时间序列预测 — VMD-LSTM实现单变量多步光伏预测(Tensorflow)：单变量转为多变量

[1 数据处理](#1 数据处理)

[1.1 导入库文件](#1.1 导入库文件)

[1.2 导入数据集](#1.2 导入数据集)

[1.3 缺失值分析](#1.3 缺失值分析)

[2 VMD经验模态分解](#2 VMD经验模态分解)

[3 构造训练数据](#3 构造训练数据)

[4 LSTM模型训练](#4 LSTM模型训练)

[5 预测](#5 预测)

1 数据处理

1.1 导入库文件

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import time
import datetime
import pandas as pd 
import numpy as np 
import matplotlib.pyplot as plt  
from sampen import sampen2  # sampen库用于计算样本熵
from vmdpy import VMD  # VMD分解库

import tensorflow as tf 
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import r2_score, mean_squared_error, mean_absolute_error, mean_absolute_percentage_error 
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, Activation, Dropout, LSTM, GRU
from tensorflow.keras.callbacks import ReduceLROnPlateau, EarlyStopping

# 忽略警告信息
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

1.2 导入数据集

实验数据集采用数据集8：新疆光伏风电数据集（下载链接），数据集包括组件温度(℃) 、温度(°) 气压(hPa)、湿度(%)、总辐射(W/m2)、直射辐射(W/m2)、散射辐射(W/m2)、实际发电功率(mw)特征，时间间隔15min。对数据进行可视化：

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# 导入数据
data_raw = pd.read_excel("E:\\课题\\08数据集\\新疆风电光伏数据\\光伏2019.xlsx")
data_raw

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from itertools import cycle
# 可视化数据
def visualize_data(data, row, col):
    cycol = cycle('bgrcmk')
    cols = list(data.columns)
    fig, axes = plt.subplots(row, col, figsize=(16, 4))
    fig.tight_layout()
    if row == 1 and col == 1:  # 处理只有1行1列的情况
        axes = [axes]  # 转换为列表，方便统一处理
    for i, ax in enumerate(axes.flat):
        if i < len(cols):
            ax.plot(data.iloc[:,i], c=next(cycol))
            ax.set_title(cols[i])
        else:
            ax.axis('off')  # 如果数据列数小于子图数量，关闭多余的子图
    plt.subplots_adjust(hspace=0.6)
    plt.show()

visualize_data(data_raw.iloc[:,1:], 2, 4)

单独查看部分功率数据，发现有较强的规律性。

因为只是单变量预测，只选取实际发电功率(mw)数据进行实验：

1.3 缺失值分析

首先查看数据的信息，发现并没有缺失值

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data_raw.info()

进一步统计缺失值

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data_raw.isnull().sum()

2 VMD经验模态分解

使用VMD将目标信号分解成若干个模态，进一步可视化分解结果

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# VMD分解函数
# signal: 输入信号
# alpha: 正则化参数
# tau: 时间尺度参数
# K: 分量数量
# DC: 是否包括直流分量
# init: 初始化方法
# tol: 收敛容限
# n_ite: 最大迭代次数
def vmd_decompose(series=None, alpha=2000, tau=0, K=7, DC=0, init=1, tol=1e-7, draw=True): 
    # 得到 VMD 分解后的各个分量、分解后的信号和频率
    imfs_vmd, imfs_hat, omega = VMD(series, alpha, tau, K, DC, init, tol)  
    # 将 VMD 分解分量转换为 DataFrame, 并重命名
    df_vmd = pd.DataFrame(imfs_vmd.T)
    df_vmd.columns = ['imf'+str(i) for i in range(K)]
    return df_vmd

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df_vmd = vmd_decompose(data_raw['实际发电功率(mw)'])  # 对 df_raw_data['AQI'] 进行 VMD 分解，并将结果赋值给 df_vmd
# 绘制 df_vmd 的数据，以子图形式显示每个分量
ax = df_vmd.plot(title='VMD Decomposition', figsize=(16,8), subplots=True,fontsize=16)
for a in ax:
    a.legend(loc='upper right',prop={'size': 14})
    plt.subplots_adjust(hspace=0.5)

将原始数据和分解后的模态合并

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df_vmd['sum'] = data_raw['实际发电功率(mw)']  # 将 data_raw['实际发电功率(mw)']添加到 df_vmd 中的 'sum' 列

这里利用VMD-LSTM进行预测的思路是通过VMD将原始功率分解为多个变量，然后将分解变量作为输入特征，将原始出力功率作为标签，将单变量转为多变量进行预测。

3 构造训练数据

构造训练数据，也是真正预测未来的关键。首先设置预测的timesteps时间步、predict_steps预测的步长（预测的步长应该比总的预测步长小），length总的预测步长，参数可以根据需要更改。

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timesteps = 96*5 #构造x，为96*5个数据,表示每次用前96*5个数据作为一段
predict_steps = 96 #构造y，为96个数据，表示用后96个数据作为一段
length = 96 #预测多步，预测96个数据
feature_num = 7 #特征的数量

通过前5天的timesteps数据预测后一天的数据predict_steps个，需要对数据集进行滚动划分（也就是前timesteps行的特征和后predict_steps行的标签训练，后面预测时就可通过timesteps行特征预测未来的predict_steps个标签）。因为是多变量，特征和标签分开划分，不然后面归一化会有信息泄露的问题。

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# 构造数据集，用于真正预测未来数据
# 整体的思路也就是，前面通过前timesteps个数据训练后面的predict_steps个未来数据
# 预测时取出前timesteps个数据预测未来的predict_steps个未来数据。
def create_dataset(datasetx,datasety,timesteps=36,predict_size=6):
    datax=[]#构造x
    datay=[]#构造y
    for each in range(len(datasetx)-timesteps - predict_steps):
        x = datasetx[each:each+timesteps]
        y = datasety[each+timesteps:each+timesteps+predict_steps]
        datax.append(x)
        datay.append(y)
    return datax, datay

数据处理前，需要对数据进行归一化，按照上面的方法划分数据，这里返回划分的数据和归一化模型，函数的定义如下：

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# 数据归一化操作
def data_scaler(datax,datay):
    # 数据归一化操作
    scaler1 = MinMaxScaler(feature_range=(0,1))
    scaler2 = MinMaxScaler(feature_range=(0,1))
    datax = scaler1.fit_transform(datax)
    datay = scaler2.fit_transform(datay)
    # 用前面的数据进行训练，留最后的数据进行预测
    trainx, trainy = create_dataset(datax[:-timesteps-predict_steps,:],datay[:-timesteps-predict_steps,0],timesteps, predict_steps)
    trainx = np.array(trainx)
    trainy = np.array(trainy)
    
    return trainx, trainy, scaler1, scaler2

然后对数据按照上面的函数进行划分和归一化。通过前5天的96*5数据预测后一天的数据96个，需要对数据集进行滚动划分（也就是前96*5行的特征和后96行的标签训练，后面预测时就可通过96*5行特征预测未来的96个标签）

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datax = df_vmd[:,:-1]
datay = df_vmd[:,-1].reshape(df_vmd.shape[0],1)
trainx, trainy, scaler1, scaler2 = data_scaler(datax, datay)

4 LSTM模型训练

首先搭建模型的常规操作，然后使用训练数据trainx和trainy进行训练，进行50个epochs的训练，每个batch包含128个样本（建议使用GPU进行训练）。预测并计算误差，训练好将模型保存，并进行可视化，将这些步骤封装为函数。

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# # 创建lSTM模型
def LSTM_model_train(trainx, trainy):
    # 调用GPU加速
    gpus = tf.config.experimental.list_physical_devices(device_type='GPU')
    for gpu in gpus:
        tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu, True)
              
    # LSTM网络构建 
    start_time = datetime.datetime.now()
    model = Sequential()
    model.add(LSTM(128, input_shape=(timesteps, feature_num), return_sequences=True))
    model.add(Dropout(0.5))
    model.add(LSTM(128, return_sequences=True))
    model.add(LSTM(64, return_sequences=False))
    model.add(Dense(predict_steps))
    model.compile(loss="mean_squared_error", optimizer="adam")
    # 模型训练
    model.fit(trainx, trainy, epochs=50, batch_size=128)
    end_time = datetime.datetime.now()
    running_time = end_time - start_time
    # 保存模型
    model.save('vmd_lstm_model.h5')
    
    # 返回构建好的模型
    return modely

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model = LSTM_model_train(trainx, trainy)

5 预测

首先加载训练好后的模型

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# 加载模型
from tensorflow.keras.models import load_model
model = load_model('vmd_lstm_model.h5')

准备好需要预测的数据，训练时保留了6天的数据，将前5天的数据作为输入预测，将预测的结果和最后一天的真实值进行比较。

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y_true = datay[-timesteps-predict_steps:-timesteps]
x_pred = datax[-timesteps:]

预测并计算误差，并进行可视化，将这些步骤封装为函数。

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# 预测并计算误差和可视化
def predict_and_plot(x, y_true, model, scaler, timesteps):
    # 变换输入x格式，适应LSTM模型
    predict_x = np.reshape(x, (1, timesteps, feature_num))  
    # 预测
    predict_y = model.predict(predict_x)
    predict_y = scaler.inverse_transform(predict_y)
    y_predict = []
    y_predict.extend(predict_y[0])
    
    # 计算误差
    r2 = r2_score(y_true, y_predict)
    rmse = mean_squared_error(y_true, y_predict, squared=False)
    mae = mean_absolute_error(y_true, y_predict)
    mape = mean_absolute_percentage_error(y_true, y_predict)
    print("r2: %.2f\nrmse: %.2f\nmae: %.2f\nmape: %.2f" % (r2, rmse, mae, mape))
    
    # 预测结果可视化
    cycol = cycle('bgrcmk')
    plt.figure(dpi=100, figsize=(14, 5))
    plt.plot(y_true, c=next(cycol), markevery=5)
    plt.plot(y_predict, c=next(cycol), markevery=5)
    plt.legend(['y_true', 'y_predict'])
    plt.xlabel('时间')
    plt.ylabel('功率(kW)')
    plt.show()
    
    return y_predict

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y_predict_nowork = predict_and_plot(x_pred, y_true, model, scaler2, timesteps)

最后得到可视化结果，发下可视化结果并不是太好，可以通过调参和数据处理进一步提升模型预测效果。