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基于组合模型的短期风速预测研究

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臣 一 Clean Energy 第29卷第7期 2013年7月 电网与清洁能源 Power System and Clean Energy V01.29 No.7 Ju1.2013 文章编号:1674—3814(2013)07—0083—05 中图分类号:TM 614 文献标志码:A 基于组合模型的短期风速预测研究 章伟,邓院昌 (中山大学工学院,广东广州 510006) Short-Term Wind Speed Prediction Based on Combination Model ZHANG Wei,DENG Yuan-chang (School of Engineering,Sun Yat—Sen University,Guangzhou 510006,Guangdong,China) ABSTRACT:Wind speed is characteristic of lrge staochastic volatility,which affects the wind power and the stable operation 方法等。物理方法即数值天气预报法【lJ,即对风电场 处的数值气象预报模型进行插值得出相应的气象 of the power gnd connected with it,thus prediction of wind 信息,再根据风电场地形、障碍物等信息进行预测。 该方法预测精度高,但计算复杂、数据收集量大;统 计方法根据风速的历史数据建立预测模型进行预 测,常见的有持续法[21、灰色预测I 3l、时间序列法l 4l等; 基于学习理论的预测方法即通过数据的学习与训 练来建立输入和输出间的关系,从而达到预测的目 的。如人工神经网络法嘲,支持向量机模型[61等。 本研究利用基于统计理论的灰色一马尔可夫链 模型与基于学习理论的最小二乘支持向量机模型 进行预测,灰色一马尔可夫链预测模型是指,先通过 灰色理论预测出风速值,再根据马尔可夫链的状态 转移矩阵,得出风速误差数据的预测值,最后得出 speeds is crucial in the integration of wind power with the grid. This paper uses Grey-Markov chain model and least squares support vector machine model to predict wind speeds,and then compares the accuracies obtained with each prediction mode1. Based on this study,the dynamic weight combination model and the 0—1 combination model ale studied.Furthermore, analysis is made with the actually measured wind speed in a certain wind farm in China as an example.The result shows that the combination prediction model is better than the single prediction method,and has large practical values. KEY WORDS:wind speed prediction;GM—Markov model; LSSVM model;combination prediction 摘要:风速具有较大的随机波动性,影响了电网的稳定性,风 速预测对于风电并网问题至关重要。本研究采用灰色一马尔 可夫链(GM—Markov)与最小二乘支持向量机(LSSVM)预测 模型分别对风速进行预测,比较了各单一预测模型的精度; 在此基础上研究了动态权重组合模型与0—1法组合预测模 型。然后以国内某风电场的实测风速数据为例进行分析,结 最终的风速预测结果。最小二乘支持向量机模型以 200个风速数据为训练样本,对其后100个数据进行 提前一小时的预测研究。然后再结合这两种预测模 型,完成风速的动态权重组合与0—1法组合预测。 果表明,单一预测方法时好时坏,稳定性较差,组合预测模型 总体效果较好,具有较大的实用价值。 1 灰色一马尔可夫链模型 .关键词:风速预测;灰色一马尔可夫链模型;最小二乘支持向 量机;组合预测 1 灰色模型 灰色预测是一种对含有不确定因素的系统进 随着风电技术的13益成熟,风电并网容量越来 行预测的方法。主要通过对部分已知信息的分析, 再从中提取有价值的信息,实现对系统运行状态的 正确描述和有效监控川。风速具有波动性的特点,同 时也存在一些不确定因素,因此可把风速序列看成 是一个灰色系统进行研究。以下为利用灰色模型预 测风速的步骤。 越多,对电力系统的影响也越来越明显。对风速进 行预测是解决风电并网问题的重要手段,其在电力 调度、风电场运行中的地位13趋重要,对整个电力 系统的安全运行具有重要的意义。 风速预测方法有物理方法、统计方法以及学习 ■■ 毯 ÷ Clean Energy 章伟,等:基于组合模型的短期风速预测研究 对原始风速序 ∞( )列进行一阶累加生成后得 到序列 (1’(.]}),然后用累加后的序列生成紧邻均值 序列z( ( )。其中: z(。’( ):0.5x‘ ( )+O.5x‘ ( 一1),k=2,3,…,凡(1) 建立灰色模型的微分方程: lJ,+ 1):6 (2) dt 模型中的参数a和b可用最小二乘法求得,因此 微分方程的解为: 互 1 ( +1):f\  ∞(1)一_af 1/ e + }a _ (3) 最后对风速序列进行累减还原得到预测值: 互‘。 ( +1)= ‘ ’( +1)一互‘ ’( ), =1,…,n (4) 1。2马尔可夫链模型 马尔可夫链是指在给定当前信息的情况下,过 去的历史状态对于未来即将预测的状态是无关 的嘲。其建模方法主要是对数据序列求得状态转移 矩阵,然后根据转移矩阵对未来的变化趋势做出估 计,从而达到预测的目的。 设随机过程{“ }和离散的状态集,={ 。,i ,i , …},若 plu¨l=i¨ ̄luo=io,Ul=il,…,ltn=i }: P{U l= llun=i l (5) 则称 }为马尔可夫链,并记p ) {u = =i/ 为在m时刻系统处于状态i的前提下,在m+k时刻系 统处于状态 的概率。 将数据序列分为若干种状态,记为E ,E ,…, E ,则状态转移概率为 m = (6) 式中, _(^)为数据序列从状态E 经过k步到状态E 的转移个数, 为数据序列处于状态昂的原始数据 个数。 构成相应的k步状态转移矩阵: p11( ) pl2( ) pln( ) p21( ) p22( ) p2n( ) : : : (7) ● ● ● Pn1( ) _P凡2( ) p帆( ) 一般的马尔可夫链模型在确定了状态转移矩 阵后,便以当前点转移概率最大的值作为下一步的 转移值,这一方法忽略了其他的转移概率发生的可 能性。在此以当前点转移概率的期望值作为下一步 的转移值,因而k+l时刻的状态转移值为 y(k+1) ×毕 毕+.. ¨×毕(8) 式中,P P …, 为预测对象所处状态k的概率, s s …,s +为对应状态的变动区间,取区间的中 点为预测值。 1.3灰色与马尔可夫链结合模型 采用GM—Markov模型进行风速预测的具体步 骤为: 1)根据灰色模型得到风速的拟合和预测结果, 并求得拟合数据与实际数据问的残差序列e: , …,e ,其中e ‘∞( )一 ‘。 ( ); 2)对残差序列进行分析,根据残差向量的分布 情况进行状态划分如下,本文根据试验结果将其划 分为6个状态,并构造一步状态转移概率矩阵,将每 个状态用转移矩阵表示; [s1,s2,…,s6】=[(一∞,一0.5),(一0.5,一0.25), (一0.25,0),(0,0.25),(0.25,0.5),(0.5,+∞)] (9) 3)根据最后一个残差的状态和一步状态转移 概率矩阵,求出残差预测点所处的状态,然后以此 状态的概率期望值作为其变化值y( +1); 4)根据灰色预测值及残差预测值求得风速预 测结果互(k+1)=互( +1)+ ( +1);再更新原始风速数 据序列继续预测。 2最小二乘支持向量机模型 lssvm是svm的改进模型,它将svm中的不等式约 束改为等式约束条件,且将误差平方和损失函数作 为训练集的经验损失,因此就把求解二次规划问题 转划为求解线性方程组的问题,简化了计算的复杂 性,提高了运算速度[91。 对于给定的训练样本集f( Y ),(孙y2),…, (Xt )},其中筏为样本输入向量,yi为期望值, ∈Rn, yi∈R, 为样本数据个数。支持向量回归机算法可表 示为: y=w。6( )+6 (10) 式中,6( )为从输入空间到高维空间的非线性映 射, 为权向量,6为常数。再根据结构风险最小化 原则,寻找 ,b的最小化值,常用的优化目标函数 为误差毒的二次项,所以优化问题的目标函数可表 示为 穗 弱 一Clean Energy  第29卷第7期 电网与清洁能源 l l mi , )=__1 +c∑ (11) 最大限度地利用各单一方法的信息。组合模型的关 键在于权重系数的求取,权重系数确定方法有最小 ● :孙 厶 i=1 s.t.yi=wS(x )+6《(i=1,2,…,Z) 式中, 为松弛因子,c为正规化参数。用Lagrange法 求解该优化问题: f Z £( ,b, ,。)= 厶 +c∑ 一∑哦(i=1 i=1  咖(兢)+6《 ) (12) 式中,a ̄Lagrange乘子。 根据优化条件可得: o: :w ∑ (:1 溉) = O0扛 1 …l3)L J 茜= 直 :o— (筏)+6 :0 Oa 根据Mercer条件定义核函数 ( ) (麓)‘6( ), 消去式(11)中的W和 ,可得到下面的线性方程组: = (14) 利用最小二乘法求解式(14)可得出a和b的值, 最后得 ̄IJLSSVM函数: l o,k(x ,xi)+b (15) £=1 因此,SVM的二次规划求解问题即转化为利用 最小二乘法解线性方程组的问题。采用LSSVM进行 风速预测时,为了后续数据处理的方便,先对风速数 据进行归一化,本文将其归一化到(一l,1)之间;选 用参数数目相对较少的RBF函数作为核函数;运用 网格搜索法对参数寻优,并采用交叉验证函数自动 选出最优的参数。 3组合预测模型 单一模型对风速预测的精度有限,因此提出采 用组合预测法,即利用各种预测方法所提供的信息, 将其结合起来,以适当的加权方式得出组合模型㈣。 本文将基于统计理论的灰色一马尔可夫链模型与基 于学习理论的最小二乘支持向量机模型进行组合, 方差法,最小二乘法,最大熵理论法【n 31等等。 在实际应用中较多使用最小方差法,即以最 小方差为优化目标建立组合模型。组合模型的预 测值为 :哟 J ^^2 =∑  l i=1 6 {W >I0 (16) l 2 l∑ :1 l=1  式中 组合预测值 为第 种模型的预测值,W 为 第 种预测方法的权重系数。 最小方差法的权重系数表达式为 2 2 ∑∑var(e )var( ) k=l,k≠i =1, ≠i 2 2 (17) ∑∑var(e )var( ) k=l j=l 式中,e 和var(e )为第i种预测方法的预测误差和方 差值。 同时提出采用0—1法进行组合,即以两种模型 中方差最小的预测模型作为组合预测的最终模型。 每进行一步预测进行权重的动态更新。0—1法的组 合权重系数可表示为 {1 0,, V others aLr㈦ (18) 4实证分析 以某风力机实测风速数据为例,选取两种风速 样本序列进行分析。为比较预测方法的精度,采用平 均绝对百分比误差和均方根误差作为其评价标准。 平均绝对百分比误差为 E~= ×10o% ) V 1 均方根误差为 (20) 式中,互( )是第k时刻的预测数据, ( )是第k时刻的实 际数据。 和E 岘的值越小,表示模型精度越高。 以6个历史风速数据作为输入特征向量序列,分 Clean Energy 章伟,等:基于组合模型的短期风速预测研究 V01.29 No.7 别采用GM—Mark0v模型及LSSVM模型对未来1 h的 风速进行预测,结果如图l所示。 14 12 ,嘶 法和0—1组合法预测,结果如图2所示。 10 8 函6 区4 2 0 0 1O 26 30 40 50 t/h 60 7O 80 90 14 12 10 2O 3O 40 50 60 n 70 80 90 0 ●10 ∞ 8 商6 匮4 2 h 图l不同样本的风速预测结果 Fig.1 Wind speed prediction results for diferent samples 一_.s.g)/艘匮 针对这两种单一预测模型,采用动态权重组合 4 2 O 8 6 4 2 O 表1为各种预测方法所得出的风速预测误差。 表1不同方法的风速预测误差 1’ab.1 Wind speed prediction error for different methods 图3为不同风速预测方法的绝对误差。 范围。 表2动态权重组合预测方法的预测误差概率范围 Tab.2 Probability range of dynamic weigh combination wind speed prediction model 从图1、图2可知,各种预测方法都能够较好地 预测风速的变化趋势。与图1相比,图2中的两种组 合预测方法的预测结果更加贴近真实风速数据。 从表1可知,对于风速样本1,采用LSSVM预测模 型的精度优于GM—Markov预测模型;而对于风速样 本2,采用GM—Markov预测模型的精度优于LSSVM预 图3不同样本的风速预测绝对误差 Fig.3 Wind speed prediction absolute errors for diferent samples 测模型。GM—Markov模型方法与LSSVM模型方法各 具优势,因此不能片面地说哪种预测方法更准确。 对于样本1,动态权重组合预测方法的误差小于各单 预测模型的误差;而样本2中的动态权重组合法 一表2为动态权重组合预测方法的预测误差概率 Clean Energy 第29卷第7期 电网与清洁能源 87 得出的误差介于两种单一预测方法的误差之间。0—1 组合法得出的误差值都介于两种单一预测方法之间。 从图3可看出,采用单一预测方法得出的绝对 误差曲线波动性较大,而组合预测方法得出的绝对 误差曲线更稳定。且由表2可知,动态权重组合法中 误差概率小于单一预测方法的占10%~20%,并且大 于单一预测方法的概率为0。 经过以上对比可知,采用组合模型预测的风速 优于单一预测方法,因为组合方法综合利用了各单 一预测方法的信息;在组合预测方法中,采用动态 权重的组合预测方法优于0—1组合法。 5结语 本文研究了风电场的风速预测方法,首先建立 了灰色一马尔可夫链模型和最小二乘支持向量机模 型,在此基础上,建立了动态权重组合模型和0—1法 组合模型。以国内某风电场的实测风速数据为例进 行预测分析,结果表明,采用组合模型预测的风速 绝对误差曲线更稳定,且预测精度较好,可作为一 种有效、可行的风速预测方法。 参考文献 …1 孙川永,陶树旺,罗勇,等.高分辨率中尺度数值模式 在风电场风速预报中的应用 太阳能学报,2009,30 (8):1097—1099. SUN Chuan-yong,TAO Shu-wang,LUO Yong,et a1. The application of high resolution mesoscale model in wind speed forecasting in wind farm[J].Acta Energiae Solaris Sinica。2009,30(8):1097—1099(in Chinese). [2】李丽,叶林.基于改进持续法的短期风电功率预测[J]. 农业工程学报,2010,26(12):182—187. LI Li。YE Lin.Short—term wind power forecasting based on an improved persistence approach[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2010,26 (12):182—187(in Chinese). [3]李俊芳,张步涵,谢光龙,等.基于灰色模型的风速一风 电功率预测研究叨.电力系统保护与控制,2010,38(19): 151-159. LI Jun-fang,ZHANG Bu—han,XIE Guang-long,et a1. Grey predictor models for wind speed-wind power prediction[J].Power System Protection and Control,2010, 38(19):151-159(in Chinese). [4]周培毅,张新燕.基于时间序列与支持向量机的风电场 风速预测研究fJ1.陕西电力,2009(12):1-4. ZHOU Pei—yi.Z HANG Xiao—yah.Study on wind speed forecasting of wind farm based on time series and support vector machine[J].Shaanxi Electirc Power.2009【12):1-4 (in Chinese). 『51 肖永山,王维庆,霍晓萍.基于神经网络的风电场风速 时间序列预测研究[J].节能技术,2007(2):106-108,175. XIAO Yong—shan,WANG Wei—qing,HUO Xiao—ping. Study on the time-series wind speed forecasting of the wind afrm based on neural networks[J].Energy Conservation Technology,2007(2):106—108,175(in Chinese). 【6】彭怀午,杨晓峰,刘方锐.基于SVM方法的风电场短期 风速预测『J1.电网与清洁能源,2009(7):48—52. PENG Huai-wu,YANG Xiao—feng,LIU Fang—rui.Short— term wind speed forecasting of wind farm based on SVM method[J].Power System and Clean Eneryg.2009(7):48— 52(in Chinese). 『71郭敏,蓝金辉,李娟娟,等.基于灰色残差GM(1,N)模 型的交通流数据恢复算法lJ1.交通运输系统工程与信息, 2012,12(1):42—47. GUO Min,LAN Jin—hui,LI Juan-juan,et a1.Tmmc lfow data recovery algorithm based on grey residual GM(1,N) model[J].Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology,2012,12(1):42—47(in Chinese). [8】WANG Zhen—yu,FU Mei—chen,YU Yue-long,et a1. Prediction of urban land price base on Grey-Markov Model[C]//International Conference on Computer Science and Network Technology.Harbin,ICCSNT,2012:708-712. 『91杜颖,卢继平,李青,等.基于最小二乘支持向量机的 风电场短期风速预测[J].电网技术,2008,32(15):62— 66. DU Ying,LU Ji—ping,LI Qing,et a1.Short-term wind speed forecasting of wind farm based on least square- support vector machine[]j.Power System Technology,2008, 32(15):62—66(in Chinese). 【10]林海涛,蒋传文,任博强,等.基于模糊聚类的风速短 期组合预测[J1.华东电力,2010,38(2):295—299. LIN Hai—tao,JIANG Chuan—wen,REN Bo—qiang,et a1. Short terra combined prediction of wind speed based on fuzzy clustering[J].East China Electirc Power,2010,38 (2):295—299(in Chinese). 【1 1】张国强,张伯明.基于组合预测的风电场风速及风电机 功率预测[J].电力系统自动化,2009,33(18):92—95. ZHANG Guo—qiang,ZHANG Bo-ming.Wind speed and (下转第91页) Clean Energy 第29卷第7期 电网与清洁能源 91 2)在梁板柱墙等薄壁结构,除了暖棚外,可以 考虑在模板外侧加设土工布、保温棉被、电热毯等 保暖或加热措施。 益、环保效益和社会效益,其他类似工程可以借鉴。 参考文献 [1】胡开云.混凝土冬期施工原理及方法【J].山西建筑,201 1 (27):95—96. HU Kai—yun.Winter concrete construction principles and 6 结语 旁多水利枢纽工程在201 1年1 1月一2012 年4月采用电能加热,土工布+保温棉被暖棚蓄热的 冬季混凝土施工方法进行施工,混凝土浇筑总量为 6 718 m3,共取样79组,平均强度超过设计抗压强度 methods[J].Shanxi Architecture,2011(27):95—96(in Chinese). 【2】孟庆伟.混凝土冬季施工[J】.硅谷,2009(18):106. MENG Qing-wei.Winter concrete constuctrion[J].Guigu, 2009(18):106(in Chinese). 的1.25倍,质量合格。该工程投人冬季混凝土施工费 用960万元,比采取燃烧加热,塑料薄膜+保温棚布 的传统冬季混凝土施工方法节约成本1 20万元,抢得 了3个月的施工进度,为确保水利枢纽工程在20 1 3年 发电创造了条件,取得了良好的质量效益、经济效 收稿日期:2013—03—21。 作者简介: 陈新泉(1971一),男,高级工程师,副总工程师。 (编辑李沈) (上接第82页) associated with plug—in hybrid electirc vehicle charging in XIE Lin-wei.Adaptive PSO algorithm based optimal planning of charging station for eletric vehicleO].Shaanxi the Xcel energy Colorado service territory[R/OL]_l2007— 05-20].http://www.nre1.gov/analysis/pdfs/41410.pdf. Electric Power。2012(11):34—37(in Chinese). 『201丁伟,袁家海,胡兆光.基于用户价格响应和满意度的 峰谷分时电价决策模型【J1.电力系统自动化,2005,29 (20):10—14. D1NG Wei,YUAN Jia-hai,HU Zhao-guang.Time—of— use price decision model considering users reaction and 收稿日期:2013—01—18。 作者简介: 戴诗容(1986一),女,硕士研究生,主要研究方向为智能电 网、电动汽车入网等; 雷霞(1973一),女,博士,教授,硕士生导师,主要研究方 向为电力市场、配网自动化和调度自动化等; 程道卫(1987一),男,硕士,助理工程师,从事电力系统稳定 与控制技术研究。 satisfaction index[J].Automation of Electirc Power Systems, 2005,29(20):10—14(in Chinese). 『211谢林伟.基于自适应粒子群算法的电动汽车充电站优化 规划fJ1.陕西电力,2012(11):34—37. (编辑徐花荣) (上接第87页) wind turbine output forecast base on combination method[J]. [13]陈宁,沙倩,汤奕,等.基于交叉熵理论的风电功率组 合预测方法【J】.中国电机工程学报,2012,32(40):29-34. CHEN Ning,SHA Qian,TANG Yi,et a1.A combination method for wind power prediction based on cross entropy Automation of Electirc Power Systems,2009,33(18): 92—95(in Chinese). [12】牛晨光,游晓科,赵震云,等.风电场发电功率短期预 测组合模型研究[J1.华北电力大学学报:自然科学版, 2012,39(3):29—34. NIU Chen—guang,YOU Xiao-ke,ZHAO Zhen—yun,et theory[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(4):29-34 (in Chinese). 收稿日期:2013—03—06。 a1.Study on the combination model of short-term wind 作者简介: power generation prediction[J].Journal of North China Electric Power University:Natural Science Edition,2012, 章伟(1988一),女,硕士研究生,从事风资源评估与风速、 风功率预测方面的研究。 39(3):29—34(in Chinese). (编辑徐花荣) 

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