CN112785088A - 一种基于dcae-lstm短期日负荷曲线预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DCAE‑LSTM短期日负荷曲线预测方法,具体按照以下步骤实施:步骤1、构建电力负荷带有高噪声的数据集;步骤2、构造卷积去噪自编码器(DCAE);步骤3、构造基于长短期记忆网络(LSTM)的负荷预测网络;步骤4、将DCAE与基于LSTM的负荷预测网络结合,组成混合深度神经网络;步骤5、将步骤1中带有高噪声的数据集输入步骤4中的混合深度神经网络实现短期日负荷曲线的预测。结合了DCAE的去噪能力和LSTM的预测能力,使得可以不必事先建立主观模型,而直接根据观测数据序列本身的客观规律进行预测,避免了数据采集噪声因素,提高预测的精度和可信度。
Description
技术领域
本发明属于数据预测优化技术领域,涉及一种基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法。
背景技术
预测电力系统短期负荷,必须搜集所研究区域的大量真实的历史负荷数据。由于设备本身可能存在的问题,或者采集的数据在传输过程中受到其他信号干扰,又或者电力系统误操作等等都会使得采集到的负荷数据有一部分和实际的负荷数据有差别。严重时,还会有一些数据缺失、负荷数据上下波动超出正常范围的情况。这些数据也就是所谓的不良数据和坏数据。神经网络对历史负荷数据非常敏感。不良数据会使神经网络的训练和预测受到干扰。所以直接使用未经处理的负荷数据进行网络的模拟训练并预测,会出现大量问题。例如,坏数据会影响神经网络的训练,使神经网络的训练误差达不到要求的范围,或导致网络训练过程不收敛。即使神经网络训练达到了预先设定的误差标准,不良数据作为正常数据进入训练好的网络,也会影响预测的正确性,给预测带来较大的偏差。这些误差忽略了模型的鲁棒性。当外部因素影响过大,采集数据噪声过多,预测结果就会不准确。这种现象不仅在特征工程中很难发现,而且无法自动去除数据中的噪声。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法,具有将噪声引入负荷数据进行模型训练,对缺陷检查,提高网络鲁棒性的特点。
本发明所采用的技术方案是,一种基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、构建电力负荷带有高噪声的数据集;
步骤2、构造卷积去噪自编码器(DCAE);
步骤3、构造基于长短期记忆网络(LSTM)的负荷预测网络;
步骤4、将DCAE与基于LSTM的负荷预测网络结合,组成混合深度神经网络;
步骤5、将步骤1中带有高噪声的数据集输入步骤4中的混合深度神经网络实现短期日负荷曲线的预测。
步骤1具体按照以下步骤实施:
步骤1.1、利用最大最小归一化算法公式对初始负荷数据进行归一化处理构建标准数据集;
其中,xmin代表初始负荷数据的最小值,xmax代表初始负荷数据最大值;
步骤1.2、构建高噪声的数据集
将标准数据集x*划分为训练集,验证集和测试集;并向训练集加入高斯噪声,构成含噪声的新数据集;
步骤2具体按照以下步骤实施:
将卷积神经网络(CNN)引入去噪自编码器(DAE),使用卷积层代替DAE的全连接层,得到DCAE,DCAE中每个神经元由卷积神经元组成。
步骤2中,利用损失函数
若为k个卷积核,每个卷积核由参数wk和bk组成,用hk表示卷积层,则:
得到hk进行特征重构,进而得到下式:
将输入的样本和最终利用特征重构得出的结果进行欧几里得距离比较,得到完整的卷积去噪自编码器
其中,x1为负荷预测的原始数据,yi为通过模型计算得到的数据,训练好的DCAE分为编码器(encoding)和解码器(decoding)两部分。
步骤3具体按照以下步骤实施:
步骤3.1、将第N天数据输入DCAE的encoding,得到第N天经过降维和自动去噪的负荷数据;
步骤3.2、构建负荷预测的LSTM,该网络由三层LSTM组成,网络中的神经元都由输入门,输出门,和遗忘门构成;
步骤3.3、将步骤3.1得到的数据作为负荷预测的LSTM的输入,第N+1天的负荷数据作为输出。
步骤4中,将训练好的DCAE的编码器,与负荷预测的LSTM结合,组成高噪声下的混合深度神经网络。
本发明的有益效果是:
本发明模型利用去噪的思想,引入DAE去除数据噪声。在DAE的基础上,提出了增强特征提取的卷积去噪自编码器。DCAE在网络结构上使用卷积层代替DAE的全连接层。DCAE-LSTM模型使用DCAE对输入的历史荷载序列数据进行编码和去噪,同时DCAE降低数据的维度提供较小维度的潜在表示。对编码后的数据,使用多层LSTM网络进行建模,完成负荷预测。结合了DCAE的去噪能力和LSTM的学习能力,使得可以不必事先建立主观模型,而直接根据观测数据序列本身的客观规律进行预测,避免了数据采集噪声因素,提高预测的精度和可信度。结果表明,所提方法在抗干扰,提升预测精度和时效性方面具有优势。
附图说明
图1是本发明基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法的去噪自编码器DAE结构图;
图2是本发明基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法的LSTM的循环结构及单元结构图;
图3是本发明基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法的模型结构图;
图4是本发明基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法的DCAE-LSTM混合深度神经网络结构示意图;
图5是本发明基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法的DCAE-LSTM混合深度神经网络算法流程图;
图6是不同算法的预测效果比较结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图5所示,一种基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1、构建电力负荷带有高噪声的数据集;
步骤2、构造卷积去噪自编码器;
步骤3、构造基于长短期记忆网络的负荷预测网络;
步骤4、将卷积去噪自编码器与基于长短期记忆网络的负荷预测网络结合,组成混合深度神经网络;
步骤5、将步骤1中带有高噪声的数据集输入步骤4中的混合深度神经网络实现短期日负荷曲线的预测。
步骤1具体按照以下步骤实施:
步骤1.1、利用最大最小归一化算法公式对初始负荷数据进行归一化处理构建标准数据集;
其中,xmin代表初始负荷数据的最小值,xmax代表初始负荷数据最大值;
步骤1.2、构建高噪声的数据集
将标准数据集x*划分为训练集,验证集和测试集;并向训练集加入高斯噪声,构成含噪声的新数据集;
步骤2具体按照以下步骤实施:
如图1所示,将卷积神经网络引入去噪自编码器,使用卷积层代替去噪自编码器的全连接层,得到卷积去噪自编码器,卷积去噪自编码器中每个神经元由卷积神经元组成。
步骤2中,利用损失函数
得到hk进行特征重构,进而得到下式:
将输入的样本和最终利用特征重构得出的结果进行欧几里得距离比较,得到完整的卷积去噪自编码器
其中,xi为负荷预测的原始数据,yi为通过模型计算得到的数据,训练好的卷积去噪自编码器分为编码器和解码器两部分。
如图2所示,步骤3具体按照以下步骤实施:
步骤3.1、将第N天数据输入卷积去噪自编码器的编码器,得到第N天经过降维和自动去噪的负荷数据;
步骤3.2、构建负荷预测的长短期记忆网络,该网络由三层长短期记忆网络组成,网络中的神经元都由输入门,输出门,和遗忘门构成;
步骤3.3、将步骤3.1得到的数据作为负荷预测的长短期记忆网络的输入,第N+1天的负荷数据作为输出。
如图3所示,步骤4中,将训练好的卷积去噪自编码器的编码器,与负荷预测的长短期记忆网络结合,组成高噪声下的混合深度神经网络。
在数据所受干扰噪声为0.3时,本方法和其他算法预测结果的对比如图6所示。
本发明算法如下:
本发明的优点在于:
本发明模型利用去噪的思想,引入DAE去除数据噪声。在DAE的基础上,提出了增强特征提取的卷积去噪自编码器。DCAE在网络结构上使用卷积层代替DAE的全连接层。DCAE-LSTM模型使用DCAE对输入的历史荷载序列数据进行编码和去噪,同时DCAE降低数据的维度提供较小维度的潜在表示。对编码后的数据,使用多层LSTM网络进行建模,完成负荷预测。
结合了DCAE的去噪能力和LSTM的预测能力,使得可以不必事先建立主观模型,而直接根据观测数据序列本身的客观规律进行预测,避免了数据采集噪声因素,提高预测的精度和可信度。结果表明,所提方法在抗干扰,提升预测精度和时效性方面具有优势。
Claims (6)
1.一种基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:
步骤1、构建电力负荷带有高噪声的数据集;
步骤2、构造卷积去噪自编码器;
步骤3、构造基于长短期记忆网络的负荷预测网络;
步骤4、将卷积去噪自编码器与基于长短期记忆网络的负荷预测网络结合,组成混合深度神经网络;
步骤5、将步骤1中带有高噪声的数据集输入步骤4中的混合深度神经网络实现短期日负荷曲线的预测。
3.根据权利要求1所述的一种基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法,其特征在于,所述步骤2具体按照以下步骤实施:
将卷积神经网络引入去噪自编码器,使用卷积层代替去噪自编码器的全连接层,得到卷积去噪自编码器,卷积去噪自编码器中每个神经元由卷积神经元组成。
5.根据权利要求1所述的一种基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法,其特征在于,所述步骤3具体按照以下步骤实施:
步骤3.1、将第N天数据输入卷积去噪自编码器的编码器,得到第N天经过降维和自动去噪的负荷数据;
步骤3.2、构建负荷预测的长短期记忆网络,该网络由三层长短期记忆网络组成,网络中的神经元都由输入门,输出门,和遗忘门构成;
步骤3.3、将步骤3.1得到的数据作为负荷预测的长短期记忆网络的输入,第N+1天的负荷数据作为输出。
6.根据权利要求1所述的一种基于DCAE-LSTM短期日负荷曲线预测方法,其特征在于,所述步骤4中,将训练好的卷积去噪自编码器的编码器,与负荷预测的长短期记忆网络结合,组成高噪声下的混合深度神经网络。
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