IEA International Energy Agency
LTF Long-Term Load Forecasting
MTLF Medium-Term Load Forecasting
STLF Short-Term Load Forecasting
CRISP-DM Cross Industry Standard Process for Data Mining
CI Computational Intelligence
C&R Classification & Regression
CHAID Chi-squared Automatic Interaction Detection
SOM Self-Organizing Map
MSE Mean-Square Error
RMSE Root-Mean-Square Error
MAE Mean Absolute Error
MAPE Mean Absolute Percentage Error
فصل اول: مقدمه و طرح مسئله
1-1- مقدمه
انرژی به طور عام و انرژی الکتریکی به صورت خاص، از ارکان مهم رشد و توسعه اقتصادی جوامع می­باشد. صنعت برق در اقتصاد ملی و تامین رفاه اقتصادی و اجتماعی کشورها ارزش زیادی دارد و جزء صنایع مهم زیربنایی است. اصولا انرژی الکتریکی تمیزترین و بهترین نوع انرژی است که به آسانی می­توان آن را به هر نقطه­ای انتقال داد.
تصویر درباره جامعه شناسی و علوم اجتماعی
تأمین انرژی الکتریکی همواره یکی از نیازهای جوامع پیشرفته کنونی بوده است. با توجه به پیشرفت­های صورت گرفته در حال­حاضر تقریبا اکثر فعالیت­های روزمره­ی تجاری، پزشکی، صنعتی و … با بهره گرفتن از این انرژی صورت می­گیرد. با در نظر گرفتن رشد سریع جوامع، نیاز به تأمین انرژی برق هر چه بیشتر احساس می­گردد.
یکی از مسائلی که در این رابطه حتماً باید مد­نظر قرار گیرد، زمان­بر و هزینه­بر بودن ساخت تأسیسات بزرگ تولید و انتقال انرژی الکتریکی می­باشد. همین امر لزوم پیش ­بینی میزان انرژی الکتریکی مورد نیاز در دوره­ های بعدی را هر چه بیشتر مشخص می­ کند. بنابراین برای داشتن یک شبکه­ قابل اطمینان باید یک دید کلی از مصرف انرژی در دوره­ های مصرف بعدی داشت و با توجه به آن برنامه ­ریزی ساخت و نصب تجهیزات گوناگون شبکه­ های تولید، انتقال و توزیع را انجام داد. در این راستا مسأله­ برآورد انرژی الکتریکی از اهمیت بالایی برخوردار می­باشد که دقیق­تر بودن آن به معنی استفاده بهتر از امکانات و جلوگیری از به هدر رفتن سرمایه می­باشد .
در ایران نیز با توجه به نیازهای روزافزون كشور به انرژی و رشد سریع مصرف انرژی، بخصوص انرژی الكتریكی، نیاز به مدیریت و برنامه ­ریزی مناسب در جهت تامین این انرژی برای مشتركین از اهمیت بالایی برخوردار خواهد بود.
از سوی دیگر با توجه به تاثیر عوامل متعدد و پیچیده بر میزان مصرف انرژی الکتریکی، شناخت این عوامل و بررسی میزان تاثیر هر گروه از عوامل می ­تواند در تدوین الگوها­ی مصرف مطلوب کارا باشد. استفاده از روش­های آماری سنتی با توجه به حجم عظیم اطلاعات کارکرد مشترکین و تعدد عوامل موثر بر مصرف در زمینه برآورد انرژی الکتریکی مورد نیاز بسیار دشوار می­باشد، بنابراین ابزار­ها­ی نوین فن­آوری اطلاعات همچون پایگاه­ داده و داده ­کاوی می ­تواند با پیش ­بینی دقیق میزان مصرف برق و استخراج الگوها و دانش پنهان در اطلاعات مصرفی مشترکین راهکار مناسبی در زمینه­ مدیریت مصرف انرژی الکتریکی باشد.
1-2- بیان مسئله تحقیق

امروزه اهمیت انرژی بر هیچ کسی پوشیده نیست. انرژی در حیات جوامع، نقش زیربنائی را ایفا می­ کند و به عنوان عامل اصلی هرگونه فعالیتی به شمار می‌رود. یكی از ویژگی­های دنیای امروز ، استفاده گسترده از انرژی الكتریكی است. انرژی الکتریکی ما را قادر به استفاده از لوازم الکتریکی از جمله لوازم خانگی، رایانه­ها، تجهیزات مخابراتی، پزشکی و حمل­و­نقل، و همه­ی آنچه که کیفیت زندگی را افزایش می­دهد، می­سازد؛ مسلما بسیاری از این لوازم، در زندگی روزمره­ ضروری و حیاتی می­باشند ]6[.
سهولت تبدیل انرژی الکتریکی به سایر انواع انرژی و امکان انتقال سریع آن به نقاط مختلف بر اهمیت استفاده از آن در دنیای مدرن امروزی افزوده وآن را به مهمترین منبع تامین انرژی تبدیل کرده است. این امر موجب گستردگی و مقبولیت استفاده از برق در مصارفی همچون خانگی، تجاری، صنعتی، کشاورزی و سایر مصارف گردیده است. بنابراین سهم و میزان مصرف برق هر یک از بخش­های مصرف ­کننده از اهمیت ویژه­ای برخوردار است ]1[. در سراسر جهان، مشترکین خانگی درصد قابل توجهی از مصرف برق را به خود اختصاص می­ دهند ]7[. در سال 1390، بخش خانگی 9/30% از کل انرژی برق کشور را مصرف نموده و بعد از بخش صنعت در رتبه دوم مصرف انرژی الکتریکی قرار گرفته است ]5[
علیرغم مزایای فراوان، توانایی ذخیره­سازی انرژی الکتریکی وجود ندارد، لذا شناسایی الگوی مستمر عرضه و تقاضا و پیش ­بینی میزان برق مصرفی مشترکین برای تامین انرژی الکتریکی با قابلیت اطمینان بالا، امری ضروری است ]8[. مصرف انرژی الکتریکی تحت تاثیر عوامل متعددی قرار دارد که از آن جمله می­توان به شرایط آب­و­هوایی، متغیرهای اقتصادی-اجتماعی، جمعیت، قیمت برق، دوره­ های تعطیلات و … اشاره کرد.
عکس مرتبط با اقتصاد
بنابراین شناخت الگوهای رفتاری مصرف برق مشترکین برای اتخاذ سیاست­های مناسب به منظور مدیریت پایدار در شبکه برق امری مهم و ضروری است. با توجه به میزان مصرف بالای انرژی الکتریکی در بخش خانگی، پیش ­بینی صحیح تقاضای انرژی الکتریکی مشترکین خانگی یکی از جنبه­ های مهم در مدیریت شبکه برق می­باشد ]9[. استخراج الگوها و دانش پنهان در اطلاعات مصرفی مشترکین برق و پیش ­بینی میزان مصرف با توجه به عوامل تاثیرگذار، می ­تواند برای هر یک از شرکت­های تولید، انتقال و مدیریت توزیع برق کارا باشد. تجزیه و تحلیل داده ­های انبوه از مصرف برق مشترکین با بهره گرفتن از روش­های آماری سنتی، برای این منظور کار

جهت دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت abisho.ir مراجعه نمایید.
آمد نبوده و به نظر می­رسد استفاده از تکنیک­های داده ­کاوی می ­تواند ابزاری راهگشا در جهت پیش ­بینی و شناخت الگوهای پنهان رفتاری مصرف برق مشترکین باشد]10[.
1-3- ضرورت و اهداف تحقیق
با توسعه سریع اقتصادی و بهبود استاندارد زندگی مردم، تقاضای برق به سرعت در حال رشد است، که این امر نیاز شدید به طرح­های مدیریت منابع برق را ایجاد می­ کند ]11[. در بازار رقابتی برق، هر یک از شرکت­های توزیع خواهان شناسایی دقیق رفتار مصرف برق مشترکین خود به منظور ارائه خدمات رضایت­بخش با حداقل هزینه و داشتن یک سود عادلانه است]12[.
مشترکین برق با الگوهای رفتاری خاص به شبکه برق متصل می­شوند. استفاده همزمان مشترکین از وسایل سرمایشی و گرمایشی در فصول مختلف سال و نیز همزمانی انواع مصارف خانگی، روشنایی، عمومی، تجاری، کشاورزی و صنعتی رفتارهای تناوبی مصرف برق را شکل می­دهند. از طرفی نیز میزان مصرف مشترکین از عوامل مختلف تاثیر می­پذیرند که از جمله عوامل موثر در کوتاه­مدت می­توان به شرایط محیطی نظیر دما، رطوبت، پوشش ابر، سرعت باد و …، و معیارهای زمانی مانند ساعت، روز، هفته، ماه رمضان، تعطیلات جشن و عزا و لحظه­ی تحویل سال اشاره کرد. اما در بلندمدت عوامل اقتصادی و جمعیتی نیز تاثیر قابل ملاحظه­ای بر روند مصرف دارند ]1[. بنابراین، تجزیه­و­تحلیل الگوی مصرف برق مشترکین و برآورد میزان انرژی مصرفی با در نظر گرفتن معیارهای محیطی و زمانی، می­بایست از اولویت­های اساسی شرکت­های برق در نظر گرفته ­شود.
در کشورهای توسعه­یافته و در حال توسعه، مدل­سازی و پیش ­بینی مصرف برق نقش حیاتی برای سیاست­گذاران و سازمان­های مربوطه دارد. برآورد کمتر از مصرف منجر به قطعی­های بالقوه خواهد شد که این خود نیز باعث ایجاد خلل در زندگی و اقتصاد می­گردد. از طرفی دیگر برآورد بیش از نیاز منجر به ایجاد ظرفیت­های غیرضروری خواهد شد که این به معنی منابع مالی هدر رفته است. بنابراین، به منظور جلوگیری از اشتباهات پرهزینه، بهتر است که مصرف انرژی برق را با دقت خوب مدل کرد. تنوع و پیچیدگی در الگوی مصرف برق که ناشی از عوامل متعدد تاثیرگذار بر آن می­باشد، منجر به گسترش مدل­های پیچیده شده است. لذا، بهتر است از مدل­هایی استفاده شود که بتواند با ویژگی غیرخطی میان متغیرها به عنوان ماهیت مورد انتظار از داده ­های مصرف انرژی کار کند ]13[. با توجه به تغییرات مختلف فصلی و ماهانه در مصرف برق و مشکلات در مدل­سازی آن با روش­های مرسوم، استفاده از روش­های داده ­کاوی مناسب­تر به نظر می­رسد ]14[.
دلایل قابل توجه دیگری وجود دارد که ضرورت پژوهش در زمینه پیش ­بینی مصرف برق را نشان می­دهد. یکی از این دلایل انتشار گازهای گلخانه­ای ( دی­اکسید­کربن[1] ) است ]15[. بیش از 96% از برق تولید شده در ایران با بهره گرفتن از سوخت­های فسیلی است که این امر منجر به انتشار حدود 118 میلیون تن گاز CO2 در سال 2009 شده است ]16[. بنابراین به عنوان یکی از راهکارهای کاهش آلودگی هوا، بررسی و شناخت الگوی مصرف مشترکین برق و اتخاذ سیاست­های متناسب با این الگوها می ­تواند موثر و کارا باشد.
از سوی دیگر، تبادل انرژی الکتریکی میان کشورها، ضمن افزایش بهره­وری موجب دسترسی به بازارها و مراکز جدید مصرف شده، افزایش پایداری و ضریب اطمینان شبکه سراسری را تضمین می­ کند، و همچنین منجر به استفاده از امکانات کشورهای متعامل در جهت تامین ظرفیت برق و در نتیجه صرفه­جویی در سرمایه ­گذاری و کاهش اعتبارات مورد نیاز برای ایجاد این ظرفیت می­گردد. استفاده از مدل­های پیش ­بینی کننده­ دقیق یک ابزار کلیدی در افزایش تبادل برق می­باشد، به­ طوری که با بررسی جامع الگوی مصرف مشترکین برق، مبادلات انرژی الکتریکی بسیار مفید و پرسود گردد.
هدف از این تحقیق، پیش ­بینی میزان مصرف مشترکین برق از طریق بررسی عوامل موثر بر آن و در صورت امکان ارائه الگوی مصرف این مشترکین می­باشد. با انجام این پژوهش می­توان به اهداف زیر دست یافت:

شناسایی عوامل تاثیرگذار بر مصرف برق مشترکین و میزان تاثیر آن­ها.
پیش ­بینی میزان کارکرد مشترکین با بهره گرفتن از الگوریتم­های پیش ­بینی (رده­بندی) در دوره­ های آتی.
استفاده از این پیش ­بینی به منظور کاهش دفعات قرائت کنتور.
خوشه­بندی مشترکین بر اساس رفتار مصرفی برق آن­ها و تحلیل رفتار هر خوشه.
شناسایی میزان تاثیر هر خوشه رفتاری مشترکین بر میزان مصرف کلی.
مطالعات امکان­سنجی صرفه­جویی انرژی در خوشه ­های مختلف و اتخاذ سیاست­های متناسب با هر خوشه از جمله ایجاد آیین­نامه مشترکین و تعرفه­ها و تبلیغات فراخور.
ایجاد طرح مدیریت پایدار عرضه برق در شبکه.
افزایش نرخ بازگشت سرمایه با کاهش هزینه­ های ناشی از برآوردهای با دقت پایین از مصرف انرژی.
1-4- جنبه جدید بودن و نوآوری تحقیق
پیش ­بینی تقاضای برق به عنوان یکی از مهم­ترین چالش­ها در مدیریت زنجیره عرضه و تقاضای برق شناخته شده است. الگوی مصرف برق تحت تاثیر برخی از عوامل اجتماعی، اقتصادی و زیست محیطی قرار دارد و در نتیجه این الگو تغییرات پیچیده فصلی، ماهیانه، روزانه و ساعتی را تشکیل می­دهد ]8[.
تحقیق در زمینه پیش ­بینی میزان مصرف انرژی الکتریکی، در سال­های اخیر، توجه گسترده­ای را به خود جلب کرده است. چندین روش و تکنیک عمده ارائه و توسعه داده ش
ده است، از جمله مدل­های سری زمانی، مدل­های رگرسیون، تابع انتقال باکس جنکینز[2] ، مدل­های سیستم خبره، مدل­های شبکه عصبی و منطق فازی ]8[. بیشتر پژوهش­های انجام گرفته، به پیش ­بینی میزان برق مصرفی کلی (کشور) در دروه­های آتی بر اساس داده ­های مصرفی گذشته و با در نظرگرفتن عوامل اقتصادی و جمعیتی پرداخته­اند. و به­صورت محدودتر مدل­هایی با در نظر گرفتن عوامل آب­و­هوایی و زیست محیطی و متغیرهای زمانی ارائه شده است. از جمله، چینگ لای[3] به بررسی تاثیر متغیرهای آب­و­هوایی بر میزان تقاضای ماهیانه برق در انگلستان و ولز کرد. یک مدل رگرسیون چندگانه برای پیش ­بینی تقاضای ماهیانه برق بر اساس متغیرهای آب­و­هوایی، تولید ناخالص داخلی[4]، و رشد جمعیت توسعه داده شد ]8[.
نکته قابل توجه این است که تمامی کارهای انجام یافته از منظر مصرف کلی برق ( کشور) در دوره­ های زمانی مختلف اعم از سال، ماه و ساعت بدون در نظر گرفتن الگوهای رفتار مشترکین پرداخته­اند. برخلاف سایر مطالعات این پژوهش رفتار مصرفی مشترکین خانگی را تحت تاثیر عوامل آب­و­هوایی و متغیرهای زمانی، با بهره گرفتن از ابزارها و تکنیک­های نوین اطلاعاتی همچون داده ­کاوی، مورد تحلیل قرار داده و با کشف الگوهای پنهان به پیش ­بینی میزان مصرف برق مشترکین در دوره­ های آتی می ­پردازد. مسلم است که با بهره گرفتن از الگو­های استخراجی مصرف برق مشترکین، به منظور بهینه­سازی و حفظ تعادل عرضه و مصرف انرژی برق اقدامات لازم و جامع را هدفمندتر انجام داد.
1-5- ساختار پایان نامه
در این تحقیق، در نخستین قدم، به شرح مقدمه­ای کوتاه از پیش ­بینی مصرف برق و شناخت الگوی مصرف مشترکین، اهمیت و ضرورت پرداختن به آن، و اهداف مورد نظر پرداخته شده است.
در فصل دوم، مفاهیم پیش­زمینه و نظری مربوط به صنعت برق مورد بررسی قرار می­گیرد. پس از مطالعه منابع موضوع و روشن شدن نیاز موجود به تحلیل الگوی مصرف و پیش ­بینی بار، اقدام به بررسی و شناسایی عوامل موثر در میزان مصرف برق مشترکین، می­نماییم و بدین ترتیب بخش اول از فصل دوم تکمیل می­گردد، پس از آن به دلیل استفاده از ابزار داده ­کاوی برای پیش ­بینی مصرف، در بخش دوم این فصل به معرفی تکنیک داده ­کاوی و اهداف آن می­پردازیم.
در فصل سوم، مروری بر ادبیات گذشته و بررسی مطالعات و پژوهش­های صورت گرفته در خصوص پیش ­بینی مصرف انرژی برق خواهیم داشت.
در فصل چهارم، فرایند داده ­کاوی بر روی داده ­های موجود که شامل داده ­های مصرفی مشترکین شرکت توزیع نیروی برق آذربایجان­غربی طی 15 دوره از سال 1389 تا سال 1392 و نیز اطلاعات هواشناسی ارومیه طی این مدت زمان به عنوان عامل موثر بر مصرف برق بوده، با هدف پیش ­بینی میزان مصرف و استخراج الگوها­ی رفتاری مصرف برق مشترکین با در نظر گرفتن عوامل موثر اجرا شده و نحوه اجرای هر مرحله به صورت گام به گام شرح داده شده است.
در فصل پنجم، نتایج حاصل از بکارگیری روش­های شرح داده شده در فصل چهارم، در قالب جداول و نمودارها ارائه شده و این نتایج ارزیابی و تحلیل شده ­اند.
در فصل ششم، نتایجی که در طول پژوهش به دست آمده­اند، در بخش نتیجه ­گیری فهرست شده ­اند و پیشنهاداتی برای پژوهش­های آینده ارائه شده است.
فصل دوم: مبانی نظری تحقیق
2-1- مقدمه
در سالیان اخیر، با توجه به اینکه انرژی الکتریکی در تمام سطوح زندگی بشر نقش اساسی ایفا می­ کند، دارای اهمیت استراتژیک بالایی بوده است. به­ طوری که قطع چند لحظه برق می ­تواند زندگی شهروندان را مختل نماید. از آنجایی که انرژی الکتریکی قابلیت ذخیره­سازی ندارد و نیز رشد سریع مصرف برق، یک مدیریت بهینه مصرف برای این نوع انرژی نیاز است. شرکت­های توزیع برق به عنوان حلقه متصل به مشترکین در زنجیره عرضه برق می­بایست میزان تقاضای برق مشترکین خود را با پیش ­بینی دقیق برآورد کرده و جهت تامین انرژی مورد نیاز اقدام نماید. لذا تجزیه­و­تحلیل داده ­های مصرفی مشترکین برای شناخت الگوهای رفتار مصرفی آن­ها ضروری می­باشد. مسئله شناخت الگوی مصرف و پیش ­بینی میزان برق مورد نیاز مشترکین تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد که این عوامل منجر به ماهیت پیچیده و غیرخطی الگوهای مصرف می­شوند. از سوی دیگر، داده ­کاوی که فرایند یافتن الگوها و دانش ضمنی نهفته در پایگاه­داده ­های عظیم است، می ­تواند کمک شایانی در راستای دستیابی به اهداف مدیریت بهینه مصرف نماید.
2-2- انرژی الکتریکی و اهمیت آن
امروزه انرژی به عنوان یکی از اصلی­ترین عوامل برای شکل­ گیری و پیشرفت جوامع صنعتی شناخته شده است و مدیریت و میزان دسترسی کشورها به منابع گوناگون انرژی نشانگر پتانسیل­های پیشرفت و قدرت سیاسی و اقتصادی آنان می­باشد. برق یکی از انواع انرژی است که با توجه به سهولت تبدیل، سهولت استفاده، کم خطر بودن و همچنین ملاحظات زیست­محیطی بیشتر از سایر انواع آن مورد توجه می­باشد.