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            博客專(zhuān)欄

            EEPW首頁(yè) > 博客 > 基于SARIMA、XGBoost和CNN-LSTM的時(shí)間序列預(yù)測(cè)對(duì)比(1)

            基于SARIMA、XGBoost和CNN-LSTM的時(shí)間序列預(yù)測(cè)對(duì)比(1)

            發(fā)布人:數(shù)據(jù)派THU 時(shí)間:2022-12-23 來(lái)源:工程師 發(fā)布文章

            利用統(tǒng)計(jì)測(cè)試和機(jī)器學(xué)習(xí)分析和預(yù)測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電的性能測(cè)試和對(duì)比。

            本文將討論通過(guò)使用假設(shè)測(cè)試、特征工程、時(shí)間序列建模方法等從數(shù)據(jù)集中獲得有形價(jià)值的技術(shù)。我還將解決不同時(shí)間序列模型的數(shù)據(jù)泄漏和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備等問(wèn)題,并且對(duì)常見(jiàn)的三種時(shí)間序列預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

            介紹

            時(shí)間序列預(yù)測(cè)是一個(gè)經(jīng)常被研究的話(huà)題,我們這里使用使用兩個(gè)太陽(yáng)能電站的數(shù)據(jù),研究其規(guī)律進(jìn)行建模。首先將它們歸納為兩個(gè)問(wèn)題來(lái)解決這些問(wèn)題:

            1. 是否有可能識(shí)別出性能欠佳的太陽(yáng)能組件?
            2. 是否可以預(yù)報(bào)兩天的太陽(yáng)能發(fā)電量?


            在繼續(xù)回答這些問(wèn)題之前,讓我們先了解太陽(yáng)能發(fā)電廠是如何發(fā)電的。

            圖片

            上圖描述了從太陽(yáng)能電池板模塊到電網(wǎng)的發(fā)電過(guò)程。太陽(yáng)能通過(guò)光電效應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)硅(太陽(yáng)能電池板中最常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料)等材料暴露在光線下時(shí),光子(電磁能量的亞原子粒子)被吸收并釋放自由電子,從而產(chǎn)生直流電(DC)。使用逆變器,直流電被轉(zhuǎn)換成交流電(AC)并發(fā)送到電網(wǎng),在那里它可以被分配到家庭。

            數(shù)據(jù)

            原始數(shù)據(jù)由每個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電廠的兩個(gè)逗號(hào)分隔值(CSV)文件組成。一份文件顯示了發(fā)電過(guò)程,另一份文件顯示了太陽(yáng)能發(fā)電廠傳感器記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)。每個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電廠的兩個(gè)數(shù)據(jù)集都被整理成一個(gè)pandas的df。

            太陽(yáng)能發(fā)電廠1號(hào)(SP1)和太陽(yáng)能發(fā)電廠2號(hào)(SP2)的數(shù)據(jù)每15分鐘收集一次,從2020年5月15日到2020年6月18日。SP1和SP2數(shù)據(jù)集都包含相同的變量。

            • Date Time -間隔15分鐘
            • Ambient temperature-模塊周?chē)諝獾臏囟?/span>
            • Module temperature-模塊的溫度
            • Irradiation——模塊上的輻射
            • DC Power (kW)  -直流
            • AC Power (kW) -交流
            • Daily Yield-每日發(fā)電量總和
            • Total Yield-逆變器的累計(jì)產(chǎn)量
            • Plant ID -太陽(yáng)能電站的唯一標(biāo)識(shí)
            • Module ID  -每個(gè)模塊的唯一標(biāo)識(shí)


            天氣傳感器用于記錄每個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電廠的環(huán)境溫度、組件溫度和輻射。

            對(duì)于這個(gè)數(shù)據(jù)集直流功率將是因變量(目標(biāo)變量)。我們目標(biāo)是試圖找到性能不佳的太陽(yáng)能模塊。

            兩個(gè)獨(dú)立的df用于分析和預(yù)測(cè)。唯一的區(qū)別是用于預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)被重新采樣為每小時(shí)的間隔,而用于分析的數(shù)據(jù)幀包含15分鐘的間隔。

            首先我們刪除Plant ID,因?yàn)樗鼘?duì)試圖回答上述問(wèn)題沒(méi)有任何價(jià)值。Module ID也從預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集中刪除。表1和表2顯示了數(shù)據(jù)示例。

            圖片

            圖片

            在繼續(xù)分析數(shù)據(jù)之前,我們對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電廠做了一些假設(shè),包括:

            • 數(shù)據(jù)采集儀器無(wú)故障;
            • 模塊定期清洗(忽略維護(hù)的影響);
            • 兩個(gè)太陽(yáng)能電站周?chē)紱](méi)有遮擋問(wèn)題。

            探索性數(shù)據(jù)分析(EDA)

            對(duì)于數(shù)據(jù)科學(xué)的新手來(lái)說(shuō),EDA是通過(guò)繪圖可視化和執(zhí)行統(tǒng)計(jì)測(cè)試來(lái)理解數(shù)據(jù)的關(guān)鍵一步。我們首先通過(guò)繪制SP1和SP2的DC和AC,可以觀察到每個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電廠的性能。

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            SP1顯示的直流功率比sp2高一個(gè)數(shù)量級(jí)。假設(shè)SP1采集的數(shù)據(jù)是正確的,用于記錄數(shù)據(jù)的儀器沒(méi)有故障,這就說(shuō)明SP1中逆變器需要進(jìn)行更深入的研究。

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            通過(guò)按每個(gè)模塊的日頻率聚合AC和DC功率,圖3顯示了SP1中所有模塊的逆變器效率。根據(jù)領(lǐng)域內(nèi)知識(shí),太陽(yáng)能逆變器的效率應(yīng)該在93-96%之間。由于所有模塊的效率范圍為9.76% - 9.79%,這里可以說(shuō)明需要調(diào)查逆變器的性能,以及是否需要更換。

            由于SP1顯示了逆變器的問(wèn)題,因此僅在SP2上進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。

            盡管這一小段分析是我們花了更多的時(shí)間對(duì)逆變器進(jìn)行研究,但它并沒(méi)有回答確定太陽(yáng)能模塊性能的主要問(wèn)題。

            由于SP2的逆變器正常工作,可以通過(guò)深入挖掘數(shù)據(jù),來(lái)識(shí)別和調(diào)查任何異常情況。

            圖4中顯示了模塊溫度和環(huán)境溫度之間的關(guān)系,并且有模塊溫度極高的情況。

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            這看起來(lái)似乎違反我們的認(rèn)知,但是可以看到高溫對(duì)太陽(yáng)能電池板的確有負(fù)面影響。當(dāng)光子與太陽(yáng)能電池內(nèi)的電子接觸時(shí),它們會(huì)釋放自由電子,但在更高的溫度下,更多的電子已經(jīng)處于激發(fā)態(tài),這降低了電池板可以產(chǎn)生的電壓,進(jìn)而降低了效率。

            考慮到這一現(xiàn)象,下面的圖5顯示了SP2的模塊溫度和直流功率(環(huán)境溫度低于模塊溫度的數(shù)據(jù)點(diǎn)和模塊運(yùn)行數(shù)量較少的一天中的時(shí)間已經(jīng)過(guò)過(guò)濾,以防止數(shù)據(jù)傾斜)。

            圖片

            在圖5中,紅線表示平均溫度。這里可以看到有一個(gè)明確的臨界點(diǎn)和直流電源停滯的跡象。在~52°C開(kāi)始平穩(wěn)。為了找到性能次優(yōu)的太陽(yáng)能模塊,所有顯示模塊溫度超過(guò)52°C的行都被刪除。

            下面的圖6顯示了SP2中每個(gè)模塊在一天中的直流功率。這樣就基本符合了預(yù)期,午間發(fā)電量較大。但是還有個(gè)問(wèn)題,在運(yùn)行高峰時(shí)期,發(fā)電量較低。我們很難總結(jié)造成這種情況的原因,因?yàn)楫?dāng)天的天氣條件可能很差,或者SP2可能需要進(jìn)行日常的維護(hù)等等。

            圖6中也有低性能模塊的跡象。它們可以被識(shí)別為圖上偏離最近群集的模塊(單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))。

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            為了確定哪些模塊表現(xiàn)不佳,我們可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)試,同時(shí)將每個(gè)模塊的性能與其他模塊進(jìn)行比較,從而確定性能。

            每隔15分鐘,不同模塊的直流電源在同一時(shí)間的分布是正態(tài)分布,通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)可以確定哪些模塊表現(xiàn)不佳。計(jì)數(shù)是指模塊落在99.9%置信區(qū)間之外且p值< 0.001的次數(shù)。

            圖7按降序顯示了每個(gè)模塊在統(tǒng)計(jì)上顯著低于同期其他模塊的次數(shù)。

            圖片

            從圖7中可以清楚地看出,模塊' Quc1TzYxW2pYoWX '是有問(wèn)題的。這些信息可以提供給SP2的相關(guān)工作人員,調(diào)查原因。


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