一种基于聚类分析的短期电力负荷预测方法研究.pdf
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1、第 2 7卷 第 3期 2 01 5年 9月 浙 江水利水 电学院学报 J Z h e j i a n g Un i v o f Wa t R e s& El e c t r i c P o w V0 1 2 7 NO 3 Se p 2 01 5 一种基 于聚类分析 的短期 电力负荷预测方法研 究 包 晓晖 , 陈 冲 , 肖方顺 ( 1 福建水利电力职业技术学院 , 福建 永安3 6 6 0 0 0; 2 福h i 大学 电气工程与 自动化学院 福建 福州3 5 0 1 1 6 ; 3 国网福建省 电力有 限公司 , 福建 福州3 5 0 0 0 3 ) 摘 要 : 基 于数据处理理论 ,
2、提 出将 电力 负荷历 史数据按 重要 影响 因素 日子类别及 温度 区间进 行聚类分析 的方 法, 设计一 个递 归模 型 , 使得短期 电力 负荷预 测函数 变成线性 问题 , 并进行 MA T L A B编程仿 真, 最后通过 算例分析验证 了该模 型具 有较 高的可操作性 、 有效性与预测精确性 关键词 : 聚类分析 ; MA T L A B ; 电力负荷预测 ; 数据 处理 中图分类号 : T M 7 1 5 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 8 5 3 6 X( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 7 3 0 4 On Sh or t - t er m El ec t
3、r i c L oa d Fo r e c as t i n g Ba s ed o n Cl us t er Anal y s i s BAO Xi a o hu i 。 ,CHEN Ch o ng ,XI AO F a n g s h u n ( 1 F u j i a n C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d E l e c t r i c P o w e r ,Yo n g a n 3 6 6 0 0 0,C h i n a ;2 C o l l e g e o f El e c t r i c a l Eng i
4、 n e e r i n g a nd Au t o ma t i o n,Fu z ho u Un i v e r s i t y,F uz ho u 3 5 01 1 6,Chi n a; 3 S t a t e G r i d F u j i a n E l e c t r i c P o w e r C O ,L T D ,F u z h o u 3 5 0 0 0 3 ,C h i n a ) Abs t r ac t : A mo d e l f o r c l u s t e r a n a l y s i s o n e l e c t r i c l o a d h i s
5、t o r y d a t a i s p r o po s e d i n t hi s pa pe r b a s e d o n t h e d a y t y pe a n d t e rn- p e r a t ur e i nt e r v a l , a n d a r e c u r s i v e me t ho d i s d e s i g n e d t o ma k e t he s h o r t t e r m e l e c t r i c l o ad f o r e c a s t i n g f un c t i o n i n t o a l i n e
6、 a r , whi c h i s pr o g r a mme d a nd s i mul a t e d wi t h MATLABAfte r a l l ,t he a dv a n t a g e o f t h e mo de l i s t e s t e d,p r o v i n g i t s o p e r a b i l i t y, v a l i d i t y a n d a c c u r a c y o f p r e d i c t i o n b y c a s e a n aly s i s Ke y wo r ds: c l us t e r a
7、n a l y s i s;MATLAB;e l e c t ric l o a d f o r e c a s t i n g;d a t a p r o c e s s i n g 0 引 言 当前 , 随着 我 国 电力 供 需 矛 盾 日益 突 出 、 电力 工 业 市场 化运 营 的进 一 步 发 展 , 电 力 负荷 预 测 越 显 其 重 要 性 , 其 预 测 的精 确 度 要 求 越 来 越 高 , 这 既 是 电力 系统 规划 的重 要 组 成 环 节 , 也 是 电力 系 统 优 化 调 度 的 基 础 工 具 由 于 短 期 电 力 负 荷 预 测 的 重 要 性 ,
8、自 2 0世 纪 8 0年代 以来 , 国 内外 许 多学者 都 对其 理论 和方 法 进 行 了 广 泛 而 深 入 的研 究 其 中 , 文 献 1 2 利 用 人 工 智 能 网络 具 有 较 强 的非 线 性 映射 能力 的特 点 , 将人 工 智 能 网络 引 入 模 糊数 学 方 法 进 行短期负荷预测 , 文献 3 中则采用小波分析方法 进行非参数化预测 , 文献 4 5 提出了将模糊 逻辑 收 稿 日期 : 2 0 1 5 0 6 2 0 基金项 目: 福建省水利 中青 年学科 带头 人基金 项 目; 福建 省教 育厅科研项 目( J B 1 3 3 1 3 ) 作者简介 :
9、包晓晖 ( 1 9 7 4一) , 男 , 福建屏 南人 , 副教授 , 硕士 , 主 要从 事电力系统规划 、 设备与装置 的教学与研究 技术和神经网络分别应用于时间序列的改进方法 文献 6 7 则分析 了电力短期负荷的众多影 响因 素 , 比较 了几种不 同的预测方 法, 但 明确 目前 尚无 绝 对精 确 的数学 模型 在 前述 研究 的基 础 上 , 笔 者 提 出 了一 种 基 于 数 据 处理 和聚 类分 析 的短 期 电力 负荷 预 测 方 法 , 即 对 电 力 负荷 的历 史数据进 行处理 , 研究其 影响 因素 ( 本 文 主要 以 日子类别 和 温度 区间 为例 ) ,
10、对 此 进 行 聚类分 析 , 使 其 负荷 数 据 呈 现 出很 强 的共 性 与 表 征 性 , 并 建立 一 个 递 归 模 型 , 将 电力 负 荷 预 测 函 数 由 非 线性 问 题 变 成 线 性 函数 , 具 有 更 强 的可 操 作 性 、 有效性和更高的精确度 1 负荷 预测 问题分析 1 1 关 于电 力负荷 趋势 问题 众 所周 知 , 电力 负 荷是 一 个 区域 范 围 内用 电设 备 所 消耗 的 电力或 电量 的数 值 , 而 影 响 每个 用 电设 7 4 浙 江水利水 电学院学报 第 2 7卷 备消耗 电能 多少 的 因素 则很 多 , 例 如 经济 、 时
11、 间 、 气 候 和 随机干 扰等 显 而易 见 , 在 电力 规 划 与 预测 中 , 应 用 随机变 量来 表示 电力负荷 建模时 , 可记负荷的k 次迭代函数为 z ( k ) , 均值 为 r ( ) , 方 差 为 s ( ) 因而 , 负 荷预 测 问题 即 为最 小误差的未来负荷求值问题 , 可表示为 : ( k+1 )=a r g mi m E 一z ( k+1 ) ( 1 ) 其中, 为变量; 若使得预测误差 E E xz ( +1 ) 最小, 2 ( +1 ) 则为第 k+1 次迭代的最优预测值 Z ( k+1 )= 一r ( k+1 )+r ( +1 )一f ( k+1
12、) l ( k+1 ) = r ( k+1 ) + 2 r ( k+1 ) r ( k+1 )一2 ( k+1 ) + r ( J +1 )一z ( k+1 ) 由定 义 : E r ( k+1 )一2 ( k+1 ) =0 E r ( k+1 )一z ( k+1 ) = ( k+1 ) 同取期望 值 : E z ( 后+1 ) 。 = r ( k+1 ) 。+o r ( k+1 ) ( 2 ) 由( 2 ) 式 所知 , 当令 =r ( k+1 ) 时 , 取得 s ( k +1 )最小 值 , 即可确定 r ( k+1 ) ) 为第 k+1 次 迭代 的负荷趋 势 因为负荷可 以表示 为负
13、荷 趋势和一个随机距 离 的和 , 则有 : Z ( k+1 )=r ( k+1 )+W( k+1 ) ( 3 ) 其 中, ( 后+1 )为负荷 , r ( 后+1 )为负荷趋势 , W( k+1 )为 随机距 离 事实上 , W( k+1 ) 均值为0 , 即E W( k+1 ) = 0 此外 , 负荷趋势在每一步 的迭代 中并非 固定 , 可 寻找一 个优 化 函数 从而 计算 出最优 未来 负荷 流 多数较 大 , 可 以单 独 列 为 一 类 ; 对 于六 天 工 作 制 的企 业 而言 , 星 期 六 照 常 工 作 , 但 对 于 电力 负 荷 全 局来 分析 是一 个调 整 的
14、状 态 , 故 星期 六 也可 以特 殊 列为一类 ; 星期 日和 国家规定的节假 日是 比较稳定 的假 期 , 自当归为一 类 由上 , 可 按 日子类 别 对 电力 负荷 进行 分类 , 分 为 4类 , 即 : 星 期 一 ; 星 期 二 到 星 期 五 ; 星期 六 ; 星期 日及法定 节假 日 再者 , 在大 量 的 负荷 数 据 分 析 中 , 我 们 发 现 电 力负荷的大小也与温度的高低呈现出极为相似的 变化规律 夏季高温时段, 民用电器中空调、 冰箱等 设备 的使用几率将上升 , 生产车间的冷却 系统也将 投入 或增 负荷 ; 相反 , 冬 季 或低 温 时 , 这些 用 电
15、设 备 投入少 , 负荷 自当降低 然而, 在对 电力负荷相关的 温度 进行 分类 时 , 如 何进 行 温度 分 区是个 需 特 别关 注 与研究 的问 题 : 区 间过 大 , 同一 类 别 中数 据 共 性 太低 , 将导致预测数据精确度降低 ; 反之 区间过小 , 聚类 将太 多 , 则 将 导 致 同类 的数 据 太 少 , 偶 然 性 的 数 据 影 响度 上 升 , 同样 也 将 影 响 负 荷 预 测 的精 确 度 本 文 实 验 例 证 中 , 将 温 度 分 为 4类 , 即 : o c, 2 0 ; 2 0 , 3 0 ; 3 0 C, 3 5 ; 3 5 , 4 5 由
16、上 , 可将 日子分 成 4类 , 将 温度 分 成 4类 , 所 有数 据可分 成 4 X 4=1 6类 数 据 处理 时 , 先 将 负 荷 历史数据按该思路分成 1 6类 , 因为每一类 有其相 似性 与共 性 , 则 可分 别 对每 类 的历 史 数据 进 行 聚 类 分 析 , 得 出各 自不 同 的负 荷 预 测 函数 当要 预 测 未 来某 一 天或某 时刻 的 电力 负荷 时 , 即可 根据 当天 的 日子类别 和温 度 区间 首先 进 行 聚类 分 析 , 然 后 使 用 对应 的预测函数进行求解计算 2 模 型构建与仿真 ? ( 十1 ):r ( j +1 )+ ( k+1
17、 ) ( 4 ) 2 1 系统建模 其 中 , ( k+1 )为第 k+1 次 迭代 的最优 预测 负 荷 , 是 从每 一步 的迭代 中优 化 出来 的 1 2 聚 类方法 众知 , 现实 用 户 中 , 在 不 同 的 日子 时 电力 负 荷 大小 也将 有所 不 同的 譬 如 , 在 工作 日( 多 为周 一 到 周 五 ) 期 间 , 长期 工作 制 的用 电设 备 会 持续 运 转 , 负 荷功率高且 电量大 ; 而在周六周 日等休息 日, 这些 企 业 消耗 的 电量 则 有 明 显 的 下 降 由此 , 可 以根 据 星期数对电力数据进行初步聚类 对于大多数企事 业单位( 亦即电
18、力负荷主体单位 ) 而言, 星期一是新 一周 的工作 日起始 , 多数用电设备新启动 , 起动 电 如前分析 , 未来负荷 函数可用下式表示: Y ( k+1 )=O , 1 Y ( 后 )+a 2 Y ( k+1 )+ + 口 ( k一孔+1 )+b l ( k )+b ( km +1 ) ( 5 ) 最优预 测 的 结 果 是 预测 计 算 值 与 真 实 值 之 间 的差 距 W ( k )最 小 化 , 故 而 应 选 择 客 观 、 有 效 的数 据 , 则 : ( k+1 ) =g ( k+1 ) ( 6) 其中, 多 ( k+1 )为第 k+1次的负荷预测值 ; q = 口 1
19、, 口 : , , 口 , b 1 , b 2 , , b 为 参 数 向 量 ; 第 3期 包晓晖等 : 一种基 于聚类分析 的短期 电力 负荷预测方 法研 究 7 5 X( k+1 )= Y ( k ) , Y ( k一1 ) , Y ( kn+1 ) , z ( k ) , z ( k一1 ) , z ( km+1 ) 为包含了负荷预测 值与真实值 的向量 为计算 预测 负 荷 , 需 要 求 出未知 的参 数变 量 q , 由上论 述 , 可将 误 差准 则定 义 为 : ,=E z ( k+1 )一 ( k+1 ) ( 7 ) 为缩 小误 差 , 可 以采 用递 归理 论 : Y (
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- 一种 基于 聚类分析 短期 电力 负荷 预测 方法 研究
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