Phương pháp xử lý bất định trong dự báo phụ tải điện khu vực nông thôn

Ph−¬ng ph¸p xö lý bÊt ®Þnh trong dù b¸o phô t¶i ®iÖn khu<br /> vùc n«ng th«n<br /> A method of analysis of indefinite factors in forecasting electricity load<br /> in rural areas<br /> TrÞnh Träng Ch−ëng<br /> <br /> Summary<br /> The conjunction between economic growth and electricity consumption has been<br /> considered to be close. However, due to recent rapid changes in the energy costs and economic<br /> structure the relationship has also undergone changes. There are many indefinite factors<br /> influencing electricity consumption of a rural household such as cost of electricity, family size<br /> and accommodation area. The present paper summarizes a study on indefinite factors used for<br /> forecasting electricity demand (load). A most rapid gradient decrease function was used for<br /> adjusting regression coefficients in a linear model for determining electricity demand. The<br /> method allowed for minimizing effects of indefinite factors influencing the forecasting outputs,<br /> increasing the forecasting accuracy.<br /> Key works: Rural areas, electricity, gradient, indefinite factors, regression.<br /> <br /> <br /> 1. §Æt vÊn ®Ò<br /> ViÖc x¸c ®Þnh nhu cÇu phô t¶i ®iÖn lµ bµi to¸n quan träng trong qu¸ tr×nh quy ho¹ch vµ ph¸t<br /> triÓn ®iÖn lùc. §é chÝnh x¸c cña bµi to¸n trªn cho phÐp n©ng cao hiÖu qu¶ sö dông m¹ng ®iÖn.<br /> Tuy nhiªn ®é chÝnh x¸c ®ã phô thuéc rÊt nhiÒu vµo l−îng th«ng tin ban ®Çu, n¬i th−êng cã ®é<br /> bÊt ®Þnh lín. VÊn ®Ò ®Æt ra lµ lµm thÕ nµo ®Ó xö lý c¸c th«ng tin bÊt ®Þnh ®ã nh»m ®¹t ®−îc ®é<br /> chÝnh x¸c cña bµi to¸n x¸c ®Þnh nhu cÇu phô t¶i nh− mong muèn.<br /> HiÖn nay cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®Ó xö lý c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng: ph−¬ng ph¸p xÊp xØ vi<br /> ph©n, ph−¬ng ph¸p t×m kiÕm trùc tiÕp, ph−¬ng ph¸p tùa tuyÕn tÝnh... Néi dung bµi viÕt d−íi ®©y<br /> tr×nh bµy mét trong nh÷ng ph−¬ng ph¸p to¸n häc ®Ó ®iÒu khiÓn, hiÖu chØnh c¸c hÖ sè håi quy<br /> trong hµm håi quy tuyÕn tÝnh x¸c ®Þnh nhu cÇu phô t¶i ®iÖn: ph−¬ng ph¸p hµm gradient gi¶m<br /> nhanh nhÊt.<br /> <br /> 2. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu<br /> Trªn c¬ së hµm håi quy tuyÕn tÝnh, x©y dùng hµm håi quy thÝch nghi, ¸p dông ph−¬ng<br /> ph¸p hµm gi¶m gradient nhanh nhÊt ®Ó hiÖu chØnh träng sè trong hµm håi quy thÝch nghi.<br /> NguyÔn §×nh Thóc (2000) ®· tr×nh bµy kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ m¹ng lan truyÒn (MLT) trong m¹ng<br /> n¬ron nh©n t¹o, trong ®ã MLT chÝnh lµ mét hµm phi tuyÕn xÊp xØ gÇn ®óng nhÊt mét hµm ®Ých<br /> ®−îc cho qua mét sè mÉu trong tËp mÉu. §Ó häc mçi mÉu, MLT thi hµnh 2 b−íc: lan truyÒn tiÕn<br /> – thùc hiÖn phÐp ¸nh x¹ c¸c biÕn nhËp thµnh c¸c gi¸ trÞ xuÊt, vµ lan truyÒn ng−îc – tÝnh to¸n sai<br /> sè ë b−íc tr−íc (do c¸c kÕt xuÊt th−êng ch−a chÝnh x¸c), m¹ng sÏ cËp nhËt l¹i c¸c träng sè. Kü<br /> thuËt c¬ b¶n nhÊt lµ cËp nhËt träng sè theo h−íng gi¶m gradient nhanh nhÊt. Ph−¬ng ph¸p nµy<br /> nh»m gi¶m thiÓu sai sè cña m« h×nh. Trong tr−êng hîp m« h×nh cã nhiÒu yÕu tè ¶nh h−ëng, nÕu<br /> coi et – sai sè gi÷a gi¸ trÞ thùc víi gi¸ trÞ −íc l−îng lµ mét hµm lçi, ph−¬ng ph¸p gradient gi¶m<br /> nhanh nhÊt gåm c¸c b−íc sau:<br /> 1. Chän ngÉu nhiªn mét ®iÓm x0 trong kh«ng gian träng sè;<br /> 2. TÝnh ®é dèc cña hµm lçi t¹i x0 ;<br /> 3. CËp nhËt c¸c träng sè theo h−íng dèc nhÊt cña hµm lçi<br /> <br /> <br /> <br /> trang 1<br />  4. Xem ®iÓm nµy nh− ®iÓm x0 míi;<br /> LÆp ®i lÆp l¹i qu¸ tr×nh tõ b−íc (2) ®Õn b−íc (4) th× ®Õn mét lóc nµo ®ã c¸c gi¸ trÞ cña bé<br /> träng sè sÏ tiÕp cËn ®−îc ®iÓm thÊp nhÊt trong mÆt lçi. Víi mçi mÉu, ®¹o hµm hµm lçi ®−îc biÓu<br /> diÔn lµ mét vect¬ cã h−íng, ®é lín mçi vect¬ øng víi sai sè cña mÉu ®ã (h×nh 1). Nh− vËy ®¹o<br /> hµm hµm lçi trªn toµn bé tËp mÉu chÝnh lµ tæng vect¬ cña tõng vect¬ ®¹o hµm cña tõng mÉu<br /> trong tËp mÉu. NÕu m¹ng chØ cã 2 träng sè th× tæng lçi lµ tæng vect¬ cña 2 ®¹o hµm riªng hµm<br /> lçi nµy. §é lín vect¬ tæng chÝnh lµ ®−êng chÐo h×nh ch÷ nhËt t¹o tõ 2 vevt¬ ®¹o hµm riªng vµ<br /> h−íng theo gãc ®èi nghÞch cña h×nh ch÷ nhËt. Theo quy t¾c céng vect¬ th× ®é lín vect¬ tæng<br /> t−¬ng øng víi ®é dèc nhÊt cña mÆt lçi t¹i ®iÓm ®ã, vµ vect¬ theo h−íng ng−îc l¹i lµ vect¬ tæng<br /> biÓu diÔn h−íng gi¶m nhanh nhÊt.<br /> C¸c t¸c gi¶ §oµn V¨n B×nh & cs (2005) còng ®· tr×nh bµy ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh ®Þnh<br /> møc phô t¶i ®iÖn n«ng th«n b»ng m« h×nh håi quy tuyÕn tÝnh ®a biÕn, trong ®ã c¸c hÖ sè håi quy<br /> cña ph−¬ng tr×nh cho phÐp ®¸nh gi¸ møc ®é ¶nh h−ëng cña c¸c biÕn ngÉu nhiªn Xi víi biÕn ngÉu<br /> nhiªn Y mµ trong ®ã sù thay ®æi cña ®¹i l−îng Y phô thuéc vµo sù thay ®æi cña ®¹i l−îng Xi.<br /> Tuy nhiªn trong thùc tÕ sù t¸c ®éng lÉn nhau gi÷a c¸c yÕu tè kh«ng ph¶i lµ cè ®Þnh, v× vËy phÐp<br /> håi quy th«ng th−êng víi c¸c hÖ sè kh«ng ®æi sÏ bÞ h¹n chÕ trong øng dông. ViÖc hiÖu chØnh vµ<br /> ®æi míi c¸c hÖ sè cña nã cho phÐp ph¶n ¸nh khuynh h−íng vµ tÝnh chÊt ph¸t triÓn cña c¸c mèi<br /> quan hÖ lÉn nhau gi÷a c¸c biÕn. NÕu coi Y lµ mét ®¹i l−îng ph¶n ¸nh møc tiªu thô ®iÖn n¨ng cña<br /> mét hé gia ®×nh vµ Xit lµ c¸c tham sè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh tiªu thô ®iÖn n¨ng th× cã thÓ biÓu<br /> diÔn b»ng m« h×nh hµm håi quy nh− sau:<br /> n<br /> Yt = a 0 + ∑ a it . X it (1)<br /> t =1<br /> <br /> <br /> <br /> víi n: sè quan tr¾c;∧ a0, ai: c¸c hÖ sè håi quy<br /> So s¸nh −íc l−îng Y víi gi¸ trÞ thùc cña chuçi Yt cã thÓ tÝnh ®−îc sai sè et:<br /> ∧<br /> et = Yt − Yt (2)<br /> trong ®ã:<br /> ∧ n<br /> Yt = ∑ a jt . X jt (3)<br /> j =1<br /> <br /> <br /> <br /> Dùa vµo kÕt qu¶ nhËn ®−îc ®Ó tiÕn hµnh hiÖu chØnh c¸c hÖ sè a jt .<br /> CÊu tróc hÖ ®iÒu chØnh träng sè theo ph−¬ng ph¸p gradient ®−îc m« t¶ trªn h×nh 2.<br /> H−íng cña ph−¬ng ph¸p h¹ nhanh nhÊt ng−îc víi h−íng gradient vµ ë thêi ®iÓm ban<br /> ®Çu trïng víi h−íng trong ®ã tiªu chuÈn sai sè gi¶m nhanh nhÊt. Cã nghÜa lµ h−íng cña ph−¬ng<br /> ph¸p h¹ nhanh nhÊt ®−îc m« t¶ nh− sau:<br /> (4)<br /> W m = Wc − kgrad (et )<br /> 2<br /> <br /> trong ®ã:<br /> Wm : vect¬ hÖ sè míi;<br /> Wc : vect¬ hÖ sè cò;<br /> grad (et2 ) : vect¬ gradient cña et.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> trang 2<br />  §èi t−îng Y<br /> Yt<br /> Xit Sai<br /> sè et<br /> M« h×nh<br /> Yt<br /> <br /> ChØnh<br /> träng sè TÝnh to¸n<br /> gradient<br /> H×nh 1. §¹o hµm hµm lçi theo<br /> H×nh 2. M« h×nh ®iÒu chØnh träng sè theo<br /> tõng träng sè<br /> ph−¬ng ph¸p Gradient<br /> <br /> Theo tÝnh chÊt cña hµm gradient (NguyÔn §×nh Thóc, 2000), tõ ph−¬ng tr×nh (2) ta cã:<br /> grad (et2 ) = -2.et. x|t (5)<br /> trong ®ã: x|t = (X0,t, X1,t ..., Xn,t)<br /> do ®ã viÖc hiÖu chØnh hÖ sè ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau:<br /> (6)<br /> Wm = WC + 2.k .et .x | t<br /> trong ®ã c¸c t¸c gi¶ (Bïi C«ng C−êng, NguyÔn Do·n Ph−íc, 2001) ®· ®−a ra:<br /> α<br /> k= n (7)<br /> 2∑ X 2jt<br /> j =0<br /> <br /> víi:<br /> α : x¸c ®Þnh sù ph¶n øng cña m« h×nh ®èi víi sai sè võa nhËn ®−îc.<br /> NÕu cho α qu¸ lín th× tiªu chuÈn sai sè nhËn d¹ng thùc tÕ cã thÓ còng rÊt lín. Ng−îc<br /> l¹i nÕu chän α qu¸ nhá th× tèc ®é héi tô l¹i qu¸ chËm, v× vËy cÇn chän α = α * tèi −u theo nghÜa<br /> cùc tiÓu et theo h−íng ng−îc víi gradient. Th«ng th−êng α n»m trong giíi h¹n [0; 2].<br /> * ý nghÜa cña ph−¬ng ph¸p dù b¸o nhu cÇu tiªu thô ®iÖn n¨ng tõ (1) ®Õn (6) ®−îc tr×nh bµy nh−<br /> sau:<br /> + Ký hiÖu et( c ) ≡ et lµ sai sè cò, øng víi Wc ; et(m ) lµ sai sè míi, øng víi Wm , khi ®ã hÖ sè håi<br /> quy míi (sau khi hiÖu chØnh) cña hµm håi quy tuyÕn tÝnh sÏ lµ:<br /> (am ) jt = [(ac ) jt + 2.k .(et( c ) ). X jt ] (8)<br /> vµ sai sè cña m« h×nh ®−îc viÕt l¹i nh− sau:<br /> n<br /> et( m ) = Yt − ∑[(ac ) jt + 2k .(et( c ) ) X jt ]. X jt<br /> j =1<br /> <br /> (am ) jt = [(ac ) jt + 2.k .(et( c ) ). X jt ]<br /> n n<br /> = et( c ) − 2k .et( c ) .∑ X 2jt = et( c ) (1 − 2k ∑ X 2jt ) (9)<br /> j =1 j =1<br /> <br /> hay e t<br /> (m)<br /> = et( c ) (1 − α ) (10)<br /> <br /> Khi α tho¶ m·n ®iÒu kiÖn α = α * tèi −u , ta cã:<br /> <br /> et( m ) < et( c )<br /> <br /> <br /> <br /> trang 3<br />  Nh− vËy, tr−íc khi tÝnh to¸n dù b¸o ®Þnh møc phô t¶i ®iÖn b»ng m« h×nh håi quy thÝch nghi<br /> th× ta nªn tÝnh to¸n b»ng ph−¬ng tr×nh håi quy béi th«ng th−êng, c¸c kÕt qu¶ nhËn ®−îc tõ<br /> ph−¬ng tr×nh håi quy béi th«ng th−êng sÏ lµ c¸c gi¸ trÞ xuÊt ph¸t ®Ó lËp m« h×nh thÝch nghi.<br /> Tuy nhiªn trong thùc tÕ, viÖc gi¶ thiÕt tr−íc d¹ng hµm Y = f(X) kh«ng ph¶i lóc nµo còng<br /> thùc hiÖn ®−îc, ch¼ng h¹n nh− ch−a biÕt ®Æc tÝnh thèng kª cña sè liÖu hoÆc ®Æc tÝnh thay ®æi<br /> theo thêi gian..., lóc ®ã cÇn ¸p dông ®Þnh lý Stone – Weierstrass ®Ó mét hµm ®a thøc cã thÓ xÊp<br /> xØ c¸c hµm liªn tôc (Bïi C«ng C−êng, NguyÔn Do·n Ph−íc, 2001). Nhê tÝnh chÊt nµy mµ c¸c<br /> hµm ®a thøc ®· cho kh¶ n¨ng thÝch øng vÒ mÆt cÊu tróc cña hµm dù b¸o ®èi víi tÝnh bÊt ®Þnh cña<br /> phô t¶i. Do ®ã cã thÓ ¸p dông c¸c hµm ®a thøc ®Ó dù b¸o ®Þnh møc phô t¶i ®iÖn n«ng th«n khi<br /> gÆp ph¶i nh÷ng yÕu tè bÊt ®Þnh.<br /> <br /> 3. KÕt qu¶ nghiªn cøu<br /> Chuçi sè liÖu thèng kª ®Ó x¸c ®Þnh møc sö dông ®iÖn n¨ng sinh ho¹t hé gia ®×nh n«ng<br /> th«n ë Kú S¬n – Hoµ B×nh nh− sau<br /> <br /> B¶ng 1. Møc sö dông ®iÖn n¨ng sinh ho¹t hé gia ®×nh n«ng th«n ë Kú S¬n, Hßa B×nh<br /> §iÖn n¨ng tiªu<br /> Møc thu nhËp, L Gi¸ trÞ tiÖn Gi¸ b¸n ®iÖn, G Sè nh©n khÈu,<br /> TT N¨m thô, A<br /> (106 ®/hé/n¨m) nghi, P (W/hé) (®/kWh) N (ng−êi/hé)<br /> (kWh/n¨m)<br /> 1 1995 1350 16.0 392 490 5.30<br /> 2 1996 1456 17.8 446 490 5.20<br /> 3 1997 1600 19.2 485 490 4.80<br /> 4 1998 1712 20.0 495 490 4.83<br /> 5 1999 1824 20.5 502 490 4.98<br /> 6 2000 1892 22.3 554 500 5.12<br /> 7 2001 1920 24.0 564 500 5.45<br /> 8 2002 2002 26.1 576 600 5.45<br /> 9 2003 2032 27.5 711 650 5.50<br /> 10 2004 2070 30.0 789 650 5.55<br /> <br /> B»ng ph−¬ng ph¸p b×nh ph−¬ng cùc tiÓu x¸c ®Þnh ®−îc:<br /> A = −929,8 + 90.L + 174.N − 1,0.G + 0,61.P<br /> Tõ ®©y cã thÓ dù b¸o ®−îc cho ®iÓm quan s¸t tiÕp theo (®iÓm thø 11). Ký hiÖu Athqtt lµ<br /> ®iÖn n¨ng cùc ®¹i, dù b¸o theo ph−¬ng tr×nh håi quy tuyÕn tÝnh béi th«ng th−êng t¹i thêi ®iÓm<br /> n¨m thø t.<br /> Víi L = 35 (106 ®/hé/n¨m), P = 1000 (W/hé), G = 750 (®/kWh), N = 5,6 (ng−êi/hé)<br /> Athqtt = 3054,6kWh<br /> B©y giê ta chuyÓn sang dù b¸o ®Þnh møc b»ng m« h×nh håi quy thÝch nghi, gi¶ sö vect¬<br /> hÖ sè ban ®Çu trïng víi c¸c hÖ sè cña ph−¬ng tr×nh håi quy béi ë trªn:<br /> <br /> ⎧a 0 ⎫ ⎧− 929.8⎫<br /> ⎪ a ⎪ ⎪ 90 ⎪<br /> ⎪⎪ 1 ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪⎪<br /> Wc = ⎨a 2 ⎬ = ⎨ 174 ⎬<br /> ⎪a ⎪ ⎪ − 1.0 ⎪<br /> ⎪ 3⎪ ⎪ ⎪<br /> ⎪⎩a 4 ⎪⎭ ⎪⎩ 0.61 ⎪⎭<br /> §iÖn n¨ng cùc ®¹i ®−îc ®¸nh gi¸ ë ®iÓm quan s¸t tiÕp theo cña chuçi quan s¸t, víi vect¬<br /> Wc lµ:<br /> ∧<br /> A10 = −929.8 + 90 * 30 + 174 * 5.55 − 1.0 * 650 + 0.61 * 789 = 2567.19kWh<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> trang 4<br /> Gi¸ trÞ thùc cña chuçi quan s¸t: A10 = 2549.2kWh<br /> TÝnh sai sè theo (2):<br /> ∧<br /> e10 = A10 − A10 = 2549 .2 − 2567 .19 = −17.99kWh<br /> LÊy α = 1.8 , tÝnh k theo (7) nhËn ®−îc: k = 2,34.10-8 .<br /> TÝnh Wm theo (6) ®−îc:<br /> ⎧ − 927 . 9 ⎫<br /> ⎪ 89 . 9 ⎪<br /> ⎪⎪ ⎪⎪<br /> W m = ⎨ 173 . 9 ⎬<br /> ⎪ −1 ⎪<br /> ⎪ ⎪<br /> ⎩⎪ 0 . 60 ⎭⎪<br /> <br /> TrÞ sè ®iÖn n¨ng cña ®iÓm quan s¸t thø 11 theo m« h×nh håi quy béi thÝch nghi:<br /> ∧<br /> A11 = −929.8 + 89.9 * 35 + 173.9 * 5.6 − 1.0 * 750 + 0.6 * 1000 = 3040kWh<br /> ∧<br /> §îi cho ®Õn khi quan s¸t ®−îc gi¸ trÞ thùc cña chuçi A11 , sai sè e11 ®−îc x¸c ®Þnh, viÖc<br /> ∧<br /> hiÖu chØnh vµ ®æi míi vect¬ hÖ sè l¹i ®−îc tiÕn hµnh t−¬ng tù ®Ó x¸c ®Þnh A12 ...<br /> Nh− vËy, b»ng c¸ch hiÖu chØnh vµ ®æi míi c¸c hÖ sè håi quy ®· kh¾c phôc ®−îc phÇn nµo c¸c<br /> yÕu tè bÊt ®Þnh ¶nh h−ëng ®Õn kÕt qu¶ dù b¸o. C¸c gi¸ trÞ tÝnh ®−îc ë kÕt qu¶ sau dùa trªn kÕt<br /> qu¶ ®· ®−îc xø lý ë b−íc tr−íc nªn ®· gãp phÇn n©ng cao ®é chÝnh x¸c cña bµi to¸n.<br /> 4. KÕt luËn<br /> Néi dung bµi b¸o ®· ®−a ra ph−¬ng ph¸p øng dông hµm gradient gi¶m nhanh nhÊt trong<br /> xö lý nh÷ng bÊt ®Þnh cña hµm dù b¸o phô t¶i ®iÖn khu vùc n«ng th«n, b»ng ph−¬ng ph¸p nµy cã<br /> thÓ lo¹i bá ®−îc c¸c “yÕu tè nhiÔu” ¶nh h−ëng ®Õn kÕt qu¶ dù b¸o phô t¶i ®iÖn, gãp phÇn n©ng<br /> cao ®é chÝnh x¸c cña bµi to¸n.<br /> §¹i l−îng ®Çu cña vÐct¬ hÖ sè míi trong ph−¬ng tr×nh Wm = WC + 2.k .et .x | t lµ ®¹i<br /> l−îng tû lÖ thuËn víi ®¹i l−îng hiÖu chØnh thu ®−îc tõ thuËt to¸n b×nh ph−¬ng cùc tiÓu ¸p dông<br /> cho ph−¬ng tr×nh håi quy tuyÕn tÝnh. §¹i l−îng thø 2 tû lÖ víi tèc ®é thay ®æi cña cña ®¹i l−îng<br /> hiÖu chØnh ®ã. §¹i l−îng thø 3 tû lÖ víi tæng c¸c ®¹i l−îng hiÖu chØnh tr−íc.<br /> Ph−¬ng ph¸p nµy cho phÐp héi tô nhanh vµ chÝnh x¸c h¬n phÐp håi quy th«ng th−êng vµ<br /> cßn ®−îc øng dông trong nhËn d¹ng vµ ®iÒu khiÓn nhiÒu hÖ thèng n¨ng l−îng kh¸c.<br /> Tµi liÖu tham kh¶o<br /> Bïi C«ng C−êng, NguyÔn Do·n Ph−íc (2001). HÖ mê m¹ng n¬ron vµ øng dông. Nhµ xuÊt b¶n<br /> Khoa häc vµ kü thuËt, trang 45-55.<br /> Donnelly, W.A (1987). The Econometecs of Energy Demand. New York: Praeger Publishers,<br /> page 15-26<br /> §oµn V¨n B×nh, TrÞnh Träng Ch−ëng, NguyÔn §øc Minh (2005). Quy ho¹ch vµ ph¸t triÓn ®iÖn<br /> lùc tØnh Hoµ B×nh giai ®o¹n 2005-2010 cã xÐt ®Õn 2015. ViÖn Khoa häc vµ C«ng nghÖ<br /> ViÖt Nam, trang 8-13.<br /> NguyÔn §×nh Thóc (2000). M¹ng n¬ron, ph−¬ng ph¸p vµ øng dông. Nhµ xuÊt b¶n Gi¸o dôc,<br /> trang 25-31.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> trang 5<br />