序列预测中的应用研究-AET-电子技术应用

序列预测中的应用研究

1.河北建筑工程学院信息工程学院; 2.河北建筑工程学院理学院

王首晨1,王利民2

摘要：随着可再生能源的快速发展，风电功率预测对于电网稳定运行和能源管理具有重要意义。风电功率预测是一个复杂的非线性问题，涉及多种气象因素和环境条件。提出了一种基于长短期记忆网络（LSTM）、自适应稀疏自注意力机制（ASSA）和Transformer的融合模型，用于发电功率的时间序列预测。该模型结合了LSTM在捕捉时间序列长期依赖性方面的优势、ASSA在处理局部特征交互稀疏性方面的高效性以及Transformer在捕捉全局依赖性方面的强大并行处理能力。通过实验验证，该模型在发电功率预测任务中表现出色，尤其是在极端波动或拐点处的预测精度上有所提高。与传统方法相比，该模型能够更准确地捕捉风电功率变化的复杂性和动态性，为风电场的运营管理提供了有力的决策支持。

关键词： 自适应稀疏自注意力机制 LSTM Transformer 时间序列功率预测

中图分类号：TP391 文献标识码：ADOI:10.19358/j.issn.2097-1788.2025.03.005
引用格式：王首晨,王利民. LSTM与Transformer融合模型在时间序列预测中的应用研究［J］.网络安全与数据治理，2025，44（3）：27-31,38.

Research on the application of LSTM and Transformer fusion model in time series prediction

Wang Shouchen1, Wang Limin2

1. School of Information Engineering,Hebei University of Architecture; 2. Faculty of Science,Hebei University of Architecture

Abstract：With the rapid development of renewable energy, wind power prediction is of great significance for the stable operation of the power grid and energy management. Wind power prediction is a complex nonlinear problem that involves multiple meteorological factors and environmental conditions. This article proposes a fusion model based on Long Short-Term Memory Network (LSTM), Adaptive Sparse Self-Attention Mechanism (ASSA), and Transformer for time series prediction of power generation. This model combines the advantages of LSTM in capturing long-term dependencies of time series, the efficiency of ASSA in handling local feature interaction sparsity, and the powerful parallel processing capability of Transformer in capturing global dependencies. Through experimental verification, the model performs well in power generation prediction tasks, especially in improving prediction accuracy at extreme fluctuations or inflection points. Compared with traditional methods, this model can more accurately capture the complexity and dynamics of wind power changes, providing strong decision support for the operation and management of wind farms.

Key words :Adaptive Sparse Self-Attention Mechanism (ASSA);LSTM；Transformer；time series;power prediction

引言

随着全球对可再生能源需求的不断增长，风电作为一种清洁能源，其发电量预测的准确性对于电网的稳定运行和能源管理具有重要意义。风电场发电功率的时间序列预测是一个复杂的非线性问题，它涉及多种气象因素和环境条件。如果能对风电场的发电功率进行准确预测，电力调度部门就可通过预先安排调度计划，从而有效降低风电波动的不利影响。因此，提高风电功率预测精度具有重要意义［1］。目前，风电功率预测方法主要分为物理方法、统计方法和机器学习方法。物理方法基于数值天气预报，通过预测未来风速和风向，结合风电机组的“风速-功率”曲线得到风功率预测值。然而，风速和风向预测的误差会传递到功率预测中，导致精度受限。统计方法则依赖于历史数据，通过建立统计学习模型进行预测，但难以捕捉复杂的非线性关系。

预测风电场主要通过分析风的历史时间序列，并对其进行统计为预测风力发电功率提供指导，同时采用时变解释模型变量预判和评价风力发电功率。传统的预测方法，如物理模型和统计模型，虽然在一定程度上能够提供预测结果，但往往难以捕捉风电功率变化的复杂性和动态性［2］。近年来，机器学习方法因其强大的非线性映射能力得到了广泛应用。其中，深度学习模型，如卷积神经网络（CNN）、长短期记忆网络（LSTM）和门控循环单元（GRU）等，因其在处理时间序列数据方面的优势，成为风电功率预测的主流方法［3-4］。研究者们不断探索新的方法以提高风电功率预测的精度。例如，Liu［5］等提出了一种结合LSTM和LightGBM的混合模型，用于澳大利亚陆上风电功率的短期预测。Sun［6］等提出了一种基于时空相关性和Transformer神经网络的短期多步风电功率预测方法，展示了Transformer在处理长序列数据中的潜力。此外，还有一些研究通过改进参数优化算法来提高模型的预测性能。然而，这些方法在处理非常长的序列时仍面临挑战。LSTM作为一种循环神经网络（RNN）的变种，因能够有效地捕捉时间序列数据中的长期依赖关系而被广泛用于风电功率预测［7］。然而，LSTM在处理非常长的序列时可能会遇到梯度消失或爆炸的问题。为了解决这一问题，研究者们开始探索结合LSTM和Transformer模型的方法。Transformer模型通过自注意力机制能够处理序列数据中的长距离依赖问题，且不受序列长度的限制［8］。

为了克服LSTM和Transformer各自的局限性并发挥各自的优势，本文在两者结合的基础上引入自适应稀疏自注意力机制（ASSA）［9］，通过减少注意力计算中的冗余，使得模型能够更加专注于序列中的关键信息。结合LSTM、ASSA和Transformer的模型展现出了优异的性能。通过LSTM捕捉长期依赖性，ASSA和Transformer处理复杂的时空关系，该模型能够提供更准确的风电功率预测。

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作者信息：

王首晨1,王利民2

（1.河北建筑工程学院信息工程学院，河北张家口075000;

2.河北建筑工程学院理学院，河北张家口075000）

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