考慮分布式電源規(guī)模化接入的區(qū)域電網(wǎng)日電量預(yù)測(cè)

劉科學(xué)，周辛南，陳雪敏，劉 巖，燕鵬飛，劉 梅

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司，河北 石家莊 050000；2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司計(jì)量中心，河北 石家莊050000；3.華北電力大學(xué)，北京 102206；4.北京清軟創(chuàng)新科技股份有限公司，北京 100085）

0 引言

分布式電源具有清潔高效、就地平衡等諸多優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的方向。在客觀資源條件、政策推動(dòng)的共同作用下，我國(guó)各地區(qū)分布式電源都呈現(xiàn)高速發(fā)展。分布式電源能夠在配電網(wǎng)終端自由安裝，從而實(shí)現(xiàn)用戶的自發(fā)自用，其剩余電量可以返送至配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源的高效消納和利用。隨著以風(fēng)電和光伏為代表的分布式電源迅速發(fā)展，給配電網(wǎng)的智能化發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。配電網(wǎng)潮流方式的變化對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行可靠性提出了更高的要求。文獻(xiàn)[1]從頂層設(shè)計(jì)角度剖析了分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)。研究結(jié)果顯示，分布式電源能夠充分地消納當(dāng)?shù)氐姆植际侥茉矗氉⒁饨尤氲谋壤．?dāng)接入規(guī)模過(guò)大時(shí)，會(huì)給電網(wǎng)安全穩(wěn)定造成較大的不利影響。當(dāng)較大規(guī)模的分布式電源接入電網(wǎng)后，一旦系統(tǒng)發(fā)生短路，會(huì)使短路后的電流進(jìn)一步增大，導(dǎo)致電壓波動(dòng)和線路過(guò)載，危及設(shè)備安全，給包括母線和斷路器等常規(guī)設(shè)備的選型和制造帶來(lái)了更多技術(shù)難題。另外，由于分布式電源負(fù)荷功率多變，會(huì)給電能質(zhì)量帶來(lái)一定不利的影響，配網(wǎng)無(wú)功功率須要經(jīng)常調(diào)節(jié)，給調(diào)控運(yùn)行造成了更多困難。文獻(xiàn)[2]分析了美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在分布式電源方面的進(jìn)展，并提出了幾種經(jīng)典分布式電源控制方法。歐美部分地區(qū)在分布式電源滲透率達(dá)到30%的情況下，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的凈負(fù)荷產(chǎn)生巨大影響。分布式電源發(fā)電往往與當(dāng)?shù)氐奶鞖鈼l件息息相關(guān)，氣象的頻繁變化無(wú)疑對(duì)配電網(wǎng)的負(fù)荷形態(tài)產(chǎn)生較大影響，也對(duì)配電網(wǎng)調(diào)度與運(yùn)營(yíng)商的策略制定帶來(lái)挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于需求相關(guān)性分組預(yù)測(cè)的主動(dòng)配電網(wǎng)分布式電源規(guī)劃方法，將發(fā)電成本、線路損耗和儲(chǔ)能運(yùn)行壽命納為目標(biāo)函數(shù)，建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型。綜上所述，考慮分布式電源規(guī)模化接入對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生影響的情況下，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)有利于電網(wǎng)進(jìn)行合理的規(guī)劃和調(diào)控，降低電網(wǎng)運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)的性能。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)電量預(yù)測(cè)已做了大量的研究。從時(shí)間尺度上，電量預(yù)測(cè)可以分為短期、中期和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。從預(yù)測(cè)方法上，有傳統(tǒng)和人工智能兩大類。傳統(tǒng)類預(yù)測(cè)方法有統(tǒng)計(jì)法、時(shí)間序列法和回歸分析法[4]～[7]。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于離散傅里葉變換的灰色預(yù)測(cè)方法，采用離散傅里葉變換將電量負(fù)荷序列分解為各種頻率分量，再對(duì)其進(jìn)行組合重構(gòu)。對(duì)低頻分量采用灰色模型預(yù)測(cè)，對(duì)高頻分量加以單獨(dú)處理，并進(jìn)行合并作為最終預(yù)測(cè)結(jié)果。文獻(xiàn)[5]提出了基于小波分析的月度電量預(yù)測(cè)方法。通過(guò)小波變化提取出電量時(shí)域和頻域的信息，對(duì)提取出的月售電量序列的增長(zhǎng)特性子序列和平穩(wěn)波動(dòng)子序列分別進(jìn)行預(yù)測(cè)，將兩種子序列預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小波重構(gòu)，獲得最終預(yù)測(cè)結(jié)果。文獻(xiàn)[6]提出了K-L信息量法和ARIMA誤差修正的月度電量預(yù)測(cè)方法。通過(guò)相關(guān)性分析對(duì)影響電量的特征進(jìn)行回歸建模，計(jì)算擬合誤差并構(gòu)建新的非平穩(wěn)序列，結(jié)合ARIMA模型對(duì)序列進(jìn)行修正。人工智能類預(yù)測(cè)方法有傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及組合法[8]～[12]。文獻(xiàn)[8]將Lasso回歸、隨機(jī)森林、集成學(xué)習(xí)、支持向量機(jī)等多種機(jī)器學(xué)習(xí)以綜合加權(quán)的方式組合在一起，對(duì)月度售電量進(jìn)行預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[9]提出了基于改進(jìn)鳥群進(jìn)化算法的極限學(xué)習(xí)機(jī)模型，對(duì)分布式電源中的分布式光伏出力進(jìn)行了有效預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測(cè)方法，能夠?qū)ξ磥?lái)時(shí)段的風(fēng)電功率進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[12]提出了一種面向電力系統(tǒng)的連續(xù)多日高峰負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，將樹模型通過(guò)串行與并行方法有效結(jié)合，并使用了粒子群算法搜索模型超參數(shù)。上述文獻(xiàn)主要是針對(duì)分布式電源或者電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，忽略了分布式電源規(guī)模化發(fā)展背景下電量的變化趨勢(shì)。

隨著我國(guó)對(duì)分布式能源的需求越來(lái)越大，配電網(wǎng)中接入分布式電源的比例也越來(lái)越高，因此大范圍的能源配置和優(yōu)化調(diào)度不可避免。分布式電源的規(guī)模化接入使用戶的用電形態(tài)產(chǎn)生了較大變化，這種接入方式帶來(lái)的波動(dòng)性與隨機(jī)性對(duì)日電量預(yù)測(cè)產(chǎn)生了較大影響。日電量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是保證系統(tǒng)穩(wěn)定與市場(chǎng)交易的重中之重，不僅為調(diào)度提供重要的數(shù)據(jù)參考，也是電力市場(chǎng)交易模式下供需雙方的重要依據(jù)[13]～[16]。本文結(jié)合多維度的關(guān)鍵外部數(shù)據(jù)，提出了一種采用Adaboost集成學(xué)習(xí)框架；以LLSVM為基學(xué)習(xí)器，提升模型的預(yù)測(cè)能力與泛化效果；對(duì)分布式電源規(guī)模化接入后的區(qū)域電網(wǎng)日電量進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。本文針對(duì)分布式電源規(guī)模化接入的工作日、節(jié)假日的電量情況，使用冀北電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所提算法的有效性。

1 區(qū)域電網(wǎng)日電量影響因素

1.1 分布式電源規(guī)模化接入對(duì)日電量的影響

并網(wǎng)發(fā)電的分布式電源中，有一部分具有可調(diào)度特性，運(yùn)行管理人員可以對(duì)該部分分布式電源進(jìn)行合理管控。這種類型的分布式電源對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的沖擊較小。然而，分布式電源中的絕大部分屬于不可調(diào)度電源，這種電源以分布式光伏與分布式風(fēng)電為代表。該類型分布式電源的功率輸出具有不確定性和隨機(jī)性的特點(diǎn)。分布式光伏與分布式風(fēng)電的隨機(jī)性如圖1所示。

圖1 分布式電源的隨機(jī)性與波動(dòng)性Fig.1 Energy form of distributed generation

從圖1中可見，分布式光伏在中午時(shí)段出力最大，夜晚時(shí)段出力接近于零；分布式風(fēng)電的不確定性更為突出，輸出功率的峰值往往出現(xiàn)在夜晚時(shí)段，其功率曲線波動(dòng)較大。另外，分布式電源還具有即插即用以及局部消納的特性，大量分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生的能量在配電網(wǎng)局部消納，這種能量消耗形式改變了負(fù)荷變化趨勢(shì)，無(wú)疑對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的日電量產(chǎn)生影響。

本研究以冀北公司的配電網(wǎng)為例，圖2所示為分布式電源規(guī)模化接入后區(qū)域電網(wǎng)形態(tài)。隨著接入配電網(wǎng)中分布式電源的容量逐漸增大，傳統(tǒng)的日電量預(yù)測(cè)方法并沒(méi)有計(jì)及規(guī)模化分布式電源接入對(duì)其造成的影響，現(xiàn)有日電量預(yù)測(cè)的方法往往也只考慮需求側(cè)變化對(duì)其產(chǎn)生的影響。為了更深入分析日電量曲線形態(tài)，本文對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行綜合考慮，在考慮其他因素的基礎(chǔ)上，分析分布式電源規(guī)模化接入對(duì)電量預(yù)測(cè)精度的影響。

圖2 分布式電源規(guī)模化接入的區(qū)域電網(wǎng)Fig.2 Regional power grid interconnected with large-scale renewable energy

1.2 其他因素對(duì)日電量的影響

分布式電源出力具有不確定性和隨機(jī)性特性，因此地區(qū)電網(wǎng)電量變化規(guī)律會(huì)受到分布式電源規(guī)模化接入的影響。同時(shí)，負(fù)荷側(cè)的歷史電量表征地區(qū)用戶的用電行為特征，未來(lái)電量趨勢(shì)的變化與歷史電量特性有著密切的聯(lián)系。另外，地區(qū)的天氣因素以及節(jié)假日用電特征都會(huì)對(duì)地區(qū)電量產(chǎn)生影響。由于天氣因素中的溫度、風(fēng)速、光照條件、露點(diǎn)等具有波動(dòng)性和隨機(jī)性，因此氣象環(huán)境的變化是影響分布式電源出力和電量預(yù)測(cè)的重要因素。節(jié)假日信息特征對(duì)區(qū)域電網(wǎng)日電量變化趨勢(shì)也有著較大的影響，節(jié)假日和工作日電量的變換規(guī)律截然不同。工作日電網(wǎng)日電量曲線呈周期性變化，模式較為單一，而節(jié)假日日電量曲線變化規(guī)律不太明顯，具有時(shí)間和事件觸發(fā)的隨機(jī)波動(dòng)性。

2 核函數(shù)支持向量學(xué)習(xí)機(jī)

最小二乘支持向量機(jī) （Least Squares SVM，LSSVM）最早是由Suykens J A K等人提出的，它在 支 持 向 量 機(jī)（Support Vector Machine，SVM）的基礎(chǔ)上利用最小二乘線性系統(tǒng)構(gòu)造損失函數(shù)，使計(jì)算過(guò)程大為簡(jiǎn)化。LLSVM采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化準(zhǔn)則，在小樣本電量預(yù)測(cè)中具有較好的泛化能力和預(yù)測(cè)效果。假設(shè)一個(gè)n維向量的樣本集（x1，y1）…（xl，yl），有l(wèi)個(gè) 樣 本 數(shù)，通 過(guò) 非 線 性 映 射φ（x）將包含歷史電量數(shù)據(jù)、分布式電源出力特征、天氣特征以及節(jié)假日特征等樣本數(shù)據(jù)，從原空 間Rn轉(zhuǎn) 換 到 特 征 空 間 φ（x）=[φ（x1），φ（x2），…，φ（xl）]，并在這個(gè)高維度空間中進(jìn)行最優(yōu)決策函數(shù)的構(gòu)造。

式中：w為權(quán)重向量；T表示轉(zhuǎn)置；b為偏差量。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)最小化準(zhǔn)則，原LSSVM優(yōu)化問(wèn)題可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化：

式中：L為損失函數(shù)；c為懲罰因子；ei為第i個(gè)樣本的預(yù)測(cè)偏差；e為所有樣本的預(yù)測(cè)值與目標(biāo)值的總誤差；yi為樣本目標(biāo)值。

此時(shí)，可利用常規(guī)的拉格朗日乘子法求解優(yōu)化問(wèn)題。

定 義 核 函 數(shù)K（xi，yj）=φ（xi）φ（yj），其 中K（xi，yj）表示滿足Mercer條件的對(duì)稱函數(shù)。

3 基于LLSVM-Adaboost區(qū)域電量預(yù)測(cè)模型

AdaBoost算法是一種集成學(xué)習(xí)技術(shù)框架，針對(duì)同一個(gè)訓(xùn)練集訓(xùn)練不同的基學(xué)習(xí)器，然后把這些基學(xué)習(xí)器集合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)更強(qiáng)的最終學(xué)習(xí)器。LLSVM-Adaboost電量預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。以LLSVM為基學(xué)習(xí)器，通過(guò)Adaboost集成算法串行訓(xùn)練多個(gè)LLSVM基學(xué)習(xí)器，并調(diào)整樣本分布和每個(gè)基學(xué)習(xí)器的權(quán)重系數(shù)。對(duì)于訓(xùn)練過(guò)程中預(yù)測(cè)誤差大于設(shè)定閾值的樣本，增加其權(quán)重，反之降低其權(quán)重；最后，對(duì)每個(gè)基學(xué)習(xí)器的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)整合，得到最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖3 LLSVM-AdaBoost電量預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of LLSVM-Adaboost electric quantity prediction model

假 設(shè) 有n個(gè) 觀 測(cè) 數(shù) 據(jù)D={（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn）}，包 括 電 量 歷 史 數(shù) 據(jù)、分 布 式 電 源 歷 史出力數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)以及節(jié)假日信息。給定LLSVM為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)器模型的情況下使用Adaboost算法，在算法起始階段，賦予所有觀測(cè)數(shù)據(jù)相同的權(quán)重值1/n，基學(xué)習(xí)器的數(shù)目設(shè)定為T。對(duì)于電量預(yù)測(cè)問(wèn)題，首先確定Adaboost集成算法的基學(xué)習(xí)器，并設(shè)置基學(xué)習(xí)器數(shù)量為T，對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的權(quán)重進(jìn)行初始化。使用帶有初始權(quán)重分布的訓(xùn)練集，訓(xùn)練第一個(gè)基學(xué)習(xí)器LLSVM，計(jì)算訓(xùn)練集在基學(xué)習(xí)器f1上的預(yù)測(cè)誤差率 ε1。根據(jù)預(yù)測(cè)誤差率表現(xiàn)來(lái)更新訓(xùn)練樣本的權(quán)重W，使基學(xué)習(xí)器f1預(yù)測(cè)誤差率較高的樣本點(diǎn)權(quán)重變高。在基學(xué)習(xí)器f2中，這些預(yù)測(cè)誤差率較高的點(diǎn)能夠受到更多的重視，然后基于調(diào)整權(quán)值后的訓(xùn)練集來(lái)訓(xùn)練基學(xué)習(xí)器f2。如此重復(fù)進(jìn)行，直到基學(xué)習(xí)器數(shù)達(dá)到事先設(shè)定的數(shù)目T，最終將這T個(gè)基學(xué)習(xí)器通過(guò)集合策略進(jìn)行整合，得到最終的強(qiáng)學(xué)習(xí)器。

LLSVM-Adaboost的算法流程描述如下。

(1)輸入

輸 入 訓(xùn) 練 集D={（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn）}、基學(xué)習(xí)器 ΓLLSVM、訓(xùn)練輪數(shù)T、…；數(shù)據(jù)權(quán)值初始化：W1=（w11，…，w1i，…，w1n），w1i=1/n，i=1，2，…，n。

(2)過(guò)程

for t=1，2，…，T do

①使用帶有權(quán)值分布Wt的訓(xùn)練集訓(xùn)練基學(xué)習(xí) 器：ft=ΓLLSVM（D，Wt）。

②計(jì)算訓(xùn)練集在ft（x）上的線性預(yù)測(cè)誤差率：

其中，Zt是歸一因子，使樣本集的權(quán)重和為1：Zt=

(3)輸出

最 終 預(yù) 測(cè) 器：f（x）=ht*（x）

其 中，ht*（x）是 所 有l(wèi)n（1/αt），t=1，2，…，T的 中 位 數(shù)對(duì)應(yīng)序號(hào)t*對(duì)應(yīng)的基學(xué)習(xí)器。

上述流程中，D為訓(xùn)練集；n為樣本數(shù)量；T為基學(xué)習(xí)器的數(shù)目；W為樣本權(quán)重值；Wt為第t個(gè)基學(xué)習(xí)器的樣本權(quán)重；ft為第t個(gè)基學(xué)習(xí)器；ft（xi）為第i樣本在第t個(gè)基學(xué)習(xí)器上的預(yù)測(cè)值；yi為第i樣本的實(shí)際電量值；εt為第t個(gè)基學(xué)習(xí)器的預(yù)測(cè)誤差率；eti為在第t個(gè)基學(xué)習(xí)器中第i樣本的相對(duì)預(yù)測(cè)誤差；αt為第t個(gè)基學(xué)習(xí)器的系數(shù)，

4 算例分析

采用冀北電網(wǎng)管轄的分布式電源發(fā)電量數(shù)據(jù)，對(duì)日電量預(yù)測(cè)算法進(jìn)行驗(yàn)證。由于該轄區(qū)內(nèi)分布式電源滲透率較高，且分布式電源所帶來(lái)的功率變化較大，因此可以較好地判斷算法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。采用冀北電網(wǎng)2017年1月-2018年12月的全部電量數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，采用2019年的數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。

4.1 模型輸入數(shù)據(jù)構(gòu)造

輸入數(shù)據(jù)包含負(fù)荷側(cè)電量歷史數(shù)據(jù)、分布式電源發(fā)電量歷史數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等。負(fù)荷側(cè)電量歷史數(shù)據(jù)選取預(yù)測(cè)日前一天的電量數(shù)據(jù)。分布式電源發(fā)電量歷史數(shù)據(jù)選取預(yù)測(cè)日前一天的數(shù)據(jù)。天氣因素中包含環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、露點(diǎn)、天氣類型等，選取預(yù)測(cè)日當(dāng)天對(duì)電量影響較大的天氣因素。通過(guò)日歷信息來(lái)提取節(jié)假日因素特征，用1表示工作日，用0表示節(jié)假日，并采用獨(dú)熱編碼，將離散數(shù)據(jù)連續(xù)化。如果節(jié)假日特征中有兩類信息，將類別1編碼為01，將類別2編碼為10。表1為模型的輸入數(shù)據(jù)類型及變量特征。

4.2 電量預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)

本文通過(guò)建立LLSVM-Adaboost集成學(xué)習(xí)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)日電量的預(yù)測(cè)，在建立模型之前須要對(duì)超參數(shù)進(jìn)行初步的篩選。首先確定基學(xué)習(xí)器LLSVM的超參數(shù)設(shè)置，而核函數(shù)的選取及參數(shù)設(shè)置對(duì)LLSVM模型的預(yù)測(cè)性能至關(guān)重要。常見的核函數(shù)有線性核函數(shù)、多項(xiàng)式核函數(shù)、徑向基（RBF）核函數(shù)和sigmoid核函數(shù)。為了簡(jiǎn)化模型，減少模型訓(xùn)練時(shí)間，適應(yīng)日電量預(yù)測(cè)的需要，選用性能較好的RBF核函數(shù)。RBF核函數(shù)用于LLSVM中須考慮懲罰系數(shù)c和核函數(shù)帶寬 σ兩個(gè)參數(shù)。懲罰系數(shù)c取值越大，擬合非線性的能力越強(qiáng)，對(duì)誤差項(xiàng)的懲罰程度也越大，可能會(huì)導(dǎo)致模型過(guò)擬合。核函數(shù)帶寬σ越小，支持向量越小；σ越大，支持向量越大。支持向量的個(gè)數(shù)影響訓(xùn)練和預(yù)測(cè)的速度。確定集成學(xué)習(xí)框架Adaboost模型的超參數(shù)中，基學(xué)習(xí)器類型、基學(xué)習(xí)器的最大迭代次數(shù)和學(xué)習(xí)率是影響Adaboost模型性能最為重要的3個(gè)超參數(shù)。本文已將LLSVM作為基學(xué)習(xí)器，LLSVM通過(guò)非線性變換實(shí)現(xiàn)了低維輸入向量到高維特征空間的映射，對(duì)具有非線性和隨機(jī)波動(dòng)性的電量序列數(shù)據(jù)具有較為出色的預(yù)測(cè)效果。基學(xué)習(xí)器的最大迭代次數(shù)和學(xué)習(xí)率的設(shè)定會(huì)影響到模型的訓(xùn)練效果。最大迭代次數(shù)值越大，模型的復(fù)雜度越高，越容易出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象；最大迭代次數(shù)值越小，越容易欠擬合。Adaboost中的學(xué)習(xí)率為梯度收斂速度，該值過(guò)大，容易錯(cuò)過(guò)最優(yōu)值；該值過(guò)小，則收斂速度很慢。最大迭代次數(shù)和學(xué)習(xí)率之間存在著一種權(quán)衡關(guān)系，須對(duì)二者的數(shù)值進(jìn)行合理的設(shè)置。采用網(wǎng)格搜索法對(duì)上述重要的超參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，是一種窮舉搜索方法，將各個(gè)參數(shù)可能的取值進(jìn)行排列組合，列出所有可能的組合結(jié)果，生成矩陣；然后將各個(gè)組合用于LLSVM-Adaboost訓(xùn)練，并使用交叉驗(yàn)證對(duì)各組合的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估；最后篩選出使LLSVM-Adaboost預(yù)測(cè)模型性能最佳的超參數(shù)組合（表2）。

表2 LLSVM-Adaboost電量預(yù)測(cè)模型的超參數(shù)設(shè)定Table2 Hyperparameter setting of LLSVM-Adaboost electric quantity prediction model

續(xù)表2

4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，本文采用的誤差指標(biāo)包含平均相對(duì)誤差 （MAPE）和均方根誤差（RMSE）：

式中：n為樣本數(shù)量；ai和bi分別為i時(shí)刻的實(shí)際電量值和預(yù)測(cè)電量值。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先展示典型日的預(yù)測(cè)結(jié)果。往往在每年的夏季迎來(lái)高峰負(fù)荷，該場(chǎng)景的預(yù)測(cè)電量對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)劃、交易最具有參考意義，將顯示全年的極端運(yùn)行狀況。為了驗(yàn)證本文所提模型在地區(qū)電網(wǎng)日電量預(yù)測(cè)中所表現(xiàn)出的有效性和優(yōu)越性，使用了長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM）和LSSVM算法作為對(duì)比，3種模型均采用相同的輸入數(shù)據(jù)。為了體現(xiàn)3種模型對(duì)比的公平性，每個(gè)模型在訓(xùn)練過(guò)程中都經(jīng)過(guò)參數(shù)尋優(yōu)，并以最優(yōu)的模型進(jìn)行日電量預(yù)測(cè)。圖4給出了3種模型的夏季典型日的電量預(yù)測(cè)曲線。

圖4 3種模型夏季典型日的電量預(yù)測(cè)效果圖Fig.4 The electric quantity prediction effect of the three models on a typical day in summer

從夏季典型日的預(yù)測(cè)曲線可以直觀看出，LSSVM-Adaboost算法的預(yù)測(cè)曲線與真實(shí)值最為貼合，且波動(dòng)不大，曲線較為平滑，具有良好的預(yù)測(cè)效果。具體的日預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 日預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)Table3 Statistical table of daily forecast error

從表3中的日預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，LSSVM-Adaboost算法的預(yù)測(cè)精度比另外兩種算法有較大的提升，這在一定程度上表明本文預(yù)測(cè)算法的有效性。由于一天的預(yù)測(cè)結(jié)果存在偶然性，本文同時(shí)計(jì)算了2020年1-10月的預(yù)測(cè)結(jié)果，均以日為單位，統(tǒng)計(jì)RMSE超過(guò)1kW和MAPE超過(guò)2%的天數(shù)，以驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 年度預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)Table4 Statistical table of year forecast error

從2020年的預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，在綜合預(yù)測(cè)指標(biāo)下，LSSVM-Adaboost算法仍具有較大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)LSTM算法和LSSVM算法預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，能夠較為直觀地顯現(xiàn)出基于Adaboost集成學(xué)習(xí)的核函數(shù)向量學(xué)習(xí)機(jī)具有更為出色的性能表現(xiàn)。從預(yù)測(cè)誤差指標(biāo)超標(biāo)特性來(lái)看，在1-10月共274d里，LSSVM-Adaboost的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)明顯，其RSME和MAPE超標(biāo)占比只有5.1%和3.3%。LSSVM的RSME和MAPE指標(biāo)分別為39.8%和17.5%；LSTM的兩項(xiàng)指標(biāo)分別為57.3%和67.2%。與該兩種算法相比，LSSVM-Adaboost的最大誤差MAPE分別降低了14.2%和63.9%。這說(shuō)明LSSVM-Adaboost算法在長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)測(cè)尺度內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。

為了更加全面地說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性，統(tǒng)計(jì)2020年誤差分布結(jié)果如圖5所示。

圖5 誤差分布曲線Fig.5 Error distribution curves

從誤差分布的角度來(lái)看，LSSVM-Adaboost的誤差分布更加靠近中心零點(diǎn)，呈現(xiàn)中間高，兩側(cè)低的分布規(guī)律。這說(shuō)明本文的預(yù)測(cè)方法具有較高的穩(wěn)定性，而且預(yù)測(cè)精度較高。LSTM和LSSVM的曲線形狀類似，說(shuō)明其預(yù)測(cè)穩(wěn)定性也較好，但是曲線分布較寬，說(shuō)明預(yù)測(cè)精度不如本文所提出的模型。LLSVM模型的誤差分布曲線不規(guī)律，最大誤差偏大，預(yù)測(cè)穩(wěn)定性較差。

為了進(jìn)一步研究分布式電源接入電網(wǎng)對(duì)電量預(yù)測(cè)的影響，設(shè)置了兩種不同預(yù)測(cè)場(chǎng)景，分別是考慮分布式電源接入數(shù)據(jù)和不考慮分布式電源接入數(shù)據(jù)的電量預(yù)測(cè)場(chǎng)景，構(gòu)建了兩種不同的電量預(yù)測(cè)模型。采用兩種電量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行電量預(yù)測(cè)對(duì)比，來(lái)具體刻畫分布式電源并網(wǎng)接入對(duì)地區(qū)日電量預(yù)測(cè)的影響。表5給出了考慮分布式電源和不考慮分布式電源預(yù)測(cè)場(chǎng)景下，分布式電源出力對(duì)地區(qū)電量預(yù)測(cè)的影響。從表5中的數(shù)據(jù)可見，在考慮分布式電源接入數(shù)據(jù)的情況下，本文所提模型對(duì)地區(qū)日電量預(yù)測(cè)的精度更高。這說(shuō)明分布式電源接入電網(wǎng)對(duì)地區(qū)日電量預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

表5 考慮和不考慮分布式電源接入預(yù)測(cè)場(chǎng)景下，LLSVM-Adaboost模型對(duì)地區(qū)電量預(yù)測(cè)的效果Table5 Effects of PSO-Informer model on regional electric quantity prediction under different permeability prediction scenarios

5 結(jié)論

本文提出了一種針對(duì)分布式電源規(guī)模化接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)的日電量預(yù)測(cè)方法，分析了分布式光伏與分布式風(fēng)電所帶來(lái)的隨機(jī)性與波動(dòng)性。本研究基于日電量、全用戶的大數(shù)據(jù)分析方法，結(jié)合分布式電源出力、氣象、環(huán)境等關(guān)鍵外部數(shù)據(jù)，建立符合冀北電網(wǎng)實(shí)際的電力市場(chǎng)量化分析模式，找出影響電量波動(dòng)的關(guān)鍵要素，量化影響程度，確定影響未來(lái)電力市場(chǎng)走勢(shì)。預(yù)測(cè)模型采用LSSVM為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)模型，并使用Adaboost算法對(duì)基學(xué)習(xí)模型LLSVM進(jìn)行集成學(xué)習(xí)。算例驗(yàn)證結(jié)果表明，本文所提出的模型預(yù)測(cè)性能優(yōu)越，對(duì)于預(yù)測(cè)區(qū)域電網(wǎng)日電量具有良好的使用效果。