CN113052400A - 一种考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种考虑电‑热耦合特性的短期热负荷概率预测方法,属于电力系统分析技术领域,包括对采集到的电负荷数据、热负荷数据以及气象信息等数据进行数据清洗;如果采集到的各类数据存在时间分辨率差异,则采用抽样的方法使各类数据的时间分辨率一致;采用皮尔森相关性系数刻画电‑热耦合特性,构建电‑热耦合特征集合;然后采用高斯过程回归建立短期热负荷概率预测模型;采用4种预测精度评估指标对热负荷概率预测结果进行评估。本发明能够准确预测在电‑热耦合特性不断加强场景下的热负荷概率区间,可为电网‑热网联合调度提供决策依据。
Description
技术领域
本发明属于电力系统分析预测领域,尤其涉及一种考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法。
背景技术
近年来,随着我国新能源装机容量的增长,自然资源较强的随机性和波动性加大了新能源消纳的难度。并且东北地区落实国家相关政策,“集中式供热+分散式电采暖供热”的方式替代了传统的燃煤锅炉供热方式,这使得供电与供热的联系耦合性与紧密性不断加强。为深入挖掘热力系统消纳新能源潜力,需要对热负荷进行概率预测。目前为止,虽然有关短期热负荷预测方法,主要集中于确定性热负荷预测,即仅能给出一组确定的热负荷预测结果,未关注热负荷可能存在的不确定性和波动性,忽略了供电和供热系统互联场景下热负荷特性受电-热耦合性的影响,工程应用具有较大的局限性。
总体上,随着供电和供暖系统的联系愈加紧密,短期热负荷概率预测研究逐渐成为热点。但是,由于各系统存在数据壁垒,很少有考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测及其影响的研究与报道。
发明内容
本发明目的在于提供一种考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法,以解决现有缺少考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测的技术问题。
为实现上述目的,本发明的一种考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法的具体技术方案如下:
一种考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法,其特征在于,包括以下步骤,且以下步骤顺次进行:
步骤S1、对采集到的电负荷数据、热负荷数据以及气象信息等数据进行数据清洗;
步骤S2、根据步骤S1得到的电负荷数据、热负荷数据以及气象信息数据是否存在时间分辨率差异,如果有时间分辨率差异,则采用抽样的方法使各类数据的时间分辨率一致;
步骤S3、根据步骤S2得到的时间分辨率一致的电负荷、热负荷和气象数据,采用皮尔森相关性系数刻画电-热耦合特性,构建考虑电-热耦合性的热负荷概率预测特征集合;
步骤S4、采用高斯过程回归建立短期热负荷概率预测模型;
步骤S5、根据步骤S3构建的热负荷概率预测特征集合与步骤S4建立的概率预测模型,采用4种预测精度评估指标对热负荷概率预测结果进行评估,最终得到热负荷概率预测区间。
进一步,所述步骤S1中,对于电负荷数据中的缺失值与异常值,采用一星期前同一时刻的数据代替,对于热负荷与气象数据中的缺失值与异常值,采用线性插值法进行填充。
进一步,步骤S2中,采集到的电负荷数据与气象信息数据的时间分辨率为每隔15分钟采集一个数据点,一天共有96个数据点,而热负荷的时间分辨率为每隔1个小时采集一个数据点,一天共有24个数据点,以热负荷时间分辨率为基准,将电负荷数据与气象数据以1小时为时间间隔进行重采样,使得各类数据时间分辨率保持一致。
进一步,步骤S3中,电负荷和热负荷之间的皮尔森相关性系数表示为:
式中,γ代表电负荷与热负荷的皮尔森相关性;m代表数据的样本数,m=1,2,3,…,M,其中,M代表数据的总样本数;p,h分别代表电负荷和热负荷。
热负荷和气象因子之间的皮尔森相关性系数表示为:
式中,λ代表气象因子与热负荷的皮尔森相关性;w代表气象因子。
7.进一步,步骤S4中,高斯过程函数为:
ftrain(Pheat)~G(mean(Pheat),C(Pheat,Pheat)) 公式3
式中,Pheat代表热负荷概率预测的训练样本输入矩阵;ftrain(·)代表函数空间,其值即为训练输出向量;G(·)代表高斯过程函数;mean(·)代表均值函数;C(·)代表协方差函数;
超参数的最大似然函数为:
式中,α代表模型的超参数;trace(·)代表矩阵的迹;y代表训练输出向量;y’代表y向量的转置;L(·)代表似然函数;
当显著性水平为θ时,概率预测结果的置信区间为:
式中,ftest代表测试输出向量;A1-θ(ftest)代表置信水平为1-θ时测试输出向量ftest的置信区间下限;B1-θ(ftest)代表置信水平为1-θ时测试输出向量ftest的置信区间上限;e(1-θ)/2代表显著性水平为θ时的分位数;cov(·)代表协方差函数。
进一步,步骤S5中,4种预测精度评估指标分别为:
预测区间对真实数据的覆盖率RPICP:
式中,d代表预测的样本数,d=1,2,3,…,D,其中,D代表预测样本的总数;Od代表第d个预测值是否落在置信区间内,如果是值为1,否则为0;
预测区间归一化平均宽度RPINAW:
式中,Q代表置信区间的全距;Bd代表第d个样本的置信区间上限;Ad代表第d个样本的置信区间下限;
预测绝对平均误差RMAPE:
预测值的均方根误差RRMSE:
本发明的一种考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法具有以下优点:
本发明针对采集到的电负荷数据、热负荷数据以及气象信息等数据进行数据清洗,对于电负荷数据中的缺失值与异常值,采用一星期前同一时刻的数据代替,对于热负荷与气象数据中的缺失值与异常值,采用线性插值法进行填充;如果采集到的各类数据存在时间分辨率差异,则采用重采样的方法使各类数据时间分辨率一致;然后采用皮尔森相关性系数刻画电-热耦合特性,构建电-热耦合特征集合;之后采用高斯过程回归建立短期热负荷概率预测模型;进一步,采用4种预测精度评估指标对热负荷概率预测结果进行评估,得到热负荷最终的区间预测结果。
本申请通过选取吉林省实际电力系统电负荷数据、热力系统热负荷数据和气象数据,对考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法进行了验证,发现考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法能够有效提升热负荷概率预测结果的准确度。
本发明能够准确得到不同置信区间下的热负荷预测区间,可为大规模新能源概率优化调度提供概率信息数据支持。
附图说明
图1为具体实施方式所述的考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法的流程图;
图2为电负荷与热负荷的散点图;
图3为室外温度与热负荷的散点图;
图4为供水-出水口温差与热负荷的散点图;
图5为考虑电-热耦合特性的热负荷概率预测结果图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能,下面结合附图,对本发明一种考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法做进一步详细的描述。
本发明,根据吉林省电力系统、热力系统和气象站的实际运行数据,考虑了电-热耦合特性对短期热负荷概率预测结果的影响,建立了短期热负荷概率预测模型,能够为大规模新能源概率优化调度提供概率信息数据支持。
实施例1:
步骤S1、对采集到的电负荷数据、热负荷数据以及气象信息等数据进行数据清洗;
步骤S2、根据步骤S1得到的电负荷数据、热负荷数据以及气象信息数据是否存在时间分辨率差异,如果有时间分辨率差异,则采用抽样的方法使各类数据的时间分辨率一致;
步骤S3、根据步骤S2得到的时间分辨率一致的电负荷、热负荷和气象数据,采用皮尔森相关性系数刻画电-热耦合特性,构建考虑电-热耦合性的热负荷概率预测特征集合;
以吉林省电力系统电负荷数据、热力系统热负荷相关数据和气象数据为例,开展以下说明。
图2为2015年供暖期长春市某地区电负荷与热负荷的散点图,由图2可知,热负荷会随着电负荷幅值的升高而升高。并且在供暖高峰期热负荷与电负荷皮尔森相关系数为0.4154,说明电负荷与热负荷有较强的耦合特性。
图3为室外温度与热负荷的散点图,由图3可知,热负荷随着室外温度的降低而升高,温度越低供热负荷越大。并且室外温度与热负荷的皮尔森相关系数为-0.4926,说明室外温度影响着热负荷的特性。
图4为供水-出水口温差与热负荷的散点图。由图4可看出,供-回水的温度差与热负荷呈高度相关,并且供-回水温度差与热负荷的皮尔森相关系数高达0.8947,说明供-回水温度差严重影响热负荷特性。由此,构建考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测特征集合如表1所示。
表1考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测特征集合
特征名称 | 说明 |
历史热负荷 | 预测时间前一周的历史热负荷 |
历史电负荷 | 预测时间前一周的历史电负荷 |
供-回水温度差 | 预测时间前一周的供-回水温度差 |
室外温度 | 预测时刻的数值天气预报 |
工作日 | 工作日为0,非工作日为1 |
日期变量 | 月份 |
步骤S4、采用高斯过程回归建立短期热负荷概率预测模型;
高斯过程函数为:
ftrain(Pheat)~G(mean(Pheat),C(Pheat,Pheat)) 公式3
式中,Pheat代表热负荷概率预测的训练样本输入矩阵;ftrain(·)代表函数空间,其值即为训练输出向量;G(·)代表高斯过程函数;mean(·)代表均值函数;C(·)代表协方差函数;
超参数的最大似然函数为:
式中,α代表模型的超参数;trace(·)代表矩阵的迹;y代表训练输出向量;y’代表y向量的转置;L(·)代表似然函数;
当显著性水平为θ时,概率预测结果的置信区间为:
式中,ftest代表测试输出向量;A1-θ(ftest)代表置信水平为1-θ时测试输出向量ftest的置信区间下限;B1-θ(ftest)代表置信水平为1-θ时测试输出向量ftest的置信区间上限;e(1-θ)/2代表显著性水平为θ时的分位数;cov(·)代表协方差函数。
步骤S5、根据步骤S3构建的热负荷概率预测特征集合与步骤S4中建立的概率预测模型,采用4种预测精度评估指标对热负荷概率预测结果进行评估,最终得到热负荷概率预测区间。
4种预测精度评估指标分别为:
预测区间对真实数据的覆盖率RPICP:
式中,d代表预测的样本数,d=1,2,3,…,D,其中,D代表预测样本的总数;Od代表第d个预测值是否落在置信区间内,如果是值为1,否则为0;
预测区间归一化平均宽度RPINAW:
式中,Q代表置信区间的全距;Bd代表第d个样本的置信区间上限;Ad代表第d个样本的置信区间下限;
预测绝对平均误差RMAPE:
预测值的均方根误差RRMSE:
图5为采用本发名方法得到的短期热负荷概率预测结果。由图5可以看出,最终得到的热负荷预测区间精准地覆盖了真实热负荷值。
表2置信区间为90%情况下两种概率预测方法的预测结果对比
评估指标 | 考虑电-热耦合特性 | 未考虑电-热耦合特性 |
R<sub>MAPE</sub> | 1.3466% | 1.3500% |
R<sub>RMSE</sub> | 98.8923GJ | 103.0959GJ |
R<sub>PICP</sub> | 92.6282% | 88.7821% |
R<sub>PINAW</sub> | 23.22% | 19.16% |
表2展示了考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测结果。表2和图5的热负荷概率预测结果表明,考虑电-热耦合特性之后可以有效提升热负荷概率预测的精确度。
可以理解,本发明是通过一些实施例进行描述的,本领域技术人员知悉的,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外,在本发明的教导下,可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此,本发明不受此处所公开的具体实施例的限制,所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (6)
1.一种考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法,其特征在于,包括以下步骤,且以下步骤顺次进行:
步骤S1、对采集到的电负荷数据、热负荷数据以及气象信息数据进行数据清洗;
步骤S2、根据步骤S1得到的电负荷数据、热负荷数据以及气象信息数据是否存在时间分辨率差异,如果有时间分辨率差异,则采用抽样的方法使各类数据的时间分辨率一致;
步骤S3、根据步骤S2得到的时间分辨率一致的电负荷、热负荷和气象数据,采用皮尔森相关性系数刻画电-热耦合特性,构建考虑电-热耦合性的热负荷概率预测特征集合;
步骤S4、采用高斯过程回归建立短期热负荷概率预测模型;
步骤S5、根据步骤S3构建的热负荷概率预测特征集合与步骤S4建立的概率预测模型,采用4种预测精度评估指标对热负荷概率预测结果进行评估,最终得到热负荷概率预测区间。
2.根据权利要求1所述的考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法,其特征在于,步骤S1中,对于电负荷数据中的缺失值与异常值,采用一星期前同一时刻的数据代替,对于热负荷与气象数据中的缺失值与异常值,采用线性插值法进行填充。
3.根据权利要求1所述的考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法,其特征在于,步骤S2中,采集到的电负荷数据与气象信息数据的时间分辨率为每隔15分钟采集一个数据点,一天共有96个数据点,而热负荷的时间分辨率为每隔1个小时采集一个数据点,一天共有24个数据点,以热负荷时间分辨率为基准,将电负荷数据与气象数据以1小时为时间间隔进行重采样,使得各类数据时间分辨率保持一致。
5.根据权利要求1所述的考虑电-热耦合特性的短期热负荷概率预测方法,其特征在于,步骤S4中,高斯过程函数为:
ftrain(Pheat)~G(mean(Pheat),C(Pheat,Pheat)) 公式3
式中,Pheat代表热负荷概率预测的训练样本输入矩阵;ftrain(·)代表函数空间,其值即为训练输出向量;G(·)代表高斯过程函数;mean(·)代表均值函数;C(·)代表协方差函数;
超参数的最大似然函数为:
式中,α代表模型的超参数;trace(·)代表矩阵的迹;y代表训练输出向量;y’代表y向量的转置;L(·)代表似然函数;
当显著性水平为θ时,概率预测结果的置信区间为:
式中,ftest代表测试输出向量;A1-θ(ftest)代表置信水平为1-θ时测试输出向量ftest的置信区间下限;B1-θ(ftest)代表置信水平为1-θ时测试输出向量ftest的置信区间上限;e(1-θ)/2代表显著性水平为θ时的分位数;cov(·)代表协方差函数。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |