《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1): 98-105.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023121750
收稿日期:
2023-12-19
修回日期:
2024-02-06
接受日期:
2024-02-28
发布日期:
2024-03-13
出版日期:
2025-01-10
通讯作者:
张立臣
作者简介:
胡健鹏(1997—),男,广东中山人,硕士研究生,主要研究方向:时间序列分析、信息物理系统、分布式计算;
基金资助:
Received:
2023-12-19
Revised:
2024-02-06
Accepted:
2024-02-28
Online:
2024-03-13
Published:
2025-01-10
Contact:
Lichen ZHANG
About author:
HU Jianpeng, born in 1997, M. S. candidate. His research interests include time series analysis, cyber-physical system, distributed computing.
Supported by:
摘要:
准确的风功率预测能为风电能源行业提供可靠的指导和决策依据,然而传统的建模方法主要是将风功率预测问题转换为时序预测问题,忽略了机组间的空间信息,因此,提出一种面向多时间步风功率预测的深度时空网络模型。该模型采用编码器-解码器架构设计,首先,编码器根据历史功率信息建图,并使用图注意力网络(GAT)提取融合风场空间信息的机组特征;其次,使用门控循环单元(GRU)提取输入数据中的时间特性,从而得到关于该机组的风能时间特征;最后,在解码器融合编码器输出的时空特征后,使用样本卷积和交互网络(SCINet)融合不同时间尺度分辨率下的时空特征,输出未来多时间步风功率的预测值。在WindFarm1数据集上的实验结果表明,在预测步数为72时,所提模型的绝对平均误差(MAE)低至42.38,相较于双向门控循环单元(Bi-GRU)的MAE下降了4.25%;所提模型的均方根误差(RMSE)低至42.71,相较于Autoformer的RMSE下降了8.70%。而在WindFarm2数据集上的泛化性实验结果表明,所提模型在不同风场中具备适用性,为未来风功率的准确预测提供了一种新的途径。
中图分类号:
胡健鹏, 张立臣. 面向多时间步风功率预测的深度时空网络模型[J]. 计算机应用, 2025, 45(1): 98-105.
Jianpeng HU, Lichen ZHANG. Deep spatio-temporal network model for multi-time step wind power prediction[J]. Journal of Computer Applications, 2025, 45(1): 98-105.
数据集 | 总时长/d | 机组数 | 数据缺失率/% |
---|---|---|---|
WindFarm1 | 245 | 134 | 1.05 |
WindFarm2 | 125 | 31 | 1.32 |
表1 数据集总体情况
Tab. 1 Overall situation of datasets
数据集 | 总时长/d | 机组数 | 数据缺失率/% |
---|---|---|---|
WindFarm1 | 245 | 134 | 1.05 |
WindFarm2 | 125 | 31 | 1.32 |
名称 | 含义 |
---|---|
TurbID | 机组编号,类型:字符串 |
Day | 天数,单位:天,类型:整型 |
Tmstamp | 时间戳,字符串,形如:HH:MM |
Wspd | 风速,单位:m/s,类型:浮点数 |
Wdir | 风向,单位:(°),类型:浮点数 |
Etmp | 环境温度,单位:℃,类型:浮点数 |
Ndir | 机舱偏航角度,单位:(°),类型:浮点数 |
Itmp | 机舱内温度,单位:℃,类型:浮点数 |
Pab1 | 桨叶角1,单位:(°),类型:浮点数 |
Pab2 | 桨叶角2,单位:(°),类型:浮点数 |
Pab3 | 桨叶角3,单位:(°),类型:浮点数 |
Prtv | 无功功率,单位:kW,类型:浮点数 |
Patv | 有功功率,单位:kW,类型:浮点数 |
表2 数据集字段说明
Tab. 2 Field description of datasets
名称 | 含义 |
---|---|
TurbID | 机组编号,类型:字符串 |
Day | 天数,单位:天,类型:整型 |
Tmstamp | 时间戳,字符串,形如:HH:MM |
Wspd | 风速,单位:m/s,类型:浮点数 |
Wdir | 风向,单位:(°),类型:浮点数 |
Etmp | 环境温度,单位:℃,类型:浮点数 |
Ndir | 机舱偏航角度,单位:(°),类型:浮点数 |
Itmp | 机舱内温度,单位:℃,类型:浮点数 |
Pab1 | 桨叶角1,单位:(°),类型:浮点数 |
Pab2 | 桨叶角2,单位:(°),类型:浮点数 |
Pab3 | 桨叶角3,单位:(°),类型:浮点数 |
Prtv | 无功功率,单位:kW,类型:浮点数 |
Patv | 有功功率,单位:kW,类型:浮点数 |
实验 | 预测模型 | MAE | RMSE |
---|---|---|---|
实验1 | GRU-SCINet | 49.37 | 61.98 |
实验2 | GAT-SCINet | 48.69 | 56.04 |
实验3 | GAT-GRU | 49.01 | 56.53 |
实验4 | DSTN | 46.26 | 53.32 |
表3 消融实验结果
Tab. 3 Results of ablation experiments
实验 | 预测模型 | MAE | RMSE |
---|---|---|---|
实验1 | GRU-SCINet | 49.37 | 61.98 |
实验2 | GAT-SCINet | 48.69 | 56.04 |
实验3 | GAT-GRU | 49.01 | 56.53 |
实验4 | DSTN | 46.26 | 53.32 |
数据集 | 预测步数 | 预测模型 | MAE | RMSE |
---|---|---|---|---|
WindFarm1 | 72 | DSTN | 42.38 | 42.71 |
Bi-GRU | 44.26 | 50.16 | ||
BERT | 48.66 | 47.89 | ||
SCINet | 44.61 | 48.05 | ||
Autoformer | 47.55 | 46.78 | ||
LightGBM | 45.17 | 46.83 | ||
Wavenet | 46.85 | 47.95 | ||
144 | DSTN | 43.55 | 49.32 | |
Bi-GRU | 45.93 | 55.14 | ||
BERT | 49.52 | 55.84 | ||
SCINet | 47.81 | 51.76 | ||
Autoformer | 48.25 | 54.36 | ||
LightGBM | 48.68 | 53.87 | ||
Wavenet | 48.93 | 53.73 | ||
288 | DSTN | 46.26 | 53.32 | |
Bi-GRU | 52.63 | 64.12 | ||
BERT | 52.93 | 63.58 | ||
SCINet | 48.84 | 56.82 | ||
Autoformer | 52.03 | 63.28 | ||
LightGBM | 52.45 | 56.94 | ||
Wavenet | 52.21 | 62.09 | ||
WindFarm2 | 72 | DSTN | 48.21 | 50.99 |
Bi-GRU | 48.52 | 52.32 | ||
BERT | 49.86 | 51.95 | ||
SCINet | 48.95 | 51.21 | ||
Autoformer | 49.55 | 51.97 | ||
LightGBM | 49.24 | 51.87 | ||
Wavenet | 49.85 | 52.77 | ||
144 | DSTN | 48.91 | 52.56 | |
Bi-GRU | 49.11 | 53.26 | ||
BERT | 50.06 | 53.52 | ||
SCINet | 49.65 | 52.78 | ||
Autoformer | 49.95 | 52.99 | ||
LightGBM | 49.87 | 52.94 | ||
Wavenet | 50.55 | 53.71 | ||
288 | DSTN | 49.86 | 53.08 | |
Bi-GRU | 50.99 | 54.93 | ||
BERT | 50.64 | 54.04 | ||
SCINet | 50.20 | 53.30 | ||
Autoformer | 50.60 | 54.06 | ||
LightGBM | 50.92 | 53.96 | ||
Wavenet | 51.50 | 55.38 |
表4 不同模型的实验结果对比
Tab. 4 Comparison of experimental results of different models
数据集 | 预测步数 | 预测模型 | MAE | RMSE |
---|---|---|---|---|
WindFarm1 | 72 | DSTN | 42.38 | 42.71 |
Bi-GRU | 44.26 | 50.16 | ||
BERT | 48.66 | 47.89 | ||
SCINet | 44.61 | 48.05 | ||
Autoformer | 47.55 | 46.78 | ||
LightGBM | 45.17 | 46.83 | ||
Wavenet | 46.85 | 47.95 | ||
144 | DSTN | 43.55 | 49.32 | |
Bi-GRU | 45.93 | 55.14 | ||
BERT | 49.52 | 55.84 | ||
SCINet | 47.81 | 51.76 | ||
Autoformer | 48.25 | 54.36 | ||
LightGBM | 48.68 | 53.87 | ||
Wavenet | 48.93 | 53.73 | ||
288 | DSTN | 46.26 | 53.32 | |
Bi-GRU | 52.63 | 64.12 | ||
BERT | 52.93 | 63.58 | ||
SCINet | 48.84 | 56.82 | ||
Autoformer | 52.03 | 63.28 | ||
LightGBM | 52.45 | 56.94 | ||
Wavenet | 52.21 | 62.09 | ||
WindFarm2 | 72 | DSTN | 48.21 | 50.99 |
Bi-GRU | 48.52 | 52.32 | ||
BERT | 49.86 | 51.95 | ||
SCINet | 48.95 | 51.21 | ||
Autoformer | 49.55 | 51.97 | ||
LightGBM | 49.24 | 51.87 | ||
Wavenet | 49.85 | 52.77 | ||
144 | DSTN | 48.91 | 52.56 | |
Bi-GRU | 49.11 | 53.26 | ||
BERT | 50.06 | 53.52 | ||
SCINet | 49.65 | 52.78 | ||
Autoformer | 49.95 | 52.99 | ||
LightGBM | 49.87 | 52.94 | ||
Wavenet | 50.55 | 53.71 | ||
288 | DSTN | 49.86 | 53.08 | |
Bi-GRU | 50.99 | 54.93 | ||
BERT | 50.64 | 54.04 | ||
SCINet | 50.20 | 53.30 | ||
Autoformer | 50.60 | 54.06 | ||
LightGBM | 50.92 | 53.96 | ||
Wavenet | 51.50 | 55.38 |
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