TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 5926 ~ 5931   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.442 2          5926     Re cei v ed Se ptem ber 30, 2013; Revi se d March 14, 2 014; Accepte d  April 2, 201 Short-te rm Power Prediction of the Photovoltaic  System Based on QPSO-SVM      Yang Lei 1 *, Shiping Zhou  2 , Yongjun Xia  1 , Xin  Shu  1   1 State Grid Hubei El ectric Po w e r Res earch I n stitute, Xu do n g  Roa d  No.2 27 , W uhan, Chin a   2 State Grid Hubei El ectric Po w e r Comp an y,  Xu do ng R oad  No.17 5 , W uha n, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 3042 31 569 @ qq.com       A b st r a ct   Short-term po w e predicti on of  the  ph otovo l taic  system is one of  the effe ctive mea n s to  reduc e   the adv erse  effects of phot ov oltaic  pow er o n  the gr id.  Si n c e the effici enc y of the traditi o nal s upp ort ve ctor  mac h i ne (SV M) pred ictio n   meth od  is  lo w ,  this pap er  pro poses  the  SVM bas ed   on th e p a ra meter   opti m i z at ion   method  of q u a n tum p a rticle sw arm opti m i z a t i o n (QPSO), and  then  ap ply  int o  the  pow er s h ort- term pre d icti on  of the photov oltaic syste m . After co mp arin g and a naly z i n g the pred ictio n  results of SVM   base d  on thr e e opti m i z at io n  meth ods, w e  find that  the  QPSO-SVM method  has  b e tter precis ion  a n d   stability, w h ich  provi des refere nce to foreca st  gener atio n po w e r of the photovolta ic system.      Ke y w ords : photovoltaic system , power prediction, SVM,  QPSO         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   Develo pment  of scien ce  and technolo g leads to  an eno rmo u s amount of energy  con s um ption,  the deman d  for energy is incre a sin g   rapidly. But the tradition al  fossil en ergy  s o ur ce s ar e   no t r e ne wa b l e .  T o  find  a n e w   s u s t a i na ble   develo p ment   way of  the e nergy so urce  is   importa nt in the future. Solar ene rgy ca n meet  huma n  need s, pho tovoltaic power gen eratio n  is  one of the main uses  o f  solar e nergy. In rec ent  years, ph otovoltaic po wer gen eratio n is  developin g  v e ry ra pidly, b u t photovoltai c  po we r va ri es a s  th e we ather  ch ang e s , it is u n cert ain   and cycli c al,  large - scale p hotovoltaic p o we r will  ma ke great imp a ct on the p hotovoltaic g r i d - con n e c ted system. An accurate p r e d i c tion of t he photovoltai c  can effe ctively alleviate this  probl em.  Ho w to  accu rate ly predi ct the   output of   pho tovoltaic p o wer g ene ratio n  syste m  atta ches  great im port ance to ma stering the  ru nning  ch ara c teristics of  p hotovoltaic p o we ge ne rat i on   system, and  also   to wea k ening   the ne gative  infl ue n c of ph otovo l taic p o wer g eneration  system  for power grid, it has becom e a more an d mo re important  subj ect of the research  on  photovoltai c  power.   It’s  diffic u lt to predic t the power of photo v o lt aic sy st em  be ca us there are so  ma ny  factors that  a ffect the po wer  of photovo l taic system. No ma ny  m e thod s a r wi dely used i n  t h e   photovoltai c  power p r edi ction su ch a s  time serie s  predi ction, artificial ne ural netwo rk,  grey  forecast,  sup port ve ctor  m a chi ne  (SVM) an so o n  [ 1 -6]. SVM al gorithm  re pla c e s  expe rie n c minimization  prin ciple  of the tra d itional  machine  le a r ning th eo ry by stru ctural  risk minimi za tion  prin ciple.  Co mpare to  oth e r al go rithms, SVM algo rithm ta ke m o re adva n tage s on th e forecast   accuracy, but  the para m et ers  of SVM model h a ve  a gre a t impa ct on the foreca st a ccu ra cy.  Paramete r op timization be come s on e of  the most important  conte n t in the rese arch of SVM [7- 8].  Referen c e [9]  uses supp ort  vecto r  ma chi ne  al gorith m  i n to foreca stin g the  output  power  of photovoltai c  po wer g e n e ration  syste m , and put  forward a con c eptio n of photovoltaic po wer  predi ction  system base d  on  the forecasti ng algo rithm  of SVM.    Refere nce [ 10] intro d u c e s  the  we search  algo rithm, gen etic  algorith m  an d pa rticle   swarm optim ization algo ri thm.  After  compa r ing  the forec a s t  res u lt s  of the three differen t   para m eter o p timization  m e thod s, we  find the fo re cast results  of parti cle  swa r m o p timizati on  sup port vecto r  machine ( PSO-SVM) i s  si gnifica ntly better than the o t her two meth ods.   Referen c e [ 11] sele ct s simila r days by the indi cators of m a ximum tem peratu r e,  minimum te mperature, m a ximum humi d ity, mi nimum humidity and so on. Th en fore ca sts  the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Short-te rm  Powe r Predi cti on of the Pho t ovoltai c  Syst em  Based on  QPSO-SVM (Yang L e i)  5927 output po we of photovoltai c  po we ge ne ration system   by  least squ a re s supp ort vector  m a chi ne  (LS-SVM ). Proved  the  L S -SVM can  do b e tter  at  fore ca st a c curacy  than  neu ral  net work  algorith m  and  the normal S V M algorithm This a r ticle  rese arche s  th e paramete r  optim izatio method of qu antum pa rticl e  swarm   optimizatio n(QPSO), then  introdu ce QPSO-SVM  to the sh ort-t e rm p o wer p r edi ction of t he  photovoltai c  system. The  method is val i dated by  a p hotovoltaic  system data o f  a photovoltaic  power statio n  in  Wu han.  T he  re sults sh ow th at   QPS O -SVM can  do  b e tter  i n  speed, preci s i o n   and sta b ility, which provi des referen c e to the s hort-term po we r predi ction of  the photovoltaic   sy st em.       2.  The Quan tu m Particle Sw a r m Qptimi zatio n  Algori t hm   QPSO alg o rit h m is a n e w PSO algo rit h m combin es quantu m  ph ysics theo ry  and the   traditional  P S O algo rithm ,  whi c h i s   b a se d o n  the  qua ntum p h y sics the o ry, and  re ga rd s the   particl es of P S O follow th e motion of q uantum phy si cs. So we ca n describe th e movement  o f   particl es by  quantum p h ysics. QPSO-SVM is a n  improve d  SVM algorit hm whi c h take advantag e of QPSO param eter optimi z at ion [12-1 5 ].  Whe n  de scri bes the p a rti c le s of PSO  by  quantu m  physi cs, we regar d all th particl es  are movin g  a r oun d an attraction p o tenti a l cente r , we  reco rd it as  q =   ( q i,1 , q i,2 ,    q i,3 , …, q i, m ).   i i s   the num be r o f  the pa rticle s,  m   is the dim ensi on  of the  mathemat i c al  pro b lem. T h e coordinate   of  the attraction  potential cent er is:      q i,j  =  i,j  p i,j + [1– i,j ]   .   p g,j  , j =  0,1, …,m      (1)     i,j   is a  ran d o m  num be r u n i f ormly di strib u ted o n  [0,1],  p i,j   is the  opti m al lo cation   particl es  ever re ached,   p g,j   is the optimal locatio n  the gr o up of p a rticle s eve r  reached.   In the qua ntu m  spa c e th wave fun c tion    is use d  to  descri be the  state of pa rticles. The  modulu s -squ ared val ue of  the wave fu nction  rep r e s ents the  pro b ability densit y of particle s  to   appe ar in any  place of the  spa c e. The fo rmula i s  as fo llows:     |  | 2 dxdydz  =   Qdxdy d z  = 1       (2)     Q  re presents the proba bility of a  particle to appe a r  in point ( x,  y,  z ). Set  a one- dimen s ion a probl em fo example, a ssume a  si ngle  parti cle  at p o int  x  in  a on e - d i me ns io na spa c e.  E s tabl ish a one -dim ensi onal   pote n tial  well in the attraction p o tential cente r   q . By solving  the Schrodin ger Equ a tion  we can  get t he probability  density funct i on  Q , and th en cal c ul ate the   positio n of the particl e by Monte  Ca rlo  stocha stic si mulation, the  basi c  evolutio n equatio n of this  particl e in QP SO algorithm  is as follo ws:    =  q  ± ( In (1 /u ))/2         (3)     L   is the  ch a r acte ri stic le ngth of  the  one-dime nsio nal pote n tial  well,  u  is  a r a nd o m   numbe r u n ifo r mly dist ribut ed on  [0,1]. For a  m -dim en sion al spa c e,  we  can  a s su me the attract i on   potential cent er  i s   q i   =   ( q i,1 , q i,2 ,   q i,3 , …, q i, m ), and e s tablish a  one -dimen sion al  potential  well  for  every attra c ti on p o tential  center i n  e a ch  dimen s ion.  We can  define  a be st ave r ag e lo cation  as  = ( P 1 , P 2 , P 3 , ,P m ), for  n  p a rticle s in a  m-dime nsi o n a l spa c e, the  best average  locatio n  is:     P  = [ P 1 ( t ), , P m ( t )] =  [ p i,1 ( t ),  … p i, m ( t )]/      (4)     Then the  cha r acte ri stic len g th of the m-dimen s ion a l potential well can b e  de scri bed a s   L i,j   2 | P j    x i,j |            (5)      is the co ntraction - expa n s ion  coeffici e n t, in this pa per    is lin ea rly decli ning f r om 1 to   0.5. Combini ng the (3 ) an d (5), we ca n finally  get the evolution eq uation of QP SO algorithm:     x i,j   ( t+1 )=  q i,j   ±   p j    x i,j ( t )   In (1/ u i,j )      (6)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  592 6 –  5931   5928 3.  Short-term P o w e r Predic tion of the Ph otov oltaic Sy stem Base d on the QP SO-SVM   3.1. Data  Nor m alization   The origi nal power  data   cannot be use d   to pr e d ict t he o u tput p o w er di re ctly becau se   some  data is  error o r  missi ng. We shoul d add the  mi ssing d a ta and  corre c t the si gnifica nt errors  in the data by the adjacent data. Then n o rm ali z e the  data by the equation a s  fol l ows:    x i = ( x i  –  x min )/(  x mi n  –  x min )     ( 7 )     x i *  is the  normalize d  data,   x i  is th e o r ig inal data,  x ma x   is the maxi mum data,  x min  is  the   minimum dat a.    3.2.  Input and O u tpu t  Da ta o f  Prediction   The d a ta of  this  pap er i s   according  to  a ph otovoltai c  p o wer  stati on in  Wuha n .  Before  forecastin g we sh ould  sele ct simila r d a ys for  photov ol taic po we r p r edictio n. In this pa per  we  u s e   grey relation  analysi s  to  analyze the  climate  simil a rity of hi storical d a ys  an d fore ca st d a y in   terms of p h o t ovoltaic p o wer p r e d ictio n  [16-1 9 ], first  cal c ul ating t he  simila r d egre e  of  ea ch   climate in dica tors  between  the histo r i c al  days  a nd fo reca st day, th en have  weighted  sum.  At  last, sele ct si x most similar days and re g a rd them a s  the histo r ical days.   The input an d  output data o f  predictio n is as follows:   Input data are the output  power data o f  the historica l  at each corresp ondi ng times an its ne arby times; th e d a ta of  som e   cli m ate in di cato rs such a s  te mperature,  h u midity and   solar  radiatio n. Output data are t he output po wer d a ta forec a s t ing by SVM of the forecas t  day.    3.3. Parameter  Setting   The main poi nt of SVM predictio n is pa rame te r opti m ization. Th e r e are three i m porta nt  para m eters  o f  nonlin ear su pport ve cto r  r egre s sion  ma chin e: pe nalt y  factor  C ,  n o n -s en sit i v e  lo ss  coeffici ent    and the  ke rn el width  coef ficient of th e  Gau ssi an ra dial ba sis  ke rnel fun c tion  Since the  pre d iction i s  a th ree - dime nsi o nal problem i n  QPSO-SV M , we set the  three p a ra m e ters  as  follows :     C  = | p i,1 |,  > 0           (8)      = | p i,2 |,   > 0           (9)      = | p i,2 |, 0  <   < 1            (10)    3.4. Prediction  P r oces s   The sp ecifi c  calcul ation ste p s are as foll ows:  (1) S e t the  si ze of  parti cle s   n =  20 , the  dimen s ion   m =  3 , and  the l o catio n  of the  numb e i  particl in space  is  x i   =   ( x i,1 , x i,2 ,   x i,3 , …  ,x i, m ),  p i   =   ( p i,1 , p i, 2 ,   p i, 3 ,…, p i, m )is the  optimal lo cati o n   particl es ever rea c h ed,  p g   =   ( p g,1 , p g,2 ,   p g,3 , …,p g, m ) is the o p timal l o catio n  the  g r oup  of p a rticles  ever re ached,   t   is the number of cu rrent iteration.   (2) Th en initialize the lo ca tion of all particles  rand om ly, calculate the fitness val ue and   the location  of each pa rticle. In this paper, t he fitness value is the RMSE of the predictio n   results. Store  the fitne s s value  and th e l o catio n  of e a c parti cle i n   function   pbe st , and the fitn ess   value and the  location of th e grou p in fun c tion  gbe st (3)  Upd a te the locatio n  of each parti cle  by the functio n s a s  follows:     q i,j ( t+1 )  =  i,j ( t )   p i,j ( t ) + [ 1 i,   j ( t )]   .   p g, j ( t )       (11)     ( t+1 ) =  max   –  t   ( max  – mi n ) /  max      (12)    x i,j ( t+1 ) =  q i,j ( t ±   ( t .  | P j ( t ) –  x i,j ( t ) |  .   In (1/ u i,j ( t ))     (13)    Cal c ulate the  fitness valu e and the l o cation  of e a ch parti cle aft e r up dating,  and then   update the fu nction  pbe st  and  gbe st  with the cu rre nt best lo cation.   (4)  Ju dge th e re sults, if the re sult s sa tisf y the term ination  condit i on, stop  upd ate and   output the bes t  res u lt. Or return to s t ep 3.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Short-te rm  Powe r Predi cti on of the Pho t ovoltai c  Syst em  Based on  QPSO-SVM (Yang L e i)  5929 (5) After g e tting the  ap propriate  pa ra meters , input them in SV M for the forec a s t ing  p r oc es s .   The flow  cha r t is sho w ed in  Figure 1.           Figure 1. The  Predictio n Proce s s of QPSO-SVM       4. Numerical  E xample   In this pape r the data is from a ph oto v olta ic po wer station in Wuhan, the m onitorin g   interval is 10 min. We take  the data of six histor ical days in whi c h the climate  co ndition s is most   simila r to the  fore cast  day  for hi stori c al  data, to  fore ca st the outp u t power of t he fore ca st d a y.  Code the GA -SVM, SPSO-SVM and QPSO-SVM by MA TLAB. Forecast the output power of the  photovoltai c   system  by th e thre e pa ra meter  optimi z ation  metho d s a s   above,  and th en d o  a  comp ari s o n  o f  them. The result s of pred iction is  sho w ed in Table 1,  the predi ctio n step is 1 0 m i n.        Figure 2. The  Predictio n Result s of Thre e Method     The  figu re of the  predi ction   re sults shows that the  pre d ic tion  re sult s of QPSO -S VM are  the mo st simi lar to the  a c tual po we r, a nd the  GA-S VM have the  least  simila result. Analyzing     the results i n   Table  1,  we  can find  that t he n u mb e r   of the fo re ca sting time  in  wh ich th e M R E i s   0 10 20 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 7: 0 0am - 1 8 : 00 p m ( T h e   I n t e r v al  o f  P r e d i c t i on  i s   10 m i n ) O u tp ut  P o w e r ( M W )     A c tu a l  P o w e r QP S O - S V M SP S O - S VM GA - S V M Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  592 6 –  5931   5930 below 20% is 53 of the  QPSO-SVM  method,  and  the number  of SPSO-SVM is 49, 45  MRE  results of the  GA-SVM is u nder 2 0 %   Cal c ulate the  averag e rel a tive erro r, me an  ab solute  error m ean  square e rro r a nd ro ot  mean squa re  error of ea ch  method a c cording to the predictio n re sul t s.      Table 1. The  Predi ction Errors  Prediction Methods  The Prediction E rrors   MAE  (MW )   MRE  (%)   MSE  (MW ) 2   RMSE  (MW )   QPSO-SVM  1.5668   13.88   5.3045   2.3031   SPSO-SVM  1.7639   15.04   6.2389   2.4978   GA-SVM   2.3283  19.51   10.9117  3.3033       We  can  see  clea rly fro m  the results sho w ed  a bove. Wh en  we  have p a ram e ter  optimizatio by the thre ways, QPS O  algo rith m ca n find bette para m eters  a nd the p r e d ictio n   results of QP SO-SVM are  more  simila r to the actual d a ta.   By analysis t he fore ca stin g re sults  we  can find  th at the rel a tive error of p r edi cti on in two   perio ds is large. It’s b e ca use  there  were  many  flu c tuation s  of  the climate condition in   the  forecast  day i n  fact,  so th e  output  powe r  of the   ph oto v oltaic p o we r station  fluctu ated in th e two   perio ds, but the fore ca stin g curve s  a r usu a lly smoot h.  Overall, the  averag e rel a tive erro r of th ree paramet er  optimi z at io n method s is below  20%, they a ll have cert ain ind u stri al  referen c e v a lue s . But the QPSO -SVM take s m o re  advantag es i n  a c cura cy.  And be ca use  the  state of  motion  of th e pa rticle s i n  QPSO i s  o n ly  descri bed  by  displ a cement , the mod e l o f  QPSO-SVM  is  simpl e r th an the  othe r t w o m e thod s,  so  comp utationa l co mplexity  and  com putat ional  sp eed  o f  QPSO-SVM  is  also b e tter than th e oth e two method s.       5. Conclu sion   This  pap er  u s e s  QPSO  a l gorithm  for  para m eter o p timization  o f  SVM, and  applie QPSO-SVM i n to the  sh ort - term  po we predi ction  of   the ph otovoltaic  syste m The te st d a ta  is  from a photovoltaic power station in Wuhan, a fter compari ng with  GA-SVM and SPSO-SVM, we  find the  QPSO-SVM al go rithm can  do  b e tter at  ac cu racy a nd  co m putational  sp eed. T he  re sults   certify that  QPSO-SVM has feas ibility and good perf or mance in the short-te rm  power  predi ction  of the photovoltaic sy stem.       Referen ces   [1]  Lu J, Qu HQ,  Liu C. T he statistic of photovo l taic po w e r pre d ictio n Nroth Chin a Electric  Pow e r.  2010 ;   38(4): 56 3-5 6 7 .     [2]  Lan ge  M. Ana l ysis  of th unc ertaint y   of p o w e r pr edicti o n  in dustr y .  Olde nb urg, Germa n y :   Univers i t y  o f   Olden burg. 2 0 03.   [3]  Joens en AK,  Giebe l G, La ndb erg L.  M o del  outp u t statistics app lie d  to w i nd pow er pre d ictio n .   Procee din g of Euro pea n W i nd E nerg y   Co nferenc e o n  W i nd E ner g y  for  the N e xt Mil l e nni um, Nic e,   F r ance. 199 9: 117 7-11 80   [4] Niu  DX Ca o SH, Lu JC. Po w e r loa d  forecas t ing techn o lo g y  and its app lica t ion. Beij ing, C h in a: Chin a   electric p o w e r.  200 9   [5]  Pan DF , Li u H ,  Li YF . A  w i n d  spe ed forec a st optimizati o n  model  bas ed  on time ser i es  ana l y sis a n d   Kalma n  filter al gorithm.  Power  System  Technology.  200 8; 32(7): 82-8 6 .   [6]  Vapn ik V, Statistical le arni ng theor y.  Ne w  Y o rk, American. John W i l e y&So ns. 1998.   [7]  Song Q, W a n g  AM, Z hang  YS.  T he comb inati on pr edicti on of BT P in sinteri ng pr oce ss base d   o n   Ba yesi an fram e w ork a nd LS- SVM.  T E LKOMNIKA Indone sian Jo urna of Electrical En gi neer ing . 20 13 ;   11(8): 46 16- 46 26.   [8]  Z hang  XF , Z hao Y. Appl icati on of sup port  vector  machi n e to relia bi lit y   ana l y sis of en gin e  s y stems ,   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (7): 3 552- 356 0.   [9]  Li R, Li GM. Photovolta ic po w e r pred iction b a sed o n  SVM.  Electric Power.  2008; 4 1 (2): 7 4 -78.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Short-te rm  Powe r Predi cti on of the Pho t ovoltai c  Syst em  Based on  QPSO-SVM (Yang L e i)  5931 [10]  Li J.  Rese arch  on  p a rameter  optim izatio o f   SVM. Wuha n ,  Chi na: C entr a Chi n a  Norm al  Univ ersit y .   201 1   [11]  F u  MP, Ma H W , Mao JR. S hort-term ph otovolta ic p o w e pred iction  bas e d  on  LS-SVM.  Power System  Protection a nd  Contro l.  201 2; 40(6): 65- 69.   [12]  Z heng  K. R eac tive p o w e r  o p ti mizatio n  of  po w e r s y stem  ba sed  on  improv ed QPSO a l g o r i thm. Sich uan ,   Chin a: South w est Jiaoton g U n iversit y . 20 10   [13]  Sun J, F eng B, Xu W B Particle sw arm optimi z a t i on  w i th particles  havi ng qu antu m  be hav ior .   Procee din g  of Con g ress on E v oluti onar y C o m putatio n, Portlan d , American . 2004: 32 6-33 1   [14]  Sun J, F a n g  W ,  Xu   XJ. An  op timizatio n  meth od  of QPSO. B e iji ng, C h i na: T s ing hua  Un iver sit y  Pr ess,   201 1   [15]  Yang  BJ, H a i   XY.  Rese arch   on s e lecti n g  a ddres s  a nd c a pacit of DGs  i n  d i stributi o n  n e t w o r bas ed   on QPSO.  Shaanxi El ectric Pow e r.  2010; 11 : 24-27.   [16]  Liu  YL, S u n  Y C , San g  J R . R e searc h   on t h e  fa cts that  hav e im pact  on  th e p hotov oltaic   po w e r.  Wa te Resources and Power . 2011; 29(1 2 ): 200- 20 2.   [17]  W R , Z hang B M , Sun HB. T he res earc h  of  similar  da ys  i n  short-term p o w e pred ictio n .  Journ a of   T s ingh ua Un iv ersity . 2004; 4 4 (1): 106- 10 9.   [18]  Yang Z L , T i an Y, Z hang GT Nonl in ear the o r etical  fou n d a ti on an d impr ov ement of simil a r da ys metho d   for short-term load forec a stin g.  Power System  Technology.   2006; 3 0 (6): 6 3 -66.    [19]  Li CB, Li  XH,  Z hang R. Meth od to sel e ct  si milar d a y s for short-term loa d  forecasti ng.  Autom a tion of   Electric Power System 20 08; 32(9): 69- 73.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.