【预定SCI2区】基于白鹭群优化算法ESOA-BiTCN-BiGRU-Attention的风电预测算法研究Matlab实现

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🔥 内容介绍

摘要: 风电预测对电力系统稳定运行至关重要。本文提出一种基于白鹭群优化算法(ESOA)优化的双向时间卷积网络与双向门控循环单元结合注意力机制(ESOA-BiTCN-BiGRU-Attention)的风电功率预测模型。该模型利用BiTCN提取风电功率时间序列中的局部特征，BiGRU捕捉长程依赖关系，注意力机制则突出关键时间步的影响，最终实现对风电功率的高精度预测。ESOA算法则用于优化模型参数，提升预测精度和泛化能力。通过Matlab平台进行仿真实验，并与其他主流预测模型进行对比，结果表明本文提出的ESOA-BiTCN-BiGRU-Attention模型具有更高的预测精度和更强的鲁棒性，适用于实际风电场功率预测。

关键词: 风电预测; 白鹭群优化算法(ESOA); 双向时间卷积网络(BiTCN); 双向门控循环单元(BiGRU); 注意力机制; Matlab

1. 引言

随着全球能源结构的转型升级，风电作为一种清洁可再生能源，其装机容量不断增长，对电力系统的稳定性和可靠性提出了更高的要求。然而，风电具有间歇性和随机性等特点，其功率输出难以精确预测，给电力系统的调度和控制带来了巨大的挑战。准确的风电功率预测对于电力系统安全稳定运行、提高新能源消纳能力、减少弃风率以及优化经济调度至关重要。

近年来，各种机器学习算法被广泛应用于风电功率预测，取得了显著成果。然而，现有的预测模型仍然存在一些不足，例如：难以有效捕捉风电功率时间序列中的复杂非线性关系，以及对噪声和异常数据的敏感性等。针对这些问题，本文提出了一种基于ESOA优化BiTCN-BiGRU-Attention的风电功率预测模型。该模型结合了BiTCN、BiGRU和注意力机制的优势，并利用ESOA算法优化模型参数，以提高预测精度和鲁棒性。

2. 模型构建

本文提出的ESOA-BiTCN-BiGRU-Attention模型主要由以下四个部分组成：

(1) 数据预处理: 原始风电功率数据通常包含噪声和缺失值，需要进行预处理。本文采用小波去噪和线性插值的方法对数据进行处理，以提高模型的预测精度。

(2) 双向时间卷积网络(BiTCN): BiTCN能够有效地提取时间序列中的局部特征，并考虑前后文信息的影响。本模型采用多层BiTCN，逐层提取不同尺度的特征，以捕捉风电功率时间序列中不同粒度的模式。

(3) 双向门控循环单元(BiGRU): BiGRU能够捕捉时间序列中的长程依赖关系，克服了传统循环神经网络(RNN)存在的梯度消失问题。本模型利用BiGRU对BiTCN提取的特征进行进一步处理，捕捉时间序列中的长期依赖性。

(4) 注意力机制: 注意力机制能够突出关键时间步的影响，提高模型对重要信息的关注度。本文采用自注意力机制，让模型自动学习不同时间步之间的权重，从而提高预测精度。

(5) 白鹭群优化算法(ESOA): ESOA是一种新型的元启发式优化算法，具有收敛速度快、全局搜索能力强等优点。本模型采用ESOA算法优化BiTCN-BiGRU-Attention模型的参数，包括卷积核大小、卷积层数、GRU单元数、注意力机制参数等。ESOA通过迭代搜索，找到模型的最优参数组合，从而提高预测精度和泛化能力。

3. Matlab实现

本文利用Matlab平台对ESOA-BiTCN-BiGRU-Attention模型进行实现。具体的实现步骤如下：

(1) 数据导入与预处理: 利用Matlab自带函数导入风电功率数据，并采用小波去噪和线性插值进行预处理。

(2) 模型构建: 利用Matlab深度学习工具箱构建BiTCN、BiGRU和注意力机制网络结构。

(3) ESOA算法实现: 根据ESOA算法的原理，编写Matlab代码实现ESOA算法，用于优化模型参数。

(4) 模型训练与测试: 利用训练数据训练ESOA-BiTCN-BiGRU-Attention模型，并利用测试数据评估模型的预测性能。

(5) 结果分析: 分析模型的预测精度、运行时间等指标，并与其他主流预测模型进行比较。

4. 实验结果与分析

本文选取某风电场一年历史数据进行实验，并将ESOA-BiTCN-BiGRU-Attention模型与BP神经网络、LSTM、GRU等模型进行对比。实验结果表明，ESOA-BiTCN-BiGRU-Attention模型在均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和平均绝对百分比误差(MAPE)等指标上均取得了最佳性能，验证了该模型的有效性和优越性。 具体数值结果将以图表形式在论文中详细展现。

5. 结论与展望

本文提出了一种基于ESOA-BiTCN-BiGRU-Attention的风电功率预测模型，并利用Matlab进行了实现和验证。实验结果表明，该模型具有更高的预测精度和更强的鲁棒性。 未来研究将重点关注以下几个方面：

(1) 探索更先进的优化算法，进一步提高模型的预测精度。
(2) 考虑更多影响风电功率输出的因素，例如风速、风向、温度等，构建更复杂的预测模型。
(3) 将该模型应用于实际风电场，进行更广泛的测试和验证。​

⛳️ 运行结果

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🔗 参考文献

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1 各类智能优化算法改进及应用

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2 机器学习和深度学习方面

2.1 bp时序、回归预测和分类

2.2 ENS声神经网络时序、回归预测和分类

2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类

2.4 CNN/TCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类

2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类

2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类

2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类

2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类

2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类

2.10 DBN深度置信网络时序、回归预测和分类

2.11 FNN模糊神经网络时序、回归预测

2.12 RF随机森林时序、回归预测和分类

2.13 BLS宽度学习时序、回归预测和分类

2.14 PNN脉冲神经网络分类

2.15 模糊小波神经网络预测和分类

2.16 时序、回归预测和分类

2.17 时序、回归预测预测和分类

2.18 XGBOOST集成学习时序、回归预测预测和分类

方向涵盖风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、用电量预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断

2.图像处理方面

图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知

3 路径规划方面

旅行商问题（TSP）、车辆路径问题（VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等）、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、 充电车辆路径规划（EVRP）、 双层车辆路径规划（2E-VRP）、 油电混合车辆路径规划、 船舶航迹规划、 全路径规划规划、 仓储巡逻

4 无人机应用方面

无人机路径规划、无人机控制、无人机编队、无人机协同、无人机任务分配、无人机安全通信轨迹在线优化、车辆协同无人机路径规划

5 通信方面

传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化、水声通信

6 信号处理方面

信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化、心电信号、DOA估计、编码译码、变分模态分解、管道泄漏、滤波器、数字信号处理+传输+分析+去噪、数字信号调制、误码率、信号估计、DTMF、信号检测

7 电力系统方面

微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置、有序充电

8 元胞自动机方面

交通流 人群疏散 病毒扩散 晶体生长 金属腐蚀

9  雷达方面

卡尔曼滤波跟踪、航迹关联、航迹融合、SOC估计