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文章解读与仿真程序复现思路——电网技术EI\CSCD\北大核心《基于AGCN-LSTM模型的海上风电场功率概率预测》

news 2025/7/1 13:48:24

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这是一篇关于海上风电场功率概率预测的研究论文，主要内容包括：

研究背景：海上风电场的风电机组间存在时空关联，现有预测方法未能充分表达动态空间关联，且概率预测相比确定性预测能提供更全面的信息。
研究目的：提出一种基于自适应图卷积网络（AGCN）和长短期记忆（LSTM）网络的海上风电场功率超短期概率预测模型。
模型构建：
- 利用AGCN中的自适应矩阵获取风电机组间的动态空间关联，并实现空间维度的可解释。
- 利用LSTM网络挖掘数据时间维度的相关性。
- 基于时空关联，通过改进的分位数回归模型构建风电场功率概率预测区间。
研究方法：
- 通过中国东海大桥海上风电场真实数据进行仿真验证。
- 与现有概率预测模型相比，动态图拓扑能更好地揭示海上风电场变化的空间关系。
- 改进后的分位数回归模型有效避免了分位数预测存在的曲线交叉问题。
研究结果：所提出的AGCN-LSTM模型在预测精度和稳定性方面优于现有模型。
研究意义：该研究提供了一种新的海上风电场功率概率预测方法，有助于提高风电场的运行效率和电网的调度能力。
关键词：海上风电、时空相关性、自适应图卷积、长短期记忆网络、空间可解释、概率预测。

论文详细介绍了模型的构建过程、预测流程、评价指标，并通过算例验证了模型的有效性。研究还探讨了模型的空间可解释性，并通过热力图展示了不同季节下风电机组间的空间关系。最后，论文比较了模型的训练时间，并提出了后续工作的研究方向。

为了复现论文中提到的基于AGCN-LSTM模型的海上风电场功率概率预测的仿真，我们需要遵循以下步骤：

数据准备：收集并预处理风电场的历史数据，包括风速、风向、温度等特征。
图拓扑构建：根据风电机组的地理位置和风速相关性建立邻接矩阵。
模型构建：实现AGCN和LSTM网络，并将它们结合起来构建AGCN-LSTM模型。
模型训练：使用预处理的数据训练模型。
模型测试：使用测试集评估模型的性能。
结果分析：分析模型的预测结果，并计算评价指标。

以下是使用Python语言和PyTorch框架实现的伪代码：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader, TensorDataset
import numpy as np# 步骤1: 数据准备
# 假设已经有了预处理后的风电场数据
# features: 输入特征数据，shape (num_samples, num_timesteps, num_features)
# labels: 功率输出数据，shape (num_samples, num_timesteps)
features, labels = load_wind_farm_data()# 步骤2: 图拓扑构建
def build_graph_topology(features):# 根据风电机组的地理位置和风速相关性建立邻接矩阵# 这里需要根据实际情况实现adjacency_matrix = ...return adjacency_matrixadjacency_matrix = build_graph_topology(features)# 步骤3: 模型构建
class AGCN(nn.Module):def __init__(self, in_channels, out_channels):super(AGCN, self).__init__()self.conv1 = nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size=1)self.conv2 = nn.Conv2d(out_channels, out_channels, kernel_size=1)# 自适应矩阵Aa的实现self.Aa = ...def forward(self, x, Aa):# 实现AGCN的前向传播x = self.conv1(x)x = torch.relu(x)x = torch.matmul(x, Aa)x = self.conv2(x)return xclass LSTMModule(nn.Module):def __init__(self, input_size, hidden_size):super(LSTMModule, self).__init__()self.lstm = nn.LSTM(input_size, hidden_size, batch_first=True)def forward(self, x):output, _ = self.lstm(x)return outputclass AGCN_LSTM(nn.Module):def __init__(self, in_channels, hidden_size, out_channels):super(AGCN_LSTM, self).__init__()self.agcn = AGCN(in_channels, hidden_size)self.lstm = LSTMModule(hidden_size, hidden_size)self.fc = nn.Linear(hidden_size, out_channels)def forward(self, x, Aa):x = self.agcn(x, Aa)x = self.lstm(x)x = self.fc(x)return x# 初始化模型
model = AGCN_LSTM(in_channels=30, hidden_size=256, out_channels=1)# 步骤4: 模型训练
def train_model(model, features, labels, adjacency_matrix, epochs=100):criterion = nn.MSELoss()optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)dataset = TensorDataset(torch.tensor(features, dtype=torch.float), torch.tensor(labels, dtype=torch.float))dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=32, shuffle=True)for epoch in range(epochs):for batch_features, batch_labels in dataloader:batch_features = batch_features.permute(0, 2, 1)  # Adjust shape for AGCNoptimizer.zero_grad()outputs = model(batch_features, adjacency_matrix)loss = criterion(outputs, batch_labels)loss.backward()optimizer.step()print(f'Epoch {epoch+1}, Loss: {loss.item()}')train_model(model, features, labels, adjacency_matrix)# 步骤5: 模型测试
def test_model(model, features, labels, adjacency_matrix):model.eval()with torch.no_grad():predictions = model(features, adjacency_matrix)predictions = predictions.permute(0, 2, 1)  # Adjust shape for comparison# 计算评价指标# ...test_model(model, features, labels, adjacency_matrix)# 步骤6: 结果分析
# 根据预测结果和实际标签计算评价指标，如ACE、PINAW等

请注意，这段代码是一个高层次的伪代码，实际实现时需要根据具体的数据格式和模型细节进行调整。例如，build_graph_topology 函数需要根据风电机组的地理位置和风速相关性来实现，AGCN 类中的自适应矩阵 Aa 的实现也需要根据论文中的描述来完成。此外，数据加载函数 load_wind_farm_data 也需要根据实际的数据格式来编写。

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