CN112116153A - 一种耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法 - Google Patents
一种耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法,利用Copula理论对冷热电多元负荷间及负荷与气温等其他影响因素间的非线性相关性进行分析,选定负荷预测的输入要素将选择出来的输入要素进行数据划分,得到训练集和测试集,向堆叠式LSTM深度神经网络模型输入训练集;在Keras环境深度学习框架下对堆叠式LSTM深度学习网络模型进行训练,保存其训练的权值信息;加载训练好的堆叠式LSTM深度神经网络模型对测试集进行预测模拟,并得到典型季下的冷、热、电负荷数据;利用平均绝对值误差MAPE和泰勒不等式系数TIC对冷、热、电负荷预测结果进行评价预测。本发明采用堆叠式LSTM深度学习网络模型对负荷进行预测,能有效地对园区多元负荷进行精确化预测。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源负荷预测的技术领域,尤其涉及一种耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法。
背景技术
随着分布式能源、综合能源、能源互联网等新兴能源供需体系的提出与发展,一直以来处于被动接受方的需求侧终端用户的主体地位日益凸显。在“按需供能、共享融通”的理念导向下,通过对需求侧负荷特性的深入挖掘,研究终端用户的用能行为,可以了解用户个性化、差异化服务需求,促进供需互动调控,提升系统综合能效。特别是对于以工商业园区为主体的区域型综合能源系统而言,用户类型多样、用能类型多元等特性更为明显,发挥互补效应、集群效应提升需求侧主体功能的潜力巨大。在需求侧分析的整体框架中,冷、热、电等多类型负荷的动态预测是核心所在,可有效支撑能源系统的运行管理与科学决策。
作为一种简单的动态负荷预测方法,源于日本的负荷因子法虽可实现多元负荷的逐时预测,但仅适用于能源系统规划设计阶段对负荷特性的粗略把握。而且,由于缺乏大量统计数据支撑,现有负荷因子法大多与基于机理推演的负荷模拟软件相结合,通过构建典型用户模型确定多元负荷的逐月、逐时分配因子。为有效支撑能源电力系统的高效运行,基于历史数据的分析学习和计算外推的数据驱动型预测方法受到广泛关注。从经典的线性回归模型和时间序列模型,到代表机器学习的BP神经网络模型、支持向量机模型、随机森林等模型,该方法主要应用于电力负荷预测研究。随着大数据和人工智能技术的发展,以卷积神经网络和循环神经网络为代表的深度学习算法被应用于电负荷预测,并取得了较好效果。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题,提出了本发明。
因此,本发明提供了一种耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法,能够有效地对园区多元负荷进行精确化预测。
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:包括,利用Copula理论对冷热电多元负荷间及负荷与气温等其他影响因素间的非线性相关性进行分析,选定负荷预测的输入要素;将选择出来的所述输入要素进行数据划分,得到训练集和测试集,向堆叠式LSTM深度神经网络模型输入所述训练集;在Keras环境深度学习框架下对所述堆叠式LSTM深度学习网络模型进行训练,保存其训练的权值信息;加载训练好的所述堆叠式LSTM深度神经网络模型对所述测试集进行预测模拟,并得到典型季下的冷、热、电负荷数据;利用平均绝对值误差MAPE和泰勒不等式系数TIC对所述冷、热、电负荷预测结果进行评价预测。
作为本发明所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的一种优选方案,其中:进行所述分析之前还包括,收集园区典型季中冷负荷、热负荷、电负荷的历史数据及对应时间节点上的温度数据和节假日信息;对所述历史数据进行噪点检测和修复并结合所述温度数据、所述节假日信息信息进行数据归一化,得到样本数据。
作为本发明所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的一种优选方案,其中:包括,所述冷、热、电负荷时间分辨率为15分钟,所述温度数据为全天最高温度。
作为本发明所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的一种优选方案,其中:包括,计算多元负荷历史均值并根据3σ原理判断数据真实性,取ε为阈值,经验取值1.2,从而达到对所述历史数据进行噪点检测和数据修复,如下:
作为本发明所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的一种优选方案,其中:所述归一化处理包括,对所述历史信息进行对归一化处理,将处理后的多元负荷历史数据、温度等参数进行无量刚化处理为X∈(0,1)之间,设定数据集为u×v矩阵X,
其中,u为总训练样本数,v为输入特征个数,满足有xij表示第i个样本输入数据的第j个特征,对处理后的数据集矩阵每一列数据进行归一化处理:
作为本发明所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的一种优选方案,其中:所述分析包括,对于随机变量x和y,对应的边缘分布函数为F(x)和E(y),必存在一个Copula函数C[F(x),E(y)]使得ρ表征x和y之间的非线性相关,计算ρ如下:
其中,I[]为示性函数,条件成立时,I[]=1,反之则为0,当ρ>0时,表示变量之间呈现为正相关,当ρ<0时,表现变量之间呈现负相关,当ρ=0时,表现变量之间相关性待定。
作为本发明所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的一种优选方案,其中:划分数据集包括,根据Copula相关性分析确定影响因素,将得到的数据集划分为所述训练集、所述测试集和所述验证集;采用90%的数据(典型季前90%的数据)为所述训练集;剩下10%的所述数据作为所述验证集和所述测试集;向所述堆叠式LSTM深度神经网络模型输入训练样本并训练网络模型。
作为本发明所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的一种优选方案,其中:还包括,所述堆叠式LSTM网络是将每一LSTM层解决的信息流,传递至下一层,并在最后一层提供输出,堆叠式机制加深了对序列数据信息特征的提取。
作为本发明所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的一种优选方案,其中:所述训练包括,在训练所述网络模型时设定最大的训练次数为5000次、采用学习率设为0.005、MiniBatchSize设置为150、MaxEpochs设置200、损失函数为MSE、隐含层激活函数默认为Rule函数,并采用Adam求解器;采用两层LSTM输出结构,且层间输出通过return_sequences修改为True,达到3D数据输出。
作为本发明所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的一种优选方案,其中:所述评价预测包括,MAPE是真实值和预测值差量的绝对值与所述真实值之间的平均比值,表明所述真实值与所述预测值之间的差异,数值越小则所述网络预测模型越优越;TIC是所述真实值与所述预测值的均方根与所述真实值与预测值均方根之和的比值,其值在0和1之间,数值越小则所述预测值与所述真实值一致性越好,如下:
本发明的有益效果:本发明采用堆叠式LSTM深度学习网络模型对负荷进行预测,并结合考虑Copula理论测度典型季冷与电、热与电直接的相关性,能有效地对园区多元负荷进行精确化预测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为本发明第一个实施例所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的流程示意图;
图2为本发明第一个实施例所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的堆叠式LSTM深度学习神经网络模型训练示意图;
图3为本发明第一个实施例所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的堆叠式LSTM深度学习神经网络模型示意图;
图4为本发明第二个实施例所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的各时间尺度下堆叠式LSTM深度学习神经网络模型的MAPE散点分布与散点的乘幂拟合曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明,显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中,需要说明的是,术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定,术语“安装、相连、连接”应做广义理解,例如:可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接;同样可以是机械连接、电连接或直接连接,也可以通过中间媒介间接相连,也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1、图2和图3,为本发明的第一个实施例,提供了一种耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法,包括:
S1:收集园区典型季中冷负荷、热负荷、电负荷的历史数据及对应时间节点上的温度数据和节假日信息。其中需要说明的的是:
收集典型季(夏季)冷负荷与电负荷、典型季(冬季)热负荷与电负荷等历史数据;
采集对应时间节点上的温度数据和节假日信息;
其中,冷、热、电负荷时间分辨率为15分钟,温度数据为全天最高温度。
S2:对历史数据进行噪点检测和修复并结合温度数据、节假日信息信息进行数据归一化,得到样本数据。本步骤需要说明的是:
计算多元负荷历史均值并根据3σ原理判断数据真实性,取ε为阈值,经验取值1.2,从而达到对历史数据进行噪点检测和数据修复,如下:
进一步的,归一化处理包括:
对历史信息进行对归一化处理,将处理后的多元负荷历史数据、温度等参数进行无量刚化处理为X∈(0,1)之间,设定数据集为u×v矩阵X,
其中,u为总训练样本数,v为输入特征个数,满足有xij表示第i个样本输入数据的第j个特征,对处理后的数据集矩阵每一列数据进行归一化处理:
S3:利用Copula理论对冷热电多元负荷间及负荷与气温等其他影响因素间的非线性相关性进行分析,选定负荷预测的输入要素。其中还需要说明的是,分析包括:
对于随机变量x和y,对应的边缘分布函数为F(x)和E(y),必存在一个Copula函数C[F(x),E(y)]使得ρ表征x和y之间的非线性相关,计算ρ如下:
其中,I[]为示性函数,条件成立时,I[]=1,反之则为0,当ρ>0时,表示变量之间呈现为正相关,当ρ<0时,表现变量之间呈现负相关,当ρ=0时,表现变量之间相关性待定。
S4:将选择出来的输入要素进行数据划分,得到训练集和测试集,向堆叠式LSTM深度神经网络模型输入训练集。参照图3,本步骤还需要说明的是,划分数据集包括:
根据Copula相关性分析确定影响因素,将得到的数据集划分为训练集、测试集和验证集;
采用90%的数据(典型季前90%的数据)为训练集;
剩下10%的数据作为验证集和测试集;
向堆叠式LSTM深度神经网络模型输入训练样本并训练网络模型。
S5:在Keras环境深度学习框架下对堆叠式LSTM深度学习网络模型进行训练,保存其训练的权值信息。参照图2,再次需要说明的是,
输入门:it=S·(Wxixt+Whiht-1+Wcict-1+σi)
遗忘门:ft=S·(Wxfxt+Whfht-1+Wcfct-1+σh)
输入门:ot=S·(Wxoxt+Whoht-1+Wcoct-1+σo)
最终输出:ht=T·(ct)ot
其中,S·()、T·()表示激活函数,分别采用非线性sigmoid函数和tanh函数,it、ft、ot∈(0,1)即为控制结构是否被更新、遗忘以及是否在激活的向量中被反映的门结构,Wxi、Wxf、Wxo、Wxc别连接输入信息ot的权值矩阵,Whi、Whf、Who、Whc分别为连接隐含层的输出信号ht的权值矩阵,Wci、Wcf、Wco、Whc分别为连接神经元激活函数输出ot和对角矩阵,σi、σh、σo、σc分别为输入门、遗忘门、输出门以及记忆单元的偏置,Ut为添加到新单元状态ct的待选值,ct- 1ft是将前置信息ct-1进行筛选遗忘,Utit确定前置信息保留状态。
S6:加载训练好的堆叠式LSTM深度神经网络模型对测试集进行预测模拟,并得到典型季下的冷、热、电负荷数据。本步骤还需要说明的是,训练包括:
在训练网络模型时设定最大的训练次数为5000次、采用学习率设为0.005、MiniBatchSize设置为150、MaxEpochs设置200、损失函数为MSE、隐含层激活函数默认为Rule函数,并采用Adam求解器;
采用两层LSTM输出结构,且层间输出通过return_sequences修改为True,达到3D数据输出。
S7:利用平均绝对值误差MAPE和泰勒不等式系数TIC对冷、热、电负荷预测结果进行评价预测。其中还需要说明的是,评价预测包括,
MAPE是真实值和预测值差量的绝对值与真实值之间的平均比值,表明真实值与预测值之间的差异,数值越小则网络预测模型越优越;
TIC是真实值与预测值的均方根与真实值与预测值均方根之和的比值,其值在0和1之间,数值越小则预测值与真实值一致性越好,如下:
通俗的说,LSTM网络在训练学习时,具有监督特性,通过特殊的门结构判断、决定输入各时间步长的数据是否具有相关性,从而决定是否被储存、传递至下个神经环节。
本发明实质上是一种基于耦合Copula理论计算出温度和节假日以及冷、热、电负荷之间数据的相关性测度值,优选出最具影响多元负荷预测的影响信息,建立多元负荷联合输入集,并结合具有记忆功能的堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测。
实施例2
为了更好地对本发明方法中采用的技术效果加以验证说明,本实施例选择以传统的经典LSTM模型二维输出方法与本发明方法进行对比测试,以科学论证的手段对比试验结果,以验证本发明方法所具有的真实效果。
参照图4,为本发明的第二个实施例,该实施例不同于第一个实施例的是,提供了一种耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法的预测精准度验证,包括:
堆叠式LSTM网络是将每一LSTM层解决的信息流,传递至下一层,并在最后一层提供输出,堆叠式机制加深了对序列数据信息特征的提取,堆叠式LSTM模型框架是由多层LSTM构成,且每层由多个LSTM网络单元组成,与经典LSTM模型二维输出不同的是,信息提取持续三维输入并三维输出,最后采用全连接层作为预测数据的输出,并采取线性回归函数作为激活函数。
传统的经典LSTM模型二维输出方法对电负荷预测的精准度较低,为验证本发明方法相较于传统方法具有较高的精准度,本实施例中将采用传统方法与本发明方法分别对南方某一园区内的多元负荷进行预测。
测试条件:(1)训练次数设定为5000次、学习率为0.005、MiniBatchSize设置为150、MaxEpochs设置为200;
(2)损失函数为MSE、隐含层激活函数默认为Rule函数,并采用Adam求解器;
(3)本发明采用两层LSTM输出结构,且层间输出通过return_sequences修改为True;
(4)开启自动化测试设备,并运用MATLB仿真模拟。
表1:误差值对比数据表。
参照表1,能够直观的看出,针对相同测试条件下的传统方法输出的预测误差值远高于本发明方法,即传统方法的预测精准度较低。
参照图4,为各时间尺度下堆叠式LSTM预测模型的MAPE散点分布与散点的乘幂拟合曲线,从整体拟合效果来看,随着预测时间尺度增大,预测精准度降低,而且,冷、热负荷预测效果明显优于电负荷预测效果;从曲线走势来看,拟合曲线递增率逐渐减小,误差累计效应减弱,长时间尺度下预测误差增速降缓。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法,其特征在于:包括,
利用Copula理论对冷热电多元负荷间及负荷与气温等其他影响因素间的非线性相关性进行分析,选定负荷预测的输入要素;
将选择出来的所述输入要素进行数据划分,得到训练集和测试集,向堆叠式LSTM深度神经网络模型输入所述训练集;
在Keras环境深度学习框架下对所述堆叠式LSTM深度学习网络模型进行训练,保存其训练的权值信息;
加载训练好的所述堆叠式LSTM深度神经网络模型对所述测试集进行预测模拟,并得到典型季下的冷、热、电负荷数据;
利用平均绝对值误差MAPE和泰勒不等式系数TIC对所述冷、热、电负荷预测结果进行评价预测。
2.根据权利要求1所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法,其特征在于:进行所述分析之前还包括,
收集园区典型季中冷负荷、热负荷、电负荷的历史数据及对应时间节点上的温度数据和节假日信息;
对所述历史数据进行噪点检测和修复并结合所述温度数据、所述节假日信息信息进行数据归一化,得到样本数据。
3.根据权利要求2所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法,其特征在于:包括,
所述冷、热、电负荷时间分辨率为15分钟,所述温度数据为全天最高温度。
7.根据权利要求6所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法,其特征在于:划分数据集包括,
根据Copula相关性分析确定影响因素,将得到的数据集划分为所述训练集、所述测试集和所述验证集;
采用90%的数据(典型季前90%的数据)为所述训练集;
剩下10%的所述数据作为所述验证集和所述测试集;
向所述堆叠式LSTM深度神经网络模型输入训练样本并训练网络模型。
8.根据权利要求7所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法,其特征在于:还包括,
所述堆叠式LSTM网络是将每一LSTM层解决的信息流,传递至下一层,并在最后一层提供输出,堆叠式机制加深了对序列数据信息特征的提取。
9.根据权利要求8所述的耦合Copula与堆叠式LSTM网络的园区多元负荷联合预测方法,其特征在于:所述训练包括,
在训练所述网络模型时设定最大的训练次数为5000次、采用学习率设为0.005、MiniBatchSize设置为150、MaxEpochs设置200、损失函数为MSE、隐含层激活函数默认为Rule函数,并采用Adam求解器;
采用两层LSTM输出结构,且层间输出通过return_sequences修改为True,达到3D数据输出。
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