基于馬爾可夫鏈的太陽(yáng)輻照量預(yù)測(cè)

吳賀利

摘要：在根據(jù)馬爾可夫鏈理論的隨機(jī)序列決策指導(dǎo)下，對(duì)比歷史上太陽(yáng)的輻照數(shù)據(jù)，并且建立塌秧輻照量的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)對(duì)當(dāng)前實(shí)際太陽(yáng)光輻照量的數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)校核，并且對(duì)模型相應(yīng)地做出修正，最后利用labview圖形化軟件編寫預(yù)測(cè)模型，對(duì)太陽(yáng)光輻照量給出動(dòng)態(tài)的預(yù)測(cè)與預(yù)判，為太陽(yáng)能利用提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：馬爾可夫鏈；太陽(yáng)輻照量；Labview

太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度是太陽(yáng)能利用的關(guān)鍵自然環(huán)境，但是由于氣候條件變化多端，能源的利用存在相當(dāng)大的不確定性，所以太陽(yáng)能光伏發(fā)電站的發(fā)電量的波動(dòng)對(duì)與電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，故兒對(duì)太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度的預(yù)測(cè)在光伏利用過(guò)程中顯得尤為重要。

目前對(duì)于天氣的預(yù)測(cè)模型很多，利用觀測(cè)的抬動(dòng)信息和輻照量的物理計(jì)算模型，對(duì)短期輻照量給出了精度高的預(yù)測(cè)：一是對(duì)于以往的數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉和整理，模擬太陽(yáng)輻照的變化動(dòng)態(tài)規(guī)律，同時(shí)擬合預(yù)測(cè)模型，從而推算出來(lái)太陽(yáng)光的未來(lái)輻照量；二是天津大學(xué)王守相等提出的基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)和ELM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逐時(shí)太陽(yáng)能輻照預(yù)測(cè)的方法，雖然這種方法改善了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法，大大提高了訓(xùn)練速度，但是也由于其系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜龐大，讓他的操作成本升高，易用性降低。

本文利用馬爾可夫鏈與馬爾可夫決策過(guò)程理論在離散數(shù)學(xué)中的廣泛應(yīng)用，提出了一種馬爾可夫數(shù)學(xué)模型，根據(jù)以往的歷史資料，并且通過(guò)labview軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，分散統(tǒng)計(jì)。通過(guò)概率轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行計(jì)算，并且迭代計(jì)算轉(zhuǎn)移矩陣，多次迭代后，從而得到其預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，而且能夠?qū)γ刻飚a(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)再擬合，從而能夠?qū)崟r(shí)更新太陽(yáng)能輻照量的數(shù)據(jù)，為光伏發(fā)電站的運(yùn)行提供有力的理論依據(jù)。

一、馬爾可夫過(guò)程

馬爾可夫預(yù)測(cè)法，是可以預(yù)測(cè)事件發(fā)生概率的一種方法。這是基于馬爾可夫鏈，根據(jù)事件的目前狀況預(yù)測(cè)其將來(lái)各個(gè)時(shí)刻（或時(shí)期）變動(dòng)狀況的一種預(yù)測(cè)方法。

1. 首先設(shè){X（t）；t∈T}是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，如果在t0時(shí)刻所處的狀態(tài)為已知時(shí)，t0以后的狀態(tài)與它在時(shí)刻t0之前所處的狀態(tài)無(wú)關(guān)，則稱具有馬爾可夫性。

2. 設(shè){X（t）；t∈T}的狀態(tài)空間為S，如果對(duì)于任意的n≥2，任意的t1

根據(jù)式（1），可以稱{X（t）；t∈T}為馬爾可夫過(guò)程。

二、預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

首先通過(guò)對(duì)馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)法的研究，其屬于系統(tǒng)工程中概率預(yù)測(cè)法，主要是研究事物或現(xiàn)象的狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移。而且在不同狀態(tài)，初始狀態(tài)，以及轉(zhuǎn)移狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)移，而且不同狀態(tài)的初始概率以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率與事物或未來(lái)的變化息息相關(guān)，這樣預(yù)測(cè)確定了事物或現(xiàn)象未來(lái)的變化趨勢(shì)，從而達(dá)到對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)的目的。

太陽(yáng)輻射量和光伏電站的發(fā)電量密切相關(guān)，但是兩者的變化過(guò)程又是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程。馬爾可夫鏈預(yù)測(cè)型是把系統(tǒng)看作一個(gè)整體，通過(guò)每天不同時(shí)刻太陽(yáng)能輻射量和環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)構(gòu)成狀態(tài)，根據(jù)每個(gè)時(shí)刻發(fā)電量狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，有效預(yù)知未來(lái)系統(tǒng)發(fā)電量的構(gòu)成狀況。此外，馬爾可夫模型有利于綜合考慮各種影響因素。因此馬爾可夫模型是一種可以對(duì)隨機(jī)性比較大的事物或現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)的模型。

根據(jù)太陽(yáng)每天輻射量，后一天比前一天的輻射量差值，來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分類，進(jìn)行數(shù)據(jù)的離散化。

三、程序編寫與應(yīng)用

首先根據(jù)式（1）在軟件labview中進(jìn)行程序的編寫，實(shí)現(xiàn)公式中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，再次通過(guò)表1進(jìn)行數(shù)據(jù)段分類，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換，這也就是基礎(chǔ)預(yù)測(cè)矩陣，整個(gè)預(yù)測(cè)程序界面如圖1。圖2和圖3都是為labview程序局部圖，分別為數(shù)據(jù)段分類和預(yù)測(cè)值判定。

四、模型應(yīng)用與預(yù)測(cè)

以武漢地區(qū)（北緯3037東經(jīng)11408），2001年太陽(yáng)總輻射數(shù)據(jù)為研究樣本，以及上面構(gòu)建的馬爾可夫預(yù)測(cè)模型，對(duì)太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值校對(duì)，如表2所示。

根據(jù)表2，做出如圖4曲線，其中實(shí)線為實(shí)際值，虛線為預(yù)測(cè)值。

如圖4所示，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值總體趨勢(shì)已經(jīng)非常接近，但是其預(yù)測(cè)點(diǎn)個(gè)別數(shù)據(jù)相差較大，最大的誤差157.5%，存在極大的離散性問(wèn)題，分析所得，主要的誤差都是來(lái)自于a類分類，說(shuō)明相對(duì)于a類數(shù)據(jù)分類則較為粗糙，范圍過(guò)大。

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析太陽(yáng)能輻照量，總結(jié)輻照量的預(yù)測(cè)，建立了基于馬爾科夫鏈太陽(yáng)能輻照量的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，利用labview編寫了預(yù)測(cè)程序，并利用該模型完成日輻照量的預(yù)測(cè)。在對(duì)分析預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差，充分認(rèn)識(shí)到了影響誤差的根本原因在數(shù)據(jù)段分類的范圍。所以在后續(xù)的研究工作中，著重研究數(shù)據(jù)分類，使預(yù)測(cè)模型能過(guò)對(duì)歷史太陽(yáng)能輻照進(jìn)行預(yù)測(cè)總結(jié)，減小實(shí)測(cè)過(guò)程中的不確定因素，使得預(yù)測(cè)模型能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整，從而提高模型預(yù)測(cè)精度。

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（作者單位：武漢科技大學(xué)城市學(xué)院）