基于相似日的BOHB-Elman光伏電站短期功率預(yù)測方法

[摘 要]隨著可再生能源在全球能源結(jié)構(gòu)中的比重逐漸增加，光伏發(fā)電站的短期功率預(yù)測成為電網(wǎng)管理和能源調(diào)度的重要環(huán)節(jié)。文中提出了一種結(jié)合BOHB優(yōu)化算法和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短期光伏短期功率預(yù)測方法，該方法注重歷史數(shù)據(jù)中相似日的選取，以提高預(yù)測精度。研究采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，篩選出與預(yù)測日氣象和發(fā)電特性最為相似的日子，進(jìn)而利用這些數(shù)據(jù)訓(xùn)練BOHB-Elman模型。試驗結(jié)果表明，該方法相比傳統(tǒng)的預(yù)測模型具有更高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，為光伏發(fā)電站的能源管理提供了一種新的解決方案。

[關(guān)鍵詞]光伏短期功率預(yù)測；Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；BOHB算法；相似日

[中圖分類號]TM615 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0159–03

Short Term Power Prediction Method for BOHB Elman Photovoltaic Power Stations Based on Similar Days

ZHAO Xianzhi，YUAN Lu

[Abstract]With the increasing proportion of renewable energy in the global energy structure， power prediction of photovoltaic power plants has become an important link in grid management and energy scheduling. This study proposes a short-term photovoltaic power prediction method that combines BOHB optimization algorithm and Elman neural network. The method focuses on the selection of similar days in historical data to improve prediction accuracy. The study utilized advanced data processing techniques to conduct indepth analysis of a large amount of historical data， selecting the days that are most similar to the predicted daily meteorological and power generation characteristics， and then using these data to train the BOHB Elman model. The experimental results show that this method has higher accuracy and stability compared to traditional prediction models， providing a new solution for energy management of photovoltaic power plants.

[Keywords]photovoltaic power prediction； Elman neural network； BOHB algorithm； similar day

1 概述

1.1 光伏短期功率預(yù)測

光伏短期功率預(yù)測在提高電網(wǎng)的調(diào)度靈活性、優(yōu)化光伏系統(tǒng)的運行管理等方面發(fā)揮著重要作用。光伏短期功率預(yù)測方法可分為統(tǒng)計方法和機(jī)器學(xué)習(xí)方法。統(tǒng)計方法依賴于歷史數(shù)據(jù)，通過建立數(shù)學(xué)模型來預(yù)測未來的光伏短期功率，這類方法簡便易行，但在處理非線性、非平穩(wěn)數(shù)據(jù)時表現(xiàn)不佳。機(jī)器學(xué)習(xí)方法能夠通過學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)中的模式來預(yù)測未來的短期功率，這類方法在處理復(fù)雜數(shù)據(jù)時顯示出更高的準(zhǔn)確性和靈活性。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器學(xué)習(xí)方法逐漸成為光伏短期功率預(yù)測領(lǐng)域的研究熱點。

1.2 Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種典型的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱藏層、上下文層及輸出層構(gòu)成。其特點是在隱藏層和上下文層之間存在反饋連接。上下文層的作用是存儲過去的信息，使網(wǎng)絡(luò)具有處理時間序列數(shù)據(jù)的能力。Elman網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)和記憶先前的狀態(tài)，這使得其在處理具有時間依賴性的序列預(yù)測問題時表現(xiàn)出色。在光伏短期功率預(yù)測中，Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效捕捉到時間序列數(shù)據(jù)中的動態(tài)變化，從而提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

1.3 BOHB算法

BOHB是Hyperband（機(jī)器學(xué)習(xí)超參數(shù)優(yōu)化算法）的后續(xù)工作。Hyperband在生成新的配置時，沒有利用已有的Trial（試驗）結(jié)果，而BOHB算法利用了Trial結(jié)果。BOHB中，HB表示Hyperband，BO表示貝葉斯優(yōu)化（Byesian Optimization）。BOHB會建立多個TPE（熱塑性彈性體）模型，從而利用已完成的Trial生成新的配置。該算法通過貝葉斯優(yōu)化的概率模型來指導(dǎo)搜索過程，同時利用高斯帶寬選擇方法來調(diào)整搜索范圍，使得算法能在較短的時間內(nèi)快速收斂到最優(yōu)解。BOHB算法在多種機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，尤其是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化上。其高效性不僅體現(xiàn)在搜索時間上，也體現(xiàn)在找到的超參數(shù)對應(yīng)模型性能的提升上。

1.4 相似日方法在光伏預(yù)測中的應(yīng)用

相似日方法是一種基于歷史數(shù)據(jù)尋找與目標(biāo)日具有相似特征的日子，進(jìn)而用于預(yù)測的方法。在光伏短期功率預(yù)測中，通過分析歷史天氣條件、溫度、輻照度等因素，選擇與預(yù)測日氣候條件相似的日子作為參考，可以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。這種方法的優(yōu)勢在于其考慮了環(huán)境因素對光伏短期功率的影響，能夠適應(yīng)光伏發(fā)電的高度非線性和時間變化特征。結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法，相似日方法可以進(jìn)一步提煉數(shù)據(jù)特征，優(yōu)化預(yù)測模型，為光伏短期功率預(yù)測提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

2 方法論

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

在光伏短期功率預(yù)測的研究中，數(shù)據(jù)收集與處理是基礎(chǔ)且關(guān)鍵的步驟，需要從可靠的數(shù)據(jù)源收集光伏發(fā)電站的歷史數(shù)據(jù)，包括光伏短期功率輸出、太陽輻照度、溫度、風(fēng)速等。這些數(shù)據(jù)來源可能是公開的數(shù)據(jù)集、合作的光伏電站或其他相關(guān)機(jī)構(gòu)。收集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)預(yù)處理是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合進(jìn)行模型訓(xùn)練的格式的過程。這一過程包括數(shù)據(jù)清洗、缺失值處理、異常值檢測和修正、數(shù)據(jù)歸一化或標(biāo)準(zhǔn)化等步驟。數(shù)據(jù)清洗主要是去除數(shù)據(jù)集中的無關(guān)信息，如非運行時間的數(shù)據(jù)記錄。對于缺失值，可以采用插值、刪除或預(yù)測等方法進(jìn)行處理，確保數(shù)據(jù)的完整性。異常值的檢測和修正則是為了確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，避免異常數(shù)據(jù)影響模型的訓(xùn)練效果。數(shù)據(jù)的歸一化或標(biāo)準(zhǔn)化是為了消除不同量綱的影響，使得模型更容易訓(xùn)練，提高模型的穩(wěn)定性和預(yù)測準(zhǔn)確度。

2.2 相似日的選擇標(biāo)準(zhǔn)

在光伏短期功率預(yù)測中，選擇與預(yù)測日氣候條件相似的歷史日子作為參考是一種有效方法。相似日的選擇標(biāo)準(zhǔn)通?；诙鄠€維度，如天氣條件、季節(jié)變化、溫度等，確保所選歷史日子在關(guān)鍵特征上與預(yù)測日接近。這一過程要求綜合考慮多種因素，制訂合理的標(biāo)準(zhǔn)，以確保選出的相似日對預(yù)測日的代表性。

相似度計算是相似日選擇過程中的核心環(huán)節(jié)。常用的相似度計算方法包括歐氏距離、皮爾遜相關(guān)系數(shù)、余弦相似性等。這些方法從不同角度衡量歷史日子與預(yù)測日的相似程度。例如，歐氏距離可以直觀反映兩個日子在多個維度上的差異程度，而皮爾遜相關(guān)系數(shù)則能夠評估其在變化趨勢上的相似性。選擇合適的相似度計算方法對于提高預(yù)測準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

確定相似度計算方法后，接下來的相似日篩選流程包括計算預(yù)測日與歷史日子在選定指標(biāo)上的相似度，然后根據(jù)相似度對歷史日子進(jìn)行排序，最后選取相似度最高的幾天作為相似日。這一流程要求高效且準(zhǔn)確地處理大量數(shù)據(jù)，以確保最終選出的相似日能夠為光伏短期功率預(yù)測提供可靠參考。

2.3 BOHB-Elman模型構(gòu)建

在構(gòu)建基于相似日的BOHB-Elman光伏電站短期功率預(yù)測模型時，采用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)框架，其遞歸特性適合處理時間序列數(shù)據(jù)。模型的輸入層接收選定的氣象和發(fā)電數(shù)據(jù)，隱藏層通過時間反饋連接到上下文層，存儲歷史信息以增強(qiáng)預(yù)測連續(xù)性和穩(wěn)定性。應(yīng)用BOHB算法對Elman網(wǎng)絡(luò)的超參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。BOHB結(jié)合了貝葉斯優(yōu)化的全局搜索能力和Hyperband的快速收斂性，可有效調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)參數(shù)，如學(xué)習(xí)率、隱藏層神經(jīng)元數(shù)等。通過迭代試驗，BOHB選擇性能最佳的配置，提升模型對未來功率的預(yù)測精度。此外，模型構(gòu)建過程中還需重視數(shù)據(jù)預(yù)處理和相似日的精確選擇，確保輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和相關(guān)性，從而最大化預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.4 模型訓(xùn)練與驗證

2.4.1 訓(xùn)練集與測試集的劃分

為了訓(xùn)練并驗證BOHB-Elman模型的性能，需要將收集到的數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和測試集。訓(xùn)練集用于模型的訓(xùn)練，而測試集則用于評估模型的泛化能力。通常，這種劃分會遵循一定的比例，例如70%的數(shù)據(jù)用作訓(xùn)練集，30%的數(shù)據(jù)用作測試集。合理的數(shù)據(jù)劃分不僅能夠保證模型有足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，還能有效評估模型對未知數(shù)據(jù)的預(yù)測能力。

2.4.2 模型訓(xùn)練過程

在訓(xùn)練階段，BOHB-Elman模型通過輸入訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以最小化預(yù)測值和實際值之間的差異。訓(xùn)練過程中，模型的參數(shù)更新依賴于反向傳播算法和優(yōu)化器，如梯度下降法。模型訓(xùn)練的目標(biāo)是找到一組最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使得在訓(xùn)練集上的預(yù)測誤差最小。

2.4.3 模型驗證指標(biāo)

常用的模型驗證指標(biāo)包括均方誤差、均方根誤差、平均絕對誤差及決定系數(shù)。通過這些指標(biāo)，可以全面評價模型的預(yù)測精度和穩(wěn)定性。驗證過程中，如果模型在測試集上的表現(xiàn)接近于訓(xùn)練集，說明模型具有良好的泛化能力，沒有出現(xiàn)過擬合或欠擬合的問題。過擬合指的是模型在訓(xùn)練集上表現(xiàn)優(yōu)異，但在測試集上表現(xiàn)不佳。這通常是因為模型過于復(fù)雜，捕捉到了訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的噪聲而非潛在的數(shù)據(jù)生成規(guī)律。相反，欠擬合則表明模型過于簡單，無法捕捉數(shù)據(jù)中的基本結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在訓(xùn)練集和測試集上都表現(xiàn)不佳。

在評估模型性能時，不同的指標(biāo)反映了模型性能的不同方面。均方誤差和均方根誤差側(cè)重于衡量預(yù)測值與真實值之間的平均差距，能夠提供預(yù)測誤差的大小。平均絕對誤差則給出了預(yù)測值偏離真實值的平均程度，更加直觀。決定系數(shù)反映了模型預(yù)測值與真實值之間的相關(guān)程度，值越接近1表示模型的解釋能力越強(qiáng)，預(yù)測性能越好。

3 試驗設(shè)置與結(jié)果分析

3.1 試驗設(shè)置

在光伏短期功率預(yù)測的研究中，試驗設(shè)置是確保試驗結(jié)果可靠性和有效性的關(guān)鍵。試驗設(shè)置包括確定試驗的硬件環(huán)境、軟件環(huán)境及參數(shù)配置。硬件環(huán)境通常指定試驗所使用的計算機(jī)配置，如處理器類型、內(nèi)存大小、存儲空間等，這些硬件配置直接影響試驗的運行速度和數(shù)據(jù)處理能力。軟件環(huán)境則包括操作系統(tǒng)、編程語言、使用的機(jī)器學(xué)習(xí)框架及其版本等，這些軟件工具的選擇和配置會影響試驗的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

試驗參數(shù)配置是試驗設(shè)置中至關(guān)重要的部分，包括模型訓(xùn)練的各種參數(shù)，如學(xué)習(xí)率、批次大小、迭代次數(shù)等。這些參數(shù)直接影響模型訓(xùn)練的效果和效率。例如，學(xué)習(xí)率的選擇會影響模型收斂的速度和穩(wěn)定性，批次大小則影響每次迭代的計算量和內(nèi)存使用，迭代次數(shù)決定了模型訓(xùn)練的充分程度。合理的參數(shù)配置能夠確保模型訓(xùn)練過程的高效性和最終預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在進(jìn)行光伏短期功率預(yù)測試驗之前，需要仔細(xì)規(guī)劃和設(shè)定這些試驗參數(shù)，以確保試驗的順利進(jìn)行和結(jié)果的可靠性。此外，試驗過程中還應(yīng)記錄詳細(xì)的試驗日志，包括模型訓(xùn)練的進(jìn)度、中間結(jié)果、最終結(jié)果，以及遇到的問題和解決方案等，這些記錄對于試驗結(jié)果的分析和未來研究的參考都具有重要價值。

3.2 預(yù)測結(jié)果展示

在光伏短期功率預(yù)測試驗完成后，展示預(yù)測結(jié)果是評估模型性能的重要環(huán)節(jié)。預(yù)測結(jié)果的展示通常包括圖表和數(shù)值兩種形式。圖表可以直觀地展示模型預(yù)測值與實際值之間的對比，常用的圖表包括折線圖、散點圖等。折線圖能夠清晰地顯示出預(yù)測值和實際值隨時間變化的趨勢，便于觀察模型在不同時間點的預(yù)測準(zhǔn)確性。散點圖則能夠展示出預(yù)測值和實際值在各個數(shù)值范圍內(nèi)的分布情況，有助于分析模型在不同功率水平下的預(yù)測性能。

數(shù)值結(jié)果則通過具體的數(shù)值指標(biāo)來反映模型的預(yù)測性能，包括前文提到的均方誤差、均方根誤差、平均絕對誤差及決定系數(shù)等。這些指標(biāo)能夠從不同角度量化模型的預(yù)測誤差和準(zhǔn)確性，為模型性能的評估提供了客觀的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 結(jié)果分析

結(jié)果分析是試驗研究的核心部分，通過對預(yù)測結(jié)果的深入分析，可以揭示模型的性能特點，理解模型在不同情況下的表現(xiàn)，并為未來的研究提供指導(dǎo)。

在結(jié)果分析階段，需要對模型的整體預(yù)測性能進(jìn)行評估，分析模型在整個測試集上的平均表現(xiàn)。通過對比模型的預(yù)測結(jié)果與實際數(shù)據(jù)，可以評價模型捕捉數(shù)據(jù)趨勢的能力。此外，還要關(guān)注模型在特定條件下的表現(xiàn)，如不同天氣條件、不同時間段的預(yù)測準(zhǔn)確率，從而評估模型的魯棒性和適應(yīng)性。

進(jìn)一步的分析可能包括識別模型預(yù)測性能的影響因素。例如，探討數(shù)據(jù)特征對預(yù)測結(jié)果的影響，分析哪些特征對模型的預(yù)測結(jié)果影響最大，以及模型是否對某些特征過度敏感。通過這種分析，可以揭示模型的內(nèi)部工作機(jī)制，為模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供線索。

此外，結(jié)果分析還包括與其他研究成果的比較。將所開發(fā)的模型與現(xiàn)有的模型或方法進(jìn)行比較，可以展現(xiàn)模型在當(dāng)前研究領(lǐng)域內(nèi)的競爭力和創(chuàng)新性。這種比較不僅限于預(yù)測準(zhǔn)確性，還包括模型的計算效率、易用性及可擴(kuò)展性等方面。

基于以上分析，可總結(jié)模型的優(yōu)點和局限性，并提出未來改進(jìn)模型的建議。這些建議包括如何調(diào)整模型結(jié)構(gòu)、如何優(yōu)化訓(xùn)練過程、如何更好地處理數(shù)據(jù)等，旨在指導(dǎo)未來的研究工作，進(jìn)一步提高光伏短期功率預(yù)測的準(zhǔn)確性和效率。

4 結(jié)束語

本研究通過實施基于相似日的BOHB-Elman模型，對光伏電站的短期功率進(jìn)行預(yù)測，展示了該模型在提高預(yù)測準(zhǔn)確性方面的有效性。通過精細(xì)化的數(shù)據(jù)處理、模型訓(xùn)練與驗證，以及深入的結(jié)果分析，研究證實了結(jié)合相似日選擇和BOHB優(yōu)化的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在光伏短期功率預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用價值。光伏能源企業(yè)應(yīng)積極采用先進(jìn)的預(yù)測模型，如BOHB-Elman模型，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和學(xué)習(xí)，從而優(yōu)化光伏發(fā)電的調(diào)度與管理。展望未來，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏短期功率預(yù)測的準(zhǔn)確度和實用性將持續(xù)提升，不僅能為光伏能源企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益，也將推動可再生能源的廣泛應(yīng)用和能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。

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