基于稀疏表示方法的短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)

李世昌， 李 軍

(1.中信重工工程技術(shù)有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

隨著可再生能源的發(fā)展，風(fēng)能已經(jīng)引起越來(lái)越多的關(guān)注。短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)對(duì)電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的意義[1]，因此是新能源應(yīng)用領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)基于線回歸的預(yù)測(cè)模型，如自回歸積分滑動(dòng)平均模型、卡爾曼濾波等，難以表述風(fēng)電功率變化的內(nèi)在非線性特征，更先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2-3]、支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)[4]、極限學(xué)習(xí)機(jī)(Extreme Learning Machine,ELM)[5]在風(fēng)電功率預(yù)測(cè)中取得了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。文獻(xiàn)[5]給出一種基于改進(jìn)的ELM預(yù)測(cè)方法，該方法具有學(xué)習(xí)速度快、泛化性能好的優(yōu)點(diǎn)，并已在風(fēng)電功率預(yù)測(cè)中成功應(yīng)用。

稀疏表示在圖像領(lǐng)域中作為一種特征提取手段得到廣泛應(yīng)用[6]。稀疏表示方法包括稀疏編碼和字典學(xué)習(xí)。文獻(xiàn)[7]將基于正交匹配追蹤(Orthogonal Matching Pursuit,OMP)的貪婪學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于數(shù)據(jù)恢復(fù)中。文獻(xiàn)[8]給出了針對(duì)信號(hào)稀疏表示的過(guò)完備字典進(jìn)行訓(xùn)練的高效字典學(xué)習(xí)算法——K-均值奇異值分解(K-Means Singular Value Decomposition，K-SVD)算法及其實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[9]則給出一種直接基于K-SVD的字典學(xué)習(xí)算法構(gòu)建預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)方法，將其成功用于金融領(lǐng)域時(shí)間序列的股票收益預(yù)測(cè)中。

鑒于稀疏表示方法的良好特性，本文提出一種基于字典學(xué)習(xí)的K-SVD-OMP特征建模方法，與SVM或ELM方法結(jié)合，構(gòu)成全局預(yù)測(cè)模型。所提出的方法將其應(yīng)用于短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)中，在同等條件下，將基于不同稀疏表示特征提取的建模方法，以及現(xiàn)有的單一預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所提出的方法的有效性。

1 信號(hào)的稀疏表示

稀疏表示是基于超完備字典中少數(shù)基向量，以更簡(jiǎn)潔的形式表示原信號(hào)，以獲取原信號(hào)的內(nèi)在特性信息。信號(hào)x∈Rm的稀疏表示為

x=Φα

(1)

式中，α∈RK為系數(shù)向量；Φ={φ1,φ2,…，φK}∈Rm×K為字典矩陣，φi為字典Φ中的基向量。

針對(duì)式(1)，通過(guò)l0范數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的求解，可獲得α∈RK的近似逼近，即

(2)

式中，δ為誤差指標(biāo)且δ≥0。

對(duì)式(2)中系數(shù)向量α的非零數(shù)目進(jìn)行約束，可變換為

(3)

式中，M為稀疏度，即α中的非零系數(shù)的數(shù)目。

對(duì)式(2)和式(3)的求解本質(zhì)是一個(gè)NP難問(wèn)題，可采用貪婪算法或松弛算法進(jìn)行逼近求解，采用松弛算法時(shí)，式(2)的優(yōu)化問(wèn)題可變形為

(4)

式(4)為式(2)的l1范數(shù)表達(dá)形式。式(4)可通過(guò)LASSO(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator)方法[10]求解。

2 K-SVD-OMP算法

在稀疏表示中，針對(duì)字典有不同的構(gòu)造方式，一般有分析字典和學(xué)習(xí)字典兩大類，分析字典有小波字典、離散余弦變換(Discrete Cosine Transform,DCT)字典等，本文采用在字典構(gòu)造中自適應(yīng)能力更強(qiáng)的K-SVD學(xué)習(xí)字典。

2.1 K-SVD算法

K-SVD算法在K-均值基礎(chǔ)上對(duì)K個(gè)不同子集進(jìn)行SVD分解，構(gòu)造出初始字典并對(duì)字典中的原子進(jìn)行更新，其更新策略是對(duì)字典Φ的原子(即其列向量)，按順序更新。在算法迭代更新過(guò)程中，主要為兩個(gè)步驟：稀疏編碼求解和字典更新學(xué)習(xí)。

K-SVD算法的目標(biāo)方程可表示為

(5)

式(5)的求解即為稀疏編碼，本質(zhì)上式(5)的求解與式(3)是相同的，即可采用不同的稀疏編碼求解算法，得到對(duì)應(yīng)于字典矩陣Φ上的原信號(hào)的稀疏表示的系數(shù)矩陣A。

(6)

式中，Ek為字典Φ剝離原子φk后，在所有N個(gè)數(shù)據(jù)樣本中帶來(lái)的誤差。

(7)

2.2 OMP算法

針對(duì)式(3)中稀疏向量求解的問(wèn)題，可采用貪婪算法求解策略，得到對(duì)應(yīng)于字典矩陣Φ上的原信號(hào)的稀疏表示的系數(shù)向量α。其中，OMP算法是MP算法的改進(jìn)，它對(duì)所選的全部原子進(jìn)行正交化處理，使得在相同迭代次數(shù)下，OMP結(jié)果更優(yōu)。

對(duì)式(3)中稀疏編碼向量的求解問(wèn)題，可轉(zhuǎn)換為

(8)

針對(duì)式(8)的系數(shù)編碼求解，采用OMP算法實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下。

① 初始化參數(shù)，令索引集Λ0=?，殘差向量r0=x，迭代次數(shù)t=1。

② 求解出字典矩陣中原子φi與殘差r內(nèi)積最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的索引χt，即

(9)

該步驟是一個(gè)貪心選擇求解過(guò)程。

③ 增廣索引集，選擇索引集Λt=Λt-1∪{χt}，更新字典Φt=[Φt-1,φχt]，需要注意的是，Φ0是空矩陣。

④ 由最小二乘問(wèn)題求解，可獲取原數(shù)據(jù)新的表示，即

(10)

⑤ 更新殘差rt=x-Φtαt。

⑥t=t+1，判定是否滿足t≤M，若不滿足則執(zhí)行步驟②。

3 基于稀疏表示的時(shí)間序列預(yù)測(cè)全局模型

下面具體闡述基于稀疏表示的特征提取方法與不同預(yù)測(cè)模型結(jié)合構(gòu)建的短期風(fēng)電功率時(shí)間序列模型。

針對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù){yi}，i=1,2,…,N，將其構(gòu)建為預(yù)測(cè)模型的輸入數(shù)據(jù)集，預(yù)測(cè)模型為

(11)

在ELM預(yù)測(cè)模型中，對(duì)于一個(gè)有L個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SLFN)，當(dāng)給定激活函數(shù)為h(x)時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的輸出為

(12)

Hθ=t

(13)

式中，θ為輸出權(quán)值向量；H為隱含層的輸出矩陣；t為目標(biāo)矩陣。

ELM的輸出等價(jià)于求解線性方程Hθ=t的最小二乘法求解，即

(14)

式中，H+為輸出矩陣H的廣義逆矩陣。考慮到求解的穩(wěn)定性，進(jìn)一步得到：

(15)

式中，η為正則化參數(shù)。ELM的輸出函數(shù)為

(16)

考慮SVM完成時(shí)，采用LIBSVM軟件求解。對(duì)于單輸出的ε-SVM，則有

(17)

k(xi,xj)選取高斯核函數(shù)，即：

k(xi,xj)=exp(-0.5‖xi-xj‖2/ζ2)

(18)

式中，ζ為函數(shù)的寬度參數(shù)，設(shè)定函數(shù)的徑向作用范圍。

將基于K-SVD-OMP算法的稀疏表示特征提取建模方法應(yīng)用在短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)中，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

③ 基于2.2節(jié)中的OMP算法，可得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的輸入xi，在超完備字典Φ上所對(duì)應(yīng)的稀疏表示系數(shù)向量αi。

④ 將αi作為預(yù)測(cè)模型f(·)輸入，訓(xùn)練集中相對(duì)應(yīng)的yi作為模型輸出，f(·)可采用式(16)或式(17)，對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

為對(duì)比在稀疏表示特征提取建模方法中不同的字典構(gòu)建方法與稀疏編碼求解算法對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，本實(shí)驗(yàn)考慮了非字典學(xué)習(xí)的稀疏編碼算法(如初始字典選擇DCT字典),另外，稀疏編碼算法還采用了LASSO算法，即將DCT-LASSO、DCT-OMP、K-SVD-LASSO等不同的稀疏表示建模方法在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)中預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)采用相對(duì)誤差(Relative Error，RE)、平均絕對(duì)百分比誤差(Mean Absolute Percentage Error,MAPE)和均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)，即

(19)

(20)

(21)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于某風(fēng)電場(chǎng)2011年全年的實(shí)際風(fēng)電功率值，由加拿大亞伯達(dá)省電網(wǎng)公司提供[11]，其原數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電功率數(shù)值采樣間隔為10 min。實(shí)驗(yàn)中對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取該風(fēng)電場(chǎng)3月24日至4月15日之前的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，4月16日全天數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)，并將3個(gè)連續(xù)的原數(shù)據(jù)進(jìn)行加和平均，即處理為采樣間隔為30 min的新數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)模型輸入構(gòu)造如式(11)所示，嵌入維m=6，步長(zhǎng)h=1，延遲常數(shù)τ=1。

實(shí)驗(yàn)中，K-SVD算法中為保證得到超完備字典m

圖1 K-SVD字典迭代重構(gòu)誤差曲線

圖2 不同稀疏度下的不同預(yù)測(cè)模型MAPE對(duì)比

為對(duì)比不同特征提取建模預(yù)測(cè)方法，在M=5時(shí)，將本文所提出的基于字典學(xué)習(xí)的K-SVD-OMP方法與DCT非字典學(xué)習(xí)的特征提取建模方法，以及采用單一模型的SVM、ELM預(yù)測(cè)方法在相同條件下進(jìn)行對(duì)比。其中，LASSO算法中，選擇λ=0.2。表1列出了不同稀疏表示方法的預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)值比較。

表1 多種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

由表1可見(jiàn)，與單一SVM、ELM方法相比，采用稀疏表示特征提取建模的各預(yù)測(cè)方法的各預(yù)測(cè)指標(biāo)均有提高，其中，基于字典學(xué)習(xí)的K-SVD-OMP特征提取建模方法對(duì)預(yù)測(cè)精度提升最有效，并在與ELM結(jié)合時(shí)取得了最好的預(yù)測(cè)效果。

為進(jìn)一步衡量稀疏表示特征提取與ELM結(jié)合模型的預(yù)測(cè)效果，圖3給出了單一ELM預(yù)測(cè)方法與ELM結(jié)合不同稀疏表示特征提取建模方法的絕對(duì)百分比誤差(Aboluate Percentage Errors,APE)的箱線圖。由圖3可以看出，在APE指標(biāo)下，基于字典學(xué)習(xí)的K-SVD-OMP方法與DCT非字典學(xué)習(xí)的特征提取建模方法相比，預(yù)測(cè)精度分布更為集中，預(yù)測(cè)精度更高。

圖3 不同稀疏表示建模方法的箱線圖

圖4給出了K-SVD-OMP、K-SVD-LASSO結(jié)合ELM的預(yù)測(cè)方法與DCT-OMP、DCT-LASSO、單一ELM方法與實(shí)際風(fēng)電功率預(yù)測(cè)結(jié)果比較。不同稀疏表示特征提取建模方法的預(yù)測(cè)結(jié)果與相對(duì)誤差對(duì)比如圖4、圖5所示，結(jié)果表明基于K-SVD-OMP特征提取建模方法的預(yù)測(cè)結(jié)果擬合最好，相對(duì)誤差波動(dòng)較小。

圖4 不同稀疏表示建模方法的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖5 不同稀疏表示建模方法的相對(duì)誤差對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)實(shí)例，提出一種基于稀疏表示特征提取建模的K-SVD-OMP方法。該方法在字典構(gòu)建階段采用K-SVD算法，對(duì)重構(gòu)誤差進(jìn)行SVD分解，使用最小的重構(gòu)誤差分解項(xiàng)對(duì)初始字典進(jìn)行逐列更新，往復(fù)迭代直至獲取最優(yōu)解，較采用非字典學(xué)習(xí)的稀疏表示特征提取建模方法，在滿足稀疏度的要求下對(duì)不同數(shù)據(jù)的自適應(yīng)更好。在稀疏表示編碼求解階段采用OMP算法，因?qū)λx的全部原子進(jìn)行正交化處理，使得在相同迭代次數(shù)下，較LASSO算法結(jié)果更優(yōu)。將所提出的稀疏表示特征方法與不同全局回歸模型結(jié)合，并應(yīng)用在短期風(fēng)電功率預(yù)測(cè)實(shí)例中，與已有的單一SVM或ELM方法行了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法具有更高的預(yù)測(cè)精度，顯示出更好的預(yù)測(cè)效果。還可考慮采用其他的字典學(xué)習(xí)算法進(jìn)行進(jìn)一步研究，將其應(yīng)用于電力負(fù)荷峰值預(yù)測(cè)領(lǐng)域中。