遗传算法改进灰色RBF模型在负荷预测中的应用
2024-03-09
来源:小奈知识网
《电气自动化)2Ol1年第33卷第6期 电力系统及其自动化 Power System&Automation 遗传算法改进灰色RBF模型在负荷预测中的应用 吴曦袁荣湘 430072) (武汉大学电气工程学院。湖北武汉摘要:灰色模型和神经网络作为常用的负荷预测方法虽应用较广,但各有缺陷。将两者结合起来一定程度上能实现双方的互补,但 是存在的局部最优和收敛性问题一直没有很好的解决。利用遗传算法鲁棒性强、收敛速度快以及全局定位能力强的功能,代 替传统的最小二乘法对GM(1,1)模型的参数进行高效求解,可以避免陷入局部最优,实现全局最优。将优化后的GM(1,1)模 型与RBF神经网络结合起来,对某市的负荷进行预测。经分析知,用遗传算法优化过的灰色模型与RBF预测模型结合起来具 有更快的收敛速度和更高的精度。 关键词:GM(1,1)模型遗传算法RBF模型负荷预测 [中图分类号]TM744[文献标志码]A[文章编号]1000—3886(2011)06—0054—03 Genetic Algorithm Improve the Application of Gray RBF Model in Load Forecast Wu Xi Yuan Rongxiang (School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072,China) Abstract:Althrough the genetic algorithm and neutral networks are widely used in load forecasting,they both have their defects.Combing the two of them can have complementary advantages,but the problems of local optima and convergence have not been solved.Since the genetic algorithm has strong robustness,quick convergence and powerful global positioning capability,it is introduced to work out the parameters of the GM(1,1)in order to reduce the possibility of sinking into local optima。realizing the Global Optima.Then combine the optimized GM(1,1)with the RBF model to forecast the load in a city。the result shows that the optimized model is faster and more accurate than山e trladiti0na1 one. Keywords:GM(1,1)Genetic algorithm Radila basis function neutral networks Load forecasting 0 引 言 电力系统负荷预测是电力规划、控制和运行等工作的重要组 成部分。准确的负荷预测有利于提高电网运行的安全稳定性,有 1 GM(1,1)传统建模 设原始序列为{ ‘。’(1), 。 (2),…, ‘。 (n)},一阶累加生 效地降低发电成本,增强供电可靠性,从而提高电力系统的经济 ‘(i)。其中k=1,2,…,n。由于 ‘‘ (k)具有指数增长规律,故满 效益和社会效益。因此,提高负荷预测精度具有重要意义。 负荷预测的方法很多。灰色模型作为一种常用的负荷预测 方法,具有要求数据少、不考虑分布规律、不考虑变化趋势等优 点,在电力负荷预测中应用越来越广泛 。』。但是,当数据离散 度大时,数据灰色变大,预测精度变差,不适合于中长期电力负荷 成序列{ “ (1), (2),…, “ ( )},其中 (k)=主 ‘。 足一阶线性微分方袒模型墼 +似(1):U o 取时刻k和k+1的 平均值÷[ (k+1)+ (k)],上式微分方程对k=1,2,…,n的结 果写成矩阵形式, 预测。径向基函数(RBF)神经网络是一种性能良好的前向网络, 既有生物背景,又与函数逼近理论相吻合,具有逼近非常复杂的 有 =BA,式中 非线性函数的功能,但过度的拟合逼近往往影响网络的泛化能 力。将灰色模型与RBF神经网络结合一定程度上能实现双方的 = =(:) 互补,但结合时存在局部最优和收敛性问题一直没有很好的 解决 一 。 本文利用遗传算法鲁棒性强、收敛速度快以及全局定位能力 1 一 rL*(1)(1)+ (1 (2)] 强的优点 -1o],代替传统的最小二乘法对GM(1,1)中的参数进 一行优化求解,可以避免陷入局部最优,从而实现全局寻优,而且改 进后的模型相结合时收敛速度更快,精度更高。并举例将该模型 首次在电力负荷预测中应用,发现具有很好的效果。 曰= ÷[ ㈩(2) (3)] ; 一 ㈩(n一1)+ ㈩(n)] 用最小二乘法得到最/b-乘近似解,有 =BA+E,式中,E为误 收稿日期:2011—04—25 54 ElectricaI Automation 差项。利用矩阵求导公式,可得 电力系统及其自动化 Power System&Automation 《电气自动化}2011年第33卷第6期 复制的次数及其期望值相差不大。 =( ) B :l。l 2.5交叉操作 对已经选择的个体随机选择交配对象,将该交配对象用凸杂 交的方法进行交叉操作。具体说来,对随机选择的一对个体A. 和A2,令A =X1A1+ 2A2,其中 l+ 2=1, l>0, 2>0。 得到的数据解是 ct =[ ‘1 一号】e一 号 再做累减还原,得原始数列{ 。 (1), ‘。 (2),…, ‘。 (n)}的灰 2.6变异操作 为使遗传算法具有局部随机搜索能力以及维持群体的多样 性,以一很小变异概率P 选择个体的某一位,用一个大于0小 色预测模型为 于1的随机数取代之。本文选取P =0.13。 ^(0)( +1)= ( ’( +1)一^(1)( ): 2.7终止操作 (e一一1) (1)一 计算新一代的群体是否能够让灰色模型达到需要的精度。 若能够达到要求,则停止运算,若不能达到要求,则继续执行(2. 由上述计算过程 “ 可知,在数据处理的过程中,背景值用 3),直至合乎要求 -16]。 3遗传算法改进的灰色I F神经网络 [ (k+1)+ (k)]来代替,这个背景值的设定其实是不够精确 的。若设灰导数 。 (k)= ‘ ’(k)一 ‘ (k一1)是n, 的导数,它 3.1径向基函数RBF简介 相应的背景值应该是 ‘ (∞ )=A ‘ ’(k一1)+(1一A ) ‘ RBF神经网络是一种局部神经网络,训练样本需求量比通常 的BP网络要少,比全局网络具有更好的建模精度,因此本文采用 (k),A ∈(0,1)其中A ,A:,…,A 具有高度的非线性关系,用常 RBF神经网络。从结构上说,RBF神经网络是单隐层的前向网 规方法很难解出。遗传算法自身具有鲁棒性强、收敛速度快以及 全局定位能力强的功能,能够很好解决这一问题,使该灰色模型 络,由三层构成:第一层是输入层,第二层是隐含层,第三层是输 一的拟合程度和预测模型精度得以提高m 。 出层。通常以高斯函数作为RBF径向基函数的基函数,可表 示为: 2遗传算法改进建模 2.1个体编码 2 1J :1 ,一2,…,’ m 鉴于实数编码对函数优化问题最为有效,本文个体编码采用 式中 ( ):第i个隐层节点的输出; :输入样本, =( ,, :, 实数编码方案,即染色体上的每位基因用一个大于0小于1的实 …, ) ;C :第i个隐层节点的高斯核函数的中心且与x具有相 数表示。 同的维数; :第i个隐层节点的变量,称标准化常数,或基宽度; 2.2随机产生初始群体 m:隐层节点的个数。 取群体规模为5O,应用随机试验,产生初始群体A =(A , 3.2常规灰色RBF建模 Af_2,…,A ),i=1,2,…,50 常规灰色RBF建模过程如下。首先分别对多个序列用灰色 2.3计算个体的适应值 GM(1,1)模型预测后,会得到一系列的预测值。然后将些数据用 对应于个体A ,i=1,2,…,50,设 (0)r 、 (0) 公式 (i)= 进行归一化处理。将灰色模型归一 [A1.2 ‘。 (1)+(1一A 一 一二i .2) (2)] 一[A .3 ‘ (2)+(1一kl化后的拟合值作为RBF神经网络模型的输入样本,实际值作为 B= ,3) ‘ (3)] 输出样本,对RBF神经网络进行训练,可以得到各层各个节点的 ; 权值和阀值,将GM(1,1)模型对下一时刻或多个时刻的的预测 一[Ai.nx (n一1)+(1一Afx‘ (n)] 值作为神经网络的输入,得到相应的输出为下一时刻或多个时刻 由 =(日T曰)一 求出参数。和“,并最终得到第i个个体对应 的最终预测值 J。 原始数据的拟合值,计算第i个个体的适应值: 3.3改进后的灰色RBF建模 ’ ,(A )= 设用遗传算法改进的灰色模型为IGM(1,1)。归一化方法同 (1+∑ (J})一^(0)( )J 7 上。然后用IGM(1,1)模型归一化后的拟合值作为输入样本,实 际值作为输出样本,对RBF神经网络进行训练。可以得到各层 若至l (。 ( )一 ㈤(|i})1达到给定的精度或执行到最大的代数, 各个节点的权值和阀值。将IGM(1,1)对下一时刻或多个时刻的 则结束。 预测值作为神经网络的输入,得到相应的输出为下一时刻或多个 2.4选择操作 时刻的最终预测值 。 计算个体的生存概率Pl: ,按随机通用采样的方法 4在负荷预测中的应用举例 A。) 某市04—09年各月的负荷值如表1所示。 选择适应值大的个体。该方法能够保证每个染色体在下一代中 ElectricaI Automation 55 《电气自动化>>2011年第33卷第6期 电力系统及其自动化 Power System&Automation 表1某市84-09年各月的负荷值单位:MW 一化值作为相应的 RBF神经网络。 输出样本训练IGM —仍然选取GOAL= Q 01,遗传算法改 进的灰色RBF训练 误差曲线如图3 所示。 由图3可知, 图3遗传算法改进后的灰色 RBF的训练误差曲线 经过13次训练,网 络 误 差 为 0.00847999,达 到误差目标 要求。 用改进后 先用传统的灰色模型计算得到原始数据的拟合值。然后将 其进行归一化处理。将归一化后的2004年至2008年的5组拟 的灰色模型对 2009年的预测 合值作为输入样本,这五年的实际负荷数据的归一化值作为相应 的输出样本训练GM—RBF神经网络。设计径向基函数网络时, 本文采用MATLAB7神经网络工具箱提供的newrb( )函数来设 计。newrb( )函数的代码为net=newrb(P,T,GOAL,SPREAD), 它的优点在于它一次循环只产生一个神经元,而且每增加一个径 向基神经元,都能最大程度的降低误差。故我们从0个神经元开 值作为输入样 本,经过训练好 始训练,通过检查输出误差使网络自动增加神经元。检查新网络 的误差,重复这个过程直到达到误差要求为止。选取GOAL= 0.01。灰色RBF的训练误差曲线如图1所示。 由图1可 Perfo-rmance is 0.0086979.Goal is 0.01 1O。 知,经过74次 呈 训练,网络训练 竺 误差为0.008 如法图的 误差比 ; 一- :》《= :; -5 …0一 …主.…■0… …l… — , g 1O t10。 ——————_、 宅 { 2O 4O SO 697 9,达到了误 差目标要求。 0"3 用灰色模 暑1测值作为输入 !磐l 型对09年的预 l璺 £!!74 Epochs 表2两种预测方法误差比较表 样本,经过训练 好的灰色REF 模型运算处 理,得到的用 图1灰色l F的训练误差曲线 由表2可知,遗传算法改进后的灰色REF模型比未改进的 电负荷与09 灰色模型具有更快的收敛速度。而且遗传算法改进的灰色REF 模型的相对误差和均方根相对误差均小于为改进的模型计算出 的误差,可知改进后的灰色REF模型具有更好的精度。 年的实际负荷 数据比较结果 如图2所示。 5 结束语 经遗传算法改进的灰色RBF模型,能够避免陷入局部最优,实 图2 09年GM-I F 拟合值与实际负荷值的对照图 我们用遗 传算法改进灰 色模型,用改进 现全局最优。改进的灰色RBF模型比未经改进的灰色RBF模型的 对未来值的预测精度更好,能够有效地降低了误差。因而在电力系 统领域负荷预测方面追求更高京精度时,可以采用这一方法。 (下转第60页) 后的灰色模型计算原始数据的拟合值,并将归一化处理过的2OO4年 至2008年的5组拟合值作为输入样本,这5年的实际负荷数据的归 56 Electrical Automation 《电气自动化}2011年第33卷第6期 电力系统及其自动化 Power System&Automation 法,染色体长度为59,取初始种群为50,初始交叉概率为0.9,初 始变异概率为0.01,在迭代到21代时得到最优解。可见本文的 萋 方法提高了收敛速度。 参考文献 [1]张大海,江世芳,赵建国.配电网重构研究的现状与展望[J].电力自 动化设备,2002,22(2):75—76,82. 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