本發(fā)明涉及一種基于混合copula函數(shù)的多風(fēng)場出力預(yù)測方法,屬于電氣工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
風(fēng)能作為目前使用最廣泛的可持續(xù)新資源之一,其資源開發(fā)具有集中式、連片式的特點(diǎn)。由于地域和氣候的相似性,一定區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電場風(fēng)電出力之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。由于這種相關(guān)性會影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行而受到越來越多的研究者的重視。
在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中,通過分析風(fēng)電場出力的隨機(jī)特性,構(gòu)建典型風(fēng)電出力場景,針對典型場景制定應(yīng)對風(fēng)功率隨機(jī)變化的措施,是求解含風(fēng)電電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行問題的一種重要手段。
傳統(tǒng)的風(fēng)電出力預(yù)測模型中假定并網(wǎng)風(fēng)電的預(yù)測誤差服從正態(tài)分布,雖然符合統(tǒng)計學(xué)規(guī)律,但沒有考慮并網(wǎng)之前多風(fēng)場之間的相關(guān)性。當(dāng)并網(wǎng)風(fēng)電是從兩個或多個區(qū)域風(fēng)電場合并得到時,各風(fēng)場出力是具有時空上的相關(guān)性的。相同區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電場風(fēng)出力之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,而傳統(tǒng)的風(fēng)場出力預(yù)測方法并沒有考慮相關(guān)性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提出了一種基于混合copula函數(shù)的多風(fēng)場出力預(yù)測方法,其能夠有效解決地域上具有相關(guān)性的多風(fēng)場并網(wǎng)出力預(yù)測問題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是:一種基于混合copula函數(shù)的多風(fēng)場出力預(yù)測方法,其特征是,包括以下步驟:
1)構(gòu)建混合copula函數(shù)模型;
2)模型選擇和參數(shù)估計;
3)具有相關(guān)性的多風(fēng)場出力預(yù)測。
進(jìn)一步地,在步驟1)中,所述的混合copula函數(shù)模型為:
其中,ck(u1,u2;θk)為已知的copula函數(shù),u1,u2為隨機(jī)變量,θk為相依參數(shù),λk為權(quán)重系數(shù),滿足0≤λk≤1,
進(jìn)一步地,在步驟2)中,模型選擇和參數(shù)估計的過程包括以下步驟:首先構(gòu)建懲罰似然函數(shù),其次對邊緣分布的估計,然后對混合copula函數(shù)中的權(quán)重參數(shù)和相依參數(shù)進(jìn)行估計,最后采用交叉驗(yàn)證法來對γ和α進(jìn)行估計。
進(jìn)一步地,所述構(gòu)建懲罰似然函數(shù)的過程為:
假設(shè)二維隨機(jī)變量(x,y)的邊緣分布為x~fx(x;α),y~gy(y;β),且其混合copula函數(shù)為
其中,
則(x,y)的密度函數(shù)為:
其中,
在得到參數(shù)φ的估計值之前,首先求出(x,y)的極大似然函數(shù):
其中,fx(xi;α)和gy(yi;β)為邊緣密度函數(shù);(xn,yn)為來自(x,y)的樣本,n=1,2,…,n,n為樣本容量;
構(gòu)建的懲罰似然函數(shù)為:
其中,{pγt}是光滑參數(shù),控制模型的復(fù)雜性。
進(jìn)一步地,所述對邊緣分布的估計的過程就是對
所述對混合copula函數(shù)中的權(quán)重參數(shù)和相依參數(shù)進(jìn)行估計的過程為:把邊緣分布函數(shù)的估計值代入二元gauss-copula的概率密度函數(shù),得到:
并采用em算法來估計(λk,θk)。
進(jìn)一步地,所述非參數(shù)核密度估計為:
設(shè)k1(·)為r1上的一個給定概率密度函數(shù)。hm>0是一個與m有關(guān)的常數(shù),滿足n→∞,hm→0,則稱
為f(x)的一個核密度估計,其中,k1(·)為核函數(shù),hm稱為窗寬或光滑參數(shù)。
進(jìn)一步地,所述采用em算法來估計(λk,θk)的過程為:
e步,求期望:給定觀測數(shù)據(jù)x和當(dāng)前系數(shù)估計值,計算完全數(shù)據(jù)的對數(shù)似然函數(shù)lnp(x,y|θ)關(guān)于未知數(shù)據(jù)y的條件期望分布,即:
其中,θi-1為已知的當(dāng)前系數(shù)的估計值;
m步,求極大值:將q(θ|θi-1,y)關(guān)于θ極大化,即找一個θi點(diǎn),使得
從而形成了一次迭代θi→θi-1;
最后將上述e步和m步進(jìn)行迭代直至||θi-θi-1||或||q(θi|θi-1,y)-q(θi-1|θi-1,y)||充分小為止。
進(jìn)一步地,在采用em算法來估計(λk,θk)的過程需要用到
設(shè)
step1:給定初始點(diǎn)θ1,允許誤差ε>0;
step2:設(shè)矩陣h1=ik(k階單位矩陣),計算出在θ1處的梯度
step3:令迭代方向di=-higi;
step4:從θi出發(fā),沿著方向di進(jìn)行線性搜索,使它滿足
step5:檢驗(yàn)是否滿足收斂準(zhǔn)則,若
step6:若i=k,則令θ1=θi+1,返回進(jìn)行step2,否則進(jìn)行step7;
step7:令
進(jìn)一步地,所述采用交叉驗(yàn)證法來對γ和α進(jìn)行估計的過程為:
設(shè)d為完整的數(shù)據(jù)集,把完整的數(shù)據(jù)分成m分,di,i=1,2,…,m,把di作為檢驗(yàn)集,d-di作為交叉驗(yàn)證訓(xùn)練集;對任意給定罰函數(shù)的參數(shù)(γ,α),先首先采用d-di的數(shù)據(jù),通過上面的em算法分別得到權(quán)重系數(shù)λ和相依系數(shù)θ的估計值
進(jìn)一步地,在步驟3)中,具有相關(guān)性的多風(fēng)場出力預(yù)測的具體過程為:
設(shè)兩相鄰風(fēng)電場一天t=96個時段的風(fēng)電出力為隨機(jī)變量,即t組相關(guān)的二元隨機(jī)變量(u11,u21),(u12,u22),…,(u1t,u2t),通過對其進(jìn)行分析確定混合copula函數(shù)的各項(xiàng)參數(shù);
所述確定混合copula函數(shù)的各項(xiàng)參數(shù)的過程包括以下步驟:首先,對混合copula函數(shù)的擬合效果進(jìn)行檢驗(yàn);然后,用mc法產(chǎn)生服從各copula函數(shù)的隨機(jī)變量的概率;最后,對以上隨機(jī)變量進(jìn)行累積分布逆變換,即非參數(shù)核密度估計,從而生成服從風(fēng)電場出力聯(lián)合分布的預(yù)測結(jié)果。
本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明通過結(jié)合4種copula函數(shù)構(gòu)建混合copula函數(shù)模型,提出了一種基于混合copula函數(shù)的多風(fēng)場出力預(yù)測方法,它對相同區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電場風(fēng)出力之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性進(jìn)行分析,解決了地域上具有相關(guān)性的多風(fēng)場并網(wǎng)出力預(yù)測問題。
本發(fā)明結(jié)合4種copula函數(shù)構(gòu)建混合copula函數(shù)模型,其擬合精度優(yōu)于單一copula函數(shù),對相同區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電場風(fēng)出力之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性進(jìn)行分析,在應(yīng)用于調(diào)度時有利于風(fēng)電的消納。當(dāng)風(fēng)電采用多風(fēng)場并網(wǎng)的方式時,采用本發(fā)明提出的多風(fēng)場出力預(yù)測方法不僅優(yōu)于假設(shè)預(yù)測場景的誤差分布呈正態(tài)分布的出力預(yù)測方法,而且在并網(wǎng)調(diào)度時更有利于系統(tǒng)對風(fēng)電的消納。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的方法流程圖;
圖2為本發(fā)明的模型選擇和參數(shù)估計流程圖;
圖3為本發(fā)明算例中第一組預(yù)測場景風(fēng)電出力的數(shù)據(jù)曲線圖;
圖4為本發(fā)明算例中第二組預(yù)測場景風(fēng)電出力的數(shù)據(jù)曲線圖。
具體實(shí)施方式
為能清楚說明本方案的技術(shù)特點(diǎn),下面通過具體實(shí)施方式,并結(jié)合其附圖,對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開,下文中對特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。此外,本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的,其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。應(yīng)當(dāng)注意,在附圖中所圖示的部件不一定按比例繪制。本發(fā)明省略了對公知組件和處理技術(shù)及工藝的描述以避免不必要地限制本發(fā)明。
如圖1所示,本發(fā)明的一種基于混合copula函數(shù)的多風(fēng)場出力預(yù)測方法,它包括以下步驟:
1)構(gòu)建混合copula函數(shù)模型;
2)模型選擇和參數(shù)估計;
3)具有相關(guān)性的多風(fēng)場出力預(yù)測。
在步驟1)中,混合copula函數(shù)模型描述如下:
不同類型的copula函數(shù)描述變量相關(guān)性的側(cè)重點(diǎn)不同。gauss-copula函數(shù)和frank-copula函數(shù)適合描述數(shù)據(jù)間的對稱相關(guān)性;gumbel-copula函數(shù)刻畫了非對稱的上尾相關(guān)性,clayton-copula函數(shù)刻畫了非對稱的下尾相關(guān)性。這樣如果在實(shí)際應(yīng)用中只用某一種copula函數(shù)來擬合數(shù)據(jù),可能會出現(xiàn)失真的情況。由于不同的copula函數(shù)對相關(guān)性描述的側(cè)重點(diǎn)不同,因此考慮把這幾種copula函數(shù)混合在一起,這樣混合copula函數(shù)就能更好地描述數(shù)據(jù)間的相關(guān)性,更好地融合數(shù)據(jù)。二元混合copula的函數(shù)模型如下:
其中,為已知的copula函數(shù),θk為相依參數(shù),λk為權(quán)重系數(shù),滿足0≤λk≤1,
在步驟2)中,如圖2所示,混合copula函數(shù)模型的模型選擇和參數(shù)估計流程如下:
這一步要解決的是混合copula函數(shù)的模型選擇和參數(shù)估計問題。利用懲罰似然函數(shù)對混合copula函數(shù)進(jìn)行模型選擇和參數(shù)估計,選擇和估計的步驟分為兩步:首先就是對邊緣分布的估計,本文引入非參數(shù)中核密度估計對邊緣分布進(jìn)行參數(shù)估計;接著就是對混合copula函數(shù)中的權(quán)重參數(shù)和相依參數(shù)進(jìn)行估計。由于懲罰似然函數(shù)中涉及到多重求和的函數(shù)形式,對其最大化比較困難,故采用em(expectation&maximization)算法[101]進(jìn)行處理。其中,對em算法中m步,利用最優(yōu)化方法中的bfgs[102]算法進(jìn)行解決,從而完成對混合copula函數(shù)的模型選擇和參數(shù)估計。
1、懲罰似然函數(shù)
假設(shè)二維隨機(jī)變量(x,y),設(shè)其邊緣分布為x~fx(x;α),y~gy(y;β),且設(shè)其混合copula函數(shù)為
其中,
其中,
想要得到參數(shù)φ的估計值,首先求出(x,y)的極大似然函數(shù),即:
其中,fx(xi;α)和gy(yi;β)為邊緣密度函數(shù);(xn,yn),n=1,2,…,n。為來自(x,y)的樣本,n為樣本容量。
如果只是對求得的極大似然函數(shù)進(jìn)行估計的話,可能會把不顯著的copula函數(shù)(相關(guān)性描述不顯著)選進(jìn)去,這樣會造成模型失真。這其實(shí)是一個模型選擇的問題,因此,通過引入懲罰函數(shù)來對權(quán)重參數(shù)進(jìn)行懲罰選擇。這樣可以利用懲罰函數(shù)把一些不顯著的copula函數(shù)剔除,從而可以使模型更好地擬合數(shù)據(jù)。為此構(gòu)建懲罰似然函數(shù):
其中,{pγt}是光滑參數(shù),控制模型的復(fù)雜性。本節(jié)對各個權(quán)重的懲罰函數(shù)均采用scad懲罰(smoothlyclippedabsolutedeviationpenalty)函數(shù),該函數(shù)滿足一個好的懲罰函數(shù)需要具有的無偏性、稀疏性和連續(xù)性,三個性質(zhì)。
2、兩步估計懲罰函數(shù)
對二元gauss-copula的概率密度函數(shù)參數(shù)的估計,可以分成兩步。首先就是對邊緣分布的參數(shù)進(jìn)行估計,然后對混合copula函數(shù)的權(quán)重參數(shù)及相依參數(shù)進(jìn)行估計。具體步驟如下:
第一步:
對
第二步:
把邊緣分布函數(shù)的估計值代入二元gauss-copula的概率密度函數(shù),得到:
對阿基米德copula的概率密度函數(shù)采用em法來估計(λk,θk)。
(1)邊緣分布的核密度估計
從對邊緣分布的估計,有學(xué)者采用經(jīng)驗(yàn)分布對邊緣分布進(jìn)行估計,然而經(jīng)驗(yàn)分布一般不連續(xù)或光滑性不夠,用來表述邊緣分布會產(chǎn)生較大的誤差。還有的學(xué)者就直接假設(shè)其分布,然后去驗(yàn)證。然而采用這種方法會使得驗(yàn)證步驟變得繁瑣,所以具有一定局限性。對此,本發(fā)明采用非參數(shù)的方法,即,核密度估計來對邊緣分布進(jìn)行估計,從而實(shí)現(xiàn)用數(shù)據(jù)來擬合邊緣分布,使模型更加真實(shí)。
非參數(shù)核密度估計是由rosenblatt和parzen提出的,下面給出核密度估計的定義:
設(shè)k1(·)為r1上的一個給定概率密度函數(shù)。hm>0是一個與m有關(guān)的常數(shù),滿足n→∞,hm→0,則稱
為f(x)的一個核密度估計。其中,k1(·)為核函數(shù),hm稱為窗寬或光滑參數(shù)。本發(fā)明采用高斯核,窗寬采用經(jīng)驗(yàn)法則[104]:
(2)em算法
這樣在邊緣分布利用非參數(shù)核密度估計估計出邊緣分布函數(shù)后,接下來要估計的是混合copula的權(quán)重系數(shù)和相依系數(shù)。由于混合copula的極大似然函數(shù)很復(fù)雜,無法用求偏導(dǎo)的方法進(jìn)行解決,因此本發(fā)明采用em算法來解決此問題。
em算法是一種迭代算法,由dempster.laird和rubin于1977年提出的。它可廣泛地應(yīng)用于不完全數(shù)據(jù),如缺損數(shù)據(jù)、截尾數(shù)據(jù)、成群數(shù)據(jù)、帶有討厭參數(shù)的數(shù)據(jù)。em算法主要有兩步:第一步,求期望,即e步;第二步,求極大值,即m步。具體地講:
e步:給定觀測數(shù)據(jù)x和當(dāng)前系數(shù)估計值,計算完全數(shù)據(jù)的對數(shù)似然函數(shù)lnp(x,y|θ)關(guān)于未知數(shù)據(jù)y的條件期望分布,即:
其中,θi-1為已知的當(dāng)前系數(shù)的估計值。
m步:將q(θ|θi-1,y)關(guān)于θ極大化,即找一個θi點(diǎn),使得
從而形成了一次迭代θi→θi-1。將上述e步和m步進(jìn)行迭代直至||θi-θi-1||或||q(θi|θi-1,y)-q(θi-1|θi-1,y)||充分小為止。
在用em法解決二元copula概率密度函數(shù)參數(shù)估計的過程中需要用到
(3)bfgs算法
bfgs算法是擬牛頓法中的一種應(yīng)用較為廣泛的解決非線性優(yōu)化問題的算法。其主要是在牛頓法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。由于牛頓法中需要計算二階偏導(dǎo)數(shù)而且要求目標(biāo)函數(shù)的hesse矩陣為對稱正定矩陣,這些條件較為苛刻。因此對牛頓法進(jìn)行改進(jìn),學(xué)者們提出擬牛頓法。擬牛頓法主要是根據(jù)taylor公式的近似展開式得到的擬牛頓方程來構(gòu)造矩陣,以此來近似hesse矩陣或其逆矩陣,并求得迭代方向。由于構(gòu)造矩陣的方法不同,從而出現(xiàn)不同的擬牛頓法,本發(fā)明采用由broyden,foldfarb和shanno于1970年提出的bfgs算法。
設(shè)
step1:給定初始點(diǎn)θ1,允許誤差ε>0。
step2:設(shè)矩陣h1=ik(k階單位矩陣),計算出在θ1處的梯度
step3:令迭代方向di=-higi。
step4:從θi出發(fā),沿著方向di進(jìn)行線性搜索,使它滿足
step5:檢驗(yàn)是否滿足收斂準(zhǔn)則,若
step6:若i=k,則令θ1=θi+1,返回進(jìn)行step2,否則進(jìn)行step7。
step7:令
通過上面em算法和bfgs算法的結(jié)合可以得到權(quán)重系數(shù)λ=(λ1,...,λk)t和相依系數(shù)θ=(θ1,...,θk)t的估計值。在上面的估計過程中要用到scad懲罰函數(shù)中的光滑參數(shù)γ和α。下面采用交叉驗(yàn)證法來對γ和α進(jìn)行估計。
(4)交叉驗(yàn)證法
交叉驗(yàn)證法一般是采用平均平方誤差準(zhǔn)則,其基本原理就是把數(shù)據(jù)分為兩部分:第一部分作為檢測集用來預(yù)測(或檢驗(yàn)),第二部分作為訓(xùn)練集用來進(jìn)行估計。具體如下:
設(shè)d為完整的數(shù)據(jù)集,把完整的數(shù)據(jù)分成m分,di(i=1,2,…,m)。這里把di作為檢驗(yàn)集,d-di作為交叉驗(yàn)證訓(xùn)練集。對任意給定罰函數(shù)的參數(shù)(γ,α),先首先采用d-di的數(shù)據(jù),通過上面的em算法分別得到權(quán)重系數(shù)λ和相依系數(shù)θ的估計值
在步驟3)中,具有相關(guān)性的多風(fēng)場出力預(yù)測表述如下:
設(shè)兩相鄰風(fēng)電場一天t=96個時段的風(fēng)電出力為隨機(jī)變量,即t組相關(guān)的二元隨機(jī)變量(u11,u21),(u12,u22),…,(u1t,u2t)。對其進(jìn)行分析,確定混合copula函數(shù)的各項(xiàng)參數(shù)。首先,對混合copula函數(shù)的擬合效果進(jìn)行檢驗(yàn)。然后,用mc法產(chǎn)生服從各copula函數(shù)的隨機(jī)變量的概率,可調(diào)用matlab中的copularnd函數(shù)生成。最后,對以上隨機(jī)變量進(jìn)行累積分布逆變換,即非參數(shù)核密度估計,可調(diào)用matlab中的ksdensity函數(shù)生成。從而生成服從風(fēng)電場出力聯(lián)合分布的預(yù)測結(jié)果。
下面通過算例來驗(yàn)證本發(fā)明對兩個風(fēng)場出力進(jìn)行預(yù)測的情況。
(1)第一組風(fēng)電數(shù)據(jù),兩風(fēng)電場大約相距80公里。風(fēng)電場一最大出力為422mw,風(fēng)電場二最大出力為472mw,并網(wǎng)最大出力為860mw。圖3為第一組預(yù)測場景風(fēng)電出力曲線圖,表1為第一組數(shù)據(jù)下不同copula函數(shù)的對比。
表1第一組數(shù)據(jù)下不同copula函數(shù)的對比
由表1可以看出,第一組數(shù)據(jù)中兩風(fēng)場出力的相關(guān)性最符合clayton-copula分布;混合copula函數(shù)權(quán)重系數(shù)λ3=1,其余為零。擬合效果相同,選擇完全服從clayton-copula分布。
(2)第二組風(fēng)電數(shù)據(jù),兩風(fēng)電場大約相距40公里。風(fēng)電場一最大出力為615mw,風(fēng)電場二最大出力為538mw,并網(wǎng)最大出力為1050mw。圖4為第二組預(yù)測場景風(fēng)電出力曲線圖,表2為第二組數(shù)據(jù)下不同copula函數(shù)的對比。
表2第二組數(shù)據(jù)下不同copula函數(shù)的對比
由表2可以看出,混合copula函數(shù)權(quán)重系數(shù)λ3=0.5351,λ4=0.4649,其余為零。對第二組數(shù)據(jù)的擬合效果優(yōu)于用幾種copula單獨(dú)擬合得到的結(jié)果。綜上,混合copula得到的擬合數(shù)據(jù)總是優(yōu)于(至少不弱于)幾種copula單獨(dú)擬合得到的結(jié)果。
以上所述只是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤飾,這些改進(jìn)和潤飾也被視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。