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PREDIÇÃO DE SÉRIES TEMPORAIS DO RESERVATÓRIO DA USINA HIDRELÉTRICA DE SOBRADINHO ATRAVÉS DE REDES NEURAIS RECORRENTES NARX
Sérgio Paulo Melo de SouzaJosé Maria Pires de Menezes Júnior
UFPI
Introduction
Brazil's electricity generation system is a large hydro-thermo-eolic system;
The National Interconnected System (SIN) consists of the interconnection of the
electrical systems;
The Brazilian Electricity Sector (SEB) consists of three fundamental pillars: expansion
planning, operation planning and scheduling, and the accounting and settlement
process of energy transactions in the short-term market (Souza et al, 2014);
Currently, the National Electric System Operator (ONS) uses the NEWAVE model to
carry out the medium and long-term planning of the electric system (Souza et al, 2014);
The development of methodologies to assist both prediction of reservoir level and
prediction of a plant's affluent flows is very important, given the importance of
determining the volume of water available for electricity generation.
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Introduction
Forecasting future information is a very complex but necessary task in many sectors of
the economy;
The prediction of time series consists of defining the next point in a series of data, from
a historical memory of data previously occurred in a given context, through non-linear
models;
In this context, Machine Learning, through the Artificial Neural Networks (RNA),
becomes a great ally in the studies referring to reservoir data;
RNAs are tools that compute data in a manner similar to that performed by networks of
biological neurons (Haykin, 2009).
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Introduction
These systems offer an alternative in solving complex problems because they are able
to learn from examples, deal with incomplete data, deal with non-linear problems, and
these, once trained, can carry out predictions and generalizations almost
instantaneously;
A new paradigm of neural network design has been proposed under the name of
Automatic Machine Learning (AutoML), where the idea is to solve problems without
human intervention (Thornton et al, 2012);
AutoML has been applied in this work to find the hyperparameters automatically;
In this sense, this work aims to implement and compare the performance of the neural
networks FTDNN (Focused Time Delay Neural Network) and NARX (Nonlinear
AutoRegressive model with eXogenous inputs) in the prediction of the time series of
useful volumes and natural flows related to the Hydroelectric Power Plant Sobradinho.
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Dynamic Neural Networks
Dynamic artificial neural networks are extensions of
the MLP network (Multi Layer Perceptron) capable
of modeling the dynamics of a process, from a time
series (Souza et al, 2014);
An MLP network can be transformed into a dynamic
network by the inclusion of time delays or feedback
loops (Souza et al, 2014);
We call the FTDNN (Focused Time Delay Neural
Network) the dynamic neural network built with the
inclusion of input delay (Takens, 1981):
𝑥 𝑛 is the sample of the time series in time 𝑛,
𝑑𝑒 is called the embedding dimension and 𝜏 is
called the embedding delay,
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Recurrent Neural Networks (NARX)
It is possible to represent a non-linear discrete time system
through several models, among them we have the NARX
(Nonlinear AutoRegressive model with eXogenous inputs)
models;
This model uses a feedback loop to model the process
dynamics and is mathematically represented by:
𝑦 𝑛 + 1 = 𝑓 𝑦 𝑛 ,… , 𝑦 𝑛 − 𝑑𝑦 + 1 ; 𝑢 𝑛 ,… , 𝑢 𝑛 − 𝑑𝑢 + 1
where y(n) ∈ ℝ and 𝑢 𝑛 ∈ ℝ represent, respectively, the input
and output of the model at time n, whereas 𝑑𝑦 ≥ 1 and 𝑑𝑢 ≥ 1,
where 𝑑𝑢 ≤ 𝑑𝑦, are called the immersion dimension and context
dimension, respectively (Chen, 2013).UFPI
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Multi-step ahead Prediction (MPA)
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When we are interested in a long-term prediction, we use a
multi-step ahead prediction (MPA):
Recursive prediction
More complex
Prediction tends to infinity becomes a dynamic
modeling task
Feedback of prediction errors
Metodology
The algorithms of the FTDNN and NARX models were implemented using MATLAB
2015a software;
Two (2) time series were used for the Sobradinho HPP reservoir, located in the
municipality of Sobradinho and Casa Nova in the state of Bahia:
Useful volume: 225 monthly records from 1999-2017;
Natural flow: 1020 monthly records 1931-2015.
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Metodology
Each data set was divided into one set for training (85%) and one for validation (15%);
Due to the complexity of the time series prediction problem, it is not possible to
construct a global prediction algorithm;
We used a heuristic search to find the hyperparameters (Menezes, 2012);
To perform the search, we define the search interval for each of the hyperparameters.
To evaluate the best neural model, we used the Normalized Mean-Squared Error
(NMSE) index:
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Metodology
The Cao method was used to estimate the best values for the immersion dimension for
each series.
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Metodology
Nonlinear autocorrelation was used to estimate the best values for the immersion delay
for each series.
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Volume útil Vazões naturais
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Search algorithm and ranges
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Parâmetros Intervalo de busca
Taxa aprendizagem 0,1 - 0,3
Número de épocas 50 - 300
Dimensão imersão 2 - 12
Atraso de imersão 1 - 6
Dimensão de contexto 2 - 12Neuônios na 1ª camada 4 - 12Neuônios na 2ª camada 2 - 12
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Results
The maximum of 10 search cycles was chosen due to the low variance in results and
the very high computational cost;
The table below shows the hyperparameters found for each of the series.
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FTDNN NARX
Parâm./Séries Volúme útil Vazões naturais Volúme útil Vazões naturaisTaxa aprendizagem 0,15 0,275 0,001 0,15Número máximo de épocas 50 300 25 300Dimensão imersão 6 12 2 6Atraso de imersão 6 6 3 3Dimensão de contexto - - 2 4Neurônios na 1ª camada 10 8 20 11Neurônios na 2ª camada 12 12 2 3NMSE 19,5 17,07 0,0004 0,1024
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Results
Result of the prediction for the useful volume series using the NARX network
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Results
Result of the prediction for the natural flow series using the NARX network
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Conclusions
This work compared the performance of two types of neural networks, FTDNN and NARX,
in the prediction task of the influent flow and reservoir level of a hydroelectric plant. The
results demonstrated the superiority of the performance of the NARX recurrent neural
network in the application in question in relation to the dynamic network FTDNN. In
addition, it can be concluded that the performance of the NARX neural networks in the
prediction of the series chosen were satisfactory if we consider a short prediction horizon,
around 24 months. Thus, this model can be used to provide predictions that will serve as a
subsidy in the determination of the hydroelectric dispatch of the Sobradinho plant.
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Future Works
The next related works are:
Implement ELM network model and obtain results;
Implement NARX-ELM network model and obtain results; Compare results obtained with the various models implemented.
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BIBLIOGRAPHY
AGUIRRE, L. A. (2015). Introdução à identificação de sistemas: técnicas lineares e não
lineares: teoria e aplicação, 4 ed, Editora UFMG.
BAFFA, A., GOLDSCHMIDT, R., SOARES, J. and FERLIN, C. (2008). Previsão de
séries temporais utilizando redes neurais artificiais.
CHEN, S., BILLINGS, S. A. and GRANT, P. M. (2013). Nonlinear system identification
using neural networks, International Journal of Control 11(6): 1191-1214.
DE MELLO, F. M. (2013). A importância dos reservatórios formados por barragens.
Haykin, S. (2009). Neural Networks and Learning Machines, Prentice Hall.
UFPI
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BIBLIOGRAPHY
LOURENÇO, J. F. I. (2015). Previsão de Producão de Energia Elétrica através de
Fontes de Energia Renováveis, PhD thesis, Universidade Nova de Lisboa.
MENEZES, J. M. P. (2012). Contribuições ao Problema de Predição Recursiva de
Séries Temporais Univariadas Usando Redes Neurais Recorrentes, PhD thesis,
Universidade Federal do Ceará.
MENEZES, J. M. P. and BARRETO, G. A. (2008). Long-term time series prediction with
the narx network: An empirical evaluation, Neurocomputing 71(16): 3335-3343.
ONS (2018a). Energia agora reservatórios,
http://ons.org.br/pt/paginas/energiaagora/reservatorios. [Web; acessado em 14-04-
2018].
ONS (2018b). Histórico da operação, http://www.ons.org.br/pt/paginas/resultadosda-
operacao/historico-da-operacao. [Web; acessado em 14-04-2018].
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BIBLIOGRAPHY
ONS (2018c). O sistema interligado nacional, http://ons.org.br/pt/paginas/sobre-osin/o-
que-e-o-sin. [Web; acessado em 14-04-2018].
ROSSI, D. J. (2013). Previsão da Velocidade dos Ventos por Redes Neurais Artificiais
e ARIMA de Box & Jenkins, PhD thesis, Universidade Estadual Paulista.
Souza, R. C., Marcato, A. L. M., Dias, B. H., Oliveira, F. L. C., Ferreira, P. G. C., da
Silva BRANDI, R. B. AND RAMOS, T. P. (2014a). Planejamento da operação de
sistemas hidrotérmicos no Brasil: geração de cenários e otimização, PUC-Rio.
TAKENS, F. (1981). Detecting strange attractors in turbulence, in D. A. Rand and L.-S.
Young (eds), Dynamical Systems and Turbulence, Vol. 898 of Lecture Notes in
Mathematics, Springer, pp. 366-381.
THORNTON, C., HUTTER, F., HOOS, H. and LEYTON- BROWN, K. (2012). Auto-
weka: Combined selection and hyperparameter optimization of classification
algorithms.
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