Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Гибридная модель EMD-двухветвевой MLP с многоцелевой оптимизацацией NSGA-II для прогнозирования нагрузки на сутки вперёд

https://doi.org/10.15518/isjaee.2026.01.176-194

Аннотация

В работе рассматривается задача суточного многократного прогнозирования электрической нагрузки при дискретизации 15 минут (24 ч, 96 шагов), где нелинейность, нестационарность и многомасштабное смешение осложняют точное долгогоризонтное предсказание. Предлагается схема EMD-двухветвевой MLP с покомпонентным моделированием и калиброванным слиянием. В частности, эмпирическая модовая декомпозиция (EMD) применяется для разложения ряда нагрузки и последующей реконструкции в высокочастотную (HFC) и низкочастотную (LFC) компоненты; для HFC и LFC обучаются две прямые многовыходные MLP-модели с корреляционным отбором признаков (Пирсон), а для компенсации смещения реконструкции используется глобальное аффинное слияние (Global Affine) в качестве пост-калибровки. Многоцелевая оптимизация гиперпараметров выполняется алгоритмом NSGA-II (Optuna) путём совместной минимизации валидационных ошибок ветвей HFC и LFC. Эксперименты на наборе UCI ElectricityLoadDiagrams (MT_232, 2012-2013) с температурными рядами IPMA (Лиссабон) показывают, что EMD_MLP достигает RMSE/MAE/sMAPE = 8.567/5.434/7.546, снижая RMSE на 16,6 % и 19,5 % по сравнению с MLP и LSTM; вариант с NSGA-II дополнительно улучшает результаты до 8.363/5.377/7.503 и обеспечивает более стабильный профиль ошибки по горизонту. Предложенный метод формирует надёжные высокочастотные суточные траектории нагрузки для задач оперативного планирования, включая unit commitment, резервирование и рыночные операции.

Об авторах

Сяоюйа Чэнь
Уральский федеральный университет имени первого президента России Б. Н. Ельцина
Россия

Чэнь Сяоюй, аспирант 

620062, Екатеринбург, ул. Мира, д. 19



В. И. Велькин
Уральский федеральный университет имени первого президента России Б. Н. Ельцина
Россия

Велькин Владимир Иванович, профессор Уральского Федерального Университета, кафедра атомных станций и возобновляемых источников энергии

620062, Екатеринбург, ул. Мира, д. 19



Лисун Цинь
Уральский федеральный университет имени первого президента России Б. Н. Ельцина
Россия

Цинь Лисун, аспирант

620062, Екатеринбург, ул. Мира, д. 19



Список литературы

1. Kondaiah V., Saravanan B., Sanjeevikumar P. et al. A review on short‐term load forecasting models for micro‐grid application // The Journal of Engineering. – 2022; 2022(7):665-689. Doi: 10.1049/tje2.12151

2. Akhtar S., Shahzad S., Zaheer A. et al. Short-Term Load Forecasting Models: A Review of Challenges, Progress, and the Road Ahead // Energies. – 2023; 16(10):4060. Doi: 10.3390/en16104060

3. Hu Y., Ye C., Ding Y. et al. Short-term load forecasting utilizing wavelet transform and time series considering accuracy feedback // Int Trans Electr Energy Syst. – 2020. Doi: 10.1002/2050-7038.12455.

4. Eren Y., Küçükdemiral İ. A comprehensive review on deep learning approaches for short-term load forecasting // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2024(189); Part B:114031 Doi: 10.1016/j.rser.2023.114031.

5. Torkzadeh R., Mirzaei A., Mirjalili M. et al. Medium term load forecasting in distribution systems based on multi linear regression & principal component analysis: A novel approach. 2014 19th Conference on Electrical Power Distribution Networks (EPDC). – 2014: 66-70. Doi: 10.1109/EPDC.2014.6867500.

6. Pandey A., Sahay K., Tripathi M. et al. Short-term load forecasting of UPPCL using ANN. 2014 6th IEEE Power India International Conference (PIICON). – 2014: 1-6. Doi: 10.1109/POWERI.2014.7117741.

7. Aguilar E., Antonio N. Short-Term Electricity Load Forecasting with Machine Learning // Information. – 2021; 12(2):50. Doi:10.3390/info12020050

8. Nury H., Hasan K., Alam B. Comparative study of wavelet-ARIMA and wavelet-ANN models for temperature time series data in northeastern Bangladesh // Journal of King Saud University-Science. – 2017; 29(1): 47-61. Doi: 10.1016/j.jksus.2015.12.002

9. Rodrigues F., Pereira F. Beyond Expectation: Deep Joint Mean and Quantile Regression for Spatiotemporal Problems. Transactions on Neural Networks and Learning Systems // IEEE, 2020, 31(12):5377-5389. Doi: 10.1109/TNNLS.2020.2966745.

10. Liu Y., Zhao J., Liu J. et al. Regional midterm electricity demand forecasting based on economic, weather, holiday, and events factors. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering. – 2020; 15(2):225-234. Doi: 10.1002/tee.23049

11. Sun G., Jiang C., Wang X. et al. Short‐term building load forecast based on a data‐mining feature selection and LSTM‐RNN method // IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering. – 2020; 15(7):1002-1010. Doi: 10.1002/tee.23144

12. Kong W., Dong Y., Jia Y. et al. Short-Term Residential Load Forecasting Based on LSTM Recurrent Neural Network. Transactions on Smart Grid // IEEE. – 2019; 10(1):841-851. Doi: 10.1109/TSG.2017.2753802.

13. Yang L., Wu H., Ding M. et al. Short-term load forecasting in renewable energy grid based on bi-directional long short-term memory network considering feature selection // Automation of Electric Power Systems. – 2021; 45(3):166-173. Doi: 10.7500/AEPS20200202002

14. Morais S., Aquila G., de Faria, D. et al. Short-term load forecasting using neural networks and global climate models: An application to a large-scale electrical power system // Applied Energy. – 2023; 348:121439. Doi: 10.1016/j.apenergy.2023.121439.

15. Ahranjani K., Beiraghi M., Ghanizadeh R. Short time load forecasting for Urmia city using the novel CNN-LTSM deep learning structure // Electr Eng. – 2025; 107:1253-1264. Doi: 10.1007/s00202-024-02361-4

16. Shuang R., Kai Y., Jicai S. et al. Short-term Power Load Forecasting Based on CNN-BiGRU-Attention // J. Electr. Eng. – 2024; 19:344-350. Doi: 10.11985/2024.01.037

17. Mounir N., Ouadi H, Jrhilifa I. Short-term electric load forecasting using an EMD-BI-LSTM approach for smart grid energy management system // Energy and Buildings. – 2023; 288:113022. Doi: 10.1016/j.enbuild.2023.113022.

18. Zhou Y., Su Z., Gao K. et al. A short-term electricity load forecasting method integrating empirical modal decomposition with SAM-LSTM // Frontiers in Energy Research. – 2024; 12:1423692. Doi: 10.3389/fenrg.2024.1423692.

19. Su Z., Zeng J., Liu J. A Short-Term Power Load Forecasting Approach Based on EMD-SSA-LSTM // Journal of Physics: Conference Series. – 2024; 2774-012005. Doi: 10.1088/1742-6596/2774/1/012005.

20. Lotfipoor A., Patidar S., Jenkins P. Deep neural network with empirical mode decomposition and Bayesian optimisation for residential load forecasting // Expert Systems with Applications. – 2024; 237: Part A, 121355. Doi: 10.1016/j.eswa.2023.121355.

21. Alberg D., Last M. Short-term load forecasting in smart meters with sliding window-based ARIMA algorithms // Vietnam J Comput Sci. – 2018; 5:241-249. Doi: 10.1007/s40595-018-0119-7

22. Zheng Z., Chen H., Luo X. A Kalman filter-based bottom-up approach for household short-term load forecast // Applied Energy. – 2019; 250:882-894. Doi: 10.1016/j.apenergy.2019.05.102

23. Wang Y., Sun S., Chen X. et al. Short-term load forecasting of industrial customers based on SVMD and XGBoost // International journal of electrical power & energy systems. – 2021; 129:106830. Doi: 10.1016/j.ijepes.2021.106830

24. Zhang L., Jánošík D. Enhanced short-term load forecasting with hybrid machine learning models: CatBoost and XGBoost approaches // Expert systems with applications. – 2024; 241:122686. Doi: 10.1016/j.eswa.2023.122686

25. Li K., Huang W., Hu G. et al. Ultra-short term power load forecasting based on CEEMDAN-SE and LSTM neural network // Energy and Buildings. – 2023; 279:112666. Doi: 10.1016/j.enbuild.2022.112666

26. Ran P., Dong K., Liu X. et al. Short-term load forecasting based on CEEMDAN and Transformer // Electric power systems research. – 2023; 214: part A, 108885. Doi: 10.1016/j.epsr.2022.108885

27. Luo H., Zhang H., Wang J. Ensemble power load forecasting based on competitive-inhibition selection strategy and deep learning // Sustainable energy technologies and assessments. 2022, 51: 101940. Doi: 10.1016/j.seta.2021.101940

28. Cui J., Kuang W., Geng K. et al. Advanced Short-Term Load Forecasting with XGBoost-RF Feature Selection and CNN-GRU // Processes. – 2024; 12(11):2466. Doi: 10.3390/pr12112466

29. Asiri M., Aldehim G., Alotaibi F. et al. Short-Term Load Forecasting in Smart Grids Using Hybrid Deep Learning in IEEE Access. – 2024; 12:23504-23513. Doi: 10.1109/ACCESS.2024.3358182.

30. Trindade A. ElectricityLoadDiagrams20112014. UCI Machine Learning Repository [Data set]. – 2015. https://doi.org/10.24432/C58C86.

31. IPMA, n. d. Long data series (Séries longas): Lisboa/Geofísico station (daily Tmin, Tmean, Tmax) [Data set]. Instituto Português do Mar e da Atmosfera. Accessed 12 Feb 2026. https://www.ipma.pt/en/oclima/series.longas/?loc=Lisboa%2FGeof%C3%ADsico&type=raw&utm_source=chatgpt.com

32. Al-Bossly A. Metaheuristic Optimization with Deep Learning Enabled Smart Grid Stability Prediction // Computers, Materials & Continua. – 2023; 75(3):6395-6408. Doi:10.32604/cmc.2023.028433

33. Huang E., Shen Z., Long R. et al. The empirical model decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis // Proceedings of the Royal Society of London Series A: mathematical, physical and engineering sciences. – 1998; 454(1971): 903-995. Doi: 10.1098/rspa.1998.0193

34. Yin C., Wei N., Wu J. et al. An Empirical Mode Decomposition-Based Hybrid Model for Sub-Hourly Load Forecasting // Energies. – 2024; 17(2):307. Doi: 10.3390/en17020307

35. Tian F., Fan X., Wang R. et al. A power forecasting method for ultra-short-term photovoltaic power generation using transformer model // Math. Probl. Eng. – 2022 (2022). Doi: 10.1155/2022/9421400

36. Roy S., Mehera R., Pal K. et al. Hyperparameter optimization for deep neural network models: a comprehensive study on methods and techniques // Innovations Syst Softw Eng. – 2025; 21:789-800. Doi: 10.1007/s11334-023-00540-3.

37. Deb K., Pratap A., Agarwal S. et al. A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II. IEEE Transactions on Evolutionary Computation. – 2002; 6:182-197. Doi: 10.1109/4235.996017

38. Ibrahim M., Harkouss F., Biwole P. et al. Multi-objective hyperparameter optimization of artificial neural network in emulating building energy simulation // Energy and Buildings. 2025; 337:115643. Doi: 10.1016/j.enbuild.2025.115643

39. Nti K., Teimeh M., Nyarko-Boateng O. et al. Electricity load forecasting: a systematic review // Journal of Electrical Systems and Inf Technol. – 2020; 7(13). Doi: 10.1186/s43067-020-00021-8.

40. Makridakis S., Spiliotis E., Assimakopoulos V. The M4 Competition: Results, findings, conclusion and way forward // International Journal of Forecasting. – 2018; 34(4):802-808. Doi: 10.1016/j.ijforecast.2018.06.001


Рецензия

Для цитирования:


Чэнь С., Велькин В.И., Цинь Л. Гибридная модель EMD-двухветвевой MLP с многоцелевой оптимизацацией NSGA-II для прогнозирования нагрузки на сутки вперёд. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2026;(1):176-194. https://doi.org/10.15518/isjaee.2026.01.176-194

For citation:


Chen X., Velkin V.I., Qin L. EMD-Dual-Branch MLP with NSGA-II Multi-Objective Optimization for Day-Ahead Load Forecasting. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2026;(1):176-194. https://doi.org/10.15518/isjaee.2026.01.176-194

Просмотров: 71

JATS XML

ISSN 1608-8298 (Print)