基于RNN的短時電力負(fù)荷預(yù)測

趙佳琪 袁曉丹 徐仕威

摘要：在結(jié)合所選取地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)情況，工農(nóng)產(chǎn)業(yè)比重等因素的基礎(chǔ)上，確定了對電力負(fù)荷影響較大的因素。對英國國家電網(wǎng)公司2019年紐約北部負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括填補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)，修正異常數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，構(gòu)建了基于RNN的短時電力負(fù)荷預(yù)測模型，利用 RNN 模型時序記憶的特點來提取電力負(fù)荷特征，為避免誤差增大，設(shè)置了早停法和dropout法，仿真結(jié)果表明，該模型能夠很好更好地擬合負(fù)荷曲線，具有較高的預(yù)測精度。

短期電力負(fù)荷預(yù)測是實現(xiàn)電力需求側(cè)管理的一個重要方面，是電力能源管理系統(tǒng)合理安排生產(chǎn)調(diào)度計劃、實現(xiàn)節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提條件和重要保障。電力負(fù)荷預(yù)測方法有傳統(tǒng)線性回歸法、時間序列法、灰色預(yù)測、支持向量機(jī)、隨機(jī)樹、模糊理論、卡爾曼濾波和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。唐俊杰等人通過ARMA負(fù)荷預(yù)測模型實現(xiàn)了從自動定階到節(jié)假日負(fù)荷的預(yù)測;葉瑰昀等人構(gòu)建了基于加權(quán)最小二乘法的ARMA日負(fù)荷預(yù)測模型。

近年來，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network， RNN）技術(shù)正在不斷地發(fā)展并應(yīng)用于情感分析、提取關(guān)鍵詞、語音識別、機(jī)器翻譯、自編碼器等領(lǐng)域。RNN可以有效地反應(yīng)數(shù)據(jù)流的時間變化特性，進(jìn)行時間序列上的預(yù)測。郭海波分析了基于RNN預(yù)測模型的特點，結(jié)合相似序列篩選挖掘長期用電特征，學(xué)習(xí)電力負(fù)荷規(guī)律。仇暑洋提出一種基于主成分分析的自適應(yīng)型小波RNN方法，應(yīng)用于負(fù)荷預(yù)測，能對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析并選取特征變量，具有一定的自適應(yīng)性。許瀝文提出一種基于SAE和ELM的集成模型，結(jié)合堆棧自編碼器和極限學(xué)習(xí)機(jī)學(xué)習(xí)電力負(fù)荷時間序列數(shù)據(jù)的特點，在短期電力負(fù)荷預(yù)測中獲得了滿意的性能。

詹傳驊提出最優(yōu)子集電力負(fù)荷回歸預(yù)測模型和Bagging-SVR算法和Boosting-SVR算法，弱化樣本選取時的偶然因素引起的誤差，顯著提升電力負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確度。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）是一個序列模型，每個神經(jīng)元不僅能夠沿層間向上傳遞信息，還可以傳輸給下一個序列，因此比其他的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更適用于時間序列預(yù)測問題。

經(jīng)典的RNN結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由輸入層、隱藏層和輸出層組成，其中輸入集用X表示，隱藏集用表示，輸出集用y表示，t-1、t和t+1分別表示上一時刻、當(dāng)前時刻和下一時刻，矩陣 W連接當(dāng)前時刻隱藏層和上一時刻隱藏層，矩陣U連接輸入層和隱藏層，矩陣 V連接隱藏層和輸出層。

RNN的訓(xùn)練過程包括了網(wǎng)絡(luò)初始化、向循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)的輸出計算、網(wǎng)絡(luò)輸出與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較更新參數(shù)、隱藏層的輸出計算、誤差反向傳播。如果連續(xù)幾次迭代誤差一直在不斷增加，則采用早停法停止訓(xùn)練，如果沒有使用早停法則當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大時停止訓(xùn)練。圖2為訓(xùn)練流程框圖。

選取national grid公司紐約北部2019年1月1日到2019年11月30日的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，2019年12月1日到2019年12月31日的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)則作為測試集，圖3為預(yù)測結(jié)果，可以看出，該預(yù)測模型能夠較好地重現(xiàn)日負(fù)荷變化趨勢，體現(xiàn)出較好的日周期性，但對周周期性體現(xiàn)得則不是那么明顯，誤差相對較大，可能的原因有：（1）用于訓(xùn)練的數(shù)據(jù)中由于節(jié)假日或特殊突發(fā)事件導(dǎo)致的異常數(shù)據(jù)較多，但是又達(dá)不到進(jìn)行修正的程度得以保留，導(dǎo)致在后期的訓(xùn)練過程中發(fā)生了周周期性不明顯的情況。（2）12月份有著西方最重要的節(jié)日，圣誕節(jié)。伴隨著圣誕節(jié)而來的是學(xué)生們的寒假，還有其他工人的假期，這都會影響負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性。

圖4為RNN預(yù)測模型誤差隨迭代次數(shù)的變化曲線，可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加，誤差在逐漸降低。當(dāng)?shù)螖?shù)增加到一定程度以后，誤差會整體上趨于平緩，雖然還會有小幅度的波動，但是基本上不怎么變化了?？赡艿脑蚴菍W(xué)習(xí)率在最一開始的前幾次迭代中比較大，所以誤差能夠迅速的降低，但是隨著訓(xùn)練的進(jìn)行，學(xué)習(xí)率在不斷地變小，所以即便由于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一些固有的缺陷，使得誤差會出現(xiàn)一些上升，但是波動也不是很大。并且即便這次迭代效果非常好，但是因為學(xué)習(xí)率已經(jīng)降低到了一定的程度，誤差也很難繼續(xù)大幅度的下降。

針對電力負(fù)荷的短期預(yù)測問題，建立了基于RNN的電力負(fù)荷預(yù)測模型，降低了原始電力負(fù)荷的非平穩(wěn)性，同時具備很好的非線性擬合能力和時間記憶能力，為避免誤差增大，設(shè)置了早停法和dropout法，仿真結(jié)果表明，該模型能夠很好更好地擬合負(fù)荷曲線，具有較高的預(yù)測精度。

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