您好,欢迎来到好走旅游网。
搜索
您的当前位置:首页基于混合算法优化神经网络的风电预测模型

基于混合算法优化神经网络的风电预测模型

来源:好走旅游网
第30卷第2期 2017年2月 广东电力 GUANCDoNG ELECTRIC P0WER Vo1.3【】NO.2 Feb.2()17 doi:1 0.3969/j.issn.1 007—290X.2()1 7.02.005 基于混合算法优化神经网络的风电预测模型 董朕,殷豪,孟安波 (广东工业大学自动化学院,广东广州51O006) 摘要:针对粒子群算法陷入局部最优以及Elman神经网络泛化能力不足等缺点,提出一种混合小波包分解 (wavelet packet decomposition,WPD)和催化粒子群算法(catytic particle swarm optimization,CPS0)优化E1. man神经网络(elman neural network,ENN)的短期风电预测方法。通过小波包变换对风电功率样本进行多层序 列分解,对单支重构所得的风电功率子序列采用催化粒子群算法优化的神经网络(CPSO-ENN)进行预测,最后 叠加各子序列的预测值,得出实际预测结果。在实例分析中,利用某风电场实际运行数据进行仿真验证,结果 表明新模型具有较高的预测精度。 关键词:催化粒子群算法;神经网络;小波包分解;子序列;风电功率预测 中图分类号:TM715 .1 文献标志码:A 文章编号:1007.29Ox(2()17)O2.0029.05 Wind Power Forecasting Model Based on Optimized Neural Network of Hybrid Algorithm DoNG Zhen,YIN Hao,M ENG Anbo (College of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou,Ouangdong 510006,China) Abstract:In allusion to shortcomings of particle swarm optimization(PSO)algorithm being likely to run into partial optimi— zation and generalization of Elman neural network being insufficient,this paper presents a kind of method for short—term wind power forecasting based on wavelet packet decomposition(WPD)and catalytic particle swarm optimization(CPSO)al— gorithm for optimizing Elman neural network(ENN).This method uses wavelet transform to decompose wind power sam- pies into multi-level sequences,adopts CPSO—ENN optimized by CPSO algorithm for forecasting the sub-sequence of wind power obtained from reconstruction,and finally overlays forecasting value of each sub—sequence to obtain actual forecasting results.Simulating verification for actual operational data of one wind power field indicates that this new model has higher forecasting precision. Key words:catalytic particle swarm optimization algorithm;neural network;wavelet packet decomposition;sub—sequence; wind power forecasting 近年来,风电能源以其清洁性及应用技术日益 成熟而备受青睐,在电网规划中的比重也逐年上 升。但是风电出力固有的波动性和间歇性给电网带 来的冲击严重影响电能质量和供电可靠性,成为制 约风电并网的瓶颈。对风电场输出功率进行预测, 可为电网安排发电计划、停机检修提供可靠参考, 有利于保证系统的安全可靠和经济运行l】 ;因 此,提高风电预测的精度对大规模风电的逐步并网 具有重要意义。Elman神经网络在信息处理规模 以及学习能力等方面表现突出,在预测领域得到广 泛应用[ ;但是随着预测影响因素和学习样本增 多,神经网络的计算量和权值数将急剧增加,其收 敛速度慢、容易陷入局部最优的缺点就暴露出来。 神经网络的预测性能与神经元间连接系数密切相 关[6。],目前网络参数优化的方法主要有遗传算 法[ 、蚁群算法 、模拟退火法、粒子群算法[1{1] 收稿日期:2016-10-(12 基金项目:广东省科技计划项目(2016A010104016);广东电网公 司科技项目(GDKJQQ2(H52O66) 广东电力 第30卷 以及多种算法结合[1妇等,但这些算法均有过早收 敛问题。针对风电功率的特点和已有优化算法的不 第d维执行横向交叉,则它们的子代可表示为: Mfi, =r}p《, +(1一rf)p《,,+c (p《, 一p2,J).(1) 足,本文提出一种混合小波包变换(wavelet packet decomposition,WPD)与催化粒子群算法(catytic particle swarm optimization,CPSO)优化Elman Mfi, =r!p8, +(1一r!)p8,i+c!(p2,J—p《, ).(2) 式中:r}、r (d=1,2…,D)为[0,1]之间的均 匀分布随机数;c 、c 为[一1,1]之间的均匀分 布扩展系数;M 、M 为中庸解,分别为P , 神经网络(elman neural network,ENN)的风电预 测方法(WPD.CPSO.ENN)。该方法首先采用小波 和P ,,的子代;p8, 为父代粒子P , 的第d维,p8,, 包对原始风电功率时间序列进行分解,然后用El- man神经网络对单支重构的各子序列进行预测, 同时为保证预测精度,使用催化粒子群算法来优化 神经网络的权值、阈值,最后叠加全部子序列预测 值得到实际预测结果。通过对某风电场进行提前 24 h预测,取得了良好的预测效果。 1催化粒子群算法 粒子群算法(particle swarm optimization, PSO)以粒子全局最优值 和个体历史最优值P 作引导的寻优机制使得粒子群算法的前期收敛速度 较快,局部搜索能力强;然而,其不足之处在于算 法在迭代后期容易出现早熟问题,全局收敛能力欠 佳。相反,交叉优化算法(crisscross swarm opti. mization,CSO)作为一种新颖的随机搜索算法, 虽然前期收敛速度不如PSO,但是这里改进后的 CSO引入贪婪选择思想,始终使种群粒子保持其 历史最优值P ,同时利用算法自带的横向交叉和 纵向交叉机制,使CSO拥有更快的总体收敛速度 和强大的全局收敛能力。受此启发,为了结合两种 算法的优点,提高算法的性能,提出了一种新颖的 催化粒子群算法(CPSO)。 这里纵横交叉算法可以看作为一种用来提高粒 子群算法收敛性能的催化剂,其主要内容如下。 1.1纵横交叉算法 纵横交叉算法主要包括横向交叉和纵向交叉两 个主要算子。横向交叉执行对解空间的全局搜索, 纵向交叉则引入维度层面的算术交叉,相当于一个 小概率的突变,该搜索机制将被作为一个催化剂来 提高Pso的收敛速率和增强算法的全局收敛能力。 1.1.1横向交叉 横向交叉是2个不同粒子的所有维之间进行的算 术交叉,交叉前须对种群中所有粒子进行两两不重复 配对,然后执行横向交叉机制更新粒子。在D维搜 索空间中,假设粒子i和粒子 的父代Pb, 和P ,f的 为粒子P ,,的第d维。 由式(1)和式(2)可知,横向交叉由两部分组 成:第一部分为类似于遗传算法的实值算术交叉, 第二部分加入了扩展系数。 横向交叉得到的中庸解通过竞争机制与其父代 (第一阶段中改造PSo更新后得到的个体最优值 P )进行适应度比较,选择适应度小的作为新一代 。然后,新一代的个体最优值P 将被作为新的 父代粒子,进入到第三阶段的纵向交叉操作。 1.1.2纵向交叉 纵向交叉是所有粒子维度层面的算术交叉,交 叉前须对所有粒子的所有维进行配对,假设粒子 的第d 和第d:维进行纵向交叉,则第d 维的子 代可表示为: M , =r3 p +(1一r 3)pd。2 ,. (3) 式中:r,为[(),1]之间的均匀分布随机数。 由式(3)可知,纵向交叉同样采用类似的繁殖 机制来产生中庸解。但是,该交又是粒子维度层面 的交叉,它能使陷入局部最优的某一维从中摆脱出 来,以此来保持和增加种群多样性。由于粒子各个 维的取值范围可能不同,因而,为了使每一维产生 的子代均能介于其取值范围以内,交叉前须对所有 粒子的每一维进行归一化处理。 由于种群中的粒子在进化过程中始终保持其个 体历史最优值P ,因此,须对PSO进行相应的改 造,以适应算法要求。 1.2改造PSO 改造PSO的更新公式与传统PSO不同。在种 群数量为M时,假设粒子i(i=1,2,…,M)的 速度和位置矢量分为:Vl=( , ,…, )和 X =(X ,X ,…, ),则其更新公式为: v =w +c1 r1(m 8一p8, C 2 r2(g8一g8, ).(4) =p8。 + . (5) 式中:r 、r。为[(),1]之间的均匀分布随机数; C 、C2为加速因子;W为惯性权重;p《, 第2期 董朕,等:基于混合算法优化神经网络的风电预测模型 (d=1,2,…,D)为粒子f的个体历史最优位 置;gg为当前种群中全局最优位置;mbd为所有 粒子第d维的平均值;v 为粒子更新后的速度; 为粒子更新后的位置。 假设神经网络输入层、隐含层和输出层的节点 数分别为/7,、h、m,则变量维数D=凡×h+m ×h-I-h+ 。用式(6)均方误差公式(适应度函数 k )衡量每个粒子的适应值。 Ⅳ m 因为CPSO在寻优过程中结合了PSO中个体最 优值g 对种群的引导机制,所以算法前期收敛速度 非常快;同时又引入CSO的横向交叉和纵向交叉机 k = 1∑∑(p 一 ) . ’k=1 t:1 ^ (6) 式中:P 、P 分别是神经网络的实际输出和目标 制,结合两者的优点,使催化粒子群算法具备更加 强大的全局收敛能力和更快的总体收敛速率。 2催化粒子群算法优化神经网络 Elman神经网络在神经元之间既有主要的前馈 连接又有内部的反馈连接,与BP神经网络相比具 有更强的动态行为和计算能力E他],使训练好的网络 具备非线性映射和动态特性;然而Elman神经网络 同样容易陷入局部最优,而且当影响因素和学习样 本增多时,神经网络的计算量和权值数将急剧增加, 导致收敛速度慢。∞算法具有全局搜索能力强 和收敛速度快的特点,为克服神经网络以上缺点提 供了可能。( So训练神经网络的过程如图1所示。 图1 CPSO.ENN流程图 输出;N为训练样本数。 3基于小波包和CPSO.ENN的预测模型 3.1小波包分解 WPD在同一级尺度上能同时对低频和高频部 分进行分解,形成一个完整二叉树结构,如图2所 示,分解得到2j个子序列,7为分解层数,也就 是尺度数。综合考虑总体计算速度和预测精度,本 文采用试错法多次实验,最后确定对原始风电功率 时间序列采用3层小波包分解。以12天数据样本 点为例,共288点,进行3层小波包分解,结果如 图3所示。 图2 3层小波包分解结构图 3.2基于混合算法的风电功率预测模型 针对风电功率波动性大和非线性强的特点,本 文对风电功率预测建模采用WPD.CPSO.ENN模 型,并与WPD.PSO.ENN作比较,所提的混合算 法模型如图4所示。该模型首先利用小波包分解将 原始负荷时间序列分解成多个频率的子序列,然后 运用PS0.ENN、CPSO.ENN预测模型对各子序列 进行预测,最后叠加各子序列的预测值,得到实际 预测结果。 广东电力 第3()卷 喜20 r AAA3 垂 . 差 }^ … n U l00 200 3UU 0 100 200 300 谆0卜叫婚 ———一 至 r .ADA3 督 占__— 广 _ 0 羹 1 ̄ DAA3 0.0 100 200 300 羹三 0 100 200 300 奏 、L———————J———————— ——————_J 一,L——————— ———————— ——————一. .  、0 100 200 300 ‘0 100 200 300 图4基于混合算法的风电功率预测模型 4预测结果和对比分析 神经网络隐含层节点数通过试错法确定,具体 参数如下:输入层、隐含层和输出层节点数分别为 24、6和24;训练代数为100代;学习速率为 ().1;目标误差为0.()1。CPSO中,纵向交叉概率 P 设为().8,加速因子c 、c 的值设为2,惯性 权重w值设为0.4,解空间维数设为D=32×6+ 6x 24+6+24=336,种群大小设为M=5(),最大 迭代次数设为~ =500。 为了有效和全面地评价各预测模型的准确率, 分别采用平均绝对百分比误差(mean absolute per. centage error,MAPE),以下记为EMAPE。 E一= 耋I I. 式中:P,为t时刻实际功率值;P 为t时刻预测 功率值。 神经网络的训练样本为预测日前9()天的数据, 风电场的额定装机容量P 。=20 Mw。采用上述3 种混合模型对某实际风电场的风电数据进行时间分 辨率为1 h的连续3天预测仿真。WPD.CPSO. ENN最优预测结果如图5所示,预测误差如图6 所示。每天24个时刻点的预测误差由式(7)计算得 出,求平均后得到每天的预测误差,所有算法的误 差分析如表1所示。 表1算法的性能比较 由图5可知WPD.CPSO.ENN模型能很好地 捕捉到风电功率的变化规律,预测结果十分接近实 际值,充分表明了该模型的可行性和高精度性。 参 时间,h 图5 CPSO算法预测与实际运行曲线对比 时间/h 图6 CPSO算法预测误差 由表1可知:对比WPD.PSO.ENN、WPD. CPSO.ENN与WPD.ENN,前两者明显具有更高 的预测精度,说明经优化后的神经网络能有效提高 预测能力;WPD.CPSO.ENN是所有混合模型中表 现最好的,与WPD.ENN模型相比,该模型的 MAPE分别减小了5.21%、4.93%、6.14%,与 第2期 董朕,等:基于混合算法优化神经网络的风电预测模型 33 WPD.PSO.ENN模型相比,该模型的MAPE分别 减小了2.17%、1.99%、2.74%,有效提高了预 测的整体精度,说明通过CPSO优化神经网络的 参数,有效提高神经网络的泛化能力,具有更高的 预测精度。 Wind Speed in Wind Farm[J].Proceeding of the CSU-EPSA, 2()11,23(4):27-31. [6]黄小华,李德源,吕文阁,等基于人工神经网络模型的风速 预测_J].太阳能学报,2011,32(2):193—197. HUANG Xiaohua,LI Deyuan,LU Wenge,et al,Wind Speed Forecastig with Artificial Neural Networks Model[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2011,32(2):193-197. 5结论 [73米增强,刘兴杰,张艳青,等.基于混沌分析和神经网络的风 提出采用催化粒子群算法来优化Elman神经 网络的权值和阈值。利用CPSO全局搜索能力强、 收敛精度高的优点,构建CPSO.ENN的预测模型。 实验证明: a)CPSO.ENN比ENN、PSo.ENN具有更高 的预测精度,有效克服了神经网络的缺点,提高了 其泛化能力。 b)为进一步提高预测的精度,利用小波包变 换对负荷时间序列进行分解,实验结果表明, WPD.CPSO.ENN的预测结果更接近于真实值。 参考文献: [1]张丽英,叶廷路,辛耀中,等.大规模风电接人电网的相关问 题及措施【J].中国电机工程学报,2010,30(25):1—9. ZHANG Liying,YE Tinglu,XIN Yaozhong,et a1.Problems and Measures of Power Grid Accomodating Large Scale Wind Power[J].Proceeding of the CSEE,2(11(),30(25):1—9, [23周双喜,王海超,陈寿孙.风力发电运行价值分析_J].电网 技术,2006,30(14):98—102. ZHOU Shuangxi,WANG Haichao,CHEN Shousun.Analysis on Operation Value of Wind Power Resources,[J].Power Sys- tern Technology,2006,30(14):98-102. [3]陈宁,于继来基于电气剖分信息的风电系统有功调度与控制 [J].中国电机工程学报,2008,28(16):51—58. CHEN Ning,YU Jilai.Active Power Dispatch and Regulation of Wind Power System Based on Electrical Dissecting Informa tion of Electric Power Network[J].Proceeding of the CSEE, 2008,28(16):51—58. [4]朱晟,蒋传文,侯志俭.基于气象负荷因子的Elman神经网 络短期负荷预测[J].电力系统及其自动化学报,2005,17 (1):23—26. ZHU Sheng,JIANG Chuanwen,HOU Zhijian.Application of a Weather Component Based Elman Neural Network to Short—term Load Forecasting[J].Proceeding of the CSU—EP- SA,20()5,17(1):23—26. Is]戴浪,黄守道,黄科元,等.风电场风速的神经网络组合预测 模型[J].电力系统及其自动化学报,2011,23(4):27—31. DAI Lang,HUANG Shoudao,HUANG Keyuan,et a1.Com- bination Forecasting Model Based on Neural Networks for 速直接多步预测l_J].太阳能学报,2011,32(6):901—906. MI Zengqiang,LIU Xingjie,ZHANG Yanqing,et a1.Direct Multi-step Forecasting of Short-term Wind Speed Based on Chaos Analysis and Neural Network[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2011,32(6):901—906. [8]陈海燕,蔡嗣经,郑明贵.中国能源可持续发展的遗传神经网 络评价[J].太阳能学报,2010,31(9):1220—1224. CHEN Haiyan,CAI Sijing,ZHENG Minggui.Evaluation of China’s Suatainable Development of Energy Based on GA-BP Model[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2010,31(9): 1220.1224. [9]KHAJEH M,HEZARYAN S Combination of ACO-artificial Neural Network Method for Modeling of Manganese and Co- balt Extraction onto Nanometer Si02 from Water Samples[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry,2013,19 (6):2100.2107. [1O]BASHIR z A,EL—HAWARY M E.Applying Wavelets to Short.term Load Forecasting Using Pso—based Neural Net. works[J].IEEE Transactions on Power Systems,2009,24 (1):20.27. [1 1]ZHUO Li,ZHANG Jing,DONG Pei,et a1.An SA-GA- BP Neural Network-based Color Correction Algorithm for TCM Tongue Images[J].Neurocomputing,2014(134): 111—116. [12]张海,浦健,张啸澄 基于粒子群优化算法的Elman神经网 络凝汽器真空模型Is].热力发电,2010,39(4):7—11. ZHANG Hai,PU Jian,ZHANG Xiaocheng A Model for Predicting Vacuum in the Condenser Based on Elman Neural Network by Using Particle Swarm Optimization Algorithm _J].Thermal Power Generation,2()1{】,39(4):7-11. 作者简介: 董朕(1990),男,河南信阳人。在读硕士研究生,主要研究 方向为人工智能算法在电力系统中的应用。 殷豪(1972),女,重庆人。副教授,工学硕士,主要研究方 向为电力系统稳定与控制。 孟安波(1971),男,重庆梁平人。副教授,工学博士,主要 研究方向为电力系统自动化、系统分析与集成。 (编辑王晓华) 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- haog.cn 版权所有

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务