《電子技術應用》
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基于LASSO及GRU-注意力机制的配电网合环电流区间预测
电子技术应用
毛洪彬,舒征宇,雷明,任冠臣,周子涵
三峡大学
摘要: 在以光伏、风电为代表的大规模分布式能源接入电网的背景下,传统合环电流计算方法面临精度不足以及难以刻画合环特性不确定性的挑战。为此,提出一种考虑不确定性的合环电流区间预测模型。具体研究过程包含以下关键步骤:鉴于合环电流预测中影响因素繁多且数据结构复杂,采用自适应LASSO(Adaptive LASSO,ALASSO)回归方法对影响因素进行筛选,构建适用于合环电流预测的多元数据集;为提升合环电流预测模型的可解释性,引入极限梯度提升算法,对经LASSO变量选择后的配电网合环预测影响因素进行特征重要性评估,明确各因素对预测结果的贡献程度;针对合环电流的时序特性,提出一种基于注意力(Attention)机制的门控循环单元(GRU)预测模型,实现合环电流的时段预测……
中圖分類號:TM715 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257379
中文引用格式: 毛洪彬,舒征宇,雷明,等. 基于LASSO及GRU-注意力機制的配電網合環電流區間預測[J]. 電子技術應用,2026,52(6):74-82.
英文引用格式: Mao Hongbin,Shu Zhengyu,Lei Ming,et al. Interval prediction of distribution network loop-closing current based on LASSO and GRU-attention mechanism[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(6):74-82.
Interval prediction of distribution network loop-closing current based on LASSO and GRU-attention mechanism
Mao Hongbin,Shu Zhengyu,Lei Ming,Ren Guanchen,Zhou Zihan
China Three Gorges University
Abstract: Against the backdrop of large-scale integration of distributed energy resources, such as photovoltaic and wind power, into the power grid, traditional methods for calculating loop-closing currents face challenges of insufficient accuracy and difficulty in characterizing the uncertainty of loop-closing characteristics. To address this, this paper proposes an interval prediction model for loop-closing currents that considers uncertainty. Specifically, the research process includes the following key steps. First, given the numerous influencing factors and complex data structure in loop-closing current prediction, this paper adopts the Adaptive LASSO (ALASSO) regression method to screen influencing factors and construct a multivariate dataset suitable for loop-closing current prediction. Second, to enhance the interpretability of the loop-closing current prediction model, the study introduces the Extreme Gradient Boosting algorithm to evaluate the feature importance of the influencing factors selected by LASSO, clarifying the contribution of each factor to the prediction results. Then, to address the temporal characteristics of loop-closing currents, this paper proposes a prediction model based on an attention-mechanized Gated Recurrent Unit (GRU) for time-period prediction of loop-closing currents. This model dynamically allocates weights through the attention mechanism to capture key features in the time-series data of loop-closing currents, thereby improving prediction accuracy. Finally, to more accurately represent the uncertainty of loop-closing current predictions, the study employs the Bootstrap method to scientifically calculate the confidence interval, thereby quantifying the potential fluctuation range of the prediction results. Subsequently, the calculated confid
Key words : adaptive LASSO;Bootstrap algorithm;attention mechanism;feature extraction;loop-closing current;uncertainty

引言

現階段,我國多數城市配電網普遍采用“閉環設計、開環運行”的供電模式[1-3]。該模式通過解列運行實現故障隔離與負荷轉移,可在不中斷用戶供電的條件下完成設備檢修及負荷轉供操作,有效提升了配電網的運行可靠性與安全裕度[4-6]。然而,在實施合環操作過程中,由于饋線拓撲結構、饋線參數及運行工況的差異性,合環點兩側母線電壓幅值偏差與相角差值可能引發顯著的合環穩態電流與瞬態沖擊電流[7-9],對配電系統安全構成直接威脅。因此,構建高精度合環電流預測體系對保障電力系統安全穩定運行具有關鍵意義。

當前,合環電流計算研究主要采用確定性建模方法。文獻[10]基于疊加原理提出分相時序電流算法,量化最大沖擊電流的相位與出現時刻,改進其幅值與持續時間預測;文獻[11]針對分布式電源接入場景,構建含新能源出力約束的等效電路模型,利用功率波動系數反映間歇性影響,優化了并網條件下的電流計算;文獻[12]融合疊加原理與戴維南等效理論,建立考慮多源不確定性的概率計算模型,結合蒙特卡洛模擬與概率潮流分析,實現了合環電流的區間預測。上述研究從多個角度深化了對合環電流特性的理解,但均未系統解決新能源大規模接入帶來的強不確定性問題。

深度學習技術的突破性進展使其在電力系統預測領域展現出顯著優勢,其中卷積神經網絡(Convolutional Neural Network, CNN)與循環神經網絡(Recurrent Neural Network, RNN)兩類架構因其獨特的特征提取能力成為研究焦點。CNN采用帶有卷積運算的深層架構,通過卷積與池化操作自動抽取數據特征,有效避免了人工特征選擇引入的偏差,因而在圖像與語音識別等任務中得到了廣泛應用[13]。在電力負荷預測方面,文獻[14]和[15]借助CNN提取輸入特征并捕捉季節性波動規律,結果顯示該模型在處理高度非線性負荷序列時具有更好的預測精度;然而,面對波動劇烈、非平穩性較強的負荷數據時,僅使用CNN結構難以準確捕捉其動態變化特性。RNN通過引入循環連接單元構建時序依賴建模機制,相較全連接網絡等傳統架構,其在動態時序數據建模方面具有天然優勢,可有效捕捉負荷數據中蘊含的周期性波動規律與突變響應特征[16]。作為RNN的改進變體,門控循環單元(Gated Recurrent Unit, GRU)通過引入門控機制解決傳統RNN存在的梯度彌散問題,將模型訓練收斂速度提升30%以上,且在負荷峰谷預測等任務中保持相當高的精度水平,近年來在超短期預測場景中逐步獲得工程化應用[17]。

然而,當處理超長時序輸入(如周級負荷數據)時,LSTM/GRU等RNN變體面臨雙重建模困境:一方面,由于循環單元的有限記憶容量,深層時序信息在傳遞過程中易發生特征衰減,導致季節性規律與極端事件響應的建模失真;另一方面,其線性堆疊的鏈式結構難以顯式刻畫負荷數據中存在的多時間尺度結構特征(如日周期、周周期嵌套關系),在氣象突變與節假日擾動場景下預測偏差率顯著上升[18]。為突破上述瓶頸,注意力機制(Attention Mechanism)通過構建動態特征加權模塊,為序列建模引入可解釋性約束:該機制首先計算當前預測目標與各歷史時序特征的關聯度得分,進而生成概率化的注意力權重向量,對重要時序片段進行特征強化,同時抑制噪聲干擾。

為提升配電網合環電流預測的動態精度與泛化能力,本文提出一種融合注意力機制與混合神經網絡的概率化預測模型。該模型采用三層技術架構:特征提取與權重分析、時序建模及不確定性量化。首先,基于自適應LASSO(Least Absolute Shrink age and Selection Operator)回歸構建特征解耦層,通過動態調整懲罰項系數,篩選氣象、拓撲和動態負荷等高維特征,生成低冗余特征子集。其次,利用XGBoost算法評估特征重要性,量化各變量對合環電流的邊際貢獻,增強模型可解釋性。隨后,構建GRU時序建模模塊,借助門控機制捕捉長期依賴關系,并引入注意力機制對隱含狀態動態加權,突出關鍵時間窗口的電流響應特征。為進一步量化預測不確定性,采用Bootstrap方法分析預測誤差的統計分布,構建誤差置信區間,并將其與點預測結果融合,形成覆蓋不確定性的區間預測。最終輸出具備概率信息的合環電流預測結果,為電網運行決策提供更可靠的參考依據。


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作者信息:

毛洪彬,舒征宇,雷明,任冠臣,周子涵

(三峽大學,湖北 宜昌 443000)

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