深度学习方法在负荷预测中的应用综述（论文阅读）

前言
  本篇论文主要介绍了当下用于智能电网电力负荷预测的多种DL方法，并对它们的效果进行了比较。对于RMSE的降低效果上，集成DBN和SVM的方法RMSE降低显著，达到了21.2%。此外，PDRNN方法与ARIMA方法相比有很大的降低，达到了19.2%。而使用带有k-means的CNN相比于只使用CNN，下降百分比也达到了12.3%。

Abstract

  简单来说，近十年来，深度学习在电力系统负荷预测方面应用已经十分广泛，本文主要探索了DL在电力系统和智能电网负荷预测中的不同应用，并且比较了众多方法的RMSE以及MAE，并最终发现，卷积神经网络CNN与k-means算法结合可以大大降低RMSE。

Keywords

  人工神经网络（ANN）, 预测，学习(人工智能)，机器学习，智能电网。

引申：

1. DL入门(1)：卷积神经网络(CNN)
2. 机器学习之K_means（附简单手写代码）

I. INTRODUCTION

  深度学习也是机器学习的一种，它拥有很深的内部隐藏层，用于模仿人类内部的神经网络，使得其能像人脑一样思考。机器学习算法分为有监督学习和无监督学习，区别在于有监督学习作用于有特征的数据集，且每个特征都与标签相关联，而无监督学习作用于无标签的数据集，以便从数据集中学习到有用的属性。
  简单来说，所谓监督学习（Supervised learning），是指利用一组已知类别的样本调整分类 or 回归的参数，使其达到所要求性能的过程，也称为监督训练或有教师学习。
  监督学习可以理解为学生从老师那里获取知识、信息，老师提供对错指示、告知最终答案。 学生在学习过程中借助老师的提示获得经验、技能，最后对没有学习过的问题也可以做出正确解答。“老师提供对错指示”这句话很关键，它告诉我们：我们的训练样本，都是有“标准答案的”，比如分类，你在训练的时候就已经知道了它的正确类别，比如回归，你在训练的时候同样也提前知道了真实值。
  监督学习要实现的目标是“对于输入数据X能预测变量Y”。这个预测可以是分类，也可以是具体的一个数值。
  无监督学习的样本是没有标记的，无监督学习的最典型代表就是聚类。聚类的目的在于把相似的东西聚在一起，而我们并不关心这一类是什么。

  机器学习的局限性在于高维数据学习能力的不足，而表征学习（representation learning）的目的是对复杂的原始数据化繁为简，把原始数据的无效的或者冗余的信息剔除，把有效信息进行提炼，形成特征（feature），所以这算是针对ML的一种改进。
  此外，SVM在负荷预测中也有较为广泛的应用。相比于ML，DL更加复杂，在负荷预测中应用更加广泛，表1是2014 - 2016年发表的负荷预测论文中使用的DL方法的综述论文集合：

   可以看到，机器学习方向有SVM和k-means参与到了预测之中，DL仍是主流。

II. Different Deep Learning Methods

  这部分主要介绍了用于智能电网负荷预测的常用DL方法及其计算图，我们一个一个来看。

A. Autoencoder

  自动编码器是一种无监督的数据维度压缩和数据特征表达方法。在大部分提到自动编码器的场合，压缩和解压缩的函数是通过神经网络实现的。
  一个简单的自编码器结构如图1所示：

它通过编码器函数$h=f(x)$以及解码器函数$\tilde{x}=g(h)$来实现，自编码器算法通常用于降维、特征学习或损坏数据重建，用于这三种目的的自编码器分别被称为不完全自编码器、稀疏自编码器和去噪自编码器。
  有关自编码器的详细介绍请看：DL入门(2)：自编码器(AutoEncoder)

B. Recurrent Neural Network

  RNN（循环神经网络）基本用于处理时序数据，因为它有内部存储器，可以用之前的输入更新网络中每个神经元的状态。然而由于U、W、b三组权值共享，往往在处理大型时序数据时会有梯度消失的问题，造成模型失效。
  有关RNN的详细介绍请看：DL入门(3)：循环神经网络（RNN）

C. LSTM

  如上所说，RNN会由于梯度消失而失效，LSTM（长短期记忆网络）的提出正好解决这个问题。LSTM相比于RNN，引入了输入门i、遗忘门f、输出门o以及内部记忆单元c，图2展示了LSTM的一般结构：

  遗忘门f用于控制输入x和上一层隐藏层输出h被遗忘的程度大小，输入门i用于控制输入x和当前计算的状态更新到记忆单元的程度大小，而隐藏层输出是由输出门和内部记忆单元决定的。
  有关LSTM的详细介绍请看：DL入门(4)：长短期记忆网络（LSTM）

D. CNN

  CNN（卷积神经网络）在视觉和音频处理、视频识别和自然语言处理中得到了广泛的应用。与RNN处理时序数据不同，CNN通常用于处理网格数据拓扑，时间序列数据的构建是一个时间间隔的一维网格，图像数据的构建是像素的二维网格。
  有关卷积的详细介绍请看：DL入门(1)：卷积神经网络(CNN)

E. Restricted Boltzman Machine (RBM)

  受限玻尔兹曼机(RBM)是一种无向概率图模型，RBM有两层：可见的输入层v+隐藏层h，通常RBM是堆叠的，通过增加多层隐藏层可以形成深度玻尔兹曼机（DBM），如下图所示：

F. Deep Belief Network (DBN)

  深度信仰网络（DBN）相比于RBM多了几层隐藏结构，这些层使用反向传播算法进行训练，图3b显示了三层配置的DBN，两个隐藏层和一个可见层，其中最上面的两层是无定向的，但是，所有其它层之间的连接应该指向数据层。

G. Deep Boltzman Machine (DBM)

  与DBN类似，DBM和RBM相比有了更多的隐藏层，但是和DBN不同的是，DBM体系结构在所有层的变量之间都有完全无定向的连接，如图3c所示。

III. REVIEW ON LOAD FORECASTING

  这一节将简要概述SG中最新负荷预测问题的相关DL架构。



  DL被应用于短期预测(STLF)、中期预测(MTLF)和长期预测(LTLF)。 电力负荷预测受到多方面因素影响，比如时间，天气以及客户类型等，特别是对于短期预测来说更是如此。一般文献中对LTLF的研究时间间隔多为一个小时到几周，MTLF为一个月到五年，LTLF的平均使用周期为5~20年。
  使用期限不同，相应地被应用到不同方面，STLF应用于实时控制、能量转移调度、经济调度和需求响应；MTLF用于规划近期的发电plan，并显示电力系统在时间间隔内的动态；LTLF用来根据规模和类型来规划发电plan，以满足未来的需求和成本效益。

  自动编码器被用于电价的STLF，该作者提出用于短期预测的堆叠去噪自编码器，预测方法针对两种模型进行了在线预测和提前一天预测。结果发现，去噪自编码器有着较好的预测效果，特别是针对前一天的预测。同时，该论文将结果与经典神经网络(NN)、支持向量机(SVM)、多元自适应回归样条(MARS)和最小绝对收缩与选择算子(Lasso)等最新预测方法进行了比较。
  另有一项研究将自动编码器和LSTM结合起来进行预测，并将结果与人工神经网络、LSTM和DBN等最先进的方法进行比较。将该方法应用于21个太阳能电站，其训练和测试结果的均方根误差均值(RMSE)均有所下降。
  对自编码器+LSTM的方法的研究表明，该方法的RMSE为0.0713，其次是DBN的0.0714。

  总结：去噪自编码器被用于短期的电价预测，针对前一天的预测有着很好的效果；另外，自编码器与LSTM结合比之一般的DL方法，RMSE也有所下降。

  在大多数论文中，我们使用RMSE和平均绝对误差(MAE)来评价所提方法的性能，并将其与其他文献中的方法进行比较。其表达式如下：

其中x是测量的输入时间序列，y是预测的输出时间序列，N是时间序列的样本个数。

  研究者将汇集深度循环神经网络(PDRNN) 用于家庭负荷预测，该研究表明，向神经网络添加更多层次可以提高的预测性能。研究数据来自爱尔兰的920名智能电表用户，结果与已有的负荷预测方法如ARIMA、SVR和DRNN进行了比较。与其他方法相比，该方法在均方根误差方面得到了改善，ARIMA是19.5%，SVR是13.1%，而DRNN是6.5%。
  总结：往nn中添加更多层次可以提高预测性能，DRNN在对于智能电表用户的负荷预测中，相比于ARIMA以及SVR，其RMSE有了很大的提高。

  在电力负荷预测中，LSTM使用也比较广泛，通常使用的有标准的LSTM算法以及基于LSTM的Seq2Seq算法。一项研究表明，标准LSTM在1小时的分辨率下成功，1分钟下却失败了；相比之下基于LSTM的Seq2Seq在两种情况下表现均不错。此外另有一项针对居民电力负荷短期预测的研究中，对于单个负荷的预测，研究人员表示LSTM优于最新的居民用电负荷预测方法。
  总结：与标准LSTM相比，基于LSTM的Seq2Seq算法在更短期的预测中有着更好的预测性能。

  CNN与k均值聚类的结合算是一个很好的尝试，研究人员将其用于短期预测上。K-means算法用于在一个大型的数据集上创建用于训练CNN的聚类。此研究选取的是2014年8月的夏季数据和2014年12月的冬季数据。本研究的对比结果表明，在夏季实验k-means为0.2194，冬季实验k-means为0.2399时，CNN的RMSE有很大的提高，其夏冬季的RMSE分别为0.2379和0.2839；若仅仅只是简单使用CNN，夏冬季的RMSE分别为0.2502和0.2614。此项研究表明：在聚类技术的帮助下，CNN优于其他方法。
  总结：CNN和k-means结合可以显著改善预测性能。

  在一项研究中，RBM在用户电力负荷预测中也有较好的表现。通过使用启发式方法来确定隐藏神经元的数量，有4个隐藏层和150个隐藏神经元。预测结果与文献中已知的黄化神经网络(SNN)、DSHW和自回归综合移动平均(ARIMA)等预测方法进行比较。与SSN相比，该方法减少了(MAPE)和(RRMS) 17%和22%，与DSHW相比，减少了9%和29%。
  总结：通过启发式策略确定RBM的隐藏神经元数量，在4个隐藏层150个隐藏神经元的条件下，其预测性能相比SSN和DSHW均有所提高。

  深度信念网络DBN在STLF中也有一些应用，研究人员希望利用和SVR集成的方法来提高DBN的负荷预测性能。研究人员在3个电力负荷需求数据集和3个回归数据集上应用了该方法，结果表明：SVR和DBN集成效果优于单独使用SVR、前馈NN、DBN和集成神经网络。对南澳大利亚的负荷需求预测结果显示，集成方法的RMSE为30.598，SVR为44.674，前馈NN为38.8585。
  总结：与单独使用SVR、前馈NN、DBN和集成神经网络相比，DBN和SVR集成可以显著改善预测性能。


  研究者提出一种用于风速预测的深度玻尔兹曼机，作者使用原始风速数据来预测短期以及长期风速。该算法被用来预测提前一小时和一天的风速，与自回归(AR)、自适应神经模糊推理系统(ANFIS)和SVR、SVM相比，该方法的性能有所提高。该方法提前10分钟的均方误差(MSE)为0.2951，对应于SVR的MSE为0.6340。提前一天预测的MSE为1.2926，相比之下SVR的MSE为1.3678，有所改善。
  总结：DBM在短期以及长期风速预测方面较之SVR有显著提高。

  表2比较了每篇论文中提出的方法和目前最先进的通用基准方法，显示了后一种方法相比于前一种方法RMSE的下降百分比。观察上表可以发现，与模糊神经网络相比，集成DBN和支持向量机方法的RMSE降低最显著，达到了21.2%。此外，PDRNN方法与ARIMA方法相比也有很大的降低，达到了19.2%。而使用带有k-means的CNN相比于只使用CNN，下降百分比也达到了12.3%。

IV . CONCLUSION

  本文综述了应用于SG负荷预测的著名深度学习方法。这些学习算法中的大多数已经成功地进行了预测分析。但同时也有一些问题有待解决，比如预测很受负载类型、时间、天气、季节、客户行为和假期的影响。


  神经网络技术广泛应用于负荷预测问题，本文重点综述了目前应用于SG负荷预测的各种DL方法的研究现状，可以总结如下：

1. 堆叠降噪自编码器算法用于电价的STLF，其对于前一天的预测效果很好。
2. 自动编码器和LSTM算法相结合，为可再生能源发电厂的预测提供了良好的RMSE结果。
3. 爱尔兰智能电表的负荷预测方面，深度RNN显示出优于其他预测方法(如ARIMA、SVR)的性能。
4. 基于LSTM的Seq2Seq在1小时分辨率下表现良好。
5. 采用k-means的CNN对冬夏STLF有着较好的预测性能。
6. RBM用于客户的负荷预测，与ARIMA、DSHW和SSN相比，RBM的性能较好。
7. DBN和支持向量机相结合，获得了最佳的负荷预测性能。
8. 预测DBM应用于智能电网的风速预测，在RMSE方面，与AR和SVR相比表现出了良好的性能。

原文链接：A Review of Deep Learning Methods Applied on Load Forecasting