灰 色 动 态 BP 神 经 网 络 在 光 伏 短 期 出 力 预 测 中 的 应 用 娄 宝 磊 ( 国 网 技 术 学 院, 济 南 250002) 摘 要 针 对 传 统 BP 神 经 网 络 在 光 伏 发 电 短 期 出 力 预 测 中 的 不 足, 提 出 并 实 现 了 一 种 基 于 灰 色 动 态 BP 神 经 网 络 的 光 伏 发 电 短 期 出 力 预 测 模 型 通 过 灰 色 系 统 理 论 对 BP 神 经 网 络 因 子 集 进 行 优 化, 同 时 对 BP 神 经 网 络 的 隐 含 层 节 点 数 进 行 动 态 调 节 将 提 出 的 模 型 应 用 于 真 实 的 光 伏 电 站 短 期 出 力 预 测 中, 预 测 结 果 和 实 测 结 果 吻 合 度 较 高, 验 证 了 模 型 的 有 效 性 关 键 词 :BP 神 经 网 络 ; 灰 色 模 型 ; 光 伏 发 电 ; 短 期 出 力 ; 预 测 Short-term Output Power Predcto of Photovoltac Geerato based o a Grey Dyamc BP Neural Network Lou Baole (State Grd of Cha Techology College, J a 250002) Abstract I order to avod the shortcomgs of tradtoal BP eural etwork predctg the short-term output power of photovoltac geerato, a predcto model based o a grey dyamc BP eural etwork was proposed ad realzed ths paper. The grey system theory was adopted to mprove the factor set of tradtoal BP eural etwork, meawhle the umber of odes of hdde layer the BP eural etwork was adjusted dyamcally. At the ed the proposed model was used to predct the short-term output power a real photovoltac power stato. The results show that the predcted results agree well wth the measured results, whch verfes the valdty of the model. Keywords:BP eural etwork; grey model; photovoltac geerato; short-term output power; predcto 随 着 我 国 经 济 水 平 的 不 断 提 高, 对 电 力 的 需 求 不 断 加 大, 化 石 能 源 的 供 应 也 日 趋 紧 张 太 阳 能 光 伏 发 电 作 为 一 种 可 再 生 能 源, 近 年 来 得 到 了 快 速 的 发 展 [] 由 于 太 阳 能 光 伏 发 电 是 间 歇 能 源, 其 输 出 功 率 受 到 太 阳 辐 射 强 度 环 境 温 湿 度 等 因 素 的 影 响, 因 此 具 有 波 动 性 为 了 尽 量 减 少 大 规 模 光 伏 发 电 对 电 网 造 成 的 影 响, 对 光 伏 发 电 的 出 力 进 行 预 测 显 得 极 为 重 要 目 前 针 对 光 伏 出 力 的 预 测 方 法 主 要 可 以 分 为 直 接 预 测 法 和 间 接 预 测 法 [2-8] 直 接 预 测 法 是 根 据 光 伏 发 电 站 的 发 电 量 历 史 数 据 和 天 气 数 据 直 接 预 测 光 伏 电 站 的 输 出 功 率 和 发 电 量, 不 需 要 对 天 气 等 外 界 环 境 进 行 预 测 由 于 直 接 预 测 法 没 有 考 虑 天 气 的 情 况, 只 是 在 历 史 数 据 统 计 的 基 础 上 进 行 预 测, 其 预 测 精 度 较 低, 预 测 模 型 甚 至 可 能 失 效 间 接 预 测 方 法 结 合 光 伏 发 电 站 历 史 数 据 和 气 象 数 据, 采 用 人 工 神 经 网 络 方 法 进 行 预 测, 由 于 其 在 模 型 的 建 立 过 程 中 考 虑 了 气 象 数 据 的 变 化, 预 测 准 确 度 更 高, 因 而 更 具 有 潜 在 的 应 用 价 值 BP 神 经 网 络 具 有 强 大 的 学 习 能 力, 能 逼 近 任 意 复 杂 的 非 线 性 函 数, 在 光 伏 发 电 短 期 出 力 的 预 测 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 本 文 首 先 阐 述 了 BP 神 经 网 络 的 算 法 原 理, 分 析 了 其 存 在 的 不 足 ; 由 此 提 出 采 用 一 种 灰 色 动 态 算 法 对 其 进 行 改 进, 从 而 实 现 了 一 种 灰 色 动 态 BP 神 经 网 络 方 法 ; 最 后 将 提 出 的 方 法 应 用 于 利 用 实 际 光 伏 电 站 短 期 出 力 的 预 测 中, 并 通 过 对 比 预 测 结 果 和 实 测 结 果, 证 明 所 提 出 预 测 模 型 的 有 效 性 本 文 旨 在 为 光 伏 发 电 短 期 出 力 预 测 提 供 一 条 可 能 的 途 径 205 年 第 2 期 47
BP 神 经 网 络 算 法 及 其 缺 点 反 向 误 差 传 递 (BP) 算 法 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 神 经 网 络 模 型 之 一, 常 见 的 BP 神 经 元 网 络 结 构 如 图 所 示 [9-0] 图 BP 神 经 网 络 模 型 结 构 设 其 隐 含 层 和 输 出 层 的 神 经 元 传 输 函 数 分 别 用 f 和 f 2 表 示, 则 网 络 的 输 出 表 达 式 为 ( ) Y f [ W f W X B B ] () 2 2 2 式 中,X 为 输 入 向 量 ;Y 为 输 出 向 量 ;W B 分 别 为 输 入 层 到 隐 含 层 的 权 值 矩 阵 和 偏 差 矩 阵 ;W 2 B 2 分 别 为 隐 含 层 到 输 出 层 的 权 值 矩 阵 和 偏 差 矩 阵 BP 神 经 网 络 具 有 较 好 的 学 习 自 适 应 容 错 和 联 想 能 力, 具 有 高 度 的 非 线 性 系 统 特 点 然 而, 传 统 的 BP 神 经 网 络 算 法 存 在 以 下 缺 点 [] : ) 隐 含 层 节 点 个 数 不 易 确 定 隐 含 层 节 点 个 数 对 BP 神 经 网 络 的 训 练 结 果 影 响 较 大, 但 是 目 前 仍 无 确 切 的 隐 含 层 节 点 个 数 选 择 方 法 需 要 在 选 择 其 个 数 时, 只 能 通 过 经 验 和 和 多 次 尝 试 来 确 定, 存 在 盲 目 性 和 不 确 定 性 [2] 2) 计 算 参 数 选 取 困 难 在 BP 神 经 网 络 的 训 练 过 程 中, 计 算 参 数 的 选 取 也 存 在 一 定 的 盲 目 性, 没 有 确 切 和 准 确 的 选 取 方 法 这 些 参 数 若 选 择 不 当, 则 会 引 起 收 敛 过 程 震 荡 甚 至 不 能 收 敛 3) 收 敛 速 度 较 慢, 且 存 在 局 部 最 小 点 网 络 的 训 练 过 程 往 往 需 要 较 长 的 时 间, 特 别 是 对 于 较 大 的 模 型 同 时, 由 于 非 线 性 的 梯 度 优 化 问 题 存 在 局 部 极 小 值, 故 BP 神 经 网 络 系 统 可 能 陷 入 局 部 最 优, 导 致 网 络 得 不 到 充 分 训 练 2 灰 色 动 态 BP 算 法 的 实 现 针 对 传 统 BP 算 法 的 缺 点, 利 用 灰 色 理 论 对 输 入 层 进 行 关 联 分 析, 可 以 有 效 地 确 定 BP 神 经 网 络 中 的 主 要 影 响 因 子, 不 需 要 使 用 确 切 的 数 学 模 型 来 确 定 参 数 [3-6] 另 外, 灰 色 理 论 可 以 对 隐 含 层 节 点 个 数 进 行 动 态 校 正, 从 而 可 以 有 效 地 解 决 隐 含 层 节 点 个 数 难 以 确 定 的 问 题 2. 灰 色 关 联 分 析 确 定 模 型 的 因 子 集 对 于 随 机 而 复 杂 的 非 线 性 系 统, 其 影 响 因 素 较 多 且 不 易 确 定 影 响 程 度 灰 色 关 联 分 析 可 以 用 于 分 析 系 统 影 响 因 子 集 和 系 统 行 为 特 征 量 之 间 的 关 联 程 度, 较 好 地 确 定 主 要 影 响 因 子 [7] 设 原 始 数 据 序 列 中,x 0 和 x 分 别 为 参 考 序 列 和 比 较 序 列, 即 x 0 {x 0 (k); k, 2,, }, x {x (k); k, 2,, }(, 2, m); 式 中 则 关 联 度 法 计 算 公 式 为 r j Δx k Δx k + σ σ k j ( ) ( ) 2 σ x ( x ( ) ), ( ) j j k xj xj xj k k k 2 σ x ( x ( ) ), ( ) k x x x k k k xj x (2) (3) 利 用 灰 色 关 联 分 析 方 法, 对 因 子 集 中 的 各 因 子 与 监 测 物 理 量 进 行 关 联 分 析, 可 以 确 定 各 因 子 和 系 统 行 为 特 征 量 之 间 的 联 系 紧 密 程 度, 根 据 实 际 情 况 确 定 输 入 层 的 因 子 个 数 和 组 成 2.2 动 态 设 置 隐 含 层 节 点 个 数 设 输 入 层 结 点 个 数 为, 输 出 层 结 点 个 数 为 m, 隐 含 层 点 个 数 为 0 并 设 有 N 个 样 本 (x k,y k ), 其 中 (k, 2,, N),x k R,y k R m 的 样 本 集 为 A, x k 为 输 入,y k 为 其 相 应 的 预 期 输 出 ; 另 有 M 个 样 本 X k (k, 2,, M) 的 样 本 集 为 B 其 学 习 过 程 如 下 : ) 初 始 化 f (, 2); 2) 根 据 样 本 A 学 习 得 权 矩 阵 W; 3) 由 B 验 证 权 矩 阵 W, 若 正 确, 则 f, 否 则 f 0; 4) 根 据 样 本 B 学 习 得 权 矩 阵 W; 5) 由 A 验 证 权 矩 阵 W, 若 正 确, 则 f 2, 否 则,f 2 0; 6) 若 P(f &f 2 ), 则 计 算 结 束, 否 则, 增 加 48 205 年 第 2 期
L 个 隐 含 结 点, 转 第 2) 步 灰 色 动 态 BP 神 经 网 络 的 流 程 图 如 图 2 所 示 [] 图 2 灰 色 动 态 BP 神 经 网 络 流 程 图 3 基 于 灰 色 动 态 BP 算 法 的 光 伏 发 电 短 期 出 力 预 测 3. 影 响 光 伏 电 站 短 期 出 力 的 主 要 因 素 太 阳 能 本 身 具 有 能 量 输 出 不 连 续 能 量 密 度 低 稳 定 性 不 强 的 缺 点 而 且 即 使 对 于 同 一 地 理 区 域, 季 节 天 气 等 环 境 的 变 化 也 会 对 光 伏 电 站 的 短 期 出 力 造 成 较 大 影 响 影 响 光 伏 电 站 出 力 的 主 要 原 因 可 以 分 为 以 下 几 个 方 面 [8-22] : ) 光 伏 阵 列 本 身 的 效 率 会 对 整 个 光 伏 电 站 的 出 力 造 成 直 接 的 影 响, 其 效 率 越 高, 在 同 等 条 件 下 的 输 出 功 率 越 多 光 伏 阵 列 自 身 的 光 电 转 换 效 率 和 结 构 材 料 放 射 性 离 子 辐 射 损 伤 等 因 素 有 关 2) 光 照 强 度 即 光 伏 发 电 站 所 在 位 置 接 收 到 的 太 阳 辐 射 随 时 间 变 化, 故 其 输 出 功 率 也 随 着 太 阳 辐 射 的 强 度 而 改 变 [23] 3) 光 伏 阵 列 的 输 出 不 仅 和 光 照 强 度 光 伏 电 池 本 身 的 转 换 效 率 有 关, 还 受 到 大 气 温 度 的 影 响 不 同 温 度 情 况 下 的 光 伏 阵 列 的 输 出 功 率 P s 为 ( ) Ps ηsi 0.005 t0 + 25 (4) 式 中,η 为 光 伏 阵 列 转 换 效 率 ;S 为 阵 列 面 积 ;I 为 光 照 强 度 ;t 0 为 大 气 温 度 由 式 (4) 可 以 看 出, 光 伏 阵 列 的 输 出 功 率 会 随 着 温 度 的 变 化 而 改 变, 随 着 温 度 的 升 高, 光 伏 阵 列 的 输 出 功 率 有 所 降 低 4) 光 伏 电 站 所 在 的 地 理 位 置 经 纬 度 和 海 拔 高 度 等 也 会 对 光 伏 电 站 的 出 力 造 成 影 响 在 不 同 气 候 条 件 下 不 同 季 节 其 出 力 也 不 同 另 外, 即 使 在 短 时 间 内 的 同 等 条 件 下, 云 层 阴 影 等 原 因 也 会 对 光 伏 电 站 的 输 出 功 率 造 成 影 响, 风 速 就 是 云 层 阴 影 的 影 响 因 素 之 一 为 了 对 光 伏 电 站 的 短 期 出 力 进 行 预 测, 需 要 综 合 考 虑 以 上 因 素 但 是 由 于 某 一 光 伏 电 站 其 光 伏 阵 列 的 效 率 为 固 定 值, 其 效 率 因 素 已 经 包 含 在 历 史 数 据 中, 因 此, 本 文 考 虑 的 光 伏 电 站 出 力 的 影 响 因 素 为 : 温 度 风 速 太 阳 辐 射 均 值 及 光 伏 电 站 的 海 拔 高 度 3.2 基 于 灰 色 动 态 BP 算 法 的 光 伏 短 期 发 电 预 测 本 文 将 预 测 日 前 两 天 的 整 点 时 刻 ( 早 晨 6 时 至 下 午 8 时 ) 的 输 出 功 率 和 平 均 温 度 风 速 太 阳 辐 射 均 值 及 光 伏 发 电 站 的 海 拔 高 度 作 为 输 入 量 在 使 用 样 本 数 据 前 首 先 对 样 本 数 据 按 照 公 式 (5) 进 行 归 一 化 处 理 : x x x max x m x m (5) 式 中, x 为 归 一 化 数 据,x 为 原 始 数 据,x m 为 原 始 数 据 中 的 最 小 值 ;x max 为 原 始 数 据 中 的 最 大 值 归 一 处 理 后 的 数 据 首 先 通 过 灰 色 理 论 进 行 关 联 分 析, 分 析 影 响 光 伏 电 站 输 出 功 率 的 主 要 影 响 因 素 将 分 析 后 的 数 据 平 均 分 为 两 组 对 BP 神 经 网 络 进 行 训 练, 训 练 过 程 中 的 两 组 数 据 相 互 校 验 进 而 动 态 确 定 隐 藏 层 的 节 点 个 数, 从 而 可 以 减 小 工 作 量 提 高 工 作 效 率, 解 决 BP 神 经 网 络 隐 含 层 节 点 难 以 确 定 的 问 题 误 差 分 析 是 光 伏 短 期 出 力 预 测 的 重 要 一 步, 也 是 科 学 评 价 预 测 模 型 指 导 预 测 结 果 合 理 应 用 的 前 提 本 文 采 用 平 均 绝 对 百 分 比 误 差 (e MAPE ) 对 预 测 结 果 进 行 误 差 分 析 e MAP E N A P N (6) A 式 中,A 为 第 个 样 本 的 实 测 值 ;P 为 第 个 样 本 的 预 测 值 ;N 为 样 本 的 个 数 本 文 利 用 新 疆 某 光 伏 发 电 站 的 0 月 2 日 至 7 日 共 计 6 天 的 实 际 数 据 和 天 气 情 况 对 灰 色 动 态 BP 神 经 网 络 进 行 训 练 在 建 立 模 型 时, 将 样 本 数 据 平 均 分 为 两 组, 首 先 通 过 灰 色 关 联 分 析 样 本 数 据 的 相 关 系 数, 根 据 相 关 系 数 最 终 确 定 输 入 层 的 因 子, 并 动 态 调 整 隐 含 层 的 节 点 个 数 当 两 组 样 本 之 间 的 训 练 和 预 测 都 满 足 精 度 要 求 时, 训 练 结 束 训 练 结 束 后 取 预 测 日 前 天 205 年 第 2 期 49
的 整 点 时 刻 发 电 功 率 出 力 和 平 均 温 度 对 预 测 日 的 出 力 进 行 预 测 0 月 8 日 光 伏 电 站 短 期 出 力 的 预 测 结 果 和 实 测 结 果 的 对 比 如 图 3 所 示 图 3 光 伏 发 电 站 出 力 预 测 结 果 和 实 测 值 比 较 从 图 3 可 得, 本 文 算 法 的 预 测 值 和 实 测 值 的 平 均 绝 对 百 分 比 误 差 为 9.47%, 吻 合 度 较 好, 且 分 布 规 律 相 同 其 中,07 00~09 00 期 间, 相 对 误 差 范 围 2.49%~6.54%;0 00~5 00 期 间, 相 对 误 差 范 围 为 6.5%~5.65%;6 00~8 00 期 间, 相 对 误 差 范 围 为 2.33%~32.56% 由 此 可 以 看 出, 在 清 晨 和 傍 晚 时 刻 预 测 值 和 实 测 值 的 相 对 误 差 较 大, 这 主 要 是 清 晨 和 傍 晚 的 水 汽 悬 浮 颗 粒 物 等 原 因 造 成 的 4 结 论 ) 基 于 灰 色 动 态 的 BP 神 经 网 络 通 过 优 选 因 子 集 动 态 设 置 隐 藏 层 节 点 个 数 等 方 式 弥 补 了 常 规 BP 神 经 网 络 方 法 的 不 足, 可 以 减 小 工 作 量 提 高 工 作 效 率, 解 决 隐 含 层 节 点 难 以 确 定 的 矛 盾 2) 由 于 光 伏 发 电 站 的 出 力 受 到 多 种 影 响 因 素 的 共 同 影 响, 其 为 典 型 的 非 线 性 特 征 采 用 灰 色 动 态 BP 神 经 网 络 可 以 有 效 地 对 其 短 期 出 力 进 行 预 测 3) 利 用 实 际 光 伏 发 电 站 的 出 力 数 据 对 本 文 的 灰 色 动 态 BP 神 经 网 络 进 行 了 验 证, 结 果 表 明 本 文 算 法 的 预 测 结 果 和 实 测 结 果 吻 合 度 较 好, 分 布 规 律 相 同, 可 以 应 用 于 光 伏 电 站 的 短 期 出 力 预 测 参 考 文 献 [] 陈 树 勇, 宋 书 芳, 李 兰 欣, 等. 智 能 电 网 技 术 综 述 [J]. 电 网 技 术, 2009, 33(8): -7. [2] L Yz, Nu Jc. Forecast of power Geerato for grd-coected photovoltac system based o Markov cha[c]//proceedgs of Iteratoal Coferece o Asa-Pacfc Power ad Eergy Egeerg. Wuha, Cha, 2009: -4. [3] Dage M, Davd M, Lauret P, et al. Revew of solar rradace forecastg methods ad a proposto for small-scale sular grds[j]. Reewable ad Sustaable Eergy Revews, 203, 27: 65-76. [4] Cao Jc, Cao Sh. Study of forecastg solar rradace usg eural etworks wth preprocessg sample data by wavelet aalyss[j]. Eergy, 2006, 3(5): 3435-3445. [5] 陈 都 平. 光 伏 功 率 预 测 与 预 测 模 型 [J]. 内 蒙 古 电 业, 20, 9-20. [6] 胡 学 浩. 智 能 电 网 未 来 电 网 的 发 展 态 势 [J]. 电 网 技 术, 2009, 33(4): -5. [7] 廖 芳 芳, 肖 建. 基 于 BP 神 经 网 络 PID 参 数 自 整 定 的 研 究 [J]. 系 统 仿 真 学 报, 2005, 7(7): 7-73. [8] 高 洪 深, 陶 有 德. BP 神 经 网 络 模 型 的 改 进 [J]. 系 统 工 程 理 论 与 实 践, 996, 6(): 67-7. [9] 雷 成 华, 刘 刚, 李 钦 豪. BP 神 经 网 络 模 型 用 于 单 芯 电 缆 导 体 温 度 的 动 态 计 算 [J]. 高 电 压 技 术, 20, 37(): 84-89. [0] 王 蕾, 张 九 根, 李 腾, 等. 基 于 改 进 BP 神 经 网 络 的 中 央 空 调 冷 负 荷 预 测 研 究 [J]. 计 算 机 测 量 与 控 制, 204, 22(6): 690-692. [] 岳 建 平. 灰 色 动 态 神 经 网 络 模 型 及 其 应 用 [J]. 水 利 学 报, 2003, 7(7): 20-23. [2] 盛 建 龙, 熊 绵 国. 基 于 灰 色 -BP 神 经 网 络 组 合 模 型 的 边 坡 稳 定 性 预 报 方 法 [J]. 有 色 金 属 : 矿 山 部 分, 202, 64(4): 7-73. [3] Pcault D, Raso B, Bacha S, et al. Forecastg photovoltac array power producto subject to msmatch losses[j]. Solar Eergy, 200, 84(7): 30-309. [4] Sh J, Lee WJ, Lu Yq, et al. Forecastg power output of photovoltac systems based o weather classfcato ad support vector maches[j]. IEEE Trasactos o Idustry Applcatos, 202, 48(3): 064-069. [5] L Yoghuag, Lee PC, Chag Tapeg. Adaptve ad hgh-precso grey forecastg model[j]. Expert Systems wth Applcatos, 2009, 36(6): 9658-9662. [6] Zhu Xl. Applcato of composte grey BP eural etwork forecastg model to motor vehcle fatalty rsk[c]//iteratoal Coferece o Computer Modelg ad Smulato, 200: 236-240. [7] Ha YZ, Rua Z, Ha JG. O fuzzly-processed- BP-etwork-based dual-mode cotrol wth realzato o o-le recofgurable FPGA[C]//Proceedgs of the 2005 Iteratoal Coferece o Neural Networks 50 205 年 第 2 期
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