一种基于单类支持向量机的电力负荷分析、预测方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种基于单类支持向量机的电力负荷分析、预测方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济的发展，用电量逐年攀升，电力市场的多元化与复杂化，对电力市场的决 策理论、管理手段和技术支持提出了更高的要求，但目前的工作中仍存在诸多不合理、不尽 如人意的问题，如数据库的灵活运用，只能对用电数据的事后分析，不能事前准确预测、事 中精确控制，只能定性的粗矿的分析；由于对用户数据的事后分析，只能从宏观层面上把握 整体的用电规律变化，不能做到从因果分析到时空关联，从不同维度、不同角度对需求特性 精准的分析，这种较强的滞后性、不精确性会对用电规律的把握失准等等。究其原因，缺乏 对电力市场的需求特性、各种立体化指标、效益指标等等做精益化的分析与研究。
[0003] 新型能源的崛起以及分布式发电技术的日趋成熟，打破了固有的源网荷属性，源 荷界限的模糊化加剧了负荷预测的难度。基于山东电网营销业务管理机制和955598客户 中心现有的基础与实际需求，目前只能做到对用户数据的事后分析，只能粗矿的从宏观层 面上把握整体的负荷规律变化，不能具体到对某行业、某客户的负荷特性的分析，也不能对 负荷特性变化引起的原因具体分析。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于单类支持向量机的电力负荷分析、预 测方法，该方法对传统SVM的扩展和延伸，是将统计学习理论引入到无监督学习，能够有效 解决现有负荷规律无法掌握的问题。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种基于单类支持向量机的电力负荷分析、预测方法，包括以下步骤：
[0007] (1)获取电力负荷历史监测数据，构建训练样本集合；
[0008] (2)利用单类支持向量机理论，在训练样本中进行典型日的选取；
[0009] (3)利用典型日负荷曲线表示用户的随机变量之间线性关系的强度和方向；
[0010] (4)将用户负荷的时间序列作为离散采样点，对其进行傅里叶变换，进行频谱分 析；
[0011] (5)结合用户的实际需求，构建负荷特性指标。
[0012] 所述步骤（1)中，具体方法为：将数据库中的数据导入文本文档，然后读取文本文 档中的96点数据保存成矩阵的形式，分别给出行号及其对应的用户编号，并将缺失的量测 量补0,将96点数据转化为24点数据。
[0013] 所述步骤（2)中，对样本集聚类，并通过调节参数改变模型的结构风险，从而在经 验风险和置信风险中间进行折衷，将每一天的量测数据作为一个样本，则样本就是24维空 间中的一点，使用一个超球面使得覆盖住所有样本点，则超球的圆心也就是量测数据的中 心，也就是典型日数据所在的地方。
[0014] 所述步骤（2)中，具体方法为：运用分支算法单类支持向量机进行典型日的选取， 用超球面代替超平面来划分数据，目标函数的初始问题为：
[0015]
[0016] (1)
[0017] s.t. |x;-c| |R2+Ci
[0018] 〇0，i=l，2，...，l
[0019] 通过设定参数0<v< 1，使超球面的半径和它所能包含的训练样本数目之间进 行折衷；当v小的时候，尽量把数据放进球里面，当v大的时候，尽量压缩球的尺寸，其中， R代表超球面的半径，超球面半径越小，分类的泛化风险越小，对可能出现的不良数据抵制 能力强，但是，可能会产生欠学习的现象；1是样本总量；C是超球面球心；V表示在支持向 量和错分向量之间的折中，能够从某种程度上控制超球面半径；X1表示样本，I松弛变 量。
[0020] 所述步骤⑵中，利用拉格朗日函数求解目标函数，
[0021]
[0022] 式中L代表朗格朗日函数，apI代表拉格朗日乘子。
[0023] 贝lj
[0031] 通过QP优化方法解这个对偶问题得到优化解a;将a带入式（4)可得到圆心c 的值，即待求典型日，a;、代表拉格朗日乘子。1是样本总量；v表示在支持向量和错分 向量之间的折中，能够从某种程度上控制超球面半径；Xl、Xj表示样本。
[0032] 所述步骤⑶中，相关系数的计算公式如下式所示：
[0033]
[0034] 式中，rXY代表随机变量X、Y的相关系数，N是指随机变量的样本总数，XpYi分别 指第i个X、Y变量，f、f分别指随机变量X、Y的平均数。
[0035] 通过各用户的典型日负荷曲线，分别求取n个用户典型日负荷曲线间的相关系 数，结果可存放在n*n的对角线元素为1的对称矩阵中，非对角元素表示两用户典型日负荷 曲线的相关系数。
[0036] 所述步骤（3)中，相关系数显示两个随机变量之间线性关系的强度和方向，相关 系数的绝对值不超过1，当两个变量的线性关系增强时，相关系数趋于1或-1，（因为是绝 对值为1，所以当两个变量的正线性关系强时，相关系数趋于1，反之趋于-1)当一个变量增 加而另一变量也增加时，相关系数大于0,当一个变量的增加而另一变量减少时，相关系数 小于〇 ;当两个变量独立时，相关系数为〇,但反之并不成立。
[0037] 所述步骤（4)中，将用户负荷的时间序列看作是傅里叶变换的离散采样点，进而 可对其进行离散傅里叶变换，对用户24点数据进行离散傅里叶变换后对其频谱进行分析， 以把握用户用电波动的频率特性。
[0038] 所述步骤（5)中，对月负荷率进行统计的方法为：月负荷率又称月不均衡系数，是 由用电部门在月、周内的停工休息、设备检修、生产作业顺序以及有无新用户投入生产所引 起的，同时，该指标也反映了用户因设备小修、生产作业顺序不协调、或因停电而引起的停 工休息等的影响；其表达式为：
[0039]
[0040] 所述步骤（5)中，统计峰谷差，峰谷差指的是电力系统某一时间周期内最大负荷 与最小负荷之差，通常以日为单位，峰谷差够反映出用户负荷在日能的波动情况，
[0041] 由于峰谷差反映的是日内负荷波动的绝对值，并不能很好地反应波动的相对大 小，而峰谷差率能反映出日内波动的相对情况，峰谷差率的计算式为：
[0042]
[0043] 峰谷差的大小直接反映了电网所需要的调峰能力。
[0044] 所述步骤（5)中，日最大负荷指的是电力系统日内的最大负荷功率，日最小负荷 指的是电力系统日内的最小负荷功率。
[0045] 日负荷率为日平均负荷与最大负荷之比值；
[0046] 日最小负荷率为日最小负荷与最大负荷之比值，即：
[0047]
[0048] 日负荷率和日最小负荷率是用于描述日负荷曲线特性，表征一天中的不均衡性。
[0049] 本发明的有益效果为：
[0050] (1)本发明根据电力系统历史数据，能够有效预测负荷指数，指导电力系统运营；
[0051] (2)本发明可以实现具体到对某行业、某客户的负荷特性的分析，以及对负荷特性 变化引起的原因具体分析；
[0052] (3)本发明建立负荷变化规律指标，能够反映客户宏观政策、客户生产规模对电力 市场营销制定电价的影响，实现从全社会的异常能够推导出具体某行业的异常甚至具体到 某客户的异常，分析出负荷异常变化引起的主要因素。
【附图说明】
[0053] 图1是本发明的流程图。
【具体实施方式】：
[0054] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0055] 1. 1. 1典型日的选取模型
[0056] 本项目的主要创新点之一是运用分支算法单类支持向量机（one-classsvm)进行 典型日的选取，此方法是对传统SVM的扩展和延伸，是将统计学习理论引入到无监督学习 理论，下面介绍一下one-classsvm并简要说明一下其能用于进行典型日选择的原理。
[0057] One-classsvm的本质是用超球面代替超平面来划分数据的想法。目标函数的初 始问题为：
[0058]
[0059] s.t. |x;-c||R2+Ci
[0060] 〇0，i=l，2，...，l (3. 1)
[0061] 通过设定参数0<v< 1，使超球面的半径和它所能包含的训练样本数目之间进 行折衷。当v小的时候，尽量把数据放进球里面，当v大的时候，尽量压缩球的尺寸。
[0062] 使用拉格朗日函数来解这个问题：
[0068] 带入得到对偶问题为：
[0072] 通过QP优化方法解这个对偶问题得到优化解a。
[0073] 将a带入式（3. 4)可得到圆心c的值，即待求典型日。
[0074] 可以看到，one-classsvm主要功能是对样本集的聚类，并通过调节参数v改变模 型的结构风险，从而在经验风险和置信风险中间进行折衷，而典型日的选择本身也是一种 聚类，如果将每一天的量测数据作为一个样本，则样本就是24维空间中的一点，使用一个 超球面使得其可以尽量覆盖住所有样本点，则超球的圆心也就是量测数据的中心，也就是 典型日数据所在的地方。
[0075] 通过各用户的典型日负荷曲线我们可以分析用户间的用电规律以及用户与该行 业总体用电规律间的关联特性。
[0076] 1. 1. 2相关系数
[0077] 相关系数显示两个随机变量之间线性关系的强度和方向。相关系数的绝对值不超 过1。当两个变量的线性关系增强时，相关系数趋于1或-1。当一个变量增加而另一变量 也增加时，相关系数大于0。当一个变量的增加而另一变量减少时，相关系数小于0。当两 个变量独立时，相关系数为〇,但反之并不成立。相关系数的计算公式如下式所示。
[0078]
[0079] 通过各用户的典型日负荷曲线，我们可以分析用户间的用电规律以及用户与该行 业总体用电规律间的关联特性。分别求取n个用