云计算和机器学习算法在电力负荷预测中的研究与应用

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短期负荷预测是实现电力系统优化运行的基础,对于电力系统的安全性、可靠性和经济性都有着显著影响。随着电网智能化程度的加深,一线城市在用电高峰期间,面临数百万条记录的电力数据采集规模,一年的数据存储规模将从目前的GB级增长到TB级,甚至PB级,同时,电力负荷数据维度也从几十向上百过渡。在如此海量高维的数据上进行传统负荷预测,将遭遇单机计算资源不足的瓶颈。云计算技术对于海量高维数据的处理和实时求解具有很强的适应性,可为消耗大量资源的算法提供实时可靠相对廉价的计算资源。智能电网的云计算存储模型虽已经取得一定的发展,但是基于云计算的电力负荷预测的并行算法却鲜有人研究。在此背景下,本文对上述问题展开研究。首先,为了提高负荷分类的精确性和有效性,为电力负荷预测的数据预处理阶段提供有效参考,本文提出一种基于云计算的并行量子粒子群优化模糊C均值聚类算法。将量子粒子群群体智能算法(QPSO)引入到传统模糊C均值聚类算法(FCM)中,利用QPSO较强的全局搜索能力,克服传统FCM算法易陷入局部最优以及其对初始聚类中心过于敏感的缺陷。其次,针对传统支持向量机负荷预测算法执行效率较低的不足,提出将序列极小优化算法引入到电力负荷支持向量机预测算法(ε SVR)中,实现对ε SVR算法的快速训练。此外,针对电力负荷预测的实际应用场景,还提出一种在线序列优化的极限学习机的短期电力负荷预测模型。针对电力负荷数据特性,将极限学习机算法引入到负荷预测领域,并对该算法进行在线序列优化;引入分布式和multi-agent思想,提升负荷预测算法预测准确率。最后,采用云计算技术中的MapReduce编程框架以及HBase分布式数据库等技术,对提出的三种改进算法进行并行化改进,并设计相应的Map和Reduce函数,以提高其处理海量高维数据的能力。最后,进行实验测试与算例分析。选用数据集UCI标准测试数据集与欧洲智能技术网络(European Network on Intelligent Technologies,简称EUNITE)提供的真实短期负荷数据,在实验室搭建的9节点以上的云计算集群上对提出的算法进行性能测试,并与传统负荷预测算法进行对比实验。实验结果表明提出算法的负荷预测精度均优于传统算法,可为电力负荷预测提供有效依据,且具有较好的并行性能。
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