Ứng dụng mạng nôron vào dự báo phụ tải ngắn hạn trong ngành điện lực

DẠI IIỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRUỒNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ • NGUYỀN • • Hửu QUỲNH ỦNG DỤNG MẠNG NƠRON VÀO DỤ BÁO PHỤ TẢI NGẨN HẬN TRONG NGÀNH ĐIỆN Lực • • • • Chun ngành : Cơng nghệ thông tin Mã s ố : I.01T10 LUẬN VĂN THẠC s ĩ Người hướno, dần khoa học: PGS T s Đinh Mạnh Tưịìig Hà Nội - 2004 DẠI IIỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRUỒNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ • NGUYỀN • • Hửu QUỲNH ỦNG DỤNG MẠNG NƠRON VÀO DỤ BÁO PHỤ TẢI NGẨN HẬN TRONG NGÀNH ĐIỆN Lực • • • • Chun ngành : Cơng nghệ thông tin Mã s ố : I.01T10 LUẬN VĂN THẠC s ĩ Người hướno, dần khoa học: PGS T s Đinh Mạnh Tưịìig Hà Nội - 2004 MỤC LỤC MỚ DAI ỉ CHƯƠNG I: TỎNG QUAN vi ; I ) ự BẢO PIIỤ TAI NGẨN IIẠN 1.1 Vai trò cua dự báo phụ tai imấn hạn tronu cô nu tác điều độ 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến phụ tải neàv 1.3 Phươnẹ1 hướna nehiên cứu dự báo phụ tái -1 - ô ã I CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP LUẬN GIẢI QƯYẺT BÀI TOÁN D ự BÁO Pl IỤ TẢI NGẮN MẠN THEO PHƯƠNG PHÁP HAI (HAI DOẠN 2.1 Đặc diêm biêu đồ phụ tải ngày 2.2 Dụ- báo phụ tải ngan hạn cho 24 sau .9 2.2.1 Kiểu đồ thị phụ tải 10 2.2.2 Đỉnh đáy biểu đồ phụ t ả i 13 2.2.3 Dự báo phụ tải cho 24 sau 13 CHƯƠNG III: CÁC KHÁI NIỆM c BẢN VỀ MẠNG NƠRON 14 3.1 Giới thiệu mạng n r o n .14 3.1.1 Lịch sử phát triển 14 3.1.2 Úng d ụ n g 16 3.1.3 Căn nguyên sinh h ọ c .16 3.2 Nơron nhân tạo 18 3.3 Hàm xử lý 19 3.3.1 Hàm kết hợp 19 3.3.2 Hàm kích hoạt 19 3.4 c áu trúc mạng n r o n 21 3.4.1 Mạrm truyền thẳng 21 3.4.2 Mạns hồi qui 22 3.5 Luật học .23 3.6 Hàm mục t i ê u 24 CHƯƠNG IV: MẠNG N RON TRIJYKN TIIÁNC VÀ THUẬT TOÁN I.AN TRUYHN NGƯỢC 25 4.1 Kiên trúc h a n 25 4.2 Kha năim biêu diễn 26 4.3 Vấn dê thiết kế cấu trúc mạng 27 4.3.1 Số lớp ẳ n 27 4.3.2 Số noron trona lớp ẩ n 28 4.4 Tluiật toán lan truyền ngược (Back - Propagation Algorithm) 29 4.4.1 Mô tà thuật t o n 30 4.4.2 Sử dụng thuật toán lan truyền ngược 36 4.4.3 Một số biến thể thuật toán lan truyền ngược 41 4.4.4 Nhận x é t 43 CHƯƠNG V: ÚNG DỤNG MẠNG NƠRON TRUYỀN THẲNG TRONG D ự BÁO PHỤ TẢI ĐIỆN 47 5.1 Sơ lược lĩnh vực dự b o 47 5.2 Tlui thập phân tích xử lý dừ l i ệ u .48 5.2.1 Kiểu biến 49 5.2.2 Thu thập liệu 50 5.2.3 Phân tích l i ệ u .51 5.2.4 Xứ lý dừ l i ệ u 52 5.2.5 Tông họp 55 5.3 Chương trinh dự báo đỉnh đáy biêu đồ phụ tải 55 5.4 Dự báo phụ tải cho 24 sau 70 KÍ: r I IỈẠN 75 TÀI L1IUJ THAM K H Ả O 77 PHỤ LỰC I MỤC LỤC TỪ VIÉTTẨT 1H)P 1: Biêu dồ phụ tai HP: Lan truyền neưực (Back - Propagation) I)BPT: Dự báo phụ tải HTD: i lệ thốnu diện - - M Ở ĐẦ U Dự báo toán quan trọng mang lại nhiêu lợi ích thiết thực phục vụ người, ui úp người năm băt qui luật vận đ ộ n g tự nhiên đời sông kinh tê xã hội Trong n h ữ n g năm gân đây, m n g nơron truyền thãim nhiêu lớp thực tiền chứng minh m ạn h hiệu tốn dự báo phàn tích số liệu, đặc biệt toán dự báo phụ tải, dụ báo kinh tế, dự báo thời tiết, Cho đến có nhiều phương pháp luận cho hoạt đ ộ n g dự báo, da so phươ ng pháp luận m an g tính chất kinh n g h iệm tuý Dùng cách uiái theo kinh nghiệm vào việc dự báo chưa đầv đủ, cách làm hồn tồn ch dựa vào kinh nghiệm cua giai đoạn khứ, m kinh nghiệm â) không phai lúc cũ ng có thê vận dụng vào hồn cảnh thay đôi so với tnrớc Việc nghiên cứu ứng d ụ n g mơ hình dự báo khác cho phép ta có sở tiịp cận tới việc lựa chọn phương pháp dự báo, đánh giá mức độ xác cua dự báo đ n g thời xác định khống thời gian lớn có thề dùng d ự báo Dự báo phụ tái ngắn hạn(giờ, ngày tuần) có vai trị quan trọng vận hành, lập p hư ng thức ngày, phương thức tuần Nếu c h ún g ta dự báo phụ tải thừa so với nhu cầu sứ dụng hậu phải huy đ ộn g nguồn dự phòng đắt tiên lớn mức cân thiêt Ngược lại, nêu dự báo phụ tải thâp so với nhu cầu dẫn đến kết nguồn dự phịng thấp, giảm an tồn cung cấp điện, khơng đáp ứng đủ nhu cầu điện cho hộ tiêu thụ, làm thiệt hại cho kinh tê quốc dân Mục đích cua luận văn lả tìm hiểu, làm sánu tỏ m ột so khía cạnh m ạng noron truyên thăng nhiêu lớp, thuật toán lan truyền ngược, giới thiệu phương pháp luận sô kết ban dâu cua nghiên cứu ứng dụng mạng nơron vào dụ' háo phụ tai ngăn hạn cho hệ thong điện IVic uia xin chân thành cam ơn giúp đờ, đ ộn g viên cua giảng viên trường Cao dăng Diện lực, chuyên viên điêu độ thuộc trung tâm điêu độ hệ thơníi diện qc gia Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Đinh Mạnh 1’ưòng, nmrời thầy giúp đỡ ý kiến q báu khoa học đê tác giả có the hồn thành tơt luận văn Hà nội, tháng 11 năm 2004 Nguyễn Hữu Quỳnh C H Ư Ơ N G I: T Ô N G Q U A N VÈ D ự B Á O PHỤ TẢI N G Ẩ N HẠN 1.1 Vai trò dụ báo phụ tái ngắn hạn công tác điều độ Diện năim san phâm đặc biệt quan trọng đổi với phát triên kinh tế, đời sórm dân sinh môi trườ ng bât quôc gia thê giới Không giông doanh nghiệp sản xuất sản phấm khác kinh tế thị trường với mục tiêu lợi nhuận - khơng có lợi nhuận ngừng sản xuất, điện san phâm đặc biệt k hông thê thiêu được, nên ngành điện coi ngành thu ộ c CO' s h tần g Đ i ệ n đ ợ c p h â n b iệ t với s ả n p h ẩ m h n g h o k h c n h năng, đá p ứng nhanh chóng biên đôi nhu câu thời điêm tính hầu nh khơng d ự trữ Do vấn đề dự báo phụ tải cách xác n hư tồn dây truyền sản xuất, truyền tải, phân phối phải tình trạng sẵn sàng đáp ứng nhu cầu phụ tải yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quâ phục vụ khách hà ng c toàn hệ thống Trong công tác vận hành, lập phư ơng thức ngày p hư ơng thức tuần người làm công tác điều độ, dự báo phụ tải ngan hạn bao gồm dự báo trước giờ, ngày tuần đóng vai trị vơ quan trọng Những phương thức vận hành ngày huy động nguồn, phối hợp thuỷ điện nhiệt điện, truyền tai c ô n g suất miền, giải cơng tác sửa chữa trịn lưới điện đánh giá mức độ an toàn hệ thống điện(HTĐ) địi hỏi phải có dự báo phụ tải xác Việc dụ' báo phụ tai ngày HTĐ với sai số cao có ảnh hưởng lớn đến giá thành vận hành Dụ' báo phụ tải cao thực tế làm chi phí tăng cao, huy động kliơim cần thiết ngu n điện dự ph òng đắt tiền diesel, Dự báo phụ tải thấp thực tê dẫn đên kết nguồn dự phòng thâp, giam độ an tồn cung cap diện, có thê phủi căt điện việc huy đ ộng thiêu nguôn, gây thiệt hại ca vê k i m tè an ninh xã hội, đời sông sinh hoạt cua nhân dân uy tín phục vụ cua ngành dơi với khách hàng Dô với thục tè vận hành HTĐ Việt Nam, thành phần phụ tai sinh hoạt dịch vụ chiêm ty lệ cao nên chênh lệch phụ tải cao điêm (phụ tải cao nhũ troniì nuày p nm) phụ tải thấp điêm(phụ tai thấp ngày p mm) rât ớn (k ho án g 2.5 đến lần) Đây hai giá trị phụ tải đặc biệt đồ thị ohụ tai ngày, người làm công tác điều độ quan tâm nhiều q uá trinh vận hành, v ề mặt vận hành với đồ thị phụ tải biến động lớn, thành p h a i thay đơi, q trình khởi động máy diễn th n g xuyên ảnh hưởng đến tu ô thọ tiêu kinh tế kỳ thuật nhà máy, tôn thất công suất điện c ũ n ’ gây nhiều bất lợi Phụ tải cao điểm nhân tổ định việc huy động cáic nguồn nhiệt điện, tua-bin khí, diesel dự phịn g n h ằ m đảm bảo đủ nguồn phủ đỉ nil dự p hòng nóng, tăng độ an tồn cung cấp điện Phụ tải thấp điểm Jị nil việc p h ổ i h ợ p đ i ề u c h í n h n g u n t u a - b i n khí, n h i ệ t đ iệ n, t h u ỷ điện n h n đảm báo vận hành kinh tế, tránh cho nh m áy thuỷ điện Hồ Bình vận hàim v ùng công suất không cho phép kỹ thuật Trong phụ tải lúc cao đi«ển pmax khâu quan trọng ngày l)iự XIo xác phụ tải cao điếm có hiệu lớn kinh tế vào mùa lũ cần khia thác toi da nguồn thuỷ điện, nước hồ chứa xả nuui >n điện khác huy đ ộ ng chi nhằm mục đích an tồn Nếu sai số dự báo phụ ca-0 điểm giám %, theo tính tốn sơ ngà nh điện tiết kiệm khoảng SOiVW n s u n tua-bin khí chạy dầu đắt tiền ( k h o ả n g 102.800.000đ) Việc hạn 1,'h'ê phụ tai lúc cao điêm thường xảy m ùa lũ thiêu ngn phủ iliinl Tính xác lượng công suất thiếu đê chủ động cat phụ tải không -5- qnan trọng, tránh căt thừa căt thiêu, tránh sa thải phụ tái báo vệ tần số thấp tác động có ý nghĩa lớn vận hành, góp phần giảm thiếu thiệt hại iệc căt diện uây I l iệ i việc đàm bao độ tin cậy cung cấp điện, vận hành an toàn kinh tế 1 ) cỏ ý nghĩa ảnh hương lớn đơi với ngành điện nói riêng kinh tế qucc dân nói chung T rong tương lai HTĐ Việt Nam liên kết với HTĐ IU ICC A S E A N v T r u n g Q u ô c , vân đê tă n g đ ộ tin c ậ y c u n a c ấ p đ iệ n, v ậ n h n h an toàr kinh tế HTĐ càn g trớ nên thiết Đó khơng nhữ ng yếu tố đảm báo việc nântỉ, cao chất lượng phục vụ nhu cầu tiêu thụ điện sản xuất đò i sống sinh hoạt, góp phần vào tăng trưởng kinh tế đất nước mà yế‘11 tố đám bảo cho Điện lực Việt Nam hoàn thành n h ữ n g điều khoản cam kết troi g văn ký kết với H T Đ nước khu vực G iả tốt vấn đề c un g cấp điện có vai trị ý nghĩa vơ to lớn, vi ệt áp dụng nghiên cứu mơ hình dự báo khác nhăm tìm mơ hình dự báto tối ưu cho vấn đề d ự báo phụ tải việc cần thiết Các yếu tố ảnh h u ỏ n g trực tiếp đến phụ tái ngày M ục tiêu cuối tất dự báo kết dự báo phải bám sát giá trị ihiực tế Muốn có dự báo ngày với sai số nhỏ, phải chọn phươ ng pháp dự báo tối Q ui sổ liệu thống kế thực tế vận hành cho thấy phụ tải HTĐ Việt Nam phiụ tlniộc chu yếu vào yếu tố sau: • T h ứ cua ngày t r o n g tuần: giá trị phụ tải ngày làm việc thường cao phụ tải nG,ày nghỉ cuối tuần • Thời tiêt ngày: Thịi tiêt ngày bao gơm thơng sơ: nhiệt độ, độ âm, tơc độ gió hướng gió, cường độ ánh sáng thơng sơ I V crrorf Input ranges is not a two column matrix.') i i a n y ( p r ( : J ) > pr(:,2 )) error('lnput ranges has values in the second column larger in the values in the same row (if the first column ’) if isa(s,'cell') if (size(s, 1) ~= 1) crror(’Layer sizes is not a row vector of positive integers.') end for i= :lcngth(s) si = s|i}; if ~-isa(si,'double') I -isreal(si) I any(size(si) ~= ) I any(si23 (p23-p23t)/(p23c-p23t) ■)24c_ inax(p24) )24t min(p24) •>24 (p24-p24t)/(p24c-p24t) Mb25: (p 194 p2(Hp23-t p24)/4 \lubao25 p25t i (p25c-p25t)*ptb25 ... áp dụng cho dự báo Cũng dự báo khác, dự báo phụ tải ngày phai dựa vào sơ liệu thơng kê, phân tích áp d ụ n g thuật tốn xác định mịi quan hệ iiiữa phụ tai yêu tô ánh hưởng, từ dự báo phụ tải dựa... hư ơng pháp dự báo phụ tải ngày nghiên cứu áp dụng phương pháp đế tìm quan hệ phụ tải ngày yế u tổ chủ yếu ảnh hưởng đèn phụ tải ngày Việc áp dụng m ạng nơron nhân tạo cho dự báo phụ tải I II I)... tốn dự báo phụ tải chia thành hai toán nhỏ: • Xác định kiêu B Đ P T ngày cần dự báo • Dự báo đỉnh đáy BĐPT ngày cần dự báo 2.2.1 Kiến đồ thị p h ụ tải Xét đồ thị phụ tải HTĐ hình 2.2, biểu đồ phụ