一種基于單類支持向量機(jī)的電力負(fù)荷分析、預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種基于單類支持向量機(jī)的電力負(fù)荷分析、預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用電量逐年攀升，電力市場(chǎng)的多元化與復(fù)雜化，對(duì)電力市場(chǎng)的決 策理論、管理手段和技術(shù)支持提出了更高的要求，但目前的工作中仍存在諸多不合理、不盡 如人意的問(wèn)題，如數(shù)據(jù)庫(kù)的靈活運(yùn)用，只能對(duì)用電數(shù)據(jù)的事后分析，不能事前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、事 中精確控制，只能定性的粗礦的分析；由于對(duì)用戶數(shù)據(jù)的事后分析，只能從宏觀層面上把握 整體的用電規(guī)律變化，不能做到從因果分析到時(shí)空關(guān)聯(lián)，從不同維度、不同角度對(duì)需求特性 精準(zhǔn)的分析，這種較強(qiáng)的滯后性、不精確性會(huì)對(duì)用電規(guī)律的把握失準(zhǔn)等等。究其原因，缺乏 對(duì)電力市場(chǎng)的需求特性、各種立體化指標(biāo)、效益指標(biāo)等等做精益化的分析與研究。
[0003] 新型能源的崛起以及分布式發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，打破了固有的源網(wǎng)荷屬性，源 荷界限的模糊化加劇了負(fù)荷預(yù)測(cè)的難度?；谏綎|電網(wǎng)營(yíng)銷業(yè)務(wù)管理機(jī)制和955598客戶 中心現(xiàn)有的基礎(chǔ)與實(shí)際需求，目前只能做到對(duì)用戶數(shù)據(jù)的事后分析，只能粗礦的從宏觀層 面上把握整體的負(fù)荷規(guī)律變化，不能具體到對(duì)某行業(yè)、某客戶的負(fù)荷特性的分析，也不能對(duì) 負(fù)荷特性變化引起的原因具體分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于單類支持向量機(jī)的電力負(fù)荷分析、預(yù) 測(cè)方法，該方法對(duì)傳統(tǒng)SVM的擴(kuò)展和延伸，是將統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論引入到無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，能夠有效 解決現(xiàn)有負(fù)荷規(guī)律無(wú)法掌握的問(wèn)題。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于單類支持向量機(jī)的電力負(fù)荷分析、預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0007] (1)獲取電力負(fù)荷歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建訓(xùn)練樣本集合；
[0008] (2)利用單類支持向量機(jī)理論，在訓(xùn)練樣本中進(jìn)行典型日的選??；
[0009] (3)利用典型日負(fù)荷曲線表示用戶的隨機(jī)變量之間線性關(guān)系的強(qiáng)度和方向；
[0010] (4)將用戶負(fù)荷的時(shí)間序列作為離散采樣點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，進(jìn)行頻譜分 析；
[0011] (5)結(jié)合用戶的實(shí)際需求，構(gòu)建負(fù)荷特性指標(biāo)。
[0012] 所述步驟（1)中，具體方法為：將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入文本文檔，然后讀取文本文 檔中的96點(diǎn)數(shù)據(jù)保存成矩陣的形式，分別給出行號(hào)及其對(duì)應(yīng)的用戶編號(hào)，并將缺失的量測(cè) 量補(bǔ)0,將96點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為24點(diǎn)數(shù)據(jù)。
[0013] 所述步驟（2)中，對(duì)樣本集聚類，并通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)改變模型的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，從而在經(jīng) 驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和置信風(fēng)險(xiǎn)中間進(jìn)行折衷，將每一天的量測(cè)數(shù)據(jù)作為一個(gè)樣本，則樣本就是24維空 間中的一點(diǎn)，使用一個(gè)超球面使得覆蓋住所有樣本點(diǎn)，則超球的圓心也就是量測(cè)數(shù)據(jù)的中 心，也就是典型日數(shù)據(jù)所在的地方。
[0014] 所述步驟（2)中，具體方法為：運(yùn)用分支算法單類支持向量機(jī)進(jìn)行典型日的選取， 用超球面代替超平面來(lái)劃分?jǐn)?shù)據(jù)，目標(biāo)函數(shù)的初始問(wèn)題為：
[0015]
[0016] (1)
[0017] s.t. |x;-c| |R2+Ci
[0018] 〇0，i=l，2，...，l
[0019] 通過(guò)設(shè)定參數(shù)0<v< 1，使超球面的半徑和它所能包含的訓(xùn)練樣本數(shù)目之間進(jìn) 行折衷；當(dāng)v小的時(shí)候，盡量把數(shù)據(jù)放進(jìn)球里面，當(dāng)v大的時(shí)候，盡量壓縮球的尺寸，其中， R代表超球面的半徑，超球面半徑越小，分類的泛化風(fēng)險(xiǎn)越小，對(duì)可能出現(xiàn)的不良數(shù)據(jù)抵制 能力強(qiáng)，但是，可能會(huì)產(chǎn)生欠學(xué)習(xí)的現(xiàn)象；1是樣本總量；C是超球面球心；V表示在支持向 量和錯(cuò)分向量之間的折中，能夠從某種程度上控制超球面半徑；X1表示樣本，I松弛變 量。
[0020] 所述步驟⑵中，利用拉格朗日函數(shù)求解目標(biāo)函數(shù)，
[0021]
[0022] 式中L代表朗格朗日函數(shù)，apI代表拉格朗日乘子。
[0023] 貝lj
[0031] 通過(guò)QP優(yōu)化方法解這個(gè)對(duì)偶問(wèn)題得到優(yōu)化解a;將a帶入式（4)可得到圓心c 的值，即待求典型日，a;、代表拉格朗日乘子。1是樣本總量；v表示在支持向量和錯(cuò)分 向量之間的折中，能夠從某種程度上控制超球面半徑；Xl、Xj表示樣本。
[0032] 所述步驟⑶中，相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下式所示：
[0033]
[0034] 式中，rXY代表隨機(jī)變量X、Y的相關(guān)系數(shù)，N是指隨機(jī)變量的樣本總數(shù)，XpYi分別 指第i個(gè)X、Y變量，f、f分別指隨機(jī)變量X、Y的平均數(shù)。
[0035] 通過(guò)各用戶的典型日負(fù)荷曲線，分別求取n個(gè)用戶典型日負(fù)荷曲線間的相關(guān)系 數(shù)，結(jié)果可存放在n*n的對(duì)角線元素為1的對(duì)稱矩陣中，非對(duì)角元素表示兩用戶典型日負(fù)荷 曲線的相關(guān)系數(shù)。
[0036] 所述步驟（3)中，相關(guān)系數(shù)顯示兩個(gè)隨機(jī)變量之間線性關(guān)系的強(qiáng)度和方向，相關(guān) 系數(shù)的絕對(duì)值不超過(guò)1，當(dāng)兩個(gè)變量的線性關(guān)系增強(qiáng)時(shí)，相關(guān)系數(shù)趨于1或-1，（因?yàn)槭墙^ 對(duì)值為1，所以當(dāng)兩個(gè)變量的正線性關(guān)系強(qiáng)時(shí)，相關(guān)系數(shù)趨于1，反之趨于-1)當(dāng)一個(gè)變量增 加而另一變量也增加時(shí)，相關(guān)系數(shù)大于0,當(dāng)一個(gè)變量的增加而另一變量減少時(shí)，相關(guān)系數(shù) 小于〇 ;當(dāng)兩個(gè)變量獨(dú)立時(shí)，相關(guān)系數(shù)為〇,但反之并不成立。
[0037] 所述步驟（4)中，將用戶負(fù)荷的時(shí)間序列看作是傅里葉變換的離散采樣點(diǎn)，進(jìn)而 可對(duì)其進(jìn)行離散傅里葉變換，對(duì)用戶24點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換后對(duì)其頻譜進(jìn)行分析， 以把握用戶用電波動(dòng)的頻率特性。
[0038] 所述步驟（5)中，對(duì)月負(fù)荷率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法為：月負(fù)荷率又稱月不均衡系數(shù)，是 由用電部門(mén)在月、周內(nèi)的停工休息、設(shè)備檢修、生產(chǎn)作業(yè)順序以及有無(wú)新用戶投入生產(chǎn)所引 起的，同時(shí)，該指標(biāo)也反映了用戶因設(shè)備小修、生產(chǎn)作業(yè)順序不協(xié)調(diào)、或因停電而引起的停 工休息等的影響；其表達(dá)式為：
[0039]
[0040] 所述步驟（5)中，統(tǒng)計(jì)峰谷差，峰谷差指的是電力系統(tǒng)某一時(shí)間周期內(nèi)最大負(fù)荷 與最小負(fù)荷之差，通常以日為單位，峰谷差夠反映出用戶負(fù)荷在日能的波動(dòng)情況，
[0041] 由于峰谷差反映的是日內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)的絕對(duì)值，并不能很好地反應(yīng)波動(dòng)的相對(duì)大 小，而峰谷差率能反映出日內(nèi)波動(dòng)的相對(duì)情況，峰谷差率的計(jì)算式為：
[0042]
[0043] 峰谷差的大小直接反映了電網(wǎng)所需要的調(diào)峰能力。
[0044] 所述步驟（5)中，日最大負(fù)荷指的是電力系統(tǒng)日內(nèi)的最大負(fù)荷功率，日最小負(fù)荷 指的是電力系統(tǒng)日內(nèi)的最小負(fù)荷功率。
[0045] 日負(fù)荷率為日平均負(fù)荷與最大負(fù)荷之比值；
[0046] 日最小負(fù)荷率為日最小負(fù)荷與最大負(fù)荷之比值，即：
[0047]
[0048] 日負(fù)荷率和日最小負(fù)荷率是用于描述日負(fù)荷曲線特性，表征一天中的不均衡性。
[0049] 本發(fā)明的有益效果為：
[0050] (1)本發(fā)明根據(jù)電力系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，能夠有效預(yù)測(cè)負(fù)荷指數(shù)，指導(dǎo)電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)；
[0051] (2)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)具體到對(duì)某行業(yè)、某客戶的負(fù)荷特性的分析，以及對(duì)負(fù)荷特性 變化引起的原因具體分析；
[0052] (3)本發(fā)明建立負(fù)荷變化規(guī)律指標(biāo)，能夠反映客戶宏觀政策、客戶生產(chǎn)規(guī)模對(duì)電力 市場(chǎng)營(yíng)銷制定電價(jià)的影響，實(shí)現(xiàn)從全社會(huì)的異常能夠推導(dǎo)出具體某行業(yè)的異常甚至具體到 某客戶的異常，分析出負(fù)荷異常變化引起的主要因素。
【附圖說(shuō)明】
[0053] 圖1是本發(fā)明的流程圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0054] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0055] 1. 1. 1典型日的選取模型
[0056] 本項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一是運(yùn)用分支算法單類支持向量機(jī)（one-classsvm)進(jìn)行 典型日的選取，此方法是對(duì)傳統(tǒng)SVM的擴(kuò)展和延伸，是將統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論引入到無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí) 理論，下面介紹一下one-classsvm并簡(jiǎn)要說(shuō)明一下其能用于進(jìn)行典型日選擇的原理。
[0057] One-classsvm的本質(zhì)是用超球面代替超平面來(lái)劃分?jǐn)?shù)據(jù)的想法。目標(biāo)函數(shù)的初 始問(wèn)題為：
[0058]
[0059] s.t. |x;-c||R2+Ci
[0060] 〇0，i=l，2，...，l (3. 1)
[0061] 通過(guò)設(shè)定參數(shù)0<v< 1，使超球面的半徑和它所能包含的訓(xùn)練樣本數(shù)目之間進(jìn) 行折衷。當(dāng)v小的時(shí)候，盡量把數(shù)據(jù)放進(jìn)球里面，當(dāng)v大的時(shí)候，盡量壓縮球的尺寸。
[0062] 使用拉格朗日函數(shù)來(lái)解這個(gè)問(wèn)題：
[0068] 帶入得到對(duì)偶問(wèn)題為：
[0072] 通過(guò)QP優(yōu)化方法解這個(gè)對(duì)偶問(wèn)題得到優(yōu)化解a。
[0073] 將a帶入式（3. 4)可得到圓心c的值，即待求典型日。
[0074] 可以看到，one-classsvm主要功能是對(duì)樣本集的聚類，并通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)v改變模 型的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，從而在經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和置信風(fēng)險(xiǎn)中間進(jìn)行折衷，而典型日的選擇本身也是一種 聚類，如果將每一天的量測(cè)數(shù)據(jù)作為一個(gè)樣本，則樣本就是24維空間中的一點(diǎn)，使用一個(gè) 超球面使得其可以盡量覆蓋住所有樣本點(diǎn)，則超球的圓心也就是量測(cè)數(shù)據(jù)的中心，也就是 典型日數(shù)據(jù)所在的地方。
[0075] 通過(guò)各用戶的典型日負(fù)荷曲線我們可以分析用戶間的用電規(guī)律以及用戶與該行 業(yè)總體用電規(guī)律間的關(guān)聯(lián)特性。
[0076] 1. 1. 2相關(guān)系數(shù)
[0077] 相關(guān)系數(shù)顯示兩個(gè)隨機(jī)變量之間線性關(guān)系的強(qiáng)度和方向。相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值不超 過(guò)1。當(dāng)兩個(gè)變量的線性關(guān)系增強(qiáng)時(shí)，相關(guān)系數(shù)趨于1或-1。當(dāng)一個(gè)變量增加而另一變量 也增加時(shí)，相關(guān)系數(shù)大于0。當(dāng)一個(gè)變量的增加而另一變量減少時(shí)，相關(guān)系數(shù)小于0。當(dāng)兩 個(gè)變量獨(dú)立時(shí)，相關(guān)系數(shù)為〇,但反之并不成立。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下式所示。
[0078]
[0079] 通過(guò)各用戶的典型日負(fù)荷曲線，我們可以分析用戶間的用電規(guī)律以及用戶與該行 業(yè)總體用電規(guī)律間的關(guān)聯(lián)特性。分別求取n個(gè)用