本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)預(yù)測(cè)與控制技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于誤差修正和提升小波組合預(yù)測(cè)模型的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù):
隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展和風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模不斷增大,為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和供電可靠性,必須對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行有效的規(guī)劃和調(diào)度。風(fēng)電本身所特有的間歇性和不確定性,增加了電網(wǎng)調(diào)度的難度,增加了電力企業(yè)安排電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的起停和制訂機(jī)組檢修計(jì)劃的難度,所以需要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。只有通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè),才可以有效降低風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本,為電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行提供可靠依據(jù)。
風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法根據(jù)不同的預(yù)測(cè)物理量可分為兩大類(lèi):(1)先預(yù)測(cè)風(fēng)速,再依據(jù)風(fēng)電機(jī)組或者風(fēng)電場(chǎng)的功率曲線從而獲得風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率;(2)直接預(yù)測(cè)風(fēng)場(chǎng)的輸出功率。這里直接選擇輸出功率為預(yù)測(cè)目標(biāo),該類(lèi)方法可以簡(jiǎn)單的分為兩大類(lèi)。第ⅰ類(lèi)是基于確定性時(shí)序模型的預(yù)測(cè)方法,該類(lèi)方法通過(guò)找出風(fēng)電功率歷史數(shù)據(jù)本身在時(shí)間上的相關(guān)性來(lái)進(jìn)行風(fēng)電功率預(yù)測(cè),常用方法有:卡爾曼濾波法、時(shí)間序列法(arma)、指數(shù)平滑法等。第ⅱ類(lèi)是基于智能模型的預(yù)測(cè)方法,其實(shí)質(zhì)是根據(jù)人工智能方法提取風(fēng)電功率變化特性,進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)電功率預(yù)測(cè)。常用的方法有:人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波分析法、最小二乘支持向量機(jī)(lssvm)回歸法和模糊邏輯法等。上述方法都有各自的優(yōu)點(diǎn),但也有很多局限性。在預(yù)測(cè)的過(guò)程中,不同的預(yù)測(cè)對(duì)象往往具有不同的特點(diǎn),在選擇預(yù)測(cè)方法時(shí)也是根據(jù)不同的特點(diǎn)選擇最適合的預(yù)測(cè)方法,以提高預(yù)測(cè)精度。當(dāng)預(yù)測(cè)對(duì)象受隨機(jī)性太大,單一的預(yù)測(cè)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足其預(yù)測(cè)精度,這就可以用多種預(yù)測(cè)方法同時(shí)預(yù)測(cè)。
而現(xiàn)有的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差分析和補(bǔ)償方法主要分為兩類(lèi):一類(lèi)是直接通過(guò)模型預(yù)測(cè)獲得下一時(shí)刻誤差預(yù)測(cè)值,進(jìn)而對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償和修正;另一類(lèi)是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)某一時(shí)期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的概率密度曲線進(jìn)行模型擬合,根據(jù)誤差概率密度特征對(duì)未來(lái)誤差進(jìn)行估計(jì)。在第1類(lèi)方法中,研究人員通過(guò)模型預(yù)測(cè)對(duì)誤差數(shù)據(jù)時(shí)間及幅值特性進(jìn)行分析。這類(lèi)方法在結(jié)合誤差數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行未來(lái)誤差模型預(yù)測(cè)而得到的結(jié)果精度比較有限,尤其是在誤差產(chǎn)生大幅波動(dòng)的情況下,其分析能力具有較大局限性。在第2類(lèi)方法中,通常情況下風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差幅值概率密度被假設(shè)為服從正態(tài)分布,這種假設(shè)是根據(jù)大多數(shù)預(yù)測(cè)方法和時(shí)間尺度而得到的。但是在很多情況下,尤其是在風(fēng)電并網(wǎng)容量較大時(shí),正態(tài)分布并不能很好的描述誤差分布。而現(xiàn)有研究的概率分布模型擬合精度方面存在不足,并且單純通過(guò)概率分布擬合估計(jì)預(yù)測(cè)誤差的效果有限。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種基于誤差修正和提升小波組合預(yù)測(cè)模型的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法,運(yùn)用提升小波來(lái)處理歷史數(shù)據(jù),不僅可以提取數(shù)據(jù)的主要特性,還能達(dá)到消除噪聲的效果,使其適用于各種預(yù)測(cè)算法,而組合預(yù)測(cè)模型算法是根據(jù)數(shù)據(jù)特征來(lái)選取預(yù)測(cè)模型,則可以消除單一預(yù)測(cè)方法的不足。本發(fā)明還對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行分析來(lái)修正預(yù)測(cè)結(jié)果,消除大的誤差偏差,達(dá)到風(fēng)電功率預(yù)測(cè)結(jié)果更加精確的效果。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了一種基于誤差修正和提升小波組合預(yù)測(cè)模型的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法,具體包括以下步驟:
步驟一,獲取風(fēng)電功率歷史數(shù)據(jù),對(duì)風(fēng)電功率歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行提升小波分解的預(yù)處理,將數(shù)據(jù)信號(hào)分解為高頻部分和低頻部分;
步驟二,根據(jù)高低頻部分信號(hào)的特性分別選擇灰色預(yù)測(cè)模型、差分自回歸滑動(dòng)平均(arima)模型和最小二乘支持向量機(jī)(lssvm)回歸模型中的一個(gè)模型來(lái)建立其對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)模型;
步驟三,將預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu),得到風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)初值;
步驟四,利用風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)初值和實(shí)際值得到歷史預(yù)測(cè)誤差值,進(jìn)而得到預(yù)測(cè)誤差概率密度曲線,采用改進(jìn)廣義誤差分布模型對(duì)預(yù)測(cè)誤差概率密度曲線進(jìn)行擬合,得到概率密度擬合模型;
步驟五,利用概率密度擬合模型計(jì)算出在不同置信水平下的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值置信區(qū)間,并對(duì)誤差進(jìn)行分層;
步驟六,根據(jù)歷史預(yù)測(cè)誤差值,采用差分自回歸移動(dòng)平均模型對(duì)歷史數(shù)據(jù)的最后一個(gè)時(shí)刻t的下一個(gè)時(shí)刻t+1的誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè);
步驟七,根據(jù)t+1時(shí)刻的誤差預(yù)測(cè)值及t時(shí)刻的誤差值在誤差層中所處位置,選擇不同的補(bǔ)償力度對(duì)t+1時(shí)刻的誤差值進(jìn)行補(bǔ)償,從而修正t+1時(shí)刻的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)初值,得到t+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)結(jié)果;
步驟八,獲取最新風(fēng)電功率實(shí)際值,對(duì)誤差和風(fēng)電功率值進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測(cè)。
進(jìn)一步地,所述步驟一中,首先獲取風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率的實(shí)際值pactual和預(yù)測(cè)初值pforecast,而實(shí)際值pactual的數(shù)據(jù)序列可用pa表示,設(shè)
再通過(guò)提升小波分解風(fēng)電功率的實(shí)際值數(shù)據(jù),獲取數(shù)據(jù)特性,使得數(shù)據(jù)更有利于建模預(yù)測(cè)。而提升小波算法通過(guò)構(gòu)造雙正交小波函數(shù),使用線性、非線性或空間變化的預(yù)測(cè)和更新算子進(jìn)行提升變換,而且確保了變換的可逆性。
所述步驟一中,提升小波分解的預(yù)處理步驟具體如下:
1)分裂:將風(fēng)電功率實(shí)際值pa分割成相互關(guān)聯(lián)的奇偶兩部分,即
其中k=1,2,...,[n/2],[n/2]為取n/2的整數(shù)部分;
2)預(yù)測(cè):用
式中,預(yù)測(cè)算子p可用預(yù)測(cè)函數(shù)
則
3)更新:經(jīng)過(guò)分裂步驟產(chǎn)生子集的某些整體特征可能與原始數(shù)據(jù)并不一致,為了保持風(fēng)電功率數(shù)據(jù)的這些整體特征,需要一個(gè)更新的過(guò)程。將更新過(guò)程用算子u來(lái)代替,其過(guò)程為:
式中,s1是pa的低頻部分,更新算子u可以用函數(shù)uk()表示,即:
uk(d1)={d1,1/2,d1,2/2,...,d1,k/2},k=1,2,...,[n/2](5)
經(jīng)提升小波分解,可將風(fēng)電功率數(shù)據(jù)pa分解為低頻部分s1和高頻部分d1,對(duì)于低頻數(shù)據(jù)子集s1可以再進(jìn)行相同的分裂、預(yù)測(cè)和更新,把s1進(jìn)一步分解成s2和d2;…;如此下去,經(jīng)過(guò)n次分解后,風(fēng)電功率數(shù)據(jù)pa的小波表示為{sn,dn,dn-1,…,d1}。其中sn代表了風(fēng)電功率數(shù)據(jù)的低頻部分,而{dn,dn-1,…,d1}則是功率數(shù)據(jù)從低到高的高頻部分系列。
進(jìn)一步地,所述步驟二中,根據(jù)步驟一所得每一個(gè)高頻分量和低頻分量的特性分別選擇灰色預(yù)測(cè)模型、差分自回歸滑動(dòng)平均(arima)模型和最小二乘支持向量機(jī)(lssvm)回歸模型中的一個(gè)模型來(lái)建立其對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。低頻分量變化較平緩且波動(dòng)小,適合選用灰色預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)。高頻分量代表原始信號(hào)中隨機(jī)性最強(qiáng)的突然波動(dòng)且無(wú)規(guī)律可循,而最小二乘支持向量機(jī)回歸模型具有很強(qiáng)的泛化性,可對(duì)高頻分量進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測(cè)。對(duì)于高頻信號(hào)中的周期序列則可選用arima模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。
進(jìn)一步地,所述步驟三中,數(shù)據(jù)重構(gòu),即提升小波的反變換過(guò)程,可以用替代的方式來(lái)計(jì)算:
merge()即將奇序列和偶序列
進(jìn)一步地,所述步驟四中,首先根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)歷史風(fēng)電功率數(shù)據(jù)中的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)初值pforecast和實(shí)際值pactual求出預(yù)測(cè)誤差δp,即:
再算出風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的標(biāo)幺值x(也是相對(duì)于總裝機(jī)容量的相對(duì)誤差),即x=(pforecast-pactual)/pbase=δp/pbase,其中pbase是樣本數(shù)據(jù)系統(tǒng)所接入的風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘?。再根?jù)每個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)的誤差標(biāo)幺值的概率密度來(lái)得到其概率密度曲線。
使用改進(jìn)廣義誤差分布模型來(lái)擬合預(yù)測(cè)誤差概率密度曲線,改進(jìn)廣義誤差分布模型概率密度函數(shù)為:
其中v和λ為形狀參數(shù);γ(·)為伽馬函數(shù)。公式(8)中計(jì)算得到參數(shù)λ決定了曲線總體形狀的平坦與陡峭程度,斜度參數(shù)α剝離了曲線斜度和峰度的關(guān)系使得曲線變化更具有靈活性,位置參數(shù)μ可以使模型具有擬合帶偏度曲線的能力。
該模型的參數(shù)估計(jì)的方法確定:由于本文所研究的概率分布模型大部分為指數(shù)形式,故采用極大似然估計(jì)(mle)法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。這樣可以通過(guò)最大化對(duì)數(shù)似然值(log-likelihood,ll),將樣本數(shù)據(jù)與模型參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)變,便于參數(shù)估計(jì)。
進(jìn)一步地,所述步驟五中,在確定誤差概率密度的擬合模型后,根據(jù)分析對(duì)象數(shù)據(jù)特征選取一低一高兩個(gè)不同的置信度水平
在大多數(shù)情況下,預(yù)測(cè)誤差概率密度曲線是可以看作對(duì)稱(chēng)的,所以計(jì)算單側(cè)概率密度累積值f可以判斷總體誤差水平。
進(jìn)一步地,所述步驟六中,根據(jù)歷史預(yù)測(cè)誤差值,采用差分自回歸移動(dòng)平均(arima)模型對(duì)歷史數(shù)據(jù)的最后一個(gè)時(shí)刻t的下一個(gè)時(shí)刻t+1的誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè);arima是由三部分組成:自回歸項(xiàng)(ar)、差分項(xiàng)(i)和滑動(dòng)平均模型(ma),是在自回歸滑動(dòng)平均(arma)模型的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。
arma數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
式中,δpt+1是t+1時(shí)刻風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差值的預(yù)測(cè)值;
一個(gè)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差值時(shí)間序列在某時(shí)刻可以用p個(gè)歷史觀測(cè)值的線性組合加上一個(gè)白噪聲序列的q項(xiàng)滑動(dòng)平均來(lái)表示,則該時(shí)間序列為arma(p,q)過(guò)程。
使用自回歸滑動(dòng)平均模型時(shí),首先判斷風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差值序列δp是否為平穩(wěn)序列,若非平穩(wěn)序列,則通常使用差分使之變?yōu)槠椒€(wěn)序列,即arima過(guò)程。之后根據(jù)數(shù)據(jù)的自相關(guān)和偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行模式識(shí)別,再由最小信息準(zhǔn)則(aic)進(jìn)行模型定階。最后由arma模型的表達(dá)公式,即可估計(jì)出模型的參數(shù)值。
進(jìn)一步地,所述步驟七中,由于在t+1刻誤差值的預(yù)測(cè)過(guò)程中,已經(jīng)考慮過(guò)去幾個(gè)時(shí)刻的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)歷史誤差值。因而,在進(jìn)行分層補(bǔ)償時(shí)只需要根據(jù)t+1時(shí)刻的誤差預(yù)測(cè)值及t時(shí)刻的誤差值在誤差層中所處位置,選擇不同的補(bǔ)償力度對(duì)t+1時(shí)刻的誤差值進(jìn)行補(bǔ)償。
t+1時(shí)刻誤差預(yù)測(cè)值相對(duì)于t時(shí)刻誤差歷史值可能會(huì)在同側(cè)(正誤差或負(fù)誤差)的同一層之內(nèi)或者在多誤差層之間波動(dòng)。為了防止產(chǎn)生補(bǔ)償方法的誤判,對(duì)誤差預(yù)測(cè)值與誤差歷史值在不同層和不同側(cè)做相應(yīng)的補(bǔ)償辦法。補(bǔ)償情況基于如下:
1、當(dāng)誤差預(yù)測(cè)值在單側(cè)波動(dòng)
當(dāng)t時(shí)刻誤差歷史值δpt和誤差預(yù)測(cè)值δpt+1均處于單側(cè)同一誤差層內(nèi)時(shí),此時(shí)的誤差波動(dòng)較小,只需要對(duì)誤差預(yù)測(cè)值進(jìn)行等幅反向補(bǔ)償即可。即當(dāng)兩者都處于小誤差層時(shí),說(shuō)明誤差較小,則不進(jìn)行補(bǔ)償;當(dāng)兩者都處于中誤差層或是大誤差層時(shí)則對(duì)誤差預(yù)測(cè)值進(jìn)行等幅反向補(bǔ)償。
2、誤差預(yù)測(cè)值在層間波動(dòng)
誤差預(yù)測(cè)值可能會(huì)在正負(fù)誤差兩側(cè)各3個(gè)誤差層之間任意波動(dòng),因此對(duì)于誤差預(yù)測(cè)值的層間波動(dòng)不能僅考慮誤差預(yù)測(cè)值(t+1時(shí)刻)的幅值大小,還應(yīng)該考慮未來(lái)誤差(t+2時(shí)刻)的發(fā)展趨勢(shì)。此時(shí),本文引入δpt和δpt+1連線斜率
式中|ψ1-ψ2|為由擬合模型和置信度水平確定的單側(cè)置信區(qū)間臨界值之差的絕對(duì)值。
當(dāng)δpt和δpt+1均在雙側(cè)的小誤差層中時(shí),對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差不進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)δpt+1處于雙側(cè)任一小誤差層而δpt不在小誤差層中時(shí),雖然誤差仍具有較大的變化趨勢(shì),但是無(wú)法排除未來(lái)誤差持續(xù)處于小誤差層的情況,因此也不再進(jìn)行補(bǔ)償。除了以上兩種特殊情況外,誤差預(yù)測(cè)值均按照表1中的補(bǔ)償方式和補(bǔ)償幅度進(jìn)行補(bǔ)償。
表1誤差預(yù)測(cè)值處于層間波動(dòng)時(shí)的補(bǔ)償方法
當(dāng)
進(jìn)一步地,所述步驟八中,獲取下一時(shí)刻的風(fēng)電功率實(shí)際值,將其和預(yù)測(cè)值一起當(dāng)作新的歷史數(shù)據(jù),并丟棄歷史數(shù)據(jù)中的第一個(gè)歷史數(shù)據(jù)。則第i+1次滾動(dòng)預(yù)測(cè)所利用的數(shù)據(jù)序列為
本發(fā)明的有益效果為:
(1)該發(fā)明利用提升小波分解技術(shù)處理風(fēng)電功率歷史數(shù)據(jù),不僅可以提取功率數(shù)據(jù)序列的主要特性,得到特征更加明顯的各頻率分量,還能達(dá)到消除噪聲的效果,使其更適用于各種預(yù)測(cè)算法。而根據(jù)各高低頻分量的特性來(lái)選擇適應(yīng)的預(yù)測(cè)模型,可以消除單一預(yù)測(cè)方法的不足,并能大大的提高預(yù)測(cè)精度。
(2)該發(fā)明利用誤差分層分析方法來(lái)處理誤差的修正,相對(duì)于直接用預(yù)測(cè)模型來(lái)獲得下一時(shí)刻誤差預(yù)測(cè)值,在誤差產(chǎn)生大幅波動(dòng)情況下,該方法更能精確的分析下一時(shí)刻誤差情況及補(bǔ)償力度,降低在誤差的預(yù)測(cè)過(guò)程中帶來(lái)的誤差,從而降低整體預(yù)測(cè)方法的誤差。
附圖說(shuō)明
圖1為短期風(fēng)電功率組合預(yù)測(cè)方法流程圖;
圖2為風(fēng)電功率序列提升小波分解的流程圖;
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明提供的一種基于誤差修正和提升小波組合預(yù)測(cè)模型的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法,具體包括以下步驟:
步驟一,獲取風(fēng)電功率歷史數(shù)據(jù),對(duì)風(fēng)電功率歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行提升小波分解的預(yù)處理,將數(shù)據(jù)信號(hào)分解為高頻部分和低頻部分;
步驟二,根據(jù)高低頻部分信號(hào)的特性分別選擇灰色預(yù)測(cè)模型、差分自回歸滑動(dòng)平均(arima)模型和最小二乘支持向量機(jī)(lssvm)回歸模型中的一個(gè)模型來(lái)建立其對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)模型;
步驟三,將預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu),得到風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)初值;
步驟四,利用風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)初值和實(shí)際值得到歷史預(yù)測(cè)誤差值,進(jìn)而得到預(yù)測(cè)誤差概率密度曲線,采用改進(jìn)廣義誤差分布模型對(duì)預(yù)測(cè)誤差概率密度曲線進(jìn)行擬合,得到概率密度擬合模型;
步驟五,利用概率密度擬合模型計(jì)算出在不同置信水平下的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值置信區(qū)間,并對(duì)誤差進(jìn)行分層;
步驟六,根據(jù)歷史預(yù)測(cè)誤差值,采用差分自回歸移動(dòng)平均模型對(duì)歷史數(shù)據(jù)的最后一個(gè)時(shí)刻t的下一個(gè)時(shí)刻t+1的誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè);
步驟七,根據(jù)t+1時(shí)刻的誤差預(yù)測(cè)值及t時(shí)刻的誤差值在誤差層中所處位置,選擇不同的補(bǔ)償力度對(duì)t+1時(shí)刻的誤差值進(jìn)行補(bǔ)償,從而修正t+1時(shí)刻的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)初值,得到t+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)結(jié)果;
步驟八,獲取最新風(fēng)電功率實(shí)際值,對(duì)誤差和風(fēng)電功率值進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測(cè)。
進(jìn)一步地,所述步驟一中,首先獲取風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率的實(shí)際值pactual和預(yù)測(cè)初值pforecast,而實(shí)際值pactual的數(shù)據(jù)序列可用pa表示,設(shè)
再通過(guò)提升小波分解風(fēng)電功率的實(shí)際值數(shù)據(jù),獲取數(shù)據(jù)特性,使得數(shù)據(jù)更有利于建模預(yù)測(cè)。而提升小波算法通過(guò)構(gòu)造雙正交小波函數(shù),使用線性、非線性或空間變化的預(yù)測(cè)和更新算子進(jìn)行提升變換,而且確保了變換的可逆性。
所述步驟一中,提升小波分解的預(yù)處理步驟具體如下:
1)分裂:將風(fēng)電功率實(shí)際值pa分割成相互關(guān)聯(lián)的奇偶兩部分,即
其中k=1,2,...,[n/2],[n/2]為取n/2的整數(shù)部分;
2)預(yù)測(cè):用
式中,預(yù)測(cè)算子p可用預(yù)測(cè)函數(shù)
則
3)更新:經(jīng)過(guò)分裂步驟產(chǎn)生子集的某些整體特征可能與原始數(shù)據(jù)并不一致,為了保持風(fēng)電功率數(shù)據(jù)的這些整體特征,需要一個(gè)更新的過(guò)程。將更新過(guò)程用算子u來(lái)代替,其過(guò)程為:
式中,s1是pa的低頻部分,更新算子u可以用函數(shù)uk()表示,即:
uk(d1)={d1,1/2,d1,2/2,...,d1,k/2},k=1,2,...,[n/2](5)
經(jīng)提升小波分解,可將風(fēng)電功率數(shù)據(jù)pa分解為低頻部分s1和高頻部分d1,對(duì)于低頻數(shù)據(jù)子集s1可以再進(jìn)行相同的分裂、預(yù)測(cè)和更新,把s1進(jìn)一步分解成s2和d2;…;如此下去,經(jīng)過(guò)n次分解后,風(fēng)電功率數(shù)據(jù)pa的小波表示為{sn,dn,dn-1,…,d1}。其中sn代表了風(fēng)電功率數(shù)據(jù)的低頻部分,而{dn,dn-1,…,d1}則是功率數(shù)據(jù)從低到高的高頻部分系列。
進(jìn)一步地,所述步驟二中,根據(jù)步驟一所得每一個(gè)高頻分量和低頻分量的特性分別選擇灰色預(yù)測(cè)模型、差分自回歸滑動(dòng)平均(arima)模型和最小二乘支持向量機(jī)(lssvm)回歸模型中的一個(gè)模型來(lái)建立其對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。低頻分量變化較平緩且波動(dòng)小,適合選用灰色預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)。高頻分量代表原始信號(hào)中隨機(jī)性最強(qiáng)的突然波動(dòng)且無(wú)規(guī)律可循,而最小二乘支持向量機(jī)回歸模型具有很強(qiáng)的泛化性,可對(duì)高頻分量進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測(cè)。對(duì)于高頻信號(hào)中的周期序列則可選用arima模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。
進(jìn)一步地,所述步驟三中,數(shù)據(jù)重構(gòu),即提升小波的反變換過(guò)程,可以用替代的方式來(lái)計(jì)算:
merge()即將奇序列和偶序列
進(jìn)一步地,所述步驟四中,首先根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)歷史風(fēng)電功率數(shù)據(jù)中的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)初值pforecast和實(shí)際值pactual求出預(yù)測(cè)誤差δp,即:
再算出風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的標(biāo)幺值x(也是相對(duì)于總裝機(jī)容量的相對(duì)誤差),即x=(pforecast-pactual)/pbase=δp/pbase,其中pbase是樣本數(shù)據(jù)系統(tǒng)所接入的風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘?。再根?jù)每個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)的誤差標(biāo)幺值的概率密度來(lái)得到其概率密度曲線。
使用改進(jìn)廣義誤差分布模型來(lái)擬合預(yù)測(cè)誤差概率密度曲線,改進(jìn)廣義誤差分布模型概率密度函數(shù)為:
其中v和λ為形狀參數(shù);γ(·)為伽馬函數(shù)。公式(8)中計(jì)算得到參數(shù)λ決定了曲線總體形狀的平坦與陡峭程度,斜度參數(shù)α剝離了曲線斜度和峰度的關(guān)系使得曲線變化更具有靈活性,位置參數(shù)μ可以使模型具有擬合帶偏度曲線的能力。
該模型的參數(shù)估計(jì)的方法確定:由于本文所研究的概率分布模型大部分為指數(shù)形式,故采用極大似然估計(jì)(mle)法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。這樣可以通過(guò)最大化對(duì)數(shù)似然值(log-likelihood,ll),將樣本數(shù)據(jù)與模型參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)變,便于參數(shù)估計(jì)。
進(jìn)一步地,所述步驟五中,在確定誤差概率密度的擬合模型后,根據(jù)分析對(duì)象數(shù)據(jù)特征選取一低一高兩個(gè)不同的置信度水平
在大多數(shù)情況下,預(yù)測(cè)誤差概率密度曲線是可以看作對(duì)稱(chēng)的,所以計(jì)算單側(cè)概率密度累積值f可以判斷總體誤差水平。
進(jìn)一步地,所述步驟六中,根據(jù)歷史預(yù)測(cè)誤差值,采用差分自回歸移動(dòng)平均(arima)模型對(duì)歷史數(shù)據(jù)的最后一個(gè)時(shí)刻t的下一個(gè)時(shí)刻t+1的誤差值進(jìn)行預(yù)測(cè);arima是由三部分組成:自回歸項(xiàng)(ar)、差分項(xiàng)(i)和滑動(dòng)平均模型(ma),是在自回歸滑動(dòng)平均(arma)模型的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。
arma數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
式中,δpt+1是t+1時(shí)刻風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差值的預(yù)測(cè)值;
一個(gè)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差值時(shí)間序列在某時(shí)刻可以用p個(gè)歷史觀測(cè)值的線性組合加上一個(gè)白噪聲序列的q項(xiàng)滑動(dòng)平均來(lái)表示,則該時(shí)間序列為arma(p,q)過(guò)程。
使用自回歸滑動(dòng)平均模型時(shí),首先判斷風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差值序列δp是否為平穩(wěn)序列,若非平穩(wěn)序列,則通常使用差分使之變?yōu)槠椒€(wěn)序列,即arima過(guò)程。之后根據(jù)數(shù)據(jù)的自相關(guān)和偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行模式識(shí)別,再由最小信息準(zhǔn)則(aic)進(jìn)行模型定階。最后由arma模型的表達(dá)公式,即可估計(jì)出模型的參數(shù)值。
進(jìn)一步地,所述步驟七中,由于在t+1刻誤差值的預(yù)測(cè)過(guò)程中,已經(jīng)考慮過(guò)去幾個(gè)時(shí)刻的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)歷史誤差值。因而,在進(jìn)行分層補(bǔ)償時(shí)只需要根據(jù)t+1時(shí)刻的誤差預(yù)測(cè)值及t時(shí)刻的誤差值在誤差層中所處位置,選擇不同的補(bǔ)償力度對(duì)t+1時(shí)刻的誤差值進(jìn)行補(bǔ)償。
t+1時(shí)刻誤差預(yù)測(cè)值相對(duì)于t時(shí)刻誤差歷史值可能會(huì)在同側(cè)(正誤差或負(fù)誤差)的同一層之內(nèi)或者在多誤差層之間波動(dòng)。為了防止產(chǎn)生補(bǔ)償方法的誤判,對(duì)誤差預(yù)測(cè)值與誤差歷史值在不同層和不同側(cè)做相應(yīng)的補(bǔ)償辦法。補(bǔ)償情況基于如下:
1、當(dāng)誤差預(yù)測(cè)值在單側(cè)波動(dòng)
當(dāng)t時(shí)刻誤差歷史值δpt和誤差預(yù)測(cè)值δpt+1均處于單側(cè)同一誤差層內(nèi)時(shí),此時(shí)的誤差波動(dòng)較小,只需要對(duì)誤差預(yù)測(cè)值進(jìn)行等幅反向補(bǔ)償即可。即當(dāng)兩者都處于小誤差層時(shí),說(shuō)明誤差較小,則不進(jìn)行補(bǔ)償;當(dāng)兩者都處于中誤差層或是大誤差層時(shí)則對(duì)誤差預(yù)測(cè)值進(jìn)行等幅反向補(bǔ)償。
2、誤差預(yù)測(cè)值在層間波動(dòng)
誤差預(yù)測(cè)值可能會(huì)在正負(fù)誤差兩側(cè)各3個(gè)誤差層之間任意波動(dòng),因此對(duì)于誤差預(yù)測(cè)值的層間波動(dòng)不能僅考慮誤差預(yù)測(cè)值(t+1時(shí)刻)的幅值大小,還應(yīng)該考慮未來(lái)誤差(t+2時(shí)刻)的發(fā)展趨勢(shì)。此時(shí),本文引入δpt和δpt+1連線斜率
式中|ψ1-ψ2|為由擬合模型和置信度水平確定的單側(cè)置信區(qū)間臨界值之差的絕對(duì)值。
當(dāng)δpt和δpt+1均在雙側(cè)的小誤差層中時(shí),對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差不進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)δpt+1處于雙側(cè)任一小誤差層而δpt不在小誤差層中時(shí),雖然誤差仍具有較大的變化趨勢(shì),但是無(wú)法排除未來(lái)誤差持續(xù)處于小誤差層的情況,因此也不再進(jìn)行補(bǔ)償。除了以上兩種特殊情況外,誤差預(yù)測(cè)值均按照表1中的補(bǔ)償方式和補(bǔ)償幅度進(jìn)行補(bǔ)償。
表1誤差預(yù)測(cè)值處于層間波動(dòng)時(shí)的補(bǔ)償方法
當(dāng)
進(jìn)一步地,所述步驟八中,獲取下一時(shí)刻的風(fēng)電功率實(shí)際值,將其和預(yù)測(cè)值一起當(dāng)作新的歷史數(shù)據(jù),并丟棄歷史數(shù)據(jù)中的第一個(gè)歷史數(shù)據(jù)。則第i+1次滾動(dòng)預(yù)測(cè)所利用的數(shù)據(jù)序列為
實(shí)施例:選用某風(fēng)電場(chǎng)5天的風(fēng)電功率數(shù)據(jù)作為樣本,利用第6天的風(fēng)電功率數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬預(yù)測(cè)對(duì)比分析,風(fēng)功率數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率是每15分鐘一個(gè)采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)(一天96點(diǎn))。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率序列進(jìn)行基于提升小波的組合模型預(yù)測(cè)及誤差修正,如圖1所示,包括以下步驟:
步驟(1):獲取風(fēng)電功率歷史數(shù)據(jù)序列:將選取以上的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn),獲得歷史風(fēng)電功率序列
步驟(2):利用提升小波分解歷史風(fēng)電功率序列
根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)歷史風(fēng)電功率序列進(jìn)行三層提升小波的分解比較適合預(yù)測(cè)方法的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)。所得到的頻率分量為{sn,dn,dn-1,…,d1},其中sn代表了風(fēng)電功率數(shù)據(jù)的低頻部分,而{dn,dn-1,…,d1}則是功率數(shù)據(jù)從低到高的高頻部分系列。歷史風(fēng)電功率時(shí)間序列的提升小波分解如圖2所示。
步驟(3):對(duì)每一個(gè)頻率分量進(jìn)行分析,并分別選取相適應(yīng)的預(yù)測(cè)模型分別對(duì)風(fēng)電功率序列每一個(gè)高低頻分量進(jìn)行預(yù)測(cè):低頻分量變化較平緩且波動(dòng)小,適合選用灰色預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)。高頻分量代表原始信號(hào)中隨機(jī)性最強(qiáng)的突然波動(dòng)且無(wú)規(guī)律可循,而最小二乘支持向量機(jī)具有很強(qiáng)的泛化性,可對(duì)高頻分量進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測(cè)。對(duì)于高頻信號(hào)中的周期序列則可選用arima模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。
步驟(4):進(jìn)行提升小波逆運(yùn)算即數(shù)據(jù)重構(gòu)得到下一時(shí)刻的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)初值
步驟(5):通過(guò)對(duì)歷史風(fēng)電功率實(shí)際值的前480個(gè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè),按照步驟(3)和步驟(4)獲得480個(gè)歷史風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)初值,并根據(jù)這480個(gè)歷史風(fēng)電功率的實(shí)際值和預(yù)測(cè)初值求出預(yù)測(cè)誤差序列δp,δp={δp1,δp2,...,δpt},t=480;
且
步驟(6):使用改進(jìn)廣義誤差分布模型來(lái)擬合預(yù)測(cè)誤差概率密度曲線。改進(jìn)廣義誤差分布模型概率密度函數(shù)為:
其中v和λ為形狀參數(shù);γ(·)為伽馬函數(shù)。
步驟(7):利用概率密度擬合模型計(jì)算出在不同置信水平下的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)初值置信區(qū)間,并利用風(fēng)電功率預(yù)測(cè)初值置信區(qū)間與實(shí)際值之間的關(guān)系來(lái)對(duì)誤差進(jìn)行分層;置信度水平參考值如表2所示。
表2置信度水平參考值
根據(jù)樣本數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)誤差水平,本例選取95%和80%置信度水平作為分層依據(jù),利用改進(jìn)誤差分布模型進(jìn)行計(jì)算,可得95%置信度水平所對(duì)應(yīng)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差標(biāo)幺值的絕對(duì)值及其對(duì)應(yīng)誤差區(qū)間,和80%置信度水平所對(duì)應(yīng)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差標(biāo)幺值的絕對(duì)值及其對(duì)應(yīng)誤差區(qū)間。根據(jù)風(fēng)電功率誤差標(biāo)幺值所對(duì)應(yīng)的功率預(yù)測(cè)初值及誤差區(qū)間,可得出風(fēng)電功率預(yù)測(cè)初值在一定置信水平的置信區(qū)間。再根據(jù)風(fēng)電功率誤差標(biāo)幺值所對(duì)應(yīng)的功率實(shí)際值,依照步驟五中描述的誤差分層方法實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的分層,依次分為大誤差層、中誤差層和小誤差層。
步驟(8):選取步驟(5)中所獲取的歷史預(yù)測(cè)誤差序列δp,利用arima模型對(duì)其預(yù)測(cè)獲得t+1時(shí)刻誤差預(yù)測(cè)值δpt+1,即第6天的第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差的初步預(yù)測(cè)值。
步驟(9):根據(jù)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差歷史值的最后一個(gè)數(shù)據(jù)δpt和步驟(8)所得的t+1時(shí)刻風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的誤差預(yù)測(cè)值δpt+1在誤差層級(jí)之間所處位置的情況對(duì)誤差預(yù)測(cè)值δpt+1進(jìn)行補(bǔ)償。具體補(bǔ)償按照步驟七中所述的情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)補(bǔ)償。
步驟(10):將步驟(9)中所得的補(bǔ)償后的誤差對(duì)步驟(4)中所得的下一時(shí)刻風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正,則可得到修正后的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值
步驟(11):依照步驟八所述,獲得下一時(shí)刻風(fēng)電功率的實(shí)際值,按上述步驟及步驟八的方法進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測(cè),獲得第6天的96個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)值,并與歷史實(shí)際值中第6天的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,可得到預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)精度。
最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)的是,以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制,盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明,所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換,而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換,其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。