基于LSTM循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡算法的風電預測技術(shù)

金宇悅，康健，陳永杰

（1.華北理工大學以升創(chuàng)新教育基地，河北唐山，063210；2.華北理工大學電氣工程學院，河北唐山，063210）

0 引言

由于風力發(fā)電機工作受到包括風速、風向等氣候因素的影響，導致發(fā)電的不穩(wěn)定性與隨機性，盲目將風電接入電網(wǎng)可能會對電網(wǎng)造成損害，而對風力發(fā)電進行提前預測有助于制定調(diào)度計劃，提升電網(wǎng)運行的安全性。目前常用于超短期風力發(fā)電預測的方法是機器學習。文獻[1]將小波分解與自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)相結(jié)合，利用支持向量機減少預測誤差。文獻[2]采用統(tǒng)計預測方法并利用人工蜂群算法優(yōu)化得到神經(jīng)網(wǎng)絡的權(quán)值和閾值，構(gòu)建ABC-BP神經(jīng)網(wǎng)絡風電功率預測模型。文獻[3-5]提出了利用小波變換將原始風電數(shù)據(jù)分解為不同的頻率，然后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡有效地學習了每個頻率中用于提高預測精度的非線性特征。

本文選擇具有LSTM結(jié)構(gòu)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡。以其優(yōu)異的非線性擬合能力和數(shù)據(jù)的學習能力，有效的提升了網(wǎng)絡訓練效果和預測精度，從而實現(xiàn)每15分鐘一次自動預測，滾動執(zhí)行的要求。

1 LSTM循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡

相較于傳統(tǒng)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡沒有選擇性的記憶所有信息，LSTM-RNN采用了“門控制”的思想，通過遺忘門、輸入門、輸出門來控制更新這個網(wǎng)絡的記憶內(nèi)容[6]。其核心思想是將數(shù)值位小數(shù)的梯度由連乘形式變?yōu)槔奂有问絒7]，可使LSTM在處理長期時序信息時解決梯度消失問題。具體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LSTM-RNN結(jié)構(gòu)

第一個門控制是遺忘門，利用輸出之后的0～1的一個數(shù)與細胞狀態(tài)C相乘，就可以實現(xiàn)對跨時間的信息的遺棄。此操作可以由式1表示：

第二個門控制為輸入門，則負責決定輸入新信息的數(shù)量[9]。輸入門的操作分成兩個部分，如下兩式所示：

式中字母與式1中含義相同，但是權(quán)重和偏倚的數(shù)值會有所不同。通過這兩個式子的結(jié)果進行點乘，可以獲得更新進入到新細胞狀態(tài)的內(nèi)容。

通過遺忘門和輸入門的操作對細胞狀態(tài)C進行更新。攜帶記憶信號的Ct解決了網(wǎng)絡梯度消失的問題。最終細胞狀態(tài)經(jīng)過tanh激活函數(shù)與ot相乘所得，而ot是上一時刻隱藏層神經(jīng)元的輸出和這個時刻的輸入相結(jié)合通過sigmoid激活函數(shù)所得[10]，具體如式（4）和式（5）所示 ：

2 基于LSTM循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡的風電預測模型的建立

選用Adam作為網(wǎng)絡的優(yōu)化器，選用平均絕對誤差MAE作為網(wǎng)絡的損失函數(shù)，網(wǎng)絡由兩層LSTM神經(jīng)元和一個全連接層構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

3 實例驗證

3.1 單變量預測未來一個時間點

選用風速值作為輸入，選用長度為20個數(shù)據(jù)的窗口，對第21個數(shù)據(jù)進行預測，即對未來10分鐘的數(shù)據(jù)進行預測。訓練集輸入到模型的數(shù)據(jù)格式為(34980,20,1)的張量，驗證集為(12590,20,1)的張量。

網(wǎng)絡訓練參數(shù)選用Batch_size=256，Steps_per_epo ch=120，validation_steps=40，Eopch=20。通過模型訓練可得，每個Epoch耗時2s 20ms～3s 21ms，最終總耗時50s 419ms。訓練過程中的損失如圖3所示。

圖3 訓練損失和驗證損失

最后模型在測試集上的平均絕對誤差MAE為0.1659，由于模型進行了標準化，通過MAE誤差和標準差相乘可以得到實際誤差約為0.4637，由此可知此模型擁有非常好的預測精度，預測效果圖可見圖4所示。

圖4 預測結(jié)果

在圖4中由藍色的點連成的線是前20個數(shù)據(jù)，紅色的叉表示第21個點的真實數(shù)據(jù)，綠色的點是模型的預測數(shù)據(jù)。

3.2 多變量預測未來一個時間點

選用風速本身、風速的最大值、風速的最小值和氣溫這四個變量作為模型的輸入，輸入數(shù)據(jù)選用連續(xù)720個數(shù)據(jù)，在這720個數(shù)據(jù)中進行步長為6的采樣。訓練集輸入網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)形狀為(34280,120,4)的張量，驗證集為(11890,120,4)的張量，測試集為(3744,120,4)的張量。

與單個變量預測一個數(shù)據(jù)不同，多個變量會導致數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)量大幅上漲。為了避免出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，模型在之前的結(jié)構(gòu)上加入了dropout隨機失活技術(shù)，同時由于輸入數(shù)據(jù)大小的增加，提升了LSTM結(jié)構(gòu)中神經(jīng)元的個數(shù)。

網(wǎng)絡訓練參數(shù)選擇，Batch_size=256，Steps_per_epoch=60，validation_steps=40，Eopch=20。通過對模型的訓練可得，每個Epoch耗時15s 248ms～18s 298ms，最終總耗時312s 113ms。網(wǎng)絡的訓練損失如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡訓練損失圖

網(wǎng)絡最終的平均絕對誤差MAE為0.1616，換算成實際風速誤差約為0.4517，可以發(fā)現(xiàn)，在使用多變量對未來某個時間點進行預測時，實際效果與單變量預測誤差相差不大，說明了風速在多變量預測中占主要作用。

4 結(jié)論

本文主要從輸入門、輸出門、遺忘門三個門控制值和細胞狀態(tài)更新四方面介紹了LSTM循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡。通過LSTM循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡算法的構(gòu)建，分別完成了單變量預測未來一個時間點、多變量預測未來一個時間點的實例驗證，最終模型很好地完成了風速到發(fā)電功率的預測，驗證了在實際風速預測中在多變量數(shù)據(jù)里風速本身仍起決定性作用。