predicción de la demanda a corto plazo

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“XVIII International Congress of Electronic, Electrical and Systems Engineering” Id: ABC-000 Página 1 de 9 ResumenEn este trabajo se presenta una aplicación de las redes neuronales artificiales en el pronóstico de la demanda a corto plazo, haciendo uso de la herramienta computacional “Neural Network” del “Toolboxes” de MATLAB; se analizaron varias configuraciones de red, y se escogió una red del tipo “Feedback” con el que se obtuvo los mejores resultados, la red posee 99 neuronas en la capa de entrada que representan datos que influyen en el comportamiento de la carga, 48 neuronas en la capa de salida que representa el pronóstico de la demanda eléctrica para cada media hora del día siguiente, 2 capas ocultas que interconectan las capas de entrada y salida. El método propuesto fue probado con los datos de la demanda eléctrica del área norte del sistema eléctrico peruano, alrededor de 3 años, obteniendo un error promedio de 2.99% mientras que la desviación estándar resultó en un 3,29% en el pronóstico de la demanda. ÍndicesAprendizaje de la Red, Demanda de Carga Diaria, Entrenamiento de la Red, Feedback, Feedforward, Red Neuronal y Pronóstico. I. INTRODUCCIÓN L objetivo de una empresa de energía eléctrica es suministrar electricidad a sus consumidores de una forma confiable y económica. Para mejorar del suministro de energía las empresas generadoras y distribuidoras se interconectan, un objetivo de esta operación es alcanzar una gama de beneficios económicos y operacionales tales como dividir el costo de la carga del sistema entre las diversas unidades generadoras, evitar inversiones innecesarias en generadoras costosas, minimizar el efecto de la contingencia en cualquier sistema, mantener la frecuencia y la tensión del sistema dentro de los límites permisibles establecidos, entre otros [1]. Con el fin de realizar tareas en conjunto cada empresa posee un centro de control y operación responsable de realizar estas tareas comunicándose además con los demás centros de control para una operación integrada [1]. Este trabajo fue apoyado por el Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IIFIEE) de la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) y en colaboración con la RAMA-IEEE de la UNI, Sección Perú, Capítulo de Energía y Potencia. El Dr. Y. P. Molina colabora en la Universidad Nacional de Ingeniería y al Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, CP Lima 39, Lima, Perú. (e-mail: [email protected]) Adderly Huerta, Lima, Perú. (e-mail: [email protected]). Juan C. Quispe, Lima, Perú. (e-mail: [email protected]). Edwin M. Ramos, Lima, Perú. (e-mail: [email protected]). Algunas funciones que realizan los centros de control: Almacenamiento de datos que pueden ser eventos como fallas, mantenimientos, salidas de demanda de clientes libres, etc. así como también almacenar información de la carga eléctrica consumida. Aplicación del monitoreo para seguridad del sistema: estimador de estados, análisis de contingencias, flujo de carga óptimo, flujo de carga, análisis de estabilidad transitoria, pronóstico de la demanda. Control del despacho de generación: Control automático de generación, despacho de carga y la compra de energía entre áreas. Para una visión general de todas estas funciones es necesario conocer de antemano el comportamiento de la demanda eléctrica es así como nace la necesidad del pronóstico de la demanda. En el contexto del planeamiento de la operación en corto plazo de sistemas de energía eléctrica, el pronóstico de la demanda es muy importante para la elaboración del programa de operación del día siguiente; un error en el pronóstico de la demanda puede tener consecuencias serias en términos de la eficiencia y seguridad del sistema (incremento de los costos, no atender demanda) [2]. En este artículo se propone un nuevo método, basado en las Redes Neuronales Artificiales (RNA), para el pronóstico de la demanda de carga eléctrica que permita mejorar la confiabilidad y seguridad, y de esta manera reducir los costos de operación del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional (SEIN). El pronóstico de la demanda eléctrica a corto plazo comprende desde algunas horas hasta algunas semanas lo cual ayuda a proyectar diferentes procesos realizados por los operadores del SEIN, tales como: el despacho económico, la programación de transferencia de energía y el control en tiempo real. Errores significativos en el pronóstico de la demanda pueden resultar en una planificación excesivamente conservadora o en una planificación excesivamente riesgosa causando graves consecuencias económicas en el sistema. II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Tradicionalmente, el programa de operación se basa en el pronóstico de la demanda global, lo que significa que el Aplicación de Redes Neuronales para el Pronóstico de la Demanda a Corto Plazo A. Huerta V., Student Member IEEE; J.C. Quispe H., Student Member IEEE; E.M. Ramos C., Student Member IEEE; y Dr. Yuri Molina, Member IEEE E

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El Predición de Demanda Eléctrica a Corto Plazo usando RedePredición de Demanda Eléctrica a Corto Plazo usando Redes Neuronaless Neuronales

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“XVIII International Congress of Electronic, Electrical and Systems Engineering”

Id: ABC-000 Página 1 de 9

Resumen—En este trabajo se presenta una aplicación de las

redes neuronales artificiales en el pronóstico de la demanda a

corto plazo, haciendo uso de la herramienta computacional

“Neural Network” del “Toolboxes” de MATLAB; se analizaron

varias configuraciones de red, y se escogió una red del tipo

“Feedback” con el que se obtuvo los mejores resultados, la red

posee 99 neuronas en la capa de entrada que representan datos

que influyen en el comportamiento de la carga, 48 neuronas en la

capa de salida que representa el pronóstico de la demanda

eléctrica para cada media hora del día siguiente, 2 capas ocultas

que interconectan las capas de entrada y salida. El método

propuesto fue probado con los datos de la demanda eléctrica del

área norte del sistema eléctrico peruano, alrededor de 3 años,

obteniendo un error promedio de 2.99% mientras que la

desviación estándar resultó en un 3,29% en el pronóstico de la

demanda.

Índices—Aprendizaje de la Red, Demanda de Carga Diaria,

Entrenamiento de la Red, Feedback, Feedforward, Red Neuronal

y Pronóstico.

I. INTRODUCCIÓN

L objetivo de una empresa de energía eléctrica es

suministrar electricidad a sus consumidores de una forma

confiable y económica. Para mejorar del suministro de

energía las empresas generadoras y distribuidoras se

interconectan, un objetivo de esta operación es alcanzar una

gama de beneficios económicos y operacionales tales como

dividir el costo de la carga del sistema entre las diversas

unidades generadoras, evitar inversiones innecesarias en

generadoras costosas, minimizar el efecto de la contingencia

en cualquier sistema, mantener la frecuencia y la tensión del

sistema dentro de los límites permisibles establecidos, entre

otros [1].

Con el fin de realizar tareas en conjunto cada empresa

posee un centro de control y operación responsable de realizar

estas tareas comunicándose además con los demás centros de

control para una operación integrada [1].

Este trabajo fue apoyado por el Instituto de Investigación de la Facultad de

Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IIFIEE) de la Universidad Nacional de

Ingeniería (UNI) y en colaboración con la RAMA-IEEE de la UNI, Sección Perú, Capítulo de Energía y Potencia.

El Dr. Y. P. Molina colabora en la Universidad Nacional de Ingeniería y al

Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, CP Lima 39, Lima, Perú. (e-mail: [email protected])

Adderly Huerta, Lima, Perú. (e-mail: [email protected]).

Juan C. Quispe, Lima, Perú. (e-mail: [email protected]). Edwin M. Ramos, Lima, Perú. (e-mail: [email protected]).

Algunas funciones que realizan los centros de control:

Almacenamiento de datos que pueden ser eventos como

fallas, mantenimientos, salidas de demanda de clientes

libres, etc. así como también almacenar información de

la carga eléctrica consumida.

Aplicación del monitoreo para seguridad del sistema:

estimador de estados, análisis de contingencias, flujo de

carga óptimo, flujo de carga, análisis de estabilidad

transitoria, pronóstico de la demanda.

Control del despacho de generación: Control automático

de generación, despacho de carga y la compra de energía

entre áreas.

Para una visión general de todas estas funciones es

necesario conocer de antemano el comportamiento de la

demanda eléctrica es así como nace la necesidad del

pronóstico de la demanda.

En el contexto del planeamiento de la operación en corto

plazo de sistemas de energía eléctrica, el pronóstico de la

demanda es muy importante para la elaboración del programa

de operación del día siguiente; un error en el pronóstico de la

demanda puede tener consecuencias serias en términos de la

eficiencia y seguridad del sistema (incremento de los costos,

no atender demanda) [2].

En este artículo se propone un nuevo método, basado en las

Redes Neuronales Artificiales (RNA), para el pronóstico de la

demanda de carga eléctrica que permita mejorar la

confiabilidad y seguridad, y de esta manera reducir los costos

de operación del Sistema Eléctrico Interconectado Nacional

(SEIN).

El pronóstico de la demanda eléctrica a corto plazo

comprende desde algunas horas hasta algunas semanas lo cual

ayuda a proyectar diferentes procesos realizados por los

operadores del SEIN, tales como: el despacho económico, la

programación de transferencia de energía y el control en

tiempo real.

Errores significativos en el pronóstico de la demanda

pueden resultar en una planificación excesivamente

conservadora o en una planificación excesivamente riesgosa

causando graves consecuencias económicas en el sistema.

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Tradicionalmente, el programa de operación se basa en el

pronóstico de la demanda global, lo que significa que el

Aplicación de Redes Neuronales para el

Pronóstico de la Demanda a Corto Plazo A. Huerta V., Student Member IEEE; J.C. Quispe H., Student Member IEEE; E.M. Ramos C., Student

Member IEEE; y Dr. Yuri Molina, Member IEEE

E

“XVIII International Congress of Electronic, Electrical and Systems Engineering”

Id: ABC-000 Página 2 de 9

programa de operación se preocupa en atender la demanda

total en cada intervalo de tiempo. En general, si se tiene una

herramienta para el pronóstico de la demanda del sistema que

ejecuta esta tarea con un mínimo error, es decir, el método

desarrollado es muy exacto, se tiene una maximización de los

beneficios y con ello se reducen las posibles pérdidas, porque

el sistema será capaz de desarrollar estrategias adecuadas para

hacerlo funcionar.

El pronóstico del perfil de carga en cada media hora del

SEIN, es una de las actividades necesarias y de importancia

para la programación de despacho de carga de las centrales de

generación del SEIN. El Comité de Operaciones Económicas

del Sistema (COES) realiza este pronóstico en la

programación semanal y luego es afinado en la programación

diaria y reajustada en las reprogramaciones o re-despachos. A

continuación se describe a grandes rasgos el procedimiento

realizado por el COES para el pronóstico de la demanda.

A. Requerimiento de Información

Se solicita a las empresas generadoras de los límites de

producción de la potencia activa de cada una de las

unidades generadoras.

Se solicita la proyección de la demanda de las empresas

de distribución y clientes libres en valores promedios en

cada media hora.

Reportes de generación a nivel de barras. Esta

información es obtenida de los medidores electrónicos de

energía a través del sistema SCADA y generación

ejecutada, la cual es reportado por las empresas

generadoras al finalizar cada día operativo.

B. Metodología de Cálculo

Cuando no se dispone de información necesaria para el

pronóstico de carga a nivel de barras, entonces ésta se hace

por áreas operativas que de acuerdo al SEIN son: Área Norte,

Área Centro, Área Sur. El modelo usado es estadístico

tomando como información básica la data de 5 semanas

anteriores para cada día típico de la semana y con factores de

ponderación para estimar el comportamiento del diagrama de

carga.

Otra consideración de importancia a tener en cuenta para el

pronóstico diario de carga son las fechas festivas o feriados.

Para ello la demanda se reajusta con la data histórica de días

festivos parecidos. La afectación o reajuste es también para el

día previo y posterior al periodo festivo.

C. Programación Diaria

La demanda de potencia proyectada en el programa

semanal es reajustado y corregido diariamente según la

tendencia del día anterior y tomando en consideración los

cambios estacionales y acontecimientos importantes previstos.

Para el caso de reprogramaciones diarias, el reajuste se realiza

tomando en cuenta la tendencia de la carga utilizando la

información del tiempo real.

D. Problemática del Pronóstico Actual de la Demanda

De lo detallado en la sección anterior se concluye que no

existe ninguna metodología de cálculo sustentado para el

pronóstico de la demanda a corto plazo. Tampoco se hace el

pronóstico de la demanda a nivel de barras, para este cálculo

se obtiene el nivel de generación expandido a nivel de áreas

considerando sus respectivos diagramas típicos. Otra

problemática es que muchos usuarios libres no reportan el

comportamiento de su carga diaria y además ésta es variable

en muchos casos por mantenimiento correctivos o paradas de

plantas imprevistas o no informadas.

Las consecuencias de no pronosticar bien la carga

provocan:

Desviaciones del programa de despacho de las centrales

de generación, obligando a realizar reprogramas o re-

despachos para suplir este problema.

Toma inexacta de decisiones del coordinador en tiempo

real del SEIN para el arranque, parada, aumentar o

disminuir las unidades de generación del SEIN,

reduciendo la confiabilidad del sistema eléctrico.

Pérdidas económicas por mal despacho de unidades de

generación más caras del SEIN.

III. MÉTODO PROPUESTO

Los métodos de inteligencia artificial para el pronóstico han

demostrado su capacidad para dar un mejor redimiendo en el

trato con las funciones no-lineales. Su ventaja radica

principalmente que no requieren formulaciones matemáticas

complejas o de correlación cuantitativa entre entradas y

salidas.

La utilización de la inteligencia artificial, en el contexto de

que no existan procesos definidos para solucionar

determinados problemas, ha llevado a su aplicación en la

predicción de demanda eléctrica a corto plazo en las dos

últimas décadas [3].

Las redes neuronales artificiales son técnicas de

procesamiento de información basadas en el funcionamiento

de un sistema nervioso bilógico, como el cerebro, donde se

procesa la información. El concepto fundamental de la red

neuronal artificial es la estructura del sistema de

procesamiento de información. Compuesto de un gran número

de unidades interconectadas (neuronas) concentradas dentro

de una red, el sistema de redes neuronales utiliza una técnica

similar al aprendizaje humano. A cada una de las neuronas se

le aplica una entrada, una función de activación y una salida,

la red está configurada para una aplicación específica, como

la clasificación de datos o reconocimiento de patrones, el

aprendizaje a través de un proceso llamado entrenamiento [3].

Los primeros investigadores que introdujeron la aplicación

de las redes neuronales en el pronóstico de carga, proponen

una metodología innovadora de redes neuronales para el

problema del pronóstico de carga a corto plazo [4]. En el

presente se propone el uso de una red con múltiples capas: una

entrada, dos ocultas y una salida. La formación y uso de datos

para la red neuronal se detallan más adelante.

“XVIII International Congress of Electronic, Electrical and Systems Engineering”

Id: ABC-000 Página 3 de 9

A. Modelado de la Red Neuronal

El diseño de la arquitectura para una red, sea recurrente o

no es, junto con la elección de los parámetros utilizados en la

aplicación de un algoritmo de aprendizaje, los puntos claves

en una metodología de diseño y creación de redes neuronales.

Se va a introducir el denominado modelo estándar de

neurona artificial según los principios descritos [5]. Siguiendo

dichos principios, la -ésima neurona artificial estándar

consiste en:

Un conjunto de entradas y unos pesos sinápticos ,

con

Una regla de propagación definida a partir del

conjunto de entradas y los pesos sinápticos. Es decir:

( ) (1)

TABLA 1

SISTEMA GLOBAL DE PROCESO DE UNA RED NEURONAL.

Neurona

Capa

Red

Sistema

Neuronal

La regla de propagación más comúnmente utilizada

consiste en combinar linealmente las entradas y los pesos

sinápticos, que consiste en:

( ) ∑

(2)

Suele ser habitual añadir al conjunto de pesos de la neurona

un parámetro adicional , que se denomina umbral, el cual se

acostumbra a restar al potencial pos-sináptico. Es decir:

( ) ∑

(3)

Una función de activación, la cual representa

simultáneamente la salida de la neurona y su estado de

activación. Si se denota por dicha función de

activación, se tiene:

( ) (∑

) (4)

Fig. 1. Modelo de neurona artificial estándar.

La Fig. 1 muestra el modelo de neurona artificial estándar

descrito previamente. Algunos ejemplos de funciones de

activación son los siguientes:

1) Neuronas Todo-Nada

En este tipo de neuronas todo-nada, también llamadas

dispositivos de umbral, la función es una función

escalonada. En tal caso, se tiene:

{

(5)

2) Neurona Continua Sigmoidea

Para obtener una salida continua, es habitual el utilizar

como función de activación una función sigmoidea. Las

funciones sigmoideas más usadas son:

(∑ )

[ ] (6)

(∑

) [ ] (7)

Ambas funciones de activación son continuas y

diferenciables, el requisito de trabajar con funciones

diferenciables puede venir impuesto por la regla de

aprendizaje.

“XVIII International Congress of Electronic, Electrical and Systems Engineering”

Id: ABC-000 Página 4 de 9

B. Arquitecturas de la Red Neuronal

Se denomina arquitectura a la topología, estructura o patrón

de conexionado de una red neuronal. En una red neuronal

artificial los nodos se conectan por medio de sinapsis, estando

el comportamiento de la red determinado por la estructura de

conexiones sinápticas. Estas conexiones sinápticas son

direccionales, es decir, la información solamente puede

propagarse en un único sentido (desde la neurona pre-sináptica

a la pos-sináptica). En general las neuronas se suelen agrupar

en unidades estructurales denominadas capas. El conjunto de

una o más capas constituye la red neuronal [2].

Se distinguen tres tipos de capas: de entrada, de salida y

ocultas. Una capa de entrada, también denominada sensorial,

está compuesta por neuronas que reciben datos o señales

procedentes del entorno. Una capa de salida se compone de

neuronas que proporcionan la respuesta de la red neuronal.

Una capa oculta no tiene una conexión directa con el entorno,

es decir, no se conecta directamente ni a órganos sensores ni a

efectores. Este tipo de capa oculta proporciona grados de

libertad a la red neuronal gracias a los cuales es capaz de

representar más fehacientemente determinadas características

del entorno que trata de modelar.

Teniendo en cuenta diversos conceptos se pueden

establecer diferentes tipos de arquitecturas neuronales. Entre

las principales, tanto como las que se utilizó en el presente

proyecto, destacan:

1) Red Neuronal tipo Feedforward:

El tipo de red Feedforward es cuando todas las neuronas de

una capa reciben señales de entrada a la red, y envían señales

de salida a una capa posterior, se está ante una red de

conexiones hacia adelante, ver Fig. 2, y que además realiza un

aprendizaje supervisado. La primera capa tiene pesos

provenientes de la entrada. Cada capa posterior tiene un peso

proveniente de la capa anterior. Todas las capas tienen

predecesoras. La última capa es la salida de la red. La

adaptación se logra con los proceso de aprendizaje que

actualiza los pesos con la función de activación [6].

Fig. 2. Red neuronal tipo feedforward.

2) Red Neuronal tipo Feedback:

El tipo de red Feedback, es cuando hay conexiones hacia

atrás es decir las salidas de las neuronas de capas posteriores

se conectan a las entradas de las capas anteriores como se

muestra en la Fig. 3. La primera capa tiene pesos provenientes

de la entrada. Cada capa posterior tiene un peso proveniente

de la capa anterior. Todas las capas excepto la última tienen

un peso recurrente. Todas las capas tienen predecesoras.

La última capa es la salida de la red y al igual que la red [6]

anterior también realiza un aprendizaje supervisado.

Fig. 3. Red neuronal tipo feedback.

Las consideraciones acerca del pronóstico de carga a corto

plazo está relacionado con factores que afectan la carga ya sea

para el sistema en general o como también para una barra,

también como parte de estos factores está la influencia de

carga pasada, factores temporales y efectos aleatorios. [7]

La carga del sistema como la de una barra es modelada

para el pronóstico de carga a corto plazo de acuerdo a ciertos

factores que se muestra a continuación:

C. Factores en el Pronóstico de la Demanda

Estos factores son los efectos que hacen que la demanda de

energía varíe en una determinada forma como por ejemplo:

1) Efectos Estacionales:

La carga varia con respecto a las estaciones del año se

observa de manera general que el valor de la demanda en las

épocas de invierno tiende a ser relativamente mayor a las de

verano. Otro punto a notar es el de la similitud que tiene el

consumo de carga en cada gráfico respectivo.

Fig. 4. Comportamiento de la carga en función de las estaciones.

2) Día de la Semana:

El día de la semana es muy importante puesto que según la

experiencia se observa que existen días parecidos tales como

el martes miércoles y jueves que tienen un comportamiento

similar así como también los lunes, viernes y sábado en el

caso de los domingos es un día bien peculiar puesto que en ese

día hay muchas empresas que no trabajan por lo que el

consumo de energía baja. Por ende un término clave para el

0 4 8 12 16 20 240

40

80

120

Horas (h)

Pote

ncia

(M

W)

DEMANDA DEL VERANO

0 4 8 12 16 20 240

40

80

120

Horas (h)

Pote

ncia

(M

W)

DEMANDA DEL OTOÑO

0 4 8 12 16 20 240

40

80

120

Horas (h)

Pote

ncia

(M

W)

DEMANDA DEL INVIERNO

0 4 8 12 16 20 240

40

80

120

Horas (h)

Pote

ncia

(M

W)

DEMANDA DEL PRIMAVERA

“XVIII International Congress of Electronic, Electrical and Systems Engineering”

Id: ABC-000 Página 5 de 9

modelado de la red es especificar el día de la semana a

predecir.

Fig. 5. Comportamiento de cada día en una semana.

3) Día Feriado:

Un día feriado origina una demanda particular puesto que

hay muchas empresas que dejan de trabajar lo que ocasiona

que el consumo disminuya a diferencia de un día normal, este

factor es de vital importancia a considerar en el modelo.

Fig. 6. Comparación de un día feriado y día normal.

4) Factores Climáticos

Las condiciones meteorológicas son responsables de

variaciones significativas en la carga principalmente cuando

una empresa proveedor de energía abarque una extensa área

geográfica o atienda grandes centros donde el consumo de

energía es también grande, a continuación algunos ejemplos

de las variables que pueden ser utilizadas:

Temperatura en el momento del pronóstico.

Temperatura máxima y mínima en el día del pronóstico.

Temperatura de algunas horas antes del pronóstico.

Medida de la temperatura de días anteriores.

Indicador de intensidad luminosa.

Indicador de nebulosidad.

Humedad relativa del día del pronóstico.

Indicador de la velocidad del viento.

Se observa que los factores climáticos tienen efectos

considerables en el pronóstico de cargas en el caso de sistemas

grandes pero para sistemas de barras están cubiertas de áreas

pequeñas por ende estas influencias no se consideran. [7]

5) Comportamiento Pasado de Carga

Este factor está relacionado con la carga eléctrica de días

pasados parecidos al día que se quiere predecir por ejemplo:

El día de la semana anterior, es decir si el día a predecir

es martes se tomaría el martes pasado pues estos días

tienen un comportamiento muy similar pues las

actividades no cambian mucho de una semana hacia otra.

El día anterior también se considera pues para el efecto

de pronóstico continuo, se utiliza el nivel de carga

eléctrica que se produce un día anterior.

D. Ordenamiento de Datos:

El proyecto se ejecuta con una base de datos de la carga de

consumo eléctrico de la barra Trujillo Norte, donde esta barra

representa el consumo de todo el sector norte del país.

Estos valores de carga son tomados cada media hora del

día, en total de 48 valores por día, desde el 1 de enero 2007

hasta el 31 de agosto del 2010. También para estos valores de

carga no se considera a los clientes libres, debido a que el

consumo de los éstos son valores conocidos ya que las

empresas brindan esta información.

En conclusión el pronóstico que se realiza en el proyecto es

solo de usuarios regulados que en su mayoría son las ciudades.

TABLA 2

ESQUEMA DE LA BASE DE DATOS.

Fecha 1 Fecha 2 …

Carga de la hora 00:30 am Carga de la hora 00:30 am …

Carga de la hora 01:00 am Carga de la hora 01:00 am …

: : …

Carga de la hora 11:30 pm Carga de la hora 11:30 pm …

Carga de la hora 12:00 pm Carga de la hora 12:00 pm …

Un primer esquema de ordenamiento se muestra en la

TABLA 2 donde se puede observar que una columna

representa una fecha seguido de los 48 valores de carga del día

respectivo, que corresponde a cada media hora del día.

A partir de este esquema de ordenamiento se genera los

valores de entrada a la Red Neuronal, a través de un Script o

programa dentro de MATLAB, en la siguiente sección se

detallara los valores de entrada de la Red Neuronal.

1) Datos de Entrada para la Red Neuronal:

Los datos de entrada de la red se observan en la Fig. 7.

Lunes Martes Miercoles Jueves Viernes Sabado Domingo0

40

80

120

Horas (h)

Pote

ncia

(M

W)

DEMANDA DE UNA SEMANA DEL 2007

0 5 10 15 2040

50

60

70

80

90

100

110

120

Horas (h)

Pote

ncia

(M

W)

Día Feriado 28-Jul-2008

Día Laboral 25-Jul-2008

“XVIII International Congress of Electronic, Electrical and Systems Engineering”

Id: ABC-000 Página 6 de 9

Fig. 7. Configuración de las capas de entrada y salida de la red.

a) Datos de carga:

Para los datos de carga se toman 48 valores de carga del día

anterior, además de 48 valores de carga de la semana pasada;

estos 96 valores se llevan a valores entre 0 y 1, con una

división entre el máximo de toda la base de datos inicial, esto

debido que los valores que ingresan a una Red por lo general

tienen que ser valores entre 0 y 1, para que puedan ser

operadas dentro de las funciones de transferencia en la Red

Neuronal.

b) Datos del día de la semana:

Para este dato de entrada sólo se considera un valor, siguiendo

el criterio de la TABLA 3. Estos datos de entrada también son

valores entre 0 y 1.

TABLA 3 VALOR DE ENTRADA DEL DÍA DE LA SEMANA

Dia Valor

Lunes 0.4

Martes 0.5

Miercoles 0.6

Jueves 0.7

Viernes 0.8

Sabado 0.9

Domingo 1.0

c) Dato de día feriado:

Se considera un valor de entrada dado por:

TABLA 4 VALOR DE ENTRA DE DÍA FERIADO

Si es Feriado SI NO

Valor 0 1

d) Dato de estación del año:

Se considera un valor de entrada dado por:

TABLA 5

VALOR DE ENTRADA DE ESTACIÓN DEL AÑO.

Estación Valor

Otoño 0.25

Invierno 0.50

Primavera 0.75

Verano 1.00

2) Datos de Salida de la Red Neuronal:

Los datos de salida son los 48 valores de carga del día

predicho, donde se obtienen valores entre 1 y 0, los cuales se

multiplicara por el valor máximo de la base de datos inicial

para obtener los valores en unidades de MW originales.

E. Entrenamiento de la Red

Una vez seleccionado el tipo de Red Neuronal y las

configuraciones de capas de entrada y salida se realiza el

respectivo entrenamiento, para tal se utiliza el TOOLBOX de

MATLAB en el cual está implementado el algoritmo de

entrenamiento, se usa parte de la base de datos de 2 años para

entrenar a la red, en donde la ésta ajusta sus parámetros para

luego poder predecir la demanda “futura” que son los datos

que no se tomaron para el entrenamiento. La duración de

entrenamiento, aproximadamente 18 horas en un computador

de procesador AMD Athlon de 3 GB de memoria RAM.

F. Simulación

Una vez entrenada la red, se compara los datos

pronosticados con los datos reales, hallando el error relativo,

se gráfica y tabula el histograma de errores, en la Fig. 8 se

observa la simulación de la demanda de un día.

La simulación es una manera de comprobar cuán bien

entrenada está la Red Neuronal y con ello evaluar el modelo

planteado. De esta manera se observó cuan mejor es la red tipo

Feedback con la red del tipo Feedforward en el pronóstico de

la demanda.

Un factor importante a considerar en la base de datos con la

cual la red fue entrenada, es que ésta contaba con muchos

datos erróneos ya sea por falta de datos, por fallas en el

sistema o por mantenimiento del mismo.

Gran parte de estos tipos de datos se intentó corregir

también, tomando en cuenta una curva polinomial que

suavizara la curva de carga a una forma típica, a partir de esta

corrección se tomó el entrenamiento de la red.

En la Fig. 9 y Fig. 10 se observa el comportamiento de

carga de 2 días del año 2010, año que no se utilizó para el

entrenamiento de la red.

Otra manera de estudiar el comportamiento de la eficiencia

del entrenamiento de la red neuronal es mediante el

histograma de errores, el cual se muestra en la Fig. 11, en ella

se observa que son pocos los datos que tienen errores

significativos, correspondientes a los días feriados y

domingos, los cuales seguramente necesitaban adicionar otros

tipos de datos de entrada. A continuación se muestran los

resultados finales del entrenamiento:

Datos simulados:

El % promedio de error es: 2.5187%

El máximo error horario es: 14.5194%

El mínimo error horario es: 0.000426%

La desviación estándar de error horario es: 2.039%

El día peor simulado es: 28-Jul-2007 con un error de

7.4482%

Datos Predichos:

El % promedio de error es: 2.9906%

El máximo error horario es: 53.7105%

El mínimo error horario es: 7.1342e-005%

La desviación estándar de error horario es: 3.2903%

El día peor predicho es: 01-Jan-2010 con un error de

30.6471%

“XVIII International Congress of Electronic, Electrical and Systems Engineering”

Id: ABC-000 Página 7 de 9

Fig. 8. Interfaz gráfica para el entrenamiento y simulación de la red.

Fig. 9. Predicción de Demanda del Día 14-06-2010

Fig. 10. Predicción de demanda del día 07-04-2010.

0 5 10 15 2040

60

80

100

120

140Carga diaria 14-Jun-2010 Mon

Horas (h)

Pote

ncia

(M

W)

real

polinomial

predecido

0 5 10 15 200

2

4

6

8error relativo %

Horas (h)

% e

rror

0 5 10 15 2060

70

80

90

100

110

120

130Carga diaria 07-Apr-2010 Wed

Horas (h)

Pote

ncia

(M

W)

real

polinomial

predecido

0 5 10 15 200

1

2

3

4error relativo %

Horas (h)

% e

rror

“XVIII International Congress of Electronic, Electrical and Systems Engineering”

Id: ABC-000 Página 8 de 9

Fig. 11. Histograma de errores de datos predichos.

IV. CONCLUSIONES

Los diversos horizontes del pronóstico de carga tienen un

papel fundamental en la planificación y operación de los

sistemas de potencia, cada uno de los cuales, de acuerdo al

tiempo que tenga para su predicción, tiene una función

específica en estas áreas.

Los resultados demuestran la eficacia de la aplicación de un

modelo basado en las Redes Neuronales Artificiales al

pronóstico de la demanda eléctrica. Tal como lo muestran las

gráficas comparativas los resultados obtenidos para un día

determinado, son muy similares a los esperados.

La precisión de la predicción, a pesar de la poca cantidad

de datos con los que se entrenó la red y de no haberse incluido

otras variables que influyen en el consumo energético como

son los factores meteorológicos y otros, es considerable,

llegando a encontrarse la media del error igual a 2.9906% y

una desviación estándar del mismo igual a 3.2903%.

Las redes neuronales artificiales se muestran como una

solución sencilla, eficaz y confiable para la predicción de

demanda de energía eléctrica a corto plazo. Existen diversos

modelos de redes neuronales artificiales, donde cada uno

representa características especiales para determinados

problemas, en este trabajo se utilizó las redes Feedforward y

Feedback, siendo esta última la más eficiente, presentando

excelentes resultados en cuanto a su aplicación en el modelo

de pronóstico.

Respecto a los resultados en el pronóstico, éste mostró

evidencias interesantes en la asimilación del comportamiento

de la carga, ya que en la mayoría de los días los errores fueron

significativamente pequeños con respecto a la curva real.

V. AGRADECIMIENTOS

Se agradece al Ing. Ever Fernández trabajador del Comité

de Operaciones Económicas del Sistema (COES), por

proporcionar los datos con los cuales se desarrolló este

proyecto.

VI. REFERENCIAS

[1] Francisco Eugenio de Andrade Leite, "Aplicação de Redes Neurais

Artificiais na Previsão de Curto Prazo da Carga Nodal de Sistemas de Energia Elétrica", Universidade Estadual de Campinas, Campinas, Brasil,

Tesis doctoral 1997.

[2] Alfonso Ballesteros, "Desarrollo del Diseño de Redes Neuronales",

Universidad de Malaga, Málaga, Tesis doctoral 2006.

[3] Metaxiotis K., Kagiannas A., Askounis D., y Psarras J., "Artificial intelligence in Short Term Electric Load Forecasting: a State of the Art

Survey for the Researcher", Energy Conversion and Management of

Athens, Greece, vol. 44, no. 9, pp. 1525-1534, June 2003.

[4] Lee K., Cha Y., y Ku C., "A Study on Neural Networks for Short Term

Load Forecasting", en Proceedings of the First International Forum on

Applications of Neural Networks to Power Systems, Seattle, WA, 1991, pp. 26-30.

[5] D.E. Rumelhart y J.L. MacClelland, "Parallel Distributed Processing",

Psychological and Biological Models, MIT, vol. 1, no. 1, pp. 318-36, January 1986.

[6] The MathWorks. (1984, Febrero) Neural Network Toolbox. MATLAB.

[7] Ph.D. Mohammad Shahidehpour, Ph.D. Hatim Yamin, Ph.D. Zuyi Li, "Market Operations in Electric Power Systems "Forecasting, Scheduling,

and Risk Management"", IEEE, New York, Libro 0-471-44337-9, 2002.

VII. BIOGRAFÍAS

Adderly Huerta Valdivia (S’09) nació en Lima,

Perú, el 24 de Junio de 1989. Estudiante de

pregrado de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y

Electrónica en el área de ingeniería Eléctrica de la

Universidad Nacional de Ingeniería. Realiza

trabajos de investigación en el IIFIEE, en el área de

Sistemas Eléctricos de Potencia. Pertenece al

Capítulo de Power & Energy Society, como

miembro de dicha sociedad, actualmente se inclina

a la realización de investigación en sistemas

eléctricos de potencia.

Juan Carlos Quispe Huarcaya (S’09) nació en

Huancavelica, Perú, el 11 de julio de 1990.

Estudiante de pregrado de la Facultad de Ingeniería

Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional

de Ingeniería. Forma parte de Instituto de

Investigación de la Facultad de Ingeniería Eléctrica

y Electrónica (IIFIEE) como investigador en el área

de Sistemas Eléctricos de Potencia. Actualmente

conforma la junta directiva del Capitulo Estudiantil,

Power & Energy Society de la Rama IEEE – UNI.

Edwin M. Ramos Curasi (S’09), nació en Huánuco,

Perú, el 4 de octubre de 1988. Estudiante de

pregrado de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y

Electrónica de la Universidad Nacional de

Ingeniería. Actualmente participa en el IIFIEE

como investigador en el área de Sistemas Eléctricos

de Potencia. Miembro del Capítulo Estudiantil

Power & Energy Society de la Rama IEEE-UNI.

Entre sus campos de interés se encuentran el

análisis de sistemas de potencia.

Yuri Molina Rodríguez nació en Ancash, Perú, el

27 de Diciembre de 1978. Bachiller en Ingeniería

Eléctrica por la Universidad Nacional de Ingeniería

(2002), Magister en sistemas de potencia por la

Universidad Federal de Maranhão-Brasil (2005),

Doctorado por la Pontificia Universidad Católica de

Ingeniería Eléctrica (2009). Realiza trabajos de

investigación en el IIFIEE, en el área de Sistemas

Eléctricos de Potencia.

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 600

500

1000

1500

2000

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5000Histograma de errores predichos

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