参数进行预测,预测精度达到90.O0%,最大相对误差为23.5714%,最小相对误差为0%,平均相对误差为0.2108%。选取与2009年3月3日负荷特性相似度最高的前20天历史预测误差为样本数据,转移步长k=l,2,3,4。采用马尔可夫链误差修正方法对2009年3月3日的LSSVM预测误差所属状态进行预测,并按照公式(5)对预测负荷进行修正,精度从90.00%升至91.73%,提高了1.73%,负荷曲线图见图3。t/j5rain图3马尔可夫链误差修正前后的预测负荷曲线比较Fig.3ForecastloadcurvebeforeandafterMarkovchainerrorcorrection综合LSSVM预测和马尔可夫链误差修正方法,预测2009年3月份正常工作日的96点母线有功负荷(各参数初值同上),预测结果如表2所示。从表2可以看出:2009年3月份内正常工作日的平均日负荷预测准确率的最大值有92.20%,平均预测准确率达到了88.53%;经马尔可夫链误差修正一一炼一一一一一李光珍,等基于LSSVM和马尔可夫链的母线负荷短期预测一59-后,一个月内平均有75%天数的准确率有所提高,准确率最大提高了1.73%,平均提高了0.35%。表2三月份预测精度Tab.2ForecastaccuracyinMarchLSSVM平均日负荷预测日期日期类型不采用马尔采用马尔可量/%可夫链误差夫链误差修修正/%正/%2009.3..22009..3..32009..3..42009..3..52009..3..62009..3..9—2009.31O2009.3.112009.3.122009.3.132009.3.162009.3.17—2009.318—200931920093.20—2009323—20093242009.3.25—2009326—20093.27平均值星期一星期二星期三星期四星期五星期一星期二星期三星期四星期五星期一星期二星期三星期四星期五星期一星期二星期三星期四星期五87-2790.OO92.2O89-3690.9589.2988.4188.4791.5789.9991.7090.0685.7587.05857389.5785.6687.6984.5685_31约88.5388.8291.7392.1888.8991.3789.5588.4388.72918789.6O92.5689.9786.0987_3O86.O990.2686.3687.8384.8785.01约88.881.551.73—0.02—0.470420.260.020250.30—0.390.86—0.090.340.250.360.690.700.140.31—0.30约0.355结论提出了一种母线负荷短期预测混合算法。先采Ⅵ用最小二乘支持向量回归方法(LSs)进行母线负荷预测,并提出一种广义网格搜索算法对LSSVM模型参数进行优化,可以通过设置模型参数初始值、“”“”迭代次数和等比数来方便地实现粗搜索和细搜索,有效克服了传统网格搜索算法需要列举出所有参数值的缺陷,易于得到最优参数;然后将历史预测误差序列看作是一个符合马尔可夫过程的时间序列,采用马尔可夫链方法对LSSVM的预测结果进行修正。实例证明所提方法能够达到满意的预测精度。本文只是针对正常日的母线有功负荷进行短期预测,节假日母线负荷短期预测和母线无功负荷短期预测方面有待专门研究。参考文献[1]汪峰,于尔铿,周京阳.能量管理系统(EMS)第四讲电力系统负荷预报[J].电力系统自动化,1997,21(4):66.69.WANGFeng,YUEr-keng,ZHOUJing-yang.Energymanagementsystem(EMS)partfour:electricpowerloadforecasting[J].AutomationofElectricPowerSystem,1997,21(4):66.69.[2]朱永祥,丁晓群.母线负荷预测的一种实用算法及其应用『EB/OL].中国科技论文在线.2009.03.10.http://www.paper.edu.cn/pape 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