一种电力负荷时间序列大数据智能建模与预测方法技术

本发明专利技术公开了一种电力负荷时间序列大数据智能建模与预测方法，对电力负荷时间序列历史数据进行小波分解，将电力负荷时间序列历史数据分解为电力负荷高频时间序列历史数据和低频时间序列历史数据，然后对所有时间序列进行集成化处理，对时间序列进行聚类，对每种聚类类别的时间序列基于Elman神经网络建立负荷预测模型，最后对预测的分解后的电力负荷进行重构，完成对电力负荷时间序列的智能建模，从而实现对不同特征的电力负荷进行高效、智能预测。

【技术实现步骤摘要】
一种电力负荷时间序列大数据智能建模与预测方法
本专利技术属于电力系统领域，具体涉及一种电力负荷时间序列大数据智能建模与预测方法。
技术介绍
电力系统在人们生活中发挥中重要的作用，近年来，电力系统如何规划，对电力系统负荷如何调度，来确保人们获得安全、经济、优质的电能受到越来越多的关注。电力负荷大小作为衡量电力系统性能的重要指标之一，对电力负荷进行预测能为优化电力系统提供选择方案，为电力系统进行优质管理起到有效的作用。传统对电力负荷时间序列进行预测的主要方法是先将非平稳时间序列转换成平稳时间序列，然后使用ARMA模型、TAR模型和ARIMA模型等模型对平稳时间序列进行预测。传统方法建立预测模型较为简单，对电力负荷时间序列的平稳性要求较高，且对非平稳时间序列进行处理时未能寻求关键特征，电力负荷的预测精度和准确度不高。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种电力负荷时间序列大数据智能建模与预测方法，实现对不同特征的电力负荷进行高效、智能、精确预测。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种电力负荷时间序列大数据智能建模与预测方法，包括以下步骤：步骤1，获取历史时间段内的电力负荷值，组成电力负荷时间序列历史数据；步骤2，对电力负荷时间序列历史数据进行n层小波分解，得到n层电力负荷高频时间序列历史数据和1层电力负荷低频时间序列历史数据；步骤3，按照时间窗，将n层高频时间序列历史数据和1层低频时间序列历史数据分别截断得到n*Q个高频时间序列分量{xh,i}和Q个低频时间序列分量{xl,i}，其中时间窗长度为L1；其中，xh,i表示第i个高频时间序列分量，xl,i表示第i个低频时间序列分量；步骤4，按照时间子窗，将所有的高频时间序列分量xh,i和低频时间序列分量xl,i都分为L1/L2个时间子窗，对每个时间子窗内的电力负荷值进行集成化，得到维度均为L1/L2的高频时间序列集成分量{x'h,i}和低频时间序列集成分量{x'l,i}；其中，时间子窗长度为L2，L1为L2的整数倍；步骤5，设聚类簇数为k，设置相似性度量函数，分别对高频时间序列集成分量{x'h,i}和低频时间序列集成分量{x'l,i}进行标准化处理，然后按相似性度量函数进行层次聚类，得到k个高频时间序列聚类类别和相应的k个高频聚类中心，以及k个低频时间序列聚类类别和k个低频聚类中心；步骤6，分别针对2*k个聚类类别，构建各负荷预测模型的训练样本；针对每个聚类类别，将其中m个元素作为与聚类类别对应的负荷预测模型的训练样本Y＝{yj,j＝1,2,…,m}；其中，yj＝[xj,1,xj,2,…xj,l,…,xj,L1/L2]表示训练样本Y中的第j组训练向量，xj,l表示第j组训练向量中的第l个电力负荷集成值，所述元素是指聚类类别下的高频时间序列集成分量或低频时间序列集成分量；步骤7，分别对2*k个聚类类别，建立2*k个负荷预测模型；对每个聚类类别建立对应的负荷预测模型的过程如下：步骤7.1，设局部变量l＝1；步骤7.2，对于每个负荷预测模型，将对应聚类类别的负荷预测模型训练样本Y＝{yj,j＝1,2,…,m}中的每个训练向量yj内的xj,l,xj,l+1,xj,l+2,xj,l+3,xj,l+4为输入、xj,l+5为输出，训练Elman神经网络，判断l＝L1/L2-5是否成立：若成立则进入步骤7.3，否则l＝l+1，重复步骤7.2；步骤7.3，针对2*k个聚类类别，每个聚类类别利用各自的训练样本训练Elman神经网络，分别得到与聚类类别对应的2*k个负荷预测模型；步骤8，使用步骤7.3得到的负荷预测模型对目标时间T的电力负荷进行实时预测，包括以下步骤：步骤8.1，实时采集当前时刻及近期的电力负荷值，组成电力负荷时间序列实时数据；步骤8.2，利用步骤2中的小波分解方法，将电力负荷时间序列实时数据分解为n层电力负荷高频时间序列实时数据和1层电力负荷低频时间序列实时数据；步骤8.3，利用步骤4中的方法，按照时间子窗，将n层电力负荷高频时间序列实时数据和1层电力负荷低频时间序列实时数据进行集成化，得到n层高频时间序列集成分量和1层低频时间序列集成分量；步骤8.4，利用步骤5设置的相似性度量函数，分别计算n层高频时间序列集成分量与k个高频聚类中心中同时间子窗的部分序列之间的相似性、1层低频时间序列集成分量与k个低频聚类中心中同时间子窗的部分序列之间的相似性，为n个高频时间序列集成分量和1个低频时间序列集成分量分别找到聚类类别，将n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量中与目标时间T最近的各自5个电力负荷集成值进行标准化处理，并分别输入到与聚类类别对应的负荷预测模型中，得到n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量中各自的下一时刻的电力负荷标准化值，并分别进行反标准化后插入到n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量的首位，更新n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量；步骤8.5，判断n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量的首位数据所在时刻是否超过目标时间T，若是，进入步骤8.6，否则，返回步骤8.4；步骤8.6，采用小波重构方法，将n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量进行重构，得到电力负荷时间序列预测向量。进一步地，将小波分解层次n的临界分解层数设为N，聚类簇数k的临界聚类簇数设为K，且首次进行步骤2小波分解的小波分解层次n设为初始值n0，首次进行步骤5聚类簇数k设置的初始值为k0，在步骤6还根据各个聚类类别下的元素构建参数寻优样本：针对每个聚类类别，将各个聚类类别下除去相应的训练样本所剩余的p个元素，作为与聚类类别对应的负荷预测模型的参数调优样本R＝{re,e＝1,2,…,p}；其中，re＝[re,1,re,2,…,re,l,…,re,L1/L2]表示参数调优样本R中的第e组调优向量，re,l表示第e组调优向量中的第l个电力负荷值；在步骤7后还包括：步骤C，寻优小波分解层次n和聚类簇数k，得到最优小波分解层次nbest和最优聚类簇数kbest，具体为：步骤C1，定义局部变量l＝1，进入步骤C2；步骤C2，依次将每个聚类类别的参数调优样本R＝{re,e＝1,2,…,p}中的每个调优向量内的re,l,re,l+1,re,l+2,re,l+3,re,l+4，分别输入到对应聚类类别的负荷预测模型中，判断l＝L1/L2-5是否成立，若成立，则进入步骤C3，否则，l＝l+1，重复步骤C2；步骤C3，依据调优向量所属的时间窗，将所有聚类类别的负荷预测模型的输出值组成所属时间窗的长度为l＝L1/L2-5的n个高频时间序列预测标准化分量和1个低频时间序列预测标准化分量，分别进行反标准化处理，得到n个高频时间序列预测分量xh,j”和1个低频时间序列预测分量xl”，利用小波重构公式得到电力负荷时间序列预测向量；步骤C4，利用步骤4中的方法，按照时间子窗，将电力负荷时间序列历史数据进行集成化，得到电力负荷时间序列历史数据集成序列，计算所有的电力负荷时间序列预测向量与电力负荷时间序列历史数据集成序列中对应时间子窗组成的电力负荷时间序列向量之间的均方误差之和，判断均方误差之和是否小于设定误差极限值，若是，则本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力负荷时间序列大数据智能建模与预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取历史时间段内的电力负荷值，组成电力负荷时间序列历史数据；步骤2，对电力负荷时间序列历史数据进行n层小波分解，得到n层电力负荷高频时间序列历史数据和1层电力负荷低频时间序列历史数据；步骤3，按照时间窗，将n层高频时间序列历史数据和1层低频时间序列历史数据分别截断得到n*Q个高频时间序列分量{xh,i}和Q个低频时间序列分量{xl,i}，其中时间窗长度为L1；其中，xh,i表示第i个高频时间序列分量，xl,i表示第i个低频时间序列分量；步骤4，按照时间子窗，将所有的高频时间序列分量xh,i和低频时间序列分量xl,i都分为L1/L2个时间子窗，对每个时间子窗内的电力负荷值进行集成化，得到维度均为L1/L2的高频时间序列集成分量{x'h,i}和低频时间序列集成分量{x'l,i}；其中，时间子窗长度为L2，L1为L2的整数倍；步骤5，设聚类簇数为k，设置相似性度量函数，分别对高频时间序列集成分量{x'h,i}和低频时间序列集成分量{x'l,i}进行标准化处理，然后按相似性度量函数进行层次聚类，得到k个高频时间序列聚类类别和相应的k个高频聚类中心，以及k个低频时间序列聚类类别和k个低频聚类中心；步骤6，分别针对2*k个聚类类别，构建各负荷预测模型的训练样本；针对每个聚类类别，将其中m个元素作为与聚类类别对应的负荷预测模型的训练样本Y＝{yj,j＝1,2,…,m}；其中，yj＝[xj,1,xj,2,…xj,l,…,xj,L1/L2]表示训练样本Y中的第j组训练向量，xj,l表示第j组训练向量中的第l个电力负荷集成值，所述元素是指聚类类别下的高频时间序列集成分量或低频时间序列集成分量；步骤7，分别对2*k个聚类类别，建立2*k个负荷预测模型；对每个聚类类别建立对应的负荷预测模型的过程如下：步骤7.1，设局部变量l＝1；步骤7.2，对于每个负荷预测模型，将对应聚类类别的负荷预测模型训练样本Y＝{yj,j＝1,2,…,m}中的每个训练向量yj内的xj,l,xj,l+1,xj,l+2,xj,l+3,xj,l+4为输入、xj,l+5为输出，训练Elman神经网络，判断l＝L1/L2‑5是否成立：若成立则进入步骤7.3，否则l＝l+1，重复步骤7.2；步骤7.3，针对2*k个聚类类别，每个聚类类别利用各自的训练样本训练Elman神经网络，分别得到与聚类类别对应的2*k个负荷预测模型；步骤8，使用步骤7.3得到的负荷预测模型对目标时间T的电力负荷进行实时预测，包括以下步骤：步骤8.1，实时采集当前时刻及近期的电力负荷值，组成电力负荷时间序列实时数据；步骤8.2，利用步骤2中的小波分解方法，将电力负荷时间序列实时数据分解为n层电力负荷高频时间序列实时数据和1层电力负荷低频时间序列实时数据；步骤8.3，利用步骤4中的方法，按照时间子窗，将n层电力负荷高频时间序列实时数据和1层电力负荷低频时间序列实时数据进行集成化，得到n层高频时间序列集成分量和1层低频时间序列集成分量；步骤8.4，利用步骤5设置的相似性度量函数，分别计算n层高频时间序列集成分量与k个高频聚类中心中同时间子窗的部分序列之间的相似性、1层低频时间序列集成分量与k个低频聚类中心中同时间子窗的部分序列之间的相似性，为n个高频时间序列集成分量和1个低频时间序列集成分量分别找到聚类类别，将n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量中与目标时间T最近的各自5个电力负荷集成值进行标准化处理，并分别输入到与聚类类别对应的负荷预测模型中，得到n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量中各自的下一时刻的电力负荷标准化值，并分别进行反标准化后插入到n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量的首位，更新n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量；步骤8.5，判断n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量的首位数据所在时刻是否超过目标时间T，若是，进入步骤8.6，否则，返回步骤8.4；步骤8.6，采用小波重构方法，将n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量进行重构，得到电力负荷时间序列预测向量。...

【技术特征摘要】
1.一种电力负荷时间序列大数据智能建模与预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取历史时间段内的电力负荷值，组成电力负荷时间序列历史数据；步骤2，对电力负荷时间序列历史数据进行n层小波分解，得到n层电力负荷高频时间序列历史数据和1层电力负荷低频时间序列历史数据；步骤3，按照时间窗，将n层高频时间序列历史数据和1层低频时间序列历史数据分别截断得到n*Q个高频时间序列分量{xh,i}和Q个低频时间序列分量{xl,i}，其中时间窗长度为L1；其中，xh,i表示第i个高频时间序列分量，xl,i表示第i个低频时间序列分量；步骤4，按照时间子窗，将所有的高频时间序列分量xh,i和低频时间序列分量xl,i都分为L1/L2个时间子窗，对每个时间子窗内的电力负荷值进行集成化，得到维度均为L1/L2的高频时间序列集成分量{x'h,i}和低频时间序列集成分量{x'l,i}；其中，时间子窗长度为L2，L1为L2的整数倍；步骤5，设聚类簇数为k，设置相似性度量函数，分别对高频时间序列集成分量{x'h,i}和低频时间序列集成分量{x'l,i}进行标准化处理，然后按相似性度量函数进行层次聚类，得到k个高频时间序列聚类类别和相应的k个高频聚类中心，以及k个低频时间序列聚类类别和k个低频聚类中心；步骤6，分别针对2*k个聚类类别，构建各负荷预测模型的训练样本；针对每个聚类类别，将其中m个元素作为与聚类类别对应的负荷预测模型的训练样本Y＝{yj,j＝1,2,…,m}；其中，yj＝[xj,1,xj,2,…xj,l,…,xj,L1/L2]表示训练样本Y中的第j组训练向量，xj,l表示第j组训练向量中的第l个电力负荷集成值，所述元素是指聚类类别下的高频时间序列集成分量或低频时间序列集成分量；步骤7，分别对2*k个聚类类别，建立2*k个负荷预测模型；对每个聚类类别建立对应的负荷预测模型的过程如下：步骤7.1，设局部变量l＝1；步骤7.2，对于每个负荷预测模型，将对应聚类类别的负荷预测模型训练样本Y＝{yj,j＝1,2,…,m}中的每个训练向量yj内的xj,l,xj,l+1,xj,l+2,xj,l+3,xj,l+4为输入、xj,l+5为输出，训练Elman神经网络，判断l＝L1/L2-5是否成立：若成立则进入步骤7.3，否则l＝l+1，重复步骤7.2；步骤7.3，针对2*k个聚类类别，每个聚类类别利用各自的训练样本训练Elman神经网络，分别得到与聚类类别对应的2*k个负荷预测模型；步骤8，使用步骤7.3得到的负荷预测模型对目标时间T的电力负荷进行实时预测，包括以下步骤：步骤8.1，实时采集当前时刻及近期的电力负荷值，组成电力负荷时间序列实时数据；步骤8.2，利用步骤2中的小波分解方法，将电力负荷时间序列实时数据分解为n层电力负荷高频时间序列实时数据和1层电力负荷低频时间序列实时数据；步骤8.3，利用步骤4中的方法，按照时间子窗，将n层电力负荷高频时间序列实时数据和1层电力负荷低频时间序列实时数据进行集成化，得到n层高频时间序列集成分量和1层低频时间序列集成分量；步骤8.4，利用步骤5设置的相似性度量函数，分别计算n层高频时间序列集成分量与k个高频聚类中心中同时间子窗的部分序列之间的相似性、1层低频时间序列集成分量与k个低频聚类中心中同时间子窗的部分序列之间的相似性，为n个高频时间序列集成分量和1个低频时间序列集成分量分别找到聚类类别，将n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量中与目标时间T最近的各自5个电力负荷集成值进行标准化处理，并分别输入到与聚类类别对应的负荷预测模型中，得到n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量中各自的下一时刻的电力负荷标准化值，并分别进行反标准化后插入到n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量的首位，更新n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量；步骤8.5，判断n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量的首位数据所在时刻是否超过目标时间T，若是，进入步骤8.6，否则，返回步骤8.4；步骤8.6，采用小波重构方法，将n个高频时间序列集成分量以及1个低频时间序列集成分量进行重构，得到电力负荷时间序列预测向量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将小波分解层次n的临界分解层数设为N，聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辉，于程名，吴海平，尹恒鑫，刘泽宇，陈浩林，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43