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基于改进GRU与多维数据特征提取的风电功率短期预测方法研究

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基于改进GRU与多维数据特征提取的风电功率短期预测方法研究

作者：李希彬北方民族大学

学位级别：硕士

风能具有广阔的开发和应用前景,但由于风能的间歇性和波动性,大规模的风电并网会对电网的正常运行带来一定的隐患,高精度的风电功率预测是解决风电并网问题的重要措施之一。在传统风电功率预测研究中,为了提升基于深度学习的风电功率预... 详细信息

风能具有广阔的开发和应用前景,但由于风能的间歇性和波动性,大规模的风电并网会对电网的正常运行带来一定的隐患,高精度的风电功率预测是解决风电并网问题的重要措施之一。在传统风电功率预测研究中,为了提升基于深度学习的风电功率预测模型性能,可以从风电功率数据特征和模型结构两方面进行处理。针对风电功率数据的冗余性和高维性,可以从输入侧数据、运行侧数据以及输出侧数据等多维角度进行特征提取,以此提高模型的预测性能。而在模型结构研究方面,如何提升GRU的信息交互能力,还存在进一步处理的空间;然后,针对聚类过程中产生的不规则时距问题,也需要对GRU做进一步改进;最后,如何挖掘误差特性实现对GRU联合预测模型的反馈优化尚待进一步研究。针对上述不足之处,本文逐步开展了以下研究:首先,为了提升传统GRU门控结构的信息交互能力,提出一种基于改进门控交互机制的Mogrifier GRU短期风电功率预测模型。该方法创新的提出了一种基于风电功率数据特征的改进Mogrifier机制,通过赋予传统Mogrifier机制更丰富的超参数,实现对GRU门控信息的深度交互,再利用贝叶斯算法对改进后的Mogrifier GRU模型做进一步优化,有效解决了Mogrifier机制中超参数选取的问题,最终实现了参数的自适应选取。由算例验证可知,所提模型的均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)和平均绝对误差MAE(Mean Absolute Error,MAE)分别降为8.9%和5.9%。然后,考虑到单一神经网络预测能力的局限性,本文将聚类算法、注意力机制和传统GRU网络相结合,有效构建出联合预测模型。先利用聚类算法提取输入数据间的相关性特征,降低数据的冗余性,再采用注意力机制对运行侧的重要特征信息进行筛选和提取,以此提升GRU的预测性能。并针对聚类过程中产生的不规则时距问题,本文提出了一种基于聚类处理和注意力机制的自适应双向循环门控神经网络(K-means Adaptive Bidirectional GRU Attention Mechanism,K-ADBIGRU-AM)模型。在上述模型中,本文创新的提出了一种基于风电功率数据特征的时距函数,该时距函数既有效解决了不规则时距的影响,也可根据不同风电场数据特征调整自身参数。除此之外,还提出利用双向循环结构补充大量信息特征,提升传统GRU的时序捕捉能力,并通过注意力机制快速筛选出重要信息,以此解决重要信息的丢失问题,最终实现了预测模型精度的提升,其RMSE和MAE分别降至8.3%和5.6%。最后,为了对误差进行特征提取,以及挖掘联合预测模型和预测误差之间的深层关系,实现对联合预测模型的进一步优化,并对误差评估体系的补充,本文提出了一种基于误差修正和变分模态分解的随差门控注意力机制模型(Variational Mode Decomposition Error Bidirectional GRU Attention Mechanism,VMD-EBIGRU-AM)。首先,采用变分模态分解算法对输入原始数据进行信号特征提取,以此降低数据复杂度,再利用提出的误差反馈修正模块对GRU的传统门控结构进行改进,使之能够有效量化历史正负误差的影响,并能够根据数据特征动态调整结构参数,以此降低误差异常值出现的概率;更进一步的,利用历史误差的分布规律实现对注意力机制权值的自适应修正,从而提升注意力机制赋值过程的合理性,最后提出了基于正负误差的改进平均误差指标(Improved Mean Absolute Error,IMAE),用以全面评估模型的预测效能。经过评价指标的多维衡量和自适应机制的系列模型修正,能够有效突出误差对预测过程和模型性能评估的影响,即通过对误差蕴含的深层价值信息和分布特征规律的进一步挖掘,实现模型优化与预测精度的提高,最终RMSE和MAE分别降至7.5%和5.2%。经算例验证表明,通过对风电功率数据的多维特征提取,以及对模型内部结构的系列改进,能有效解决神经网络的信息交互能力不足的问题,降低了不规则时距对神经网络的影响,以及进一步挖掘了误差反馈与模型优化之间的潜在联系。在逐步解决上述若干问题的同时,风电功率预测精度也在不断提高,有效验证了本文所提方法的可行性。

关键词：风电功率预测 GRU 注意力机制聚类算法深度学习

基于多重联合概率与改进加权HMM的风电功率预测方法

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太阳能学报 2023年第11期44卷 247-254页

作者：师洪涛李艺萱丁茂生高峰李希彬何竹北方民族大学电气信息工程学院银川750021

为解决传统风电功率预测中气象因素与功率数据结合应用时相互约束性不足且风电功率序列的历史时序信息随时间逐步衰减的问题,提出一种基于多重联合概率与改进加权隐马尔可夫模型(HMM)的风电功率预测方法。首先,提出多重联合概率方法将... 详细信息

为解决传统风电功率预测中气象因素与功率数据结合应用时相互约束性不足且风电功率序列的历史时序信息随时间逐步衰减的问题,提出一种基于多重联合概率与改进加权隐马尔可夫模型(HMM)的风电功率预测方法。首先,提出多重联合概率方法将数值天气预报(NWP)中的气象因素进行逐步联合,并改进HMM中的释放概率,使NWP气象数据与功率时间序列融合以互相约束;然后,采用条件熵改进粗糙集以计算多步预测的合理属性权重,加权运算多步预测值,以获得风电功率预测值;最后,经过风电场实际算例验证,通过将NWP数据与功率数据相互融合、互相约束,可有效地提高风电功率预测精度。

关键词：风电功率隐马尔可夫模型粗糙集理论条件熵多重联合概率

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基于灵敏度-层HMM功率预测的风机运行不确定性风险评估方法

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中国测试 2022年

作者：师洪涛李艺萱丁茂生高峰李希彬北方民族大学电气信息工程学院

风电机组的运行风险评估对大规模风电并网的安全与稳定具有重要的意义，为解决传统风电机组运行风险评估中残差评估风险等级划分准确度率低的问题，提出了基于灵敏度-层隐马尔可夫链(Hidden Markov Model， HMM)功率预测的风电不确定性... 详细信息

风电机组的运行风险评估对大规模风电并网的安全与稳定具有重要的意义，为解决传统风电机组运行风险评估中残差评估风险等级划分准确度率低的问题，提出了基于灵敏度-层隐马尔可夫链(Hidden Markov Model， HMM)功率预测的风电不确定性风险评估方法。首先提出了新的量化风险度的模型，在残差序列中考虑风险发生的概率并应用HMM聚类考虑残差序列的时间特征；进一步的，提出了灵敏度-层HMM的预测模型，其采用灵敏度提取风电功率在风速区间内的变化趋势，使HMM预测状态的选取更为合理，进而提高预测精度。最后，实际算例表明，相较于传统的风险度评估方法，采用该文提出的风电机组的风险评估方法，风电功率预测误差RMSE降低至10.47%，风险评估模型在考虑不确定性与时序性的前提下，聚类的错误率降低为5.5%。

关键词：风电功率预测灵敏度分析层隐马尔可夫链风险度评估

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短波无线电抗干扰技术发展趋势研究

电子元器件与信息技术 2022年第6期6卷 9-12页

作者：李希彬中国电子科技集团公司第二十二研究所

现代信息科技的不断发展推动了无线通信的进步，这一领域最受关注的就是短波无线电抗干扰技术，但仍需进一步提高数据信息无线传输网络的连接速度和安全性。与国内现有的先进数字无线通信技术相比，短波无线电抗干扰技术通信传输的性能... 详细信息

现代信息科技的不断发展推动了无线通信的进步，这一领域最受关注的就是短波无线电抗干扰技术，但仍需进一步提高数据信息无线传输网络的连接速度和安全性。与国内现有的先进数字无线通信技术相比，短波无线电抗干扰技术通信传输的性能水平得到了一次大范围的革命性提高，被广泛地应用于社会各专业领域，对信号传输有很大的帮助，并在实践中具有一定的独特性能优势。在一些民用移动通信产品中，抗干扰技术都是需要额外设计开发来实现的。基于此，本文对短波无线电抗干扰技术进行探讨，研究其发展趋势，以作为相关专业人员的参考资料。

关键词：短波无线电抗干扰技术发展趋势研究

基于自适应误差修正的EGRU-AM短期风电功率预测方法

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中国测试 2023年

作者：师洪涛李希彬丁茂生高峰李艺萱杨静玲北方民族大学电气信息工程学院

采用传统误差修正算法可以提升深度学习的时序预测能力，但在正负误差特性挖掘及预测模型自适应修正方面尚待进一步研究。针对上述问题，该文提出一种基于自适应误差修正的EGRU-AM短期风电功率预测方法。首先，提出并建立考虑正负误差... 详细信息

采用传统误差修正算法可以提升深度学习的时序预测能力，但在正负误差特性挖掘及预测模型自适应修正方面尚待进一步研究。针对上述问题，该文提出一种基于自适应误差修正的EGRU-AM短期风电功率预测方法。首先，提出并建立考虑正负误差的评价指标IMAE，进而提出自适应误差反馈修正算法，其通过量化历史正负误差的影响，能够自适应的反馈修正GRU门控结构，降低误差异常值出现的概率；更进一步的，利用历史误差的分布规律构建注意力机制自适应律，以实现对权值计算过程的自适应修正，从而提升注意力机制赋值过程的合理性。经过评价指标的综合衡量和自适应机制的系列模型修正，能够有效突出误差对预测过程和模型性能评估的影响。算例验证表明，该文所提的预测模型与评价指标可进一步挖掘误差信息，提升预测模型的学习能力，进而有效提高风电功率预测精度。

关键词：风电预测自适应误差修正机制变分模态分解注意力机制门控循环单元

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过去40年天津沿海海平面变化研究

海洋湖沼通报 2023年第5期45卷 38-43页

作者：张琪陈燕珍牛福新李希彬王鲁宁靳玉丹国家海洋局天津海洋环境监测中心站天津300457

本文利用塘沽海洋环境监测站实测资料以及法国空间局多卫星融合资料研究了天津沿海海平面的变化。得到如下结论:天津海域近40年平均潮位、最高潮位、最低潮位整体呈上升的趋势,其中最低潮位变化速率最大,为1.35 cm/a,平均潮差、最大潮... 详细信息

本文利用塘沽海洋环境监测站实测资料以及法国空间局多卫星融合资料研究了天津沿海海平面的变化。得到如下结论:天津海域近40年平均潮位、最高潮位、最低潮位整体呈上升的趋势,其中最低潮位变化速率最大,为1.35 cm/a,平均潮差、最大潮差整体呈下降的趋势。通过功率谱分析可以看到,天津沿海的潮汐包含了准10年的周期变化。同时结合卫星高度计资料得到的天津沿海的海平面高度也是持续上升。

关键词：天津海平面潮汐线性趋势

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基于改进Mogrifier门控交互机制的短期风电功率预测

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中国测试 2023年第8期49卷 110-116页

作者：师洪涛李希彬丁茂生高峰李艺萱杨静玲北方民族大学电气信息工程学院宁夏银川750021

采用门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)构建风电功率预测模型以对风电功率进行精准预测在风电并网中具有重要意义。然而,传统的GRU在门控交互结合方面还有待进一步研究。针对上述问题,提出一种基于改进门控交互机制的Mogrifier GR... 详细信息

采用门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)构建风电功率预测模型以对风电功率进行精准预测在风电并网中具有重要意义。然而,传统的GRU在门控交互结合方面还有待进一步研究。针对上述问题,提出一种基于改进门控交互机制的Mogrifier GRU短期风电功率预测方法,其对Mogrifier机制赋予更丰富的超参数实现门控信息的深度交互,并创新地提出利用贝叶斯优化和改进后的Mogrifier GRU相结合,解决算法中超参数选取的问题,实现参数的自适应选取。最后采用风电场数据进行算例验证,证明该文所提的基于风电数据特性的Mogrifier GRU短期风电功率预测模型,参数可以根据风电数据特点自适应优化,解决Mogrifier GRU在典型的随机性与间歇性风电数据中应用时超参数设置问题,可有效提高风电功率预测精度。

关键词：风电功率预测 Mogrifier GRU 贝叶斯优化相关性分析

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东海大堤对湛江湾水动力环境影响的研究

东海大堤对湛江湾水动力环境影响的研究

作者：李希彬中国海洋大学

学位级别：硕士

涉海活动对人类社会发展具有重大意义,适当的涉海活动可以对当地城市的经济发展起到重要的作用,促进社会发展,造福人民。然而,没有科学依据的过度涉海将会对涉海海域内的水动力环境、水质环境、泥沙运动规律和生态环境等造成一定影响,... 详细信息

涉海活动对人类社会发展具有重大意义,适当的涉海活动可以对当地城市的经济发展起到重要的作用,促进社会发展,造福人民。然而,没有科学依据的过度涉海将会对涉海海域内的水动力环境、水质环境、泥沙运动规律和生态环境等造成一定影响,在海湾中进行涉海活动引起的负面影响已倍受关注。但是目前全面评价涉海活动对海湾水动力环境改变的细致研究尚不多见。本文以连接湛江市和东海岛的东海大堤为研究对象,进行了实地潮流、潮位观测,经过分析,发现紧靠东海大堤两侧水域观测点潮汐、潮流形态差别较大,为了更好的分析其变化,本文利用数值模拟方法对其进行解释。针对湛江湾及其附近海域海底底地形复杂,滩涂面积大且分布不均匀,岸线弯曲不规则等地形特点,本文首次利用三维漫滩水动力模型FVCOM,采用有限体积法,三角形网格,以及干湿边界处理方法,结合水交换模块,建立了数值模型,并通过实测资料验证,验证了模型的可靠性。由于湛江湾有较大面积滩涂,论文讨论了采用固定边界和干湿网格数值模拟方法对湛江湾的水动力场模拟的影响,发现:如果不采用干湿网格方法,不考虑湛江湾内的滩涂部分,湛江海域的主要分潮的振幅、迟角均减小,其中M2分潮振幅、迟角最大分别减少10cm、20度以上,潮流流速变小,特别是湛江湾和雷州湾内,海水流速减小较大,纳潮量减小21%以上,整个湛江湾内水体半交换时间延长9.4天,水交换率降低,与实际情况相差较大,不能准确反映湛江海域的现状,这也展现了干湿网格方法的优点,说明在滩涂较大的海湾使用干湿网格方法是必要的,并说明了湾内广大滩涂对维持海湾水动力环境的重要性。在建立的湛江湾模型基础上,分别模拟计算了大堤现状以及1958年大堤修建之前湛江湾的纳潮量、流场、潮位、余流等水动力特征,以及大堤修建前后湛江湾内水体的半交换时间,并对大堤修建前后湛江湾内的水动力状况和水交换率进行对比分析。结果表明,在1958年大堤建成之后,湛江湾的潮汐、潮流场均发生较大改变,其中从东海岛西侧湾口向大堤西侧水域的潮汐振幅、迟角明显增加,靠近大堤西侧处增加最大,分潮中以M2分潮变化最大,振幅增加8cm以上,迟角增加20度以上,大堤东侧(湛江湾)潮汐形态变化不大;大堤西侧通明海海域潮流流向与建堤前相比基本完全相反,最大流速变化在100cm/s以上,大堤东侧潮流流向变化不大,但流速大大减小;而由于东海大堤的修建,整个湛江湾的纳潮量从建堤前的78836万m3,减少至建堤后的72120万m3,减少6700万m3以上;整个湛江湾的水体半交换时间从建堤前的45.8天,延长至建堤后的80.6天,延长34天以上,使湾内的水交换率大大降低,特别是湾内靠近大堤东侧水体,其半交换时间从建堤前的12天,延长至100天以上,而在考虑湛江湾全年主导的东向风的情况下,建堤前后湾内的水体半交换时间将更加延长,分布延迟4天和6天左右,可见由于东海大堤的修建,对湛江湾内的水动力和水质环境造成较大的负面影响,在计算水体半交换时间的基础上,本文还用粒子追踪方法模拟了粒子的运动轨迹,更加直观的展示了粒子排出湾外的过程路径。

关键词：湛江湾数值模型潮汐潮流水动力环境

T型结构激光深熔焊接过程中小孔型气孔形成机理研究

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T型结构激光深熔焊接过程中小孔型气孔形成机理研究

作者：李希彬上海交通大学

学位级别：硕士

三明治结构板是一种新的夹层结构形式，一般由上下两块面板和中间芯板构成，具有比强度高、比刚度大等优点，在造船、海洋平台制造等行业有良好的应用前景。但其制造过程比较复杂，特别是面板和芯板的连接成为阻碍其广泛应用的最大障碍... 详细信息

三明治结构板是一种新的夹层结构形式，一般由上下两块面板和中间芯板构成，具有比强度高、比刚度大等优点，在造船、海洋平台制造等行业有良好的应用前景。但其制造过程比较复杂，特别是面板和芯板的连接成为阻碍其广泛应用的最大障碍。激光焊接作为先进的焊接制造方法，其焊接变形小，焊缝质量高，特别是可实现一次深熔焊接的优点，使其成为快速高效地制造I形夹芯板三明治结构的有效手段。然而由于激光深熔焊过程中匙孔的复杂形成过程，使得面板和I芯板（T型接头）的焊接时易出现不规则的气孔（称为“小孔型”气孔）。气孔的存在能够降低焊缝强度，韧性，抗疲劳以及耐腐蚀等性能，甚至直接导致焊件的报废，成为激光焊接T型接头制备I芯三明治结构的瓶颈之一。研究激光焊接T型结构过程中小孔型气孔产生的过程以及影响小孔型气孔形成的因素，从而揭示激光深熔焊过程中小孔型气孔形成的机理，为提出有效降低该类型气孔的控制措施提供理论依据，从而有利于制造高质量三明治结构。本文采用试验与数理建模相结合的方式，系统研究激光焊接T型接头中气孔产生的过程、表征方法、影响因素，以找出过程参数对气孔产生的影响规律，并从理论上分析气孔产生的本质及条件。首先采用光纤激光焊接系统对船用低合金高强钢T型结构开展实验研究。通过改变激光焊接功率、焊接速度，面板与肋板之间的间隙等工艺参数研究了不同因素对于小孔型气孔数量和分布的影响。并通过金相统计法、X射线无损探伤法对小孔型气孔进行检测，进而对气孔的大小尺寸及分布进行初步表征。文中引入了新型的三维纳米电脑断层扫描（Nano-CT）检测技术，对焊缝中气孔的三维尺寸、形貌以及空间分布情况进行细节表征。Nano-CT检测结果可以清晰的分布气孔的尺寸、形貌和三维分布等信息，可为分析气孔的产生过程与气孔对T型结构的性能的影响提供依据。其次，本文基于传热学及流体动力学理论建立了激光焊接T型结构的数学模型，该模型中同时引入了凝固相变模型、驱动力模型以及绝热气泡模型，通过设定合理的边界条件，成功实现了对激光深熔焊接过程中小孔型气孔的产生以及演变过程的模拟。模拟结果表明：在T型接头激光深熔焊接过程中，由于匙孔的不稳定性，及出现不断坍塌现象，导致气泡不断在匙孔根部产生，其中一部分气泡产生后在熔池流动以及浮力作用下浮出熔池，而一部分气泡来不及上浮或在熔池中迁移过程中被凝固界面捕获，最终残留在焊缝的中下部，形成尺寸形貌各异的气孔。基于上述模型同时计算了不同工艺参数对于小孔型的气孔的影响，结果表明：激光功率越大，匙孔的稳定性越差，越容易产生气孔;焊接速度越快，匙孔相对稳定，越不容易产生气泡，但是焊接速度越快，熔池后壁凝固速度也加快，气泡向气孔的转变率增大;材料粘度越大，匙孔和熔池的稳定性越差，且气泡产生后迁移上浮更加困难，焊接过程产生气孔增多;激光光斑直径越小，焊接过程中小孔愈加不稳定，导致更多的气泡产生，从而演变为较多的气孔;T型结构面板与肋板间隙的存在导致匙孔稳定性变差，使得更多气孔产生。通过建模和试验研究表明，激光深熔焊接过程中小孔型气孔产生的根本原因是由于激光焊接工艺参数与材料物理结构参数的不匹配导致匙孔发生不稳定现象，从而诱发了气泡的形成。气泡迁移过程中与熔池液体金属流动的交互作用及其与冷却速率的竞争，是导致气泡迁移行为发生变化从而演变为气孔的重要原因。

关键词：激光深熔焊气孔形成机理 T型结构数学模型气泡演变