I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   1 4 ,   No .   5 ,  Octo b er   20 2 4 ,   p p .   5 9 2 6 ~ 5 9 4 0   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 1 4 i 5 . pp 5 9 2 6 - 5 9 4 0           5926       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Photo v o ltaic  po w er pre di ction usi n g  deep  lea rning   m o dels:  recent  adv a nces a nd new  insig hts       B a s m a   Sa a d,  Asm a a   E l H a n na ni,  Abdel ha k   Aqqa l,  Ra hh a l Erra t t a hi   La b o r a t o r y   o f   I n f o r ma t i o n   T e c h n o l o g i e s,   N a t i o n a l   S c h o o l   o f   A p p l i e d   S c i e n c e s  o f   E l   J a d i d a ,   C h o u a i b   D o u k k a l i   U n i v e r s i t y ,     El   J a d i d a ,   M o r o c c o       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   1 3 ,   2 0 2 4   R ev is ed   J u l 4 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   J u l 9 ,   2 0 2 4       Artifi c ial  in telli g e n c e   (AI)  a n d   it s  a p p li c a ti o n   a c ro ss   v a rio u s   d o m a in s  h a v e   sp a rk e d   sig n ifi c a n t  in tere st,  with   e a c h   d o m a in   p re se n ti n g   d isti n c t   c h a ra c teristics   a n d   c h a ll e n g e s.  I n   t h e   re n e wa b le  e n e r g ies   se c to r ,   a c c u ra te  p re d ictio n   o f  p o we r  o u t p u t  f ro m   p h o to v o lt a ic  ( P V)  p a n e ls u sin g   A I  is  c ru c ial   fo r  m e e ti n g   e n e rg y   d e m a n d   a n d   f a c il it a ti n g   e n e rg y   m a n a g e m e n t  a n d   sto ra g e .   Th e   field   o f  d a ta  a n a ly sis  h a s  g ro wn   ra p id l y   in   re c e n t  y e a rs,  with   p re d ictiv e   m o d e ls  b e c o m in g   i n c re a sin g ly   p o p u lar  fo r  f o re c a stin g   a n d   p re d ic ti o n   tas k s.   Ho we v e r,   th e   a c c u ra c y   a n d   re li a b il it y   o f  t h e se   m o d e ls  d e p e n d   h e a v il y   o n   th e   q u a li t y   o f   d a ta,  d a ta  p re p r o c e ss in g ,   m o d e l  lea rn i n g   a n d   e v a lu a ti o n .   I n   t h is   c o n tex t,   t h is  p a p e r  a ims   to   p ro v i d e   a n   in - d e p th   re v iew   o f  p re v io u s  re se a r c h   a n d   re c e n t   p r o g re ss   in   P V   so l a r  p o we r   fo re c a stin g   a n d   p re d ictio n   b y   id e n ti f y in g   a n d   a n a ly z in g   th e   m o st  imp a c ti n g   fa c t o rs.  Th e   fi n d i n g s  o f  t h e   li tera tu re   re v iew   a re   th e n   u se d   t o   imp lem e n t  a   b e n c h m a rk   fo r   P V  p o we r   p re d ictio n   u sin g   d e e p   lea rn in g   m o d e ls  i n   d iffere n t   c li m a tes   a n d   P V  p a n e l s.   Th e   a im  o f  imp lem e n ti n g   th is   b e n c h m a rk   is   to   g a in   in si g h t s  in t o   th e   c h a ll e n g e s  a n d   o p p o rtu n it ies   o f  P V  p o we r  p re d icti o n   a n d   t o   im p ro v e   th e   a c c u ra c y ,   re li a b il it y   a n d   e x p lain a b il it y   o f   p re d ictiv e   m o d e ls i n   th e   fu tu re .   K ey w o r d s :   Ar tific ial  in tellig en ce   Data   p r ep r o ce s s in g   Dee p   lear n in g   Fo r ec asti n g   h o r izo n   L iter atu r e  r ev iew   Ph o to v o ltaic  p o wer   f o r ec asti n g   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   B asm a  Saad   L ab o r ato r y   o f   I n f o r m atio n   T e ch n o lo g ies,  Natio n al  Sch o o l o f   Ap p lied   Scien ce s   o f   E l Jad id a,   C h o u aib   Do u k k ali  Un iv e r s ity   E l Jad id a,   Mo r o cc o   E m ail: saad . b @ u cd . ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O N   R en ewa b le  en er g y   is   ex p er ie n cin g   i n cr ea s in g   d em an d   g l o b ally ,   d r iv en   b y   en v i r o n m e n t al  co n ce r n s   an d   th e  d esire   f o r   en er g y   s ec u r ity   an d   ec o n o m ic  d e v elo p m e n t.  So lar   en er g y   d er iv e d   f r o m   p h o to v o ltaic  ( PV)   p an els  is   a  p r o m in en t  g r ee n   an d   s u s tain ab le  en e r g y   s o u r c e,   r eq u i r in g   m in im al  m ain te n an ce   an d   o f f er in g   a  lo n g er   life s p an   co m p a r ed   to   th er m al  en e r g y .   T h er e   ar e  tw o   ty p es  o f   PV  s o lar   p o wer :   I n p u t  p o wer   ( s o lar   ir r ad ian ce )   an d   o u t p u t  p o we r   ( s o lar   p o wer ) .   So lar   i r r ad ian c e  co r r esp o n d s   to   th e  lig h t  r ec eiv ed   f r o m   th e  s u n   an d   is   m ea s u r ed   in   s p ac e   o r   o n   th e   PV  p a n el  u s in g   watts  o r   jo u les  p er   s q u ar e   m eter .   T h r ee   v ar ian ts   o f   th is   en er g y   e x is t.  E x tr ater r estrial  ir r ad ian ce   ( E I ) ,   g lo b al  h o r izo n tal  ir r ad ian ce   ( GHI ) ,   d ir ec t  n o r m al  ir r a d ian c e  ( DNI )   an d   d if f u s e   h o r iz o n tal   ir r ad ia n ce   ( DHI )   [ 1 ] .   So lar   PV  p o wer   r ef er s   t o   th e   p o we r   g e n er ated   b y   th e  p an el.   I t   is   m ea s u r ed   u s in g   wa tts ,   jo u les,  watts  p er   s q u ar e   m eter   o r   jo u les  p e r   s q u ar e   m eter .   Pre cise  p r ed ictio n   o f   p o we r   g en e r ated   b y   PV  p a n els  is   p iv o tal  f o r   ef f icien t  P V  p o wer   m a n ag em en t,   tr an s m is s io n   an d   s to r ag e.   Acc u r ate  p r e d ictio n s   en ab le   g r id   o p e r ato r s   an d   e n er g y   p r o v id er s   to   p r o ac tiv ely   b alan ce   s u p p ly   an d   d em an d ,   o p tim ize  en er g y   s to r ag e  s y s tem s   an d   en h an ce   o v er all  g r id   s tab ilit y .   Ho wev er ,   tr ad itio n al  p r ed ictio n   m eth o d s   o f ten   s tr u g g le  to   ca p tu r e  th e  n u an ce s   o f   s o lar   en er g y   d y n a m ics.  Her ein   lies   th e  m o tiv atio n   f o r   h ar n ess in g   ar tific ial  in tellig en ce   ( AI )   in   s o lar   p o wer   p r e d ictio n .   AI ’ s   ca p ac ity   to   an aly ze   v ast  an d   co m p le x   d atasets ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       P h o to vo lta ic  p o w er  p r ed ictio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   mo d els:  r ec en t   a d va n ce s   a n d   …   ( B a s ma   S a a d )   5927   ad ap t  to   ch an g in g   co n d itio n s   an d   u n c o v er   in tr icate   p atter n s   is   th e  d r iv in g   f o r ce   b eh in d   t h is   m o tiv atio n .   I t  is   wo r th   n o tin g   th at   s o lar   en e r g y   f o r e ca s tin g   an d   p r e d ictio n   a r e  two   d if f er en t  ter m s .   Fo r ec a s tin g   is   u s ed   wh en   p r ed ictin g   th e  o u tp u t  at  tim e  +   b ased   o n   th e  in p u t  at  tim e  .   I n   p r ed ictio n ,   in p u t  an d   o u tp u t  d ata  ar e  b o th   at  tim e  .   T h ese  ter m s   ar e  u s e d   in ter ch an g ea b ly   in   th is   s tu d y   an d   in   th e  liter atu r e.   I n   th is   r esear ch ,   we  will   f o cu s   o n   s o lar   PV  p o wer   g en er atio n   ( o u tp u t  p o wer )   p r e d ictio n   an d   co n d u ct  a  c o m p r e h e n s iv e  r ev iew  o f   th e   liter atu r e.   W e  will  d elv e  in t o   v ar io u s   asp ec ts ,   in clu d in g   d ata  s o u r ce s ,   in p u t  p atter n s ,   d ata  p r ep r o ce s s in g   tech n iq u es  an d   m o d elin g   m et h o d s   em p lo y ed   b y   r esear ch er s   to   ac h iev e  ef f ec tiv e  a n d   ac cu r ate  p r ed ictio n s .   W e   will a ls o   p r o v id e  a  cr itical  an a ly s is   o f   p r ev io u s   s tu d ies,  h i g h l ig h tin g   th eir   s tr en g th s   an d   lim itatio n s .   I n   th e  ex ten s iv e  b o d y   o f   liter a tu r e  o n   PV  p o wer   p r ed ictio n ,   d iv er s e  d atasets   h av e  b ee n   u s e d ,   lead in g   to   a  m u ltit u d e  o f   co n cl u s io n s .   E ac h   au th o r   d r aws  th eir   o wn   in s ig h ts ,   o f ten   in f lu en ce d   b y   s p ec if ic  d atasets ,   m o d els,  d ata   p r e p r o ce s s in g   m eth o d s   an d   in p u t   p atter n s .   T h i s   d iv er s ity   o f   f i n d in g s   u n d er s co r es  th e   n ee d   f o r   a   u n if ied   b e n ch m ar k   th at  co m p r eh en s iv ely   ac co u n ts   f o r   all  f ac to r s   af f ec tin g   PV p o wer   p r ed i ctio n .   Ad d itio n ally ,   p r o p o s ed   s y s tem s   f o r   p r e d ictin g   PV  p o wer   ar e   o f ten   n o t  th o r o u g h ly   in ter p r eted   o r   an aly ze d   to   id en tif y   wh er e   th e  m o d els  p er f o r m   well  an d   wh er e  th ey   d o   n o t.  T h e  g en er a lizab ilit y   o f   t h ese  m o d els  ac r o s s   d if f er en t  clim ate   co n d itio n s   h as a ls o   n o t b ee n   a d eq u ately   e x p lo r e d .   T h u s ,   th e   p r im a r y   o b jectiv e   o f   th is   p a p er   is   to   estab lis h   a n   ex p er im en tal   f r am ewo r k   th at  r ig o r o u s ly   co n s id er s   th ese  in f lu en tial  f ac to r s   in   PV   p o wer   f o r ec asti n g .   B y   d o in g   s o ,   we  aim   to   v alid a te  an d   s u b s tan tiate  th e  h y p o th eses   an d   co n cl u s io n s   p u t  f o r th   in   th e   ex is tin g   l iter atu r e,   p r o v id i n g   a   m o r e   c o m p r eh e n s iv e  an d   u n if ied   p er s p ec tiv e  o n   th e  f iel d .   W e  also   co n d u cted   a  p o s t - p r ed ictio n   an aly s is   to   id en tify   P V  p an els wh er e  th e  m o d el  p e r f o r m s   well  an d   w h e r e  it  d o es  n o t.  Ad d itio n ally ,   we  ex am in ed   th e  m o d el’ s   ab il ity   to   g e n er alize   its   r esu lts   ac r o s s   d if f er en t c lim ate  co n d itio n s .   T h is   s tu d y   o f f er s   a n   im p o r ta n t  o p p o r tu n ity   to   ad v an ce   t h e   u n d e r s tan d in g   an d   id en tif y   k n o wled g e  g ap s   in   th e  d o m ain   o f   s o lar   PV  p o wer   p r ed ictio n .   Sev er al  k ey   p o in ts   d is tin g u is h   o u r   wo r k   f r o m   p r ev io u s ly   p u b lis h ed   r ev iew  s tu d ies  in   th e  f ield :  i )   T h is   wo r k   co m p r eh e n s iv ely   co n s id er s   all  f ac to r s   th at  ca n   im p ac t  s o lar   PV  en er g y   p r ed ictio n ,   in cl u d in g   d ata  s o u r ce s ,   in p u t  v a r iab les,  f o r ec asti n g   h o r izo n s ,   d a ta  r eso lu tio n ,   d at a   p r ep r o ce s s in g   tech n iq u es  an d   p r ed ictiv e  m o d els ;   ii )   W e  ex clu s iv ely   r ev iew  ar ticles  p u b lis h ed   in   th e  last   d ec ad e  an d   cite  o n ly   th o s e  th a t  ar e  d ir ec tly   r elev an t  t o   o u r   s t u d y ;  an d   iii )   An   ex p e r im en tal  s etu p   is   d ev elo p e d   to   co m p a r e  th e   p er f o r m a n ce   o f   th e  m o s t  ac cu r ate  lear n in g   m o d els  in   th e   liter atu r e  with in   th e  m o s t  co m m o n l y   u s ed   f o r ec asti n g   h o r iz o n s   in   t wo   d if f er e n t  clim ates.  T h e  im p ac t  o f   d ata  r eso lu tio n   an d   i n p u t  v ar iab les  is   also   in v esti g ated .   T h e  ex p er im en ta l  s etu p   also   in clu d es  a  p o s t - p r ed ictio n   an aly s is   o f   m o d el  p er f o r m an ce   ac r o s s   1 1   d if f er en t  ty p es  o f   PV  p an els  an d   a  cr o s s - clim ate  co m p ar is o n .   T o   th e  b est  o f   o u r   k n o wle d g e,   th is   is   th e  f ir s t   s tu d y   th at  co m p r eh en s iv ely   e x am in es  all  im p ac tin g   f ac t o r s   f r o m   d ata  s o u r ce s   to   m o d el  le ar n in g   a n d   in clu d es   a  d etailed   ex p er i m en tal  an aly s is .   T h is   p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo ws:   s ec tio n   2   s h o ws  a   d etailed   liter atu r e  r ev iew  o f   PV  p o wer   p r ed ictio n /f o r ec asti n g ,   co v e r i n g   asp ec ts   s u ch   as  d ata  s o u r ce s ,   in p u t  p atter n s ,   d ata  p r ep r o ce s s in g   tech n iq u es   an d   p r ed ictio n   m o d els.  I n   s ec t io n   3 ,   we  p r esen t  th e  e x p er im en tal  s etu p   th at  d elv es  in to   t h e  asp ec ts   d is cu s s ed   in   th e  p r ec ed in g   s ec tio n .   Su b s eq u en tly ,   s ec tio n   4   d elv es  in to   th e  d is cu s s io n   o f   th e  r esu lts .   Ultim ately ,   th e  co n clu d in g   s ec tio n   en ca p s u lates th e  f in d in g s   an d   p r o v id es in s ig h ts   in to   th e  f u tu r e  d ir ec tio n s   o f   th is   s tu d y .       2.   L I T E R AT U RE   R E VI E W    T h e  liter atu r e  r ev iew  will  co n ce n tr ate  o n   th e  p r ed ictio n   o f   s o lar   PV  p o wer   g en er ati o n   ( o u t p u t  p o wer ) ,   with   a   s p ec if ic  em p h asis   o n   ef f ec tiv e  a n d   ac c u r ate  p r ed ictio n s .   T h is   co m p r e h en s iv e  r ev iew  will   ex am in e  v ar i o u s   asp ec ts ,   in clu d in g   d ata  s o u r ce s ,   in p u t  p att er n s ,   d ata  p r e p r o ce s s in g   tech n iq u es  an d   m o d elin g   m eth o d s   em p lo y e d   b y   r esear c h er s   to   ac h iev e   th ese  p r ed icti o n s .   T h r o u g h   th is   d etailed   liter atu r e  r ev iew,   we   will  p r o v id e  a  c o m p r e h en s iv e   an d   u p - to - d ate  o v e r v iew  o f   th e  s tate - of - th e - a r t  in   s o lar   PV   p o wer   g e n er atio n   p r ed ictio n .   T h is   e n d ea v o r   aim s   to   o f f er   v alu a b le  in s ig h ts   f o r   f u t u r e   r esear ch   an d   th e   ad v a n ce m en t  o f   r o b u s t  an d   ac cu r ate  p r ed ictiv e  m o d el s   with in   th e  d o m ain   o f   s o lar   e n er g y   a p p licatio n s .     2 . 1 .     Da t a   s o urce s   PV  p o wer   p r ed ictio n   is   v er y   d ep en d e n t  o n   tim e   an d   wea th er   co n d itio n s .   C o n s eq u e n tly ,   r esear ch er s   tr y   co llect  d ata  f r o m   d iv e r s e  s o u r ce s ,   s u ch   as  m eteo r o l o g ical  s tatio n s   [ 2 ] ,  n u m er ical  wea th er   p r ed ictio n   ( NW P)  m o d els  [ 3 ] ,   web s ites   a n d   s er v ices w ith   p u b lic,   p r iv at e  o r   lim ited   ac ce s s   [ 4 ]   o r   th r o u g h   th e  d e p lo y m e n t  o f   s en s o r s   an d   p h y s ical  PV  p lan ts   [ 2 ] .   T h is   d ata  co llectio n   r esu lts   in   a  s er ies   o f   u n iq u e  d ata  r ec o r d s ,   d is tin g u is h ed   b y   th eir   r esp ec ti v e  m ea s u r em en t   tim estam p s .   T h er e  ar e  two   ty p es  o f   d atab a s es:  u n i - v ar iate  an d   m u ltiv ar iate.   Un i - v ar iate  d ata b ases   co n s id er   tim e  as  th e  o n ly   f ac to r   th at  ca n   a f f ec t  th e  P V  p o wer   p r ed ictio n ,   s o   o n ly   tim e  an d   PV  p o wer   a r e  th e  in p u t  v a r iab les  in   th is   ca s e.   I n   co n tr ast,  m u ltiv ar iate   d atab ases   in clu d e  ad d itio n al  f ac to r s   s u ch   as  wea th er   d ata  ( e. g . ,   h u m id ity ,   air   te m p er atu r e,   p r ess u r e,   p r ec ip itat io n )   an d   PV  p an el  ch ar ac ter is tics .   No tab ly ,   8 6 %  o f   th e  d atab ases   u s ed   in   t h e  r e v iewe d   ar ticles f all  in to   th e  m u ltiv ar iate  ca teg o r y .   T h ese  m u ltiv ar iate  d ata b ases   ca n   b e  f u r th e r   ca teg o r ized   in t o   in teg r ated   an d   s ep ar ated   s u b s ets:   i )   I n teg r ate d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 4 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 4 :   5 9 2 6 - 5 9 4 0   5928   d atab ases   co m b in e  wea th er   d ata  with   h is to r ical  PV  p o wer   o u tp u t,  wh ile  ii )   Sep ar ated   d atab ases   ar e  ex clu s iv ely   d ed icate d   t o   wea t h er   d ata  o r   PV  p o wer   d ata.   G en er ally ,   r esear ch e r s   u n if y   th e   tim e  s tep s   b etwe en   r ec o r d s   to   m er g e  b o th   s ep ar ated   d atab ases   in to   an   in teg r ated   o n e.   T ab le  1   r ep r esen ts   p u b licly   av ailab le  in teg r ated   d atasets   u s ed   b y   au th o r s   f o r   p r ed ictin g   th e   s o lar   p o wer   g e n er ated   b y   p h o to v o ltaic  p an els.  Of f ice  o f   s cien tific   an d   tech n ical  in f o r m atio n   ( OSTI )   d ata   [ 5 ]   is   o n e   o f   th e  s m allest  d atase ts   in   ter m s   o f   th e  m ea s u r em en t  p er io d ,   co v er i n g   ap p r o x im ately   o n e  y ea r   f o r   ea ch   lo ca tio n .   Ho wev er ,   it   ex ce ls   in   ter m s   o f   lo ca tio n s   an d   in p u t  v ar iab les  with   3   lo ca tio n s   an d   m o r e  th a n   4 3   in p u t  v ar iab les.  I n   th e  ex is tin g   liter atu r e,   th e  p u b licly   av ailab le  d atasets   ar e  ty p ically   lim ited   in   s ize,   r ar ely   ex ten d in g   b ey o n d   o n e  y ea r   o f   m ea s u r em en ts .   Attem p tin g   to   m e r g e  lar g e - s ca le  s ep ar ated   d atasets ,   s u ch   as  wea th er   an d   PV  p o wer   d atasets ,   d o es  n o t   n ec ess ar ily   lead   to   a  s u b s tan tial  d atab ase  d u e  to   v ar iatio n s   in   d ata  r eso lu tio n   b etwe e n   th e  two   s o u r ce s .   An o th er   s ig n if ican t  co n s tr ain t  ar is es  f r o m   th e  h ig h   p r ed ic tio n   er r o r s   ass o ciate d   with   N W P  m o d els.  A s   a   r esu lt,  m ea s u r ed   d ata  h as  p r o v en   to   b e  h ig h ly   r eliab le  f o r   g en er atin g   ac c u r ate  r esu lts   [ 6 ] .   Giv en   th e  cr itical   r o le  o f   wea th er   f o r ec ast  d ata   f o r   PV  p o wer   p r ed ictio n s   in   r ea l - wo r l d   ap p licatio n s ,   f u r th er   in v esti g atio n s   s h o u ld   b e  co n d u cted   to   en h a n ce   th e  p r ec is io n   o f   f o r ec ast ed   wea th er   d ata,   th er eb y   im p r o v in g   th e  o v er all   ef f icien cy   o f   th e  s y s tem .       T ab le  1 .   T h e  u s ed   p u b lic  d atas ets in   th e  liter atu r e   D a t a s e t   D a t a   r e so l u t i o n   P e r i o d   Lo c a t i o n   N u mb e r   o f   i n p u t   v a r i a b l e s   D e sert   k n o w l e d g e   A u s t r a l i a   ( D K A )   d a t a   [ 7 ]   5   m i n   2 0 1 6 - N o w   A l i c e   ( 2 0 1 6 - N o w )   Y u l a r a   ( 2 0 1 9 - N o w )   W e a t h e r   d a t a :   6   P a n e l   c h a r a c t e r i st i c s:   1 1   O S TI   d a t a   [ 5 ]   5   m i n   2 0 1 1 - 2 0 1 4   C o c o a   ( 2 0 1 1 - 2 0 1 2 )   G o l d e n   ( 2 0 1 2 - 2 0 1 3 )   Eu g e n e   ( 2 0 1 2 - 2 0 1 4 )   W e a t h e r   d a t a :   8   P a n e l   c h a r a c t e r i st i c s:   1 7   S u n La b   d a t a   [ 8 ]   1   m i n   2 0 1 4 - 2 0 1 7   P o r t u g a l   W e a t h e r   d a t a :   8   P a n e l   c h a r a c t e r i st i c s:   4   P h o t o v o l t a i c   p o w e r   o u t p u t   (PVO)  d a t a   [ 9 ]   15   mi n   2 0 1 8 - 2 0 1 9   C h i n a   W e a t h e r   d a t a :   6   P a n e l   c h a r a c t e r i st i c s:   1 0   S a f i   d a t a   [ 1 0 ]   5   m i n   2 0 1 6 - 2 0 1 8   M o r o c c o   W e a t h e r   d a t a :   3   P a n e l   c h a r a c t e r i st i c s:   2   Le c c e   d a t a   [ 1 1 ]   5   m i n   2 0 1 2 - 2 0 1 3   I t a l y   W e a t h e r   d a t a :   3   P a n e l   c h a r a c t e r i st i c s:   7   S O LETE   d a t a   [ 1 2 ]   5   m i n   2 0 1 8 - 2 0 1 9   D e n mar k   W e a t h e r   d a t a :   7   P a n e l   c h a r a c t e r i st i c s:   5       2. 2 .    I np ut  p a t t er ns   I n p u t  p atter n s   r ef er   to   t h e  in p u t  v ar iab les,  f o r ec asti n g   h o r izo n s   an d   d ata  r eso lu tio n .   W ith in   th e  liter atu r e,   a  p leth o r a  o f   v ar iab les  ar e  em p lo y ed ,   f allin g   in to   two   p r in cip al  ca teg o r i es:  m eteo r o lo g ical  ( wea th er )   an d   p a n el  ch ar ac te r is tics   v ar iab les.  T h e  m o s t  u s ed   wea th er   v ar iab les  in   th e  liter atu r e  in clu d e   am b ien t  tem p er atu r e,   s o lar   ir r ad iatio n ,   win d   s p ee d   a n d   h u m id ity .   Pan el   ch ar ac ter is tics   v ar iab les  h av e   g ain ed   r ec en t  p r o m in en ce   b ec au s e  th ey   h av e  s h o wn   an   i n ter esti n g   im p ac t  o n   PV  p o wer   p r e d ictio n   b y   im p r o v in g   th e   ac cu r ac y   o f   th e  m o d els  [ 1 ] ,   [ 1 3 ] .   Am o n g   th ese,   p a n el  tem p er atu r e  s tan d s   o u t  as  th e  m o s t  f r eq u en tly   u s ed   v ar iab le,   s h o wca s in g   a  c o m p ar ab le  in f lu e n ce   o n   s o lar   ce ll   p er f o r m an ce   as  am b ie n t  tem p er atu r e  [ 1 4 ] .   T h e  af o r em en tio n ed   in p u t  v ar iab le s   ar e  h ig h ly   im p ac tin g   m o d el  p er f o r m an ce .   Ho wev er ,   s o m e  v ar iab les  m ay   n o t  b e  av ailab le  d u e  to   th e  n o n - m ee t  o f   d ata  q u ality   th r esh o ld s   o r   th e  s en s o r ’ s   h ig h   co s ts .   E s tab lis h in g   an   ef f icien t  f ea tu r e   en g i n ee r in g   s tr ateg y   b ec o m es  im p er ativ e  to   ex tr ac t  th e   ca u s al  r elatio n s h ip   b etwe en   in p u t   v ar iab les  an d   th e  tar g et  v ar i ab le  ( i.e . ,   th e  im p ac t  o f   ea ch   v ar iab le  s ep ar ately ) .   C o n s eq u en tly ,   m is s in g   v ar iab les  ca n   b e  e f f ec tiv ely   s u b s titu ted   with   s u itab le  alter n ativ es,  wh ile  ess en tial   v ar iab les  ca n   b e   em p h asized .   T h e  f o r ec ast h o r i zo n   r ef er s   to   th e   f u t u r e   p er io d   f o r   w h ich   t h e  m o d el   g en er ates   p r e d ictio n s .   T h er e   ar e  f o u r   ty p es  o f   f o r ec ast  h o r izo n :  i )   n o wca s tin g   o r   r ea l - tim e  f o r ec asti n g ,   wh ich   aim s   to   p r o v id e  ac cu r ate  f o r ec asts   f o r   a  v er y   s h o r t  p er io d   o f   tim e  s p an n i n g   m in u tes,  ii )   s h o r t - ter m   f o r ec asti n g ,   wh ich   is   lim ited   to   s ev er al  h o u r s ,   a  d ay   o r   at  m o s t,  a  wee k ,   iii )   m ed iu m - ter m   f o r ec asti n g ,   ap p licab le  f o r   f o r ec a s ts   ex ten d in g   u p   to   s ev er al  wee k s   an d   iv )   lo n g - t er m   f o r ec asti n g ,   a d d r ess in g   f o r ec asts   s p an n in g   m o n th s   o r   ev en   y ea r s .   T h e  f o r ec ast  h o r iz o n   p atter n   d ep e n d s   o n   th e   p r o d u ce r   an d   c o n s u m er   n ee d s .   Fo r   ex am p le,   n o wca s tin g   an d   s h o r t - ter m   f o r ec asti n g   ar e  wid ely   u s ed   f o r   elec tr icity   m ar k etin g ,   p r icin g ,   r ea l - tim e  m o n ito r in g   an d   ec o n o m ic  lo ad   d is p atch .   I n   c o n tr ast,  lo n g - t er m   f o r ec asti n g   is   u s ed   f o r   m an ag i n g   p o wer   tr an s m is s io n ,   r atio n in g   an d   d is tr ib u tio n .   W ith in   th e  liter atu r e,   th e  m o s t  co m m o n ly   u s ed   ter m s   ar e  “ s h o r t ”   a n d   “ n o wca s tin g ” .  Ap p r o x im ately   2 2 %  o f   th e   r e v iewe d   ar ticles  o p t  f o r   1 - d a y   ah ea d   f o r ec asti n g   ( 1 D) ,   wh ile   1 3 %  f av o r   1 - h o u r   ah ea d   f o r ec asti n g   ( 1 H) .   T h e  f o r ec asti n g   h o r izo n   is   r elate d   to   d ata  r eso lu tio n ,   also   k n o wn   as  tim estep ,   d ata   s am p lin g ,   in ter v al  o r   tim e  h o r izo n .   I t  r e f er s   to   th e   tim e  in ter v al  b etwe en   two   co n s ec u tiv e  d ata  s am p les.  I t  ca n   b e  eq u al  to   o r   less   th an   th e  f o r ec asti n g   h o r izo n .   Fo r   ex am p le,   in   th e  co n tex t  o f   a  1 - d ay   ah ea d   f o r ec asti n g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       P h o to vo lta ic  p o w er  p r ed ictio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   mo d els:  r ec en t   a d va n ce s   a n d   …   ( B a s ma   S a a d )   5929   h o r izo n ,   3 2 %  o f   r ev iewe d   ar ti cles  s elec t  h o u r ly   r eso lu tio n ,   2 5 %  o p t  f o r   1 5   m in u tes  r eso l u tio n   ( 1 5   m in )   a n d   1 7 % a d h er e  to   d aily   r eso lu tio n .   Mo d el  ac cu r ac y   is   also   r elate d   to   f o r ec asti n g   h o r izo n   an d   d ata  r eso lu tio n .   I n   a  p r ev io u s   liter atu r e  r ev iew  [ 1 5 ] ,   r esear ch er s   co n cl u d ed   t h a t  an   in cr ea s e  in   th e  f o r ec asti n g   h o r izo n   d u r atio n   lead s   to   an   in cr ea s e  in   th e  er r o r   m etr ic .   Ho wev er ,   it  is   n o tewo r th y   th at  s u ch   a  c o n c lu s io n   m ay   n o t  b e   u n iv er s ally   ap p licab le,   as  d e m o n s tr ated   b y   J eb li  et  a l.   [ 1 6 ] .   T h eir   s tu d y   in d icate d   th a t,  wh ile  u s in g   th e  r an d o m   f o r est  m o d el,   as  th e   f o r ec asti n g   h o r izo n   in cr ea s e s ,   th e  er r o r   m etr ic  ten d s   to   d ec r ea s e.   T h u s ,   th e   r elatio n s h ip   b etwe en   f o r ec as tin g   h o r iz o n   an d   m o d el  ac cu r ac y   m a y   v ar y   d ep e n d in g   o n   th e   s p ec if ic  ch ar ac ter is tics   o f   th e  d ataset  a n d   th e  p r ed ictiv e  m o d el  b ein g   em p lo y e d .   Fu r th er   in v esti g atio n   an d   an aly s is   ar e   r eq u ir ed   to   f u ll y   u n d er s tan d   t h e  im p licatio n s   o f   t h e  f o r ec a s tin g   h o r izo n   o n   m o d el  a cc u r ac y   ac r o s s   v ar io u s   s ce n ar io s .   Data   r eso lu tio n   is   a   cr u cial  f ac to r   in f lu en ci n g   th e  ac cu r ac y   o f   PV  p o wer   p r ed ict io n ,   as  h ig h lig h ted   in   th e  s tu d y   b y   Saad   et  a l.   [ 1 7 ] .   T o   p r o v id e  t h e  m o d el  with   m o r e  d etailed   in f o r m atio n ,   it is   ad v is ab le  to   u tili ze   s m all  d ata  r eso lu tio n .   B y   em p lo y in g   f in er - g r ai n ed   d ata,   th e  m o d el  ca n   ca p tu r e  a n d   in ter p r et  s u b tle  v ar iatio n s   in   th e  in p u t v ar iab les,  u ltima te ly   lead in g   to   m o r e  p r ec is e  an d   r eliab le  p r ed ictio n s .     2 . 3 .     Da t a   prepro ce s s ing   Data   p r ep r o ce s s in g   is   a  f u n d am en tal  s tep   in   d ata  s cien ce   p r o jects,  wh er e  th e  u ltima te  g o al  is   to   p r ep ar e  t h e  d ata  f o r   r ec o g n itio n   b y   p r ed ictiv e  m o d els  an d   en h an ce   d ata  q u ality .   T h is   p r o ce s s   in v o lv es  v ar io u s   tech n iq u es  to   clea n ,   tr an s f o r m ,   an d   o r g a n ize  th e  d ata.   T h e  m o s t  u s ed   tech n iq u es  f o r   PV  p o wer   d ata   p r ep r o ce s s in g   in   r ev iewe d   a r ticles  ar e  o r g an ized   with in   f iv e  s u b - s tep s :  d ata  clea n in g ,   d ata  en r ich m en t ,  f ea tu r es im p o r ta n ce ,   d ata  f ilter in g   an d   d ata  n o r m aliza tio n .     2 . 3 . 1 .   Da t a   c lea nin g   Du e  to   th e  in co r r ec t  f o r m ats,  er r o n eo u s   v alu es,  o r   tr an s m is s io n   er r o r s ,   o u tlier s   ( ab n o r m al  d ata)   o r   Nan   v alu es  ( m is s in g   d ata)   c o u ld   b e   f o u n d   an d   alter   in a cc u r ately   th e  m o d el’ s   lear n in g .   T h er ef o r e,   d ata   im p u tatio n   s tr ateg ies  b ec o m e  ess en tial.  Fo r   ex am p le,   Z h u   et  a l.   [ 1 8 ]   r ep lace d   o u tlier s   wit h   th e  p r ev io u s   tim e   p o in t  v alu e,   d em o n s tr atin g   t h e   im p ac t  o f   d ata  clea n in g   o n   m o d el  tr ain in g   a n d   th e  s u b s eq u e n t  en h an ce m e n t  in   p r ed ictio n   ac c u r ac y .   Sev er al  s tu d ies  in   [ 1 9 ] – [ 2 1 ]   r esp ec tiv ely   ex clu d e d   Nan   v al u es  o r   r ep lace d   th em   u s in g   lin ea r   in ter p o latio n   o n   d ata  f r o m   th e  co r r esp o n d in g   tim e  o f   s im ilar   d ay s .   Ho wev er ,   W an g   et  a l .  [ 2 2 ]   a n d   Ng u y en   et  a l.   [ 6 ]   r em o v ed   w h o lly   o u tlier s .     2 . 3 . 2 .   Da t a   enrichm ent   D a t a   e n r ic h m e n t   e n h a n c es   d a ta   q u a l i t y   b y   a d d i n g   e x t r a  v a r ia b l e s ,   i n c l u d i n g   w e at h e r   t y p e   a n d   s e as o n   c l a s s i f ic a t i o n   [ 2 3 ] ,  [ 2 4 ] .   W e a t h e r   t y p e   c l a s s i f i c at i o n   r e l i es   o n   v a r i a b l e s   l i k e   g r o u n d   r a d i a t i o n   i n t e n s it y   a n d   h i s t o r i c al   r a d i at i o n   r a ti o s .   S e as o n   c l as s i f i c a ti o n   d i v i d es   t h e   y e a r   i n t o   f o u r   p e r i o d s   t o   i m p r o v e   d a t a   q u a l i t y   a n d   a s s e s s   m o d e l   p e r f o r m a n c e .   H o w e v e r ,   a d d i n g   w e a t h e r   t y p e   b as e d   s o l el y   o n   s o l a r   i r r a d i a n c e   m a y   b e   u n r e l i a b l e ,   a s   o t h e r   f a c t o r s   l i k e   c l o u d   a m o u n t   a n d   h u m i d i t y   a r e   c r u c i a l .   M o r e o v e r ,   c l i m a t e   c h a n g e   c a n   c a u s e   r a p i d   w e a t h e r   f l u c t u a t i o n s   w i t h i n   a   d a y .   C a r ef u l   c o n s i d e r a ti o n   o f   t h e s e   f a ct o r s   i s   e s s e n t ia l   d u r i n g   d a t a   p r e p r o c e s s i n g .     2 . 3 . 3 .   F ea t ures Im po rt a nce   Featu r es  im p o r tan ce   s er v es tw o   p r im ar y   p u r p o s es: d ata  r e d u ctio n   an d   m o d el  o u tp u t e x p lai n ab ilit y .   −   Data   r ed u ctio n : it  is   a  d ata  p r ep r o ce s s in g   ap p r o ac h   aim s   to   r ed u ce   d ata  d im en s io n ality   an d   im p r o v e  m o d el  ef f icien cy   b y   lim itin g   th e  n u m b er   o f   u s ed   v ar ia b les.  T h e  tech n iq u es  u s ed   in   th e  liter atu r e  i n clu d e  Pear s o n   co r r elatio n   [ 2 ] ,   [ 2 5 ]   wh e r e  au th o r s   r em o v e  th e   v ar iab les  w ith   lo w  v alu es  o f   th e   co r r elatio n   co ef f icien t.   Prin cip al  co m p o n e n t  an aly s is   ( PC A)   wh ich   m ap s   th e  d ata  i n to   a  lo wer - d im en s io n al  s p ac e  [ 2 6 ] .   Step wis e   an d   s tan d ar d   r eg r ess io n   [ 1 9 ] ,   [ 2 7 ]   a r e  u s ed   to   s elec t  th e  in p u t  v ar iab les  th at  h ig h ly   af f ec t   th e  PV  p o wer   o u tp u t.  Alm eid a  et  a l.   [ 2 8 ]   an d   Saad   et  a l.   [ 2 9 ]   f ig u r ed   o u t   th at  all  p r ed icto r s   ar e  im p o r tan t  to   g et  m o r e  ac cu r ate  p r e d ictio n s .   −   E x p lain ab le   ar tific ial  in tellig e n ce   ( XAI ) :   it  is   a  p o s t - h o c   ex p lan atio n   tech n iq u e,   em p l o y ed   to   g ain   in s ig h ts   in to   th e  co n tr ib u tio n s   o f   in p u t v ar iab les  an d   p r o v i d e  ex p la n a tio n s   f o r   b lac k - b o x   p r ed ictiv e  m o d els.  XAI   is   p ar ticu lar ly   p r ev alen t  in   en er g y   an d   p o wer   s y s tem s   ap p licati o n s ,   o f ten   u s ed   with in   tr ee - b a s ed   m o d els  lik e  ex tr em e  g r ad ien t  b o o s tin g   ( XGBo o s t) .   Sh ap ely   ad d itiv e   ex p lan atio n   ( SHAP)  an d   lo ca l  in ter p r etab le   m o d el  a g n o s tic  e x p lan atio n s   ( L I ME )   a r e  two   wid ely   u s ed   XAI   tech n iq u es  i n   th is   d o m ain   [ 3 0 ] .   I n   th e   co n tex t  o f   PV  p o we r   p r ed ic tio n ,   Ku zlu   et  a l.   [ 3 1 ]   c o m p ar ed   SHAP,  L I ME   an d   E L I 5   m eth o d s   f o r   ex p lain in g   a  r an d o m   f o r est  ( R F)  r eg r ess o r .   T h ey   f o u n d   th at  am o n g   v a r io u s   m eth o d s ,   SHAP  s tan d s   o u t  a s   th e  o n ly   ap p r o ac h   ca p a b le  o f   p r o v id i n g   c o m p r e h en s iv e   ex p lan atio n s   b y   co n s id er i n g   all  p o ten tial   p r ed ictio n s   th r o u g h   e x h au s ti v e  co m b in atio n s   o f   in p u t  v a r iab les.  I n ter esti n g ly ,   th e   in t eg r atio n   o f   XAI   tech n iq u es  with   d ee p   lear n in g   ( DL )   m et h o d s   in   th e  PV  p o wer   p r ed ictio n   d o m ain   r em ai n s   u n ex p lo r ed   in   PV p o wer   p r ed ictio n   co n te x t.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 4 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 4 :   5 9 2 6 - 5 9 4 0   5930   2 . 3 . 4 .   Da t a   f ilte ring   Data   f ilter in g   is   u s ed   f o r   s ig n al  p r o ce s s in g .   T h e  wa v elet  tr an s f o r m er   ( d ec o m p o s itio n )   i s   th e  m o s t   co m m o n l y   u s ed   tech n iq u e.   W ith   o v er   1 4   wav elet  tr an s f o r m er   f am ilies   av ailab le,   s elec tin g   th e  m o s t  s u itab le  o n e  d e p en d s   o n   t h e  d esire d   v ar iab les  to   b e   ex tr ac te d .   T h e  Sy m m let - 5   f am ily   is   co n s id er ed   c o n v e n ien t  b y   C h ian g   et  a l .  [ 3 2 ] ,   wh ile   Z h u   et  a l.   [ 3 3 ]   u s e  th e   D M ey er   wav elet  f am ily .   Ad d itio n ally ,   s o m e  au t h o r s   o p t   f o r   th e  m ax im u m   o v er lap   d is cr ete  wav elet  tr an s f o r m   ( MO DW T )   an d   Ma llat  ap p r o ac h es  [ 3 4 ] ,  [ 3 5 ] .   Alth o u g h   wav elet  d ec o m p o s itio n   is   a  p o ten t  m eth o d   f o r   an aly zin g   tim e  s er ies  d ata  an d   ca p tu r i n g   f r eq u e n cy - r elate d   p atter n s ,   its   in teg r atio n   with   lear n in g   m o d els  in tr o d u ce s   s p ec if ic  ch allen g es.  No tab ly ,   it  ca n   lead   to   an   escalatio n   in   d ata  d im en s io n al ity   an d   r esu lt in   i n f o r m atio n   lo s s   d u r in g   th e  tr a n s f o r m atio n   p r o ce s s .     2 . 3 . 5 .   Da t a   no rm a liza t io n   No r m aliza tio n   is   cr u cial  f o r   r ea l - wo r ld   d ata  with   v a r y in g   r an g es  to   p r e v en t  b ias  in   lin ea r   p r ed ictiv e  m o d els.  R escalin g   d ata  b etwe en   0   an d   1   o r   b etwe en   - 1   an d   1   en s u r es th at  all  v ar iab les h av e  eq u al  im p o r tan ce .   T h e  m in - m a x   s ca lar   m eth o d   s u b tr ac ts   th e  m in im u m   v alu e   an d   d iv id es  it  b y   th e  r a n g e  [ 3 6 ] ,  [ 3 7 ] .   E lam i m     et  a l.   [ 3 8 ]   u s ed   an   alter n ate  f o r m u la  b ased   o n   ac tu al,   m in im u m   an d   m a x im u m   v alu es .   B ess a  et  a l.   [ 3 9 ]   em p lo y ed   th e  clea r   s k y   m o d el   f o r   PV  p o wer   n o r m aliza tio n .   Nev er th eless ,   n o   p r e v io u s   s tu d y   h as  in v esti g ated   th e  im p o r tan ce   an d   i n f lu en ce   o f   d ata  n o r m aliza tio n   i n   m o d e l le ar n in g .   I t  is   im p o r tan t   to   n o te  t h at  th e  ap p licatio n   o f   ce r tain   d ata  p r ep r o ce s s in g   s u b - s tep s   m en tio n ed   ab o v e   m ay   n o t  alwa y s   b e  n ec ess ar y   t o   ac h iev e   ac cu r ate  p r ed ictio n s .   Fo r   ex a m p le,   d ata  n o r m aliza tio n   m ay   h o l d   litt le  s ig n if ican ce   f o r   s o m e  lear n in g   m o d els   ( e. g . ,   tr ee - b ased   m o d els  wh er e  th e   s p litt in g   d ec is io n s   ar e  b ased   s o lel y   o n   th e   o r d er in g   o f   v alu es  wit h in   ea ch   f ea tu r e  a n d   n o t   o n   t h e  ab s o lu te   s ca le  o f   th e   f ea tu r e) .   Data   e n r ich m e n t  m ay   ca u s e  d ata  r ed u n d a n cy ,   wh er e  th e  s am e   p atter n   m ay   e x is t  in   m u ltip le  f ea t u r es.  On   th e  o th er   h a n d ,   d ata   clea n in g   is   a  cr itical  s tep ,   co n tr ib u tin g   to   th e  cr ea tio n   o f   a  r eliab le  d ataset  an d   en h an cin g   its   q u ality .   Hen ce ,   clea n s in g   tech n iq u es  an d   s tr ateg ies  s h o u ld   b e  ca r ef u lly   s elec ted   esp ec ially   d ea lin g   with   a   s u b s tan tial  n u m b er   o f   m is s in g   s am p les  o r   o u tlier s .   Fu r th er   r esear ch   is   n ee d ed   to   p r o v id e  in s ig h ts   in to   d ata  e n r ich m en t  a n d   d ata  f ilter in g   s tr ateg ies an d   h o w  to   av o id   d ata  r e d u n d an cy   as we ll a s   in f o r m atio n   lo s s .   Ad d itio n ally ,   d ata  r ed u ctio n   m eth o d s   u s ed   in   t h e  s tu d ied   ar ticles,  s u ch   as  PC A  an d   c o r r elatio n   an aly s is ,   ar e  s till   l im ited   in   ter m s   o f   d etec tin g   ca u s ality   r elatio n s h i p s   b etwe en   in p u t  a n d   o u tp u t  v ar iab les  an d   th eir   ap p licab ili ty   m ay   v a r y   ac r o s s   d if f er en t sit u atio n s ,   esp ec ially   in   f ea tu r e  e n g in ee r in g   s ce n ar i o s .     2 . 4 .     P re dict iv e  m o dels   Pre d ictiv e  m o d els  lear n in g   is   an   ess en tial  s tep   in   t h e  ar tifi cial  in tellig en ce   d o m ain .   I t  ai m s   to   f in d   h id d en   d ata  p atter n s   in   d ata  an d   g en er ate  p r e d ictio n s   b y   ap p ly in g   co m p lex   m ath em ati ca l  f u n ctio n s   ( i.e . ,   m o d els),   ea ch   with   its   u n iq u e   d ata  in p u t,   en co d in g   a n d   n o r m aliza tio n   r eq u ir e m en ts .   I n   th e  s tu d ied   ar ticles,   f o u r   ty p es o f   lear n in g   m o d els  ar e  u s ed :     2 . 4 . 1 .   P er s is t ence   m o dels   T h ese  s er v e  as  a  b aselin e  o r   r ef er en ce   m o d el,   d eliv er in g   g o o d   r esu lts   f o r   s h o r t  tim e  h o r izo n s   an d   d ata  with   lo w  v ar ia b ilit y   [ 4 0 ] .   A  n aiv e  v er s io n   ass u m es  co n s tan t  atm o s p h er ic  co n d itio n s   b etwe en   tim e    an d   + 1 ,   m ak in g   p o wer   at  tim e    eq u a l  to   p o wer   at  + 1   an d   r ely in g   o n   r ea l  o b s er v atio n s   at  tim e    as  in p u t.  W h ile  an   im p r o v e d   v er s io n   co n s id er s   clea r   s k y   c o n d itio n s ,   e s p ec ially   in   n o n - s tatio n ar y   tim e  s er ies  [ 4 1 ] .   I f   th e   ex p ec ted   o u t p u t p o wer   at  th e  c lear   s k y   co n d itio n   eq u als ze r o ,   th e  p o wer   at  tim e  + 1   will m atch   th e  clea r   s k y   co n d itio n   p o wer   at  tim e  + 1 .   T h is   m o d el  q u an tifie s   th e  wo r s t  ac ce p tab le  p er f o r m an ce   o f   d ee p   lear n in g ,   m ac h in e  lear n in g   o r   s tatis tical  m o d els.     2 . 4 . 2 .   Sta t is t ica l  m o dels   W ell - s u ited   f o r   s m all  d atasets   an d   lim ited   in p u t  p ar am eter s   an d   h a v e  b ee n   ex ten s iv ely   e m p lo y ed   i n   tim e  s er ies  p r ed ictio n ,   p ar ticu lar ly   f o r   PV  p o wer   o u t p u t  p r e d ictio n .   No ta b le  ex a m p les  in c lu d e  au t o r eg r ess iv e  in teg r ated   m o v in g   av er a g e  ( AR I MA )   [ 4 2 ] ,  au to r e g r ess iv e  m o v in g   av e r ag e  ( AR MA )   [ 4 3 ]   an d   s ea s o n al   au to r eg r ess iv e  in teg r ated   m o v in g   av er a g e  ( SAR I MA )   [ 4 4 ] .   Ho wev er ,   th ese  m o d els  m ay   f ac e  ch allen g es  in   ad eq u ately   ca p tu r in g   co m p lex   n o n lin ea r   r elatio n s h i p s   in h er en t  in   ce r tain   tim e  s er ies  d ata.   Ad d itio n ally ,   th eir   ab ilit y   to   h an d le   in tr icate   s ea s o n al  p atter n s   o r   tr en d s   m ay   b e  lim ited   w h en   c o m p a r ed   t o   th e  ca p ab ilit ies  o f   s o m e  m ac h in e  lear n in g   an d   d ee p   lear n in g   m o d els.  As  s u ch ,   th e  ad o p tio n   o f   d ee p   lear n in g   m o d els  in   th is   d o m ain   h as  g a r n er e d   atten tio n   d u e  to   t h eir   p o te n tial  to   ad d r ess   th ese  lim itatio n s   an d   o f f er   m o r e  r o b u s t   p r ed ictio n   ca p ab ilit ies [ 3 6 ] ,   [ 4 1 ] .     2 . 4 . 3 .   M a chine  lea rning   m o dels   As  o p p o s ed   to   s tatis tical  m o d els,  th ese  m o d els  ca n   h an d le  v a s t  d ata  an d   co m p lex   p atter n s .   T h er e  is   a   wid e  v ar iety   o f   m ac h i n e  lear n in g   m o d els,  b u t  in   th is   r ev iew ,   we  will  o n ly   d is cu s s   th e  m o s t  u s ed   an d   r eliab l e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       P h o to vo lta ic  p o w er  p r ed ictio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   mo d els:  r ec en t   a d va n ce s   a n d   …   ( B a s ma   S a a d )   5931   o n es,  n o ta b ly   s u p p o r t   v ec to r   m ac h in e   ( SVM) ,   lin ea r   r eg r ess io n   ( L R )   an d   r an d o m   f o r est  ( R F) .   SVM  h as  g ain ed   p r o m i n en ce   d u e   to   it s   im p r ess iv e  p er f o r m an ce   a n d   a b ilit y   to   u n co v er   n o n - li n ea r   d e p en d e n cies.  R ec en tly ,   s ev er al  s tu d ies h av e   f o u n d   th at  d ee p   lear n i n g   m o d els o f ten   o u tp e r f o r m   SVM  [ 1 6 ] ,   [ 2 4 ] ,   [ 4 5 ] .     2 . 4 . 4 .   Dee p  lea rning   m o dels   Sit u ated   with in   th e  m ac h in e  l ea r n in g   f ield ,   d ee p   lea r n in g   u tili ze s   ar tific ial  n eu r o n s   to   ex tr ac t  d ata   p atter n s ,   m ir r o r i n g   th e  h u m an   b r ain ’ s   f u n ctio n in g .   Pr o m in en t  d ee p   lear n in g   m o d els  in clu d e  class ical  ar tific ia l  n eu r al  n etwo r k s   ( ANN)   o r   m u ltil ay er   p er ce p tr o n   ( ML P)  a n d   lo n g   s h o r t - ter m   m em o r y   ( L STM ) .   4 1 %  o f   th e   r ev iewe d   ar ticles  r eg ar d   ML P  as  th e  m o s t  ac cu r ate  alg o r ith m   b y   co m p ar in g   it  with   m ac h i n e  lear n in g   m o d els,  with   L STM   also   d ee m e d   ef f ic ien t  [ 1 7 ] ,   [ 4 6 ] .   C o n v o lu tio n al   n eu r al  n etwo r k   ( C NN) ,   wh ile  less   co m m o n ,   h as  d em o n s tr ated   lo wer   p r ed ictio n   er r o r s   in   ce r tain   ca s es  [ 3 4 ] ,   [ 4 7 ] .   E n s em b le  m o d els,  o r   h y b r id   m o d els,  co m b in e  m u ltip le  lear n i n g   m o d els,  eith er   o f   th e  s am e  o r   d if f er en t  ty p es,  o f f er in g   en h an ce d   ac cu r ac y   in   p r ed ictin g   s o lar   e n er g y   p r o d u c tio n   [ 4 8 ] ,   [ 4 9 ] .     2 . 5 .     E v a lua t io n  t ec hn iqu e s   E v alu atio n   tech n iq u es  p lay   a  cr u cial  r o le   in   v alid atin g   f o r e ca s tin g   m o d els,   esp ec ially   in   th e  ca s e  o f   PV  p o wer   f o r ec asti n g ,   wh ich   f alls   u n d er   s u p e r v is ed   lear n in g ,   a   f o r m   o f   r eg r ess io n .   T o   as s ess   th e  ac cu r ac y   o f   r eg r ess io n   m o d els,  we  s h o u ld   q u an tify   an d   o b s er v e  h o w  clo s e  th e  esti m ated   ( p r ed icted )   v alu es  ar e  to   th e  o b s er v ed   ( r ea l)   v al u es  b y   c alcu latin g   r esid u als  u s in g   d i f f er en t   m ath em atica l  tec h n iq u es.  T h e   liter atu r e   p r ed o m i n an tly   r elies  o n   r o o t  m ea n   s q u ar e d   er r o r   ( R MSE )   an d   m ea n   a b s o lu te  er r o r   ( MA E )   m etr ics    (1 )   a n d   ( 2 ) ,   o f ten   co m p lem e n ted   b y   g r a p h ical  r e p r esen tati o n s   o f   p r ed icted   v er s u s   ac tu a l  v alu es.  R MSE ,   a  co m m o n l y   u s ed   m etr ic,   ten d s   to   b e  s en s itiv e  to   o u tlier s   as  it  p en alize s   lar g e  r esid u als.  On   th e  o th er   h an d ,   MA E   o f f er s   a  m o r e  b alan ce d   v iew  b y   c o n s id er in g   th e  av e r ag e  ab s o lu te  d if f er en c e  b etw ee n   p r ed icted   an d   ac tu al  v alu es,  g iv in g   less   i m p o r tan ce   to   ex tr e m e  er r o r s .   T h e  g r ap h ical  r ep r esen tatio n   o f   ac tu al  v er s u s   p r ed icted   v alu es  r em ain s   a   v a lu ab le  m eth o d   f o r   ass ess in g   th e  clo s en ess   b etwe en   p r e d ictio n s   an d   ac tu al   d ata ,   b u t it  ca n   b ec o m e  ch allen g in g   to   in ter p r et  with   e x ten s iv e  test   d ata.       = √ 1 ∗ ∑ (     −    ) ² 1   ( 1 )     =   1 ∗ ∑ | (     −    ) | 1   ( 2 )     Ho wev er ,   wh ile  th ese  m etr ics  ef f ec tiv ely   e v alu ate  m o d el  p e r f o r m a n ce ,   th e y   m ay   n o t   s er v e  as  a  f air   b asis   f o r   co m p ar in g   s y s tem s   ac r o s s   d if f er en t  p r ed ictio n   h o r izo n s   a n d   d atasets .   T o   e n ab le  eq u itab le  co m p a r is o n s ,   n o r m alize d   m etr ics  s u ch   as  n o r m alize d   m ea n   ab s o lu te  er r o r   ( NM AE ) ,   n o r m alize d   r o o t  m ea n   s q u ar ed   er r o r   ( NR MSE )   an d   m ea n   a b s o lu t e  p er ce n tag e   er r o r   ( MA PE)   ar e  in tr o d u ce d   ( 3 ) ,   ( 4 ),   an d   ( 5 ) .   Am o n g   t h ese,   NM AE   s tan d s   o u t a s   th e  m o s t f r eq u e n tly   ap p lied   m etr ic  in   th e  liter atu r e.      =    ( 3 )       =    ( 4 )     = 1 ∗ ∑ | (  −  ) |  1   ( 5 )     W h er e    is   th e  av er ag e,   t h e  m e d ian   o r   t h e  s tan d ar d   d ev iatio n   o f   th e  p o wer   g e n er ated   in   th e  t est s et.     2 . 6 .     G a p  identif ica t io n   T h r o u g h   th e   co m p r eh en s iv e  an aly s is   o f   th e  cu r r en t  s tate - of - th e - a r t  in   PV  s o lar   en e r g y   p r o d u ctio n   p r ed ictio n ,   s ev er al  c r itical  g ap s   h av e  em er g ed ,   h i g h lig h tin g   ar ea s   wh er e  f u r th e r   r esear c h   a n d   d ev elo p m en t  a r e   ess en tial:   −   T em p o r al   d ata   s p an :  a   s ig n if ic an t  p o r tio n   o f   p u b licly   a v ailab le  d atasets ,   ar o u n d   7 3 %,   h as  li m ited   tem p o r al  co v er ag e,   o f ten   n o t  ex ten d i n g   b ey o n d   o n e  y ea r .   T h is   d ef icie n cy   u n d er s co r es  th e  u r g en t  n e ed   f o r   ex te n s iv e  d atasets   s p an n in g   m u ltip le  y e ar s ,   id ea lly   in c o r p o r atin g   co m p r eh en s iv e   wea th er   a n d   p a n el  ch ar ac ter is tic  d ata.   −   NW P  m o d el  r eliab ilit y :  th e   h i g h   p r ed ictio n   er r o r s   ass o ciate d   with   NW P  m o d els  r aise  c o n ce r n s   ab o u t  t h eir   s u itab ilit y   as  p r im ar y   d ata  s o u r ce s .   T h e  r eliab ilit y   o f   m ea s u r ed   d ata  in   ac h iev in g   ac cu r ate  r esu lts   h as  b ee n   co n s is ten tly   d em o n s tr ated   in   th e  liter atu r e.   T o   p r e d ict  PV  p o wer   g e n er atio n   ac c u r ate ly   in   r ea l  wo r l d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 4 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 4 :   5 9 2 6 - 5 9 4 0   5932   co n d itio n s ,   th er e’ s   a  n ee d   t o   en h an ce   th e  r eliab ilit y   o f   f o r ec asted   wea th er   d ata,   g i v en   its   in h er en t  in ac cu r ac ies co m p ar ed   to   m ea s u r ed   wea th er   d ata.   −   I n p u t  v ar iab les  an d   f ea tu r e  e n g in ee r in g :  wh ile  th e  liter atu r e  p r o v id es  a  m u ltit u d e  o f   i n p u t  v a r iab les,  u n d er s tan d i n g   th e  ca u s al  r elatio n s h ip s   b etwe en   th ese  v ar iab les  is   n o t  alwa y s   clea r .   A ls o ,   s o m e  v ar iab les  ar e  o f ten   o m itted   d u e  to   d ata  q u ality   lim itatio n s   o r   h ig h   s en s o r   co s ts .   A  m o r e  c o m p r e h en s iv e  ex p lo r atio n   o f   ca u s ality   r elatio n s h ip s   ca n   h elp   id en tify   s u b s titu te  v ar ia b les  f o r   m is s in g   d ata  an d   p r i o r itize  ess en tia l   v ar iab les f o r   ac c u r ate  p r ed ictio n s .   −   Data   p r ep r o ce s s in g   im p ac t  a s s es s m en t:  d ata  p r ep r o ce s s in g   f o r   PV  p o wer   p r ed ictio n   m o d els  p r esen ts   an o th er   ar ea   o f   co n ce r n .   T h e  in f lu en ce   o f   v ar io u s   d ata  p r ep r o ce s s in g   tech n iq u es  with in   d if f er en t   p r ed ictiv e  m o d els r eq u ir es th o r o u g h   ev alu atio n .   −   Pre d ictiv e  m o d el  p e r f o r m an ce :  wh ile  d ee p   lear n in g   m o d els  h av e  g ain e d   p r o m in en ce ,   th er e  is   a  n ee d   f o r   well - d ef in ed   c r iter ia  to   g u id e   m o d el   s elec tio n   b ased   o n   s p ec if ic  d atasets   an d   ap p licatio n s .   Fu r th er m o r e,   th er e  is   a  clea r   d em an d   f o r   g en er alize d   p r ed ictiv e  m o d els  th at  ca n   ac cu r ately   f o r ec ast  PV  p o wer   u n d er   d iv er s e  co n d itio n s ,   in clu d in g   v ar io u s   wea th er   s ce n ar i o s ,   clim ates  an d   p an el  ty p es.  A d d itio n ally ,   th e   im p lem en tatio n   o f   p o s t - p r ed ic tio n   an aly s is   is   ess en tial f o r   ac h iev in g   e x p lain ab le  AI   s o l u tio n s .   −   C o m p r eh en s iv e  b en ch m a r k :   g iv en   t h e  d iv e r s e  d atasets   u s ed   in   p r i o r   r esear c h   with in   d if f er e n t  ex p er im en tal  s etu p s   as m en tio n ed   in   T a b le  2 ,   wh ic h   h av e  y i eld ed   a  m u ltit u d e   o f   d is p ar ate  co n clu s io n s ,   th e  d ev elo p m e n t  o f   a  co m p r eh e n s iv e  b en ch m ar k   is   im p er ativ e.   Su ch   a  b en ch m a r k   s h o u ld   s y s tem atica lly   co n s id er   all  f ac to r s   in f lu en cin g   PV  p o wer   p r ed ictio n ,   p r o v i d in g   a  u n if ied   a n d   h o lis tic  p er s p ec tiv e  o n   th is   cr itical  f ield .   I n   co n cl u s io n ,   id en tif y in g   t h e s e  g ap s   in   th e  cu r r en t  s tate  o f   th e  ar t  u n d er s co r es  th e  n ee d   f o r   f u r th er   r esear ch   an d   d e v elo p m e n t  in   th e  f ield   o f   s o lar   PV  p o wer   p r ed ictio n .   Ad d r ess in g   th ese   g ap s   will  n o t   o n l y   co n tr ib u te  t o   m o r e  ac cu r ate  an d   r eliab le  p r ed ictio n   m o d els  b u t  also   en h a n ce   th e  p r ac tical  a p p licatio n s   o f   s o lar   en er g y   tec h n o lo g y .   T h e  s u b s eq u en t  s ec tio n s   p r o v id e  a n   e x p er im en tal  an aly s is   ad d r ess in g   s o m e  o f   th ese  ch allen g es  an d   g a p s .   E s p ec ially   th e  n ee d   f o r   a  c o m p r e h en s iv e  b en c h m ar k   an d   m o d el  o u tco m e  ex p lan atio n   ( p o s t - p r ed ictio n   an aly s is ) .       T ab le  2 .   T h e  ac cu r ate  s y s tem s   in   th e  liter atu r e   A r t i c l e   P e r i o d   F o r e c a st i n g   h o r i z o n   I n p u t   v a r i a b l e s   D a t a   p r e p r o c e ss i n g   P r e d i c t i v e     mo d e l   Ev a l u a t i o n   ( N M A E)   W a n g   e t   a l .   2 0 1 7   [ 3 4 ]   1Y   7 5   mi n   P V   p o w e r   D a t a   n o r ma l i z a t i o n   D a t a   f i l t e r i n g   C N N   3 . 8 2 %   Ese y e   e t   a l .   2 0 1 8   [ 3 5 ]   1Y   1D   S o l a r   r a d i a t i o n / h u mi d i t y   t e m p e r a t u r e / c l o u d   c o v e r   W i n d   s p e e d / P r e ssu r e   D a t a   c l e a n i n g   D a t a   f i l t e r i n g   S V M   4 . 2 2 %   Li   et   a l .   2 0 1 9   [ 3 7 ]   1M   15   mi n   P V   p o w e r   D a t a   n o r ma l i z a t i o n   R N N   1 . 5 4 %   W a n g   e t   a l .   2 0 2 0   [ 4 6 ]   5Y   1D   P V   p o w e r   D a t a   n o r ma l i z a t i o n   D a t a   e n r i c h me n t   LSTM   2 . 7 8 %   N g u y e n   e t   a l .   2 0 2 1   [ 6 ]   1Y   5 mi n   S o l a r   r a d i a t i o n   A mb i e n t   t e m p e r a t u r e   W i n d   s p e e d / h u mi d i t y   D a t a   c l e a n i n g   LSTM   3 . 4 9 %       3.   E XP E R I M E N T A L   SE T UP   T h is   s ec tio n   m eticu lo u s ly   c o n s id er s   all  f ac to r s   in f lu e n cin g   ac cu r ate  s o lar   p o we r   p r e d i ctio n .   W e   em p lo y   th e  in teg r ate d   m u ltiv ar iate  d ataset,   OSTI   d ata  [ 5 ] ,   as  o u r   d ata  s o u r ce .   F o llo win g   liter atu r e   r ec o m m en d atio n s ,   we   co n s id er   all  av ailab le   p r ed icto r s .   W e  ch o o s e  f o r ec asti n g   h o r izo n s   o f   5   m i n u tes,  1 5   m in u tes,  1   h o u r   an d   1   d a y .   Data   p r ep r o ce s s in g   p r io r itiz es  d ata  clea n in g   as  th e  m o s t  cr itical  s tep .   Fo r   m o d elin g ,   we  u tili ze   th e  th r e e  h ig h ly   ac cu r ate  lear n in g   m o d els:   ML P,  C NN ,   an d   L STM .   T o   ev al u ate  th ese  m o d els,  we  u s e  th e   NM AE   as  o u r   ad o p ted   m etr ic.   T h e  ex p e r im en ts   wer e  c o n d u cted   u s in g   Py th o n   p r o g r a m m in g   lan g u ag e.   Fo r   d ata  p r ep r o ce s s in g ,   we   u ti lized   th e   lib r ar ies  Nu m Py   [ 5 0 ] ,   Pan d as   [ 5 1 ] ,  Ma tp lo tlib   [ 5 2 ]   an d   Seab o r n   [ 5 3 ] .   T e n s o r Flo w  [ 5 4 ]   a n d   Sci k it - lear n   [ 5 5 ]   wer e  em p l o y ed   f o r   m o d el  lear n in g   an d   ev alu atio n .   T h e   wo r k s tatio n   s p ec if icatio n s   ar e  as f o llo ws:     ˗   Pro ce s s o r   I n tel( R )   Xeo n ( R )   Si lv er   4 2 1 4 R   C PU @   2 . 4 0   GHz   2 . 3 9   GHz ;    ˗   R AM   in s talled   6 4 . 0   GB ;    ˗   T y p e  o f   s y s tem : 6 4 - b it  o p er ati n g   s y s tem ,   x 6 4 - b ased   p r o ce s s o r .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       P h o to vo lta ic  p o w er  p r ed ictio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   mo d els:  r ec en t   a d va n ce s   a n d   …   ( B a s ma   S a a d )   5933   3 . 1 .    Da t a   d escript io n   T h e  d ataset  u s ed   in   th is   s tu d y ,   OSTI   d ata  [ 5 ] ,   en co m p ass es  t h r ee   lo ca tio n s   with   5 - m in u te  r eso lu tio n .   I n   o u r   an al y s is ,   we  s elec t  o n ly   E u g e n e  ( Or e g o n )   an d   C o c o a  ( Flo r id a)   lo ca tio n s   d u e  to   m o r e  t h an   3 0 %  o f   m is s in g   d ata  in   th e  Go ld en   ( Fl o r id a)   lo ca tio n .   E u g en e  r ep r esen ts   a  Ma r in e  W e s t c lim ate  an d   C o co a  r ep r esen ts   a  Su b tr o p ical  clim ate.   As  r ep o r ted   in   [ 5 6 ] ,   [ 5 7 ] ,   b o th   E u g en e  an d   C o co a  f o llo w  a  ca te g o r izatio n   a p p r o ac h   b ased   o n   th e   m ea n   h o u r ly   tem p er atu r e   o f   th e  d ay   o v e r   th e  y ea r s   f r o m   1 9 8 6   to   2 0 1 6 .   Day s   ar e  ass ig n e d   s p ec if ic  lab els  ac co r d i n g   to   th e  r a n g e  o f   tem p er atu r e  v alu es.  I n   E u g en e,   t h is   ap p r o ac h   r esu lts   in   th e   class if icatio n   o f   d ay s   in to   f iv e  ty p es:  c o ld ,   co o l,   co m f o r tab le,   war m   an d   h o t .   I n   C o co a  d ay s   ar e  ca te g o r ize d   in to   th r ee   ty p es:  co m f o r tab le ,   war m   an d   h o t .   T h is   d iv er g e n ce   in   class if icatio n   r e f lects  th e  d is tin ct  clim ate  ch ar ac ter is tics   o f   ea ch   lo ca ti o n .   T h e  d ataset  co v e r s   1 1   P V  p an els  f r o m   6   d if f er e n t  tech n o lo g ies  in clu d in g   m u lti - cr y s tallin e  s ilico n ,   s in g le  cr y s tallin e  s ilico n ,   am o r p h o u s   s ilico n   tan d em   an d   tr i p le - j u n ctio n ,   ca d m iu m   tellu r id e,   co p p er   in d iu m   g alli u m   s elen id e  an d   Am o r p h o u s   s ilico n /cr y s tallin e  s ilico n   o r   h eter o ju n ctio n   with   in tr in s ic  th in - lay er   PV  m o d u l es.  T h is   d ataset  co m p r is es   o v er   4 3   v ar iab les,  en co m p ass in g   wea th er   d ata,   p an el   ch ar ac ter is tics ,   s en s o r s   u n ce r tain ties   an d   I V  cu r v es  d ata.   R i g o r o u s   q u ality   ass u r an ce   tech n iq u es  ar e  ap p lied   to   r em o v e  d ata  n o t  m ee tin g   esta b lis h ed   q u ality   s tan d ar d s .   T h e   d ata  is   p ar titi o n ed   in to   th r ee   s ets:   a  tr ain in g   s et   co m p r is in g   7 0 %,  a  v alid atio n   s et  co m p r is in g   1 0 %,  an d   a  t est  s et  co m p r is in g   2 0 %  o f   th e  d ata.   T h e  s p ec if ic  d ay s   ch o s en   f o r   ea c h   s u b s et  a r e  d etailed   i n   o u r   p r ev i o u s   wo r k   [ 1 ] .   T h is   m eth o d   allo ws  t h e  m o d el  to   b e   tr ain e d   an d   test ed   u s in g   d ata  s p an n in g   th e  en tire   y ea r ,   f r o m   J an u a r y   to   Dec em b er .     3 . 2 .    Da t a   p re pro ce s s ing   I n   th is   s tu d y ,   we  r em o v e  v ar iab les  th at  m ay   ca u s e  d ata  leak ag e  f r o m   th e   co llecte d   d ataset.   Par ticu lar ly   th o s e   ass o ciate d   with   PV  p o wer   g e n er atio n ,   s u ch   as  v o ltag e   g en er ated   b y   th e  PV  s y s tem   o r   I V   cu r v e  d ata.   R esu ltin g   in   th e   s elec tio n   o f   s p ec if ic  v ar iab les,  in clu d in g   i)   wea th er   v a r iab les  ( h u m id ity ,   tem p er atu r e,   p r ec ip itatio n ,   p r ec ip itatio n   p r io r   m ain ten a n ce   an d   p r ess u r e) ,   ii)  p a n el  ch ar ac ter is tics   ( ar ea ,   v o ltag e,   c u r r en t,   m ain ten a n ce ,   tem p er atu r e,   n u m b e r   o f   ce l ls   s er ies  an d   p ar allel  ce ll  s tr in g s )   an d   iii)  tim e   v ar iab les.  T h e   tar g et  is   n o r m al ized   b y   d iv id i n g   it  b y   t h e  ar ea   o f   t h e  p a n el,   r esu ltin g   in   t h e  u n it  W /m ²,   th e  a r ea   o f   th e  p an el  is   r em o v ed   t o   av o id   u n n ec ess ar y   d ata  c o m p lex ity .   W e  h an d le  m is s in g   v al u es  b y   r e m o v in g   d a y s   with   m o r e   th an   th r ee   m is s in g   v ar iab les  ( r ep r esen tin g   o n ly   th r ee   d ay s ) .   Fo r   t h e  p r ec ip itatio n   v ar ia b le   co n tain in g   ap p r o x i m ately   3 %  m is s in g   v alu es,  we  f ill   in   m is s in g   v alu es  o f   en tire   d ay s   u s in g   th e  n ea r est  d ay ’ s   p r ec ip itatio n   ( s et  to   0 ) .   I n   c ases   wh er e  o n ly   h alf - d ay   p r ec ip itatio n   v alu es  ar e  m is s in g ,   we  u s e  th e  last   m ea s u r ed   v al u e  to   f ill  th e  g a p s .   T im e  an d   m ain ten an ce   v ar i ab les  ar e  en co d ed .   T im e  is   d i v id ed   in t o   f o u r   s u b - v ar iab les,  r ep r esen tin g   th e   m o n th ,   d a y ,   h o u r   an d   m in u te,   wh ile  th e  m ain ten an ce   f ea tu r e   is   co n v er ted   in to   f o u r   co lu m n s ,   r ep r esen tin g   th e  h o u r   o f   m ain ten a n ce   s tar t,  m in u te  o f   m ain ten an ce   s tar t,  h o u r   o f   m ain ten an ce   e n d   an d   m in u te  o f   m ai n ten an ce   e n d .     3 . 3 .    P re dict iv e   m o dels   s elec t io n   T h e  lear n in g   m o d els  u s ed   in   th is   s tu d y   in clu d e   ML P,  L ST M ,   an d   C NN.   Fo r   m o d el  o p ti m izatio n ,   th e   Gr id   s ea r ch   ap p r o ac h   [ 2 9 ]   is   a d o p ted ,   wh ic h   ex h a u s tiv ely   ev alu ates  v ar io u s   co m b in atio n s   o f   h y p er p ar a m eter s   to   s elec t  th e  b est - p er f o r m in g   r eg r ess o r .   W h ile  Gr id   s ea r c h   in cr ea s es  th e  co m p u tatio n a l  tim e  an d   r eso u r ce   r eq u ir em e n ts   d u e  to   its   ex h au s tiv e  n atu r e,   it  r em ain s   th e  o p tim al  s tr ateg y   f o r   t h o r o u g h ly   e x p lo r in g   all  p o ten tial  p a r am eter   c o n f i g u r at io n s .   As  m en tio n ed   in   t h e  Fig u r e  1 ,   th e   in p u t  v ec to r   ( )   is   n o t  t h e  s am e  f o r   all   p r ed ictiv e  m o d els.  Fo r   ML P  m o d el  th at   is   n o t  a b le  to   h an d le  m u ltid im en s io n al  d ata,   th e   Ag g r eg atio n   p r o ce s s   is   ad o p ted   an d   s u m m a r y   s tatis tics   ar e  u tili ze d .   Fo r   h u m id ity   an d   tem p er at u r e  v ar ia b les,  in clu d in g   th e   tem p er atu r e  o f   th e  p an el,   n ew   v ar iab les  ar e  g e n er ated   b y   ex tr ac tin g   m in im u m ,   m ax im u m   an d   av er a g e  v alu es ,   as  th ese  v ar iab les  ex h ib it  s ig n if ican t  f lu ctu atio n s   th r o u g h o u t   th e  d ay .   Fo r   p r ess u r e,   o n ly   th e  av er ag e   v al u e  is   co n s id er ed .   Pre ci p itatio n   d ata   is   ag g r eg ated   b y   co n s id er in g   th e  ac cu m u lated   v alu e  o v e r   th e  co u r s e  o f   th e   f o r ec asti n g   h o r izo n .   T h e  tr ai n in g   in p u t  d ata  is   r ep r esen ted   in   th e  s h ap e   o f   ( × ) ,   wh er e    d en o tes  th e   n u m b er   o f   tr ain i n g   s am p les  a n d     d en o tes  th e   n u m b er   o f   v a r iab les.  I n   th e  c ase  o f   L STM   an d   C NN  m o d els,  th e  d ata  is   s tr u ctu r ed   as  (  × ) ,   wh er e    r ep r esen ts   th e   n u m b e r   o f   s am p les,    r ep r esen ts   th e   s eq u en ce   len g th   an d     r ep r esen ts   th e   n u m b er   o f   v ar iab les.  Data   ag g r e g atio n   s tr ateg ies  ar e   n o t  r eq u i r ed   with in   L STM   an d   C NN  m o d els,  as th ey   in h e r en tly   h an d le  m u ltid im en s io n a l d ata.   Fo r   C NN,   all  d is tin ct  5 - m in u te  s am p les o f   ea ch   h o r izo n   a r e  co n s id er ed   ( ( ) ) ,   wh ile  L STM   in co r p o r at es  th e  p r ev io u s   h o r izo n   d ata   ( ( − 1 ) )   in   ad d itio n   to   th e  cu r r e n t  s am p les.  T h e  o p tim al  s eq u en ce   len g th   f o r   L STM   is   d eter m in ed   to   b e  2 ,   with   th e  n u m b er   o f   v ar iab les  s et  to   ( ∗ ) ,   wh er e    r ep r esen ts   th e  in p u t  v a r iab les’  len g th   a n d   M  d en o tes  t h e  n u m b e r   o f   5 - m i n u te  in ter v als in   ea ch   h o r izo n .     3 . 4 .     E v a lua t i o n m et rics   I n   o u r   ca s e,   we  h a v e  ch o s en   t o   u s e  th e  MA E   ( 2 ) ,   R MSE   ( 1 )   an d   NM AE   ( 3 )   as  ev alu atio n   m etr ics .  Ou r   ev alu atio n   c r iter ia  wer e  d esig n ed   with   two   p r im ar y   o b jectiv es:  i)   to   ev alu ate  p r ed ictio n   ac cu r ac y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 4 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 2 4 :   5 9 2 6 - 5 9 4 0   5934   co m p r eh e n s iv ely   an d   ii)  to   e n s u r e  th at  h ig h er   PV  p o wer   v a lu es,  r ep r esen tativ e  o f   p ea k   c o n d itio n s ,   wer e  n o t  u n d u ly   p en alize d   in   o u r   ass es s m en t.  MA E   an d   NM AE   p la y   p iv o tal  r o les  as  d ec is iv e  m e tr ics  f o r   ev alu ati n g   th e  m o d els  ac r o s s   d if f er en t  clim ates  an d   h o r izo n s .   MA E   p r o v id es  in s ig h ts   in to   th e  m ag n itu d e  o f   er r o r s   p r o d u ce d   b y   th e  m o d el,   o f f er in g   a  clea r   v iew  o f   its   p er f o r m a n ce .   On   th e  o th er   h a n d ,   NM AE   en ab les   co m p r eh e n s iv e  ass ess m en t s   o f   v ar io u s   lear n in g   m o d els,  f ac ilit atin g   co m p ar is o n s   o f   th eir   p er f o r m an ce   ac r o s s   d iv er s e  f o r ec asti n g   h o r iz o n s ,   clim ates  an d   PV  p an el  tech n o lo g ies.  T h is   m etr ic  is   p ar ticu lar ly   s u itab le  f o r   o u r   s p ec if ic  s ce n ar io   as  it   allo ws  u s   to   ef f ec tiv ely   e v alu ate  d ata   f r o m   d i f f er en t   p r e d ictio n   h o r i zo n s   an d   co m p ar e   it  with   o th er   m o d els d o cu m en te d   in   th e  liter atu r e   th at  o f te n   e m p lo y   d is tin ct  d atasets .           Fig u r e  1 .   T h e  wo r k f lo w  o f   p r e d ictio n   p r o ce s s   f o r   ML P,  L ST M ,   an d   C NN       4.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   4 . 1 .     I m pa ct   o f   f o re ca s t ing   ho rizo ns   a nd   pre dict iv e  m o dels   I n   th is   s ec tio n ,   we  d elv e  in to   th e  im p ac t  o f   f o r ec asti n g   h o r i zo n s   o n   PV  p o wer   p r ed ictio n ,   u tili zin g   h ig h ly   ac cu r ate  lear n in g   m o d els  an d   co m m o n   f o r ec asti n g   h o r izo n s   f r o m   ex is tin g   liter at u r e.   Ou r   o b jectiv e  is   to   p r e d ict  PV  p o wer   g en er atio n   ac r o s s   two   g e o g r a p h ically   d is tin ct  lo ca tio n s   with   v a r y in g   clim ates,  in v o lv in g   1 1   p an els.  W e  in co r p o r ate  d a ta  f r o m   all  p a n els  d u r in g   th e  tr ain in g ,   v alid atio n   an d   test in g   p h ases   o f   m o d el   d ev elo p m e n t.  T h e  m etr ics  s u m m ar ized   in   T a b les  3 ,   4 ,   an d   5   o f f e r   d is tin ct  p er s p ec tiv es  o n   m o d el  p er f o r m an ce ,   allo win g   u s   to   ass es s   th eir   ef f ec tiv en ess   f r o m   v ar io u s   an g les.  W h en   ev al u atin g   th e   im p ac t   o f   th e  f o r ec asti n g   h o r izo n ,   NM AE   em er g es  as  th e  m o s t  s u it ab le  m etr ic.   A  s ig n if ican t  an d   p o s itiv e  co r r elatio n   ex is ts   b etwe en   th e  f o r ec asti n g   h o r izo n   a n d   th e   NM AE   m etr i c  ac r o s s   C NN,   L STM ,   an d   ML P  m o d els  f o r   b o th   clim ates.  As   th e  f o r ec asti n g   h o r izo n   ex ten d s ,   NM AE   in cr ea s es,  p r im ar ily   d u e  to   th e  g r o w in g   v o lu m e  o f   d ata  av ailab le  f o r   m o d el  tr ai n in g .   Fo r   a  c o m p r e h en s iv e  ass ess m en t  o f   th e   b est  m o d el  p e r f o r m an ce ,   it  b ec o m es   ev id en t  th at  L STM   o u tp er f o r m s   o th er   m o d els  in   ter m s   o f   MA E   an d   NM AE ,   n o tab ly   in   th e  1 5 - m in u te  an d   5 - m in u te  f o r ec asti n g   h o r izo n s   a cr o s s   b o th   E u g e n e  a n d   C o c o a   clim ates  ( co n s id er in g   t h e  co n f id en ce   in te r v al) .   I t  ac h iev es  im p r ess iv e  NM AE   v alu es  o f   1 . 6 9 %  an d   1 . 3 9 %  f o r   5 - m i n u tes  p r e d ictio n s   an d   1 . 9 4 %  an d   1 . 5 6 %  f o r   15 - m in u te  p r e d ictio n s   in   th e s e  r esp ec tiv e  clim ates.  Ho wev er ,   th e  R MSE   v alu es  d o   n o t  s h o w  s ig n if ican t   d is p ar ities   am o n g   th e   m o d els .   T h e  s ce n ar io   ch an g es  wh e n   d ea lin g   with   h o u r ly   a n d   d aily   p r ed ictio n s ,   as  L STM ’ s   p er f o r m an ce   is   clo s er   to   o r   wo r s e  t h an   C NN  b y   tak in g   in t o   co n s id er atio n   all  m etr ics.  T h is   d is cr ep an cy   ca n   b e  attr ib u te d   to   t h e  am o u n t  a n d   c o m p le x ity   o f   tr ain in g   d ata.   L STM   lev er ag es  p r ev io u s   o b s er v atio n s ,   p r o v i n g   ch allen g in g   d u e  to   lim ited   d ata.   I n   c o n tr ast,  C NN  r elies  s o lely   o n   wea th er   d ata  f o r   th e   s p ec if ic  d ay ,   s im p lify in g   th e  d ata’ s   co m p lex ity   an d   y i eld in g   b etter   r esu lts   in   th ese  s ce n ar io s .   Ou r   ex p er im en tal  f in d in g s   p r o v i d e  a  v alu ab le  co m p ar is o n   t o   ex is tin g   liter atu r e,   as  d etailed   in   T ab le  2 .   Sp ec if ically ,   o u r   L STM   m o d e l  ac h iev ed   NM AE   v alu es  o f   1 . 3 9 %  an d   1 . 6 9 %  f o r   th e   5 - m i n u te  h o r izo n   in   th e  C o co a  an d   E u g en e  lo ca tio n s ,   r esp ec tiv ely ,   s h o wca s in g   im p r o v em en ts   o v er   th e  b est NM AE   o f   3 . 4 9 % r ep o r ted   in   p r ev io u s   s tu d ies.  Ad d itio n a lly ,   o u r   C NN  m o d els  f o r   th e   d aily   h o r iz o n   in   b o th   C o co a  a n d   E u g en e  ( 2 . 6 1 %  an d   2 . 6 7 %)  o u tp e r f o r m ed   th e  ex is tin g   d aily   s y s tem s   d o cu m en ted   in   th e  liter atu r e  ( 4 . 2 2 %) .   R eg ar d in g   th e  1 5 - m in u te  h o r iz o n ,   o u r   r esu lts   u s in g   L STM   in   C o co a  an d   E u g en e  ( 1 . 6 3 %  an d   1 . 8 1 %)  a r e   co m p ar ab le  to   t h e  ac cu r ate  1 5 - m in u te  h o r izo n   s y s tem   ( 1 . 5 4 %)  r e p o r te d   in   th e  li ter atu r e .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8       P h o to vo lta ic  p o w er  p r ed ictio n   u s in g   d ee p   lea r n in g   mo d els:  r ec en t   a d va n ce s   a n d   …   ( B a s ma   S a a d )   5935   T ab le  3 .   T h e  NM AE   ( %)  o f   le ar n in g   m o d els in   d if f er en t  h o r i zo n s   an d   clim ates                     C l i ma t e   R e g r e ss o r   Eu g e n e   C o c o a   1D   1H   1 5   mi n   5   m i n   1D   1H   1 5   mi n   5   m i n   M LP   1 3 . 4 8 ± 1 . 6 9   8 . 0 3 ± 0 . 3 1   7 . 8 2 ± 0 . 1 2   7 . 1 5 ± 0 . 0 3   1 6 . 1 6 ± 1 . 5 1   7 . 9 8 ± 0 . 2   7 . 1 5 ± 0 . 0 9   6 . 5 8 ± 0 . 0 5   LSTM   3 . 8 6 ± 0 . 3 1   2 . 1 0 ± 0 . 0 7   1 . 9 4 ± 0 . 0 3   1 . 6 9 ± 0 . 0 1   4 . 2 7 ± 0 . 5 4   2 . 0 9 ± 0 . 0 6   1 . 5 6 ± 0 . 0 2   1 . 3 9 ± 0 . 0 1   C N N   2 . 6 1 ± 0 . 1 6   2 . 1 2 ± 0 . 0 5   2 . 0 0 ± 0 . 0 2   1 . 8 2 ± 0 . 0 1   2 . 6 7 ± 0 . 1 7   2 . 1 2 ± 0 . 0 6   1 . 8 1 ± 0 . 0 2   1 . 5 2 ± 0 . 0 1       T ab le  4 .   T h e  MA E   ( W /m ²)   o f   lear n in g   m o d els in   d if f er en t h o r izo n s   an d   clim ates             C l i m a t e   R e g r e ss o r   Eu g e n e   C o c o a   1D   1H   1 5   mi n   5   m i n   1D   1H   1 5   mi n   5   m i n   M LP   5 4 8 . 9 9 ± 6 8 . 7   2 7 . 2 2 ± 1 . 0 0   7 . 2 9 ± 0 . 1 2   2 . 4 5 ± 0 . 0 2   7 3 1 . 2 6 ± 6 8 . 5 1   3 0 . 2 4 ± 0 . 7 5   7 . 4 4 ± 0 . 0 9   2 . 6 0 ± 0 . 0 2   LSTM   1 5 7 . 4 3 ± 1 2 . 7 5   7 . 1 0 ± 0 . 2 4   1 . 8 1 ± 0 . 0 2   0 . 5 8 ± 0 . 0 0 5   1 9 3 . 1 4 ± 2 4 . 5 2   7 . 9 3 ± 0 . 2 4   1 . 6 3 ± 0 . 0 2   0 . 5 5 ± 0 . 0 0 5   C N N   1 0 6 . 2 9 ± 6 . 7 6   7 . 2 0 ± 0 . 1 6   1 . 8 6 ± 0 . 0 2   0 . 6 2 ± 0 . 0 0 5   1 2 1 . 0 1 ± 7 . 7 3   8 . 0 5 ± 0 . 2 2   1 . 8 8 ± 0 . 0 3   0 . 6 0 ± 0 . 0 0 5       T ab le  5 .   T h e  R MSE   ( W /m ²)   o f   lear n in g   m o d els in   d if f er e n t  h o r izo n s   an d   clim ates                      C l i m a t e   R e g r e ss o r   Eu g e n e   C o c o a   1D   1H   1 5   mi n   5   m i n   1D   1H   1 5   mi n   5   m i n   M LP   1 0 4 9 . 7 6 ± 5 3 5 . 5 3   5 3 . 0 4 ± 1 7 . 5 5   1 2 . 5 8 ± 2 . 6 9   3 . 6 1 ± 0 . 5   1 0 9 9 . 4 1 ± 5 1 1 . 7 3   4 3 . 3 5 ± 1 0 . 7   1 0 . 2 9 ± 1 . 8 1   3 . 6 9 ± 0 . 5   LSTM   2 2 8 . 8 0 ± 1 2 2 . 1 1   1 3 . 1 5 ± 7 . 1 8   2 . 7 8 ± 0 . 5 4   0 . 8 7 ± 0 . 1 5   3 5 1 . 6 2 ± 3 0 2 . 2 4   1 2 . 8 2 ± 5 . 1 7   2 . 4 3 ± 0 . 5 7   0 . 9 1 ± 0 . 2 1   C N N   1 3 8 . 0 0 ± 5 0 . 1 9   1 0 . 4 1 ± 2 . 3   2 . 7 3 ± 0 . 5 0   0 . 9 2 ± 0 . 1 5   1 5 2 . 4 3 ± 5 5 . 8 3   1 2 . 4 4 ± 4 . 1 4   2 . 7 9 ± 0 . 6 3   0 . 9 5 ± 0 . 2 1       4 . 2 .     I m pa ct   o f   da t a   re s o lutio n   T o   in v esti g ate  th e  im p ac t  o f   d ata  r eso lu tio n   o n   PV  p o wer   f o r ec asti n g ,   L STM   m o d el  wa s   em p lo y ed   an d   ev alu ate d   at  d if f e r en t  tem p o r al  r eso lu tio n s   to   p r e d ict  h o u r ly   g e n er ated   PV  p o we r .   5   m in u tes,  1 5   m i n u tes   an d   1   h o u r   wer e  th e  s elec ted   r eso lu tio n s .   T h e   r esu lts ,   d ep ict ed   in   th e  Fig u r e  2 ,   r e v ea l  in tr i g u in g   in s ig h ts   in t o   th e  r elatio n s h ip   b etwe en   d ata  r eso lu tio n   a n d   f o r ec asti n g   a cc u r ac y .   As  th e  g r a p h   d em o n s tr ates,  th e  NM AE   v alu es  ex h ib it  d is tin ct  tr en d s   ac r o s s   v ar y in g   r eso lu tio n s .   A  5 - m in u te  r eso lu tio n   r esu lts   in   h ig h ly   ac cu r ate   p r ed ictio n s   with   a   lo w  NM A E   o f   a p p r o x im ately   2 . 1 0 %  with   a  tig h t  u n ce r tain t y   m ar g in   o f   0 . 0 7 .   T h is   f in e r - g r ain ed   d ata  r eso lu tio n   y ield e d   th e   m o s t  ac c u r ate  p r ed ictio n s .   T r an s itio n in g   to   a  1 5 - m in u t e  r eso lu tio n   s lig h tly   in cr ea s es  th e  NM AE   to   ab o u t  2 . 2 3 %,  ac co m p an ied   b y   a  s lig h t  r is e  in   u n ce r tain ty .   Fin ally ,   at  a  1 - h o u r   r eso lu tio n ,   t h e  NM AE   f u r th e r   ex p a n d s   to   ap p r o x im ately   2 . 2 6 %,  with   a   g r ea ter   le v el  o f   u n ce r tain ty   o f   0 . 1 3 .   T h ese  f in d in g s   h ig h lig h t  th e  tr ad e - o f f   b etwe en   r eso lu tio n   a n d   f o r ec asti n g   ac c u r ac y .   Hig h er - r eso lu tio n   d ata ,   s u ch   as  5 - m i n u te  in te r v als,  lead s   to   m o r e  p r ec is e  p r ed ic tio n s ,   wh ile  co ar s er   r eso lu ti o n s   s ac r if ice  s o m e   ac cu r ac y   f o r   r e d u ce d   co m p u ta tio n al  d em an d s .           Fig u r e  2 .   T h e  NM AE   o f   d if f er en t r eso lu tio n s   f o r   1 - h o u r   f o r e ca s tin g   h o r izo n   u s in g   th e   L STM       4 . 3 .     I m pa ct   o f   inp ut  v a ria bles   T o   d elv e   d ee p e r   in to   th e  i n f lu en ce   o f   in p u t  v ar ia b les  o n   t h e  p r ed ictio n   o f   PV  p o wer   u s in g   an   L STM   m o d el,   we  h ar n ess ed   th e  SH AP  to o l  to   d is s ec t  ea ch   f ea tu r e’ s   co n tr ib u tio n   to   th e  o v er a r ch in g   p r ed ictio n .   As  m en tio n ed   in   Fig u r e  3 ,   th e  r e s u lts   f o r   b o t h   E u g en e  a n d   C o co a  d em o n s tr ate  th e  s ig n i f ican ce   o f   all  p r e d icto r s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.