2.2 입력 변수 선정
인공 신경망을 이용한 전력수요 예측 시 전력수요와 관련 없는 변수를 입력으로 사용하여 학습을 진행하면 소요되는 시간만 길어질 뿐 정확한 모델 구현이
불가능하다. 이 같은 모델로 예측을 진행할 경우 오차가 매우 크게 발생하기 때문에 하절기 전력수요와 관련이 있는 입력 변수를 선정하는 것이 매우 중요하다.
2.2.1 기상요소
단기 전력수요는 기상요소에 영향을 받으며, 예측을 위해 사용할 수 있는 기상요소는 기온, 불쾌지수, 체감온도, 조도, 습도, 이슬점온도 등 다양하다[12]. 이 중 전력수요와 상관성이 높은 요소를 선정하기 위해 식(1)의 피어슨 상관계수를 이용하여 상관분석을 하였다. 두 변수의 관계 강도는 표 2와 같고[13], 전력수요와 각 기상요소의 상관 분석 결과를 표 3에 제시하였다.
여기서, $x$는 전력수요, $\overline{x}$는 전력수요의 평균, $y$는 각 기상 요소, $\overline{y}$는 각 기상 요소의 평균을
나타내며, 각 기상 요소는 최고값을 나타낸다. 즉, 기온은 전국의 최고 기온을 나타낸다.
표 2. 피어슨 상관계수 관계 강도
Table 2. Strength of pearson correlation coefficient
Strength of relationship
|
Correlation coefficient, r
|
Negative
|
Positive
|
weak
|
-0.3 ~ 0
|
0 ~ 0.3
|
moderate
|
-0.7 ~ -0.3
|
0.3 ~ 0.7
|
strong
|
-1.0 ~ -0.7
|
0.7 ~ 1.0
|
표 3. 하절기 평일 전력수요와 각 기상요소와의 상관계수
Table 3. The correlation coefficient between meteorological elements and electric
load
|
Actual value
|
Prediction value
|
Temperature [℃]
|
0.823
|
0.821
|
Humidity [%]
|
-0.230
|
-0.221
|
Wind speed [m/s]
|
-0.024
|
-0.026
|
Dew point temperature [℃]
|
0.548
|
0.546
|
단기 전력수요 예측의 경우 하루 전 예측을 실시하기 때문에 예측된 기상데이터 값을 사용해야 한다. 따라서 일기예보가 정확하지 않을 경우 전력수요 예측에
영향을 끼치게 된다[14]. 하지만 일기예보 측면에서 보면 기온의 일기예보 정확성이 다른 기상요소 대비 높고[12], 실제 기상데이터, 예측된 기상데이터와 평일 전력수요의 상관 계수가 표 3과 같이 거의 일치하여 예측된 기상데이터를 사용하여 전력수요 예측모델을 구성하였다.
표 3에 제시된 바와 같이 기온은 상관계수가 0.821이므로 전력수요와 강한 양의 상관관계를 가진다. 즉, 전력수요에 대한 기온의 영향이 매우 큼을 의미한다.
습도와 풍속은 –0.221, -0.026이므로 약한 음의 상관관계를 가지며, 이는 전력수요에 대한 영향이 작음을 의미한다. 이슬점 온도의 경우 0.546이므로
중간정도의 양의 상관관계를 가지지만, 본 논문에서는 전력수요에 대한 기온의 영향을 집중적으로 고려하였기 때문에 기상요소 중 기온만을 입력 변수로 선정하였다.
계절별 최대전력수요와 기온은 그림 2와 같고, 다른 계절에 비해 여름철 전력수요와 기온의 추세가 유사함을 알 수 있다. 따라서 하절기의 전력수요 예측정확도를 높이기 위해 기온을 정밀하게
고려해야 한다.
그림. 2. 계절별 최대전력수요와 기온과의 관계
Fig. 2. the daily peak load and temperature by season
2.2.2 전력수요 데이터
전력수요 예측 시 과거의 전력수요 데이터를 사용하는 것이 효과적이며, 예측일 전 최근의 데이터를 이용하면 예측 정확도를 향상시킬 수 있다[15].
식(1)을 이용하여 전력수요와 과거 5일간의 동시간대 전력수요의 상관계수를 표 4에 나타내었다. 예측일 전 가장 최근일의 상관계수가 높기 때문에 과거 데이터를 많이 사용 할 경우 최근 데이터에 대한 가중치가 줄어들게 된다. 따라서
상관계수가 높은 과거 3일의 전력수요 데이터를 입력 변수로 사용하였으며, 전력수요 입력 데이터 구성은 표 5와 같다.
2.2.3 시간별 기온 민감도
표 6은 2015년-2017년도의 하절기 전력수요 중 냉방부하가 차지하는 비율을 나타낸다. 냉방부하의 비율이 매년 증가하고 있기 때문에 정확한 전력수요
예측을 위해서는 냉방부하와 관련이 있는 기온을 정밀하게 고려해야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 기온 1℃ 변화 시 전력수요의 증감 정도를 나타내는
기온 민감도를 사용하였다.
표 4. 동시간대 과거 5일간 전력수요의 상관계수
Table 4. Correlation coefficient with the same time electric load over the past five
days
|
1day ago
|
2days ago
|
3days ago
|
4days ago
|
5days ago
|
Correlation
coefficient
|
0.974
|
0.953
|
0.939
|
0.921
|
0.905
|
표 5. 전력수요 예측 입력데이터 구성
Table 5. Input data set for electric load forecasting
|
Mon.
|
Tue.-Fri.
|
Input data
|
the same time electric load of Monday for three weeks before forecast date
|
the same time electric load of weekdays (Tue.-Fri.) for three days before forecast
date
|
표 6. 2015-2017년도 하절기의 냉방부하 비율
Table 6. Percentage of cooling load in the summer of 2015-2017
Year
|
2015
|
2016
|
2017
|
Cooling load [%]
|
19.8
|
27.3
|
28.7
|
그림 3은 2015-2017년 하절기의 기온에 따른 전력수요이고, 그래프의 실선은 기온에 따른 전력수요 변화의 추세곡선을 의미하며 2차 함수 형태를 나타낸다.
즉, 기온 1℃ 변화에 따른 전력수요 변화가 기온별로 선형적으로 변화하는 것이 아님을 의미한다.
2015-2017년 하절기의 하루 24시간 중 최저기온은 17.9℃, 최고기온은 38.9℃이며, 최저기온 이상일 때 냉방용 전력수요가 발생한다고 가정하였다.
그림. 3. 전력수요와 기온에 대한 산점도
Fig. 3. A scatter plot of the electric load and temperature
그림 3의 20-25℃ 구간에서는 기온이 1℃ 증가함에 따라 전력수요가 약1500MW 증가(1500MW/℃)한다. 반면 35-40℃ 구간에서는 기온이 1℃
증가함에 따라 전력수요가 약 2330MW 증가(2330MW/℃)하며, 20-25℃ 구간과 1.5배 이상 차이가 난다. 즉, 저온일 때보다 고온일 때
전력수요가 더 민감하게 반응하며, 기온별(17-18℃, 18-19℃,..., 38-39℃)로 전력수요가 비선형적으로 변화함을 의미한다. 이와 같은
전력수요의 변화를 정확하게 반영하기 위하여 기온별 민감도 사용하면 하절기 전력수요 예측의 정확도를 향상시킬 수 있다[16].
그림. 4. 2016년 7월 15일 금요일의 전력수요와 기온
Fig. 4. The electric load and temperature on July 15th, 2017
하지만 그림 4의 전력수요 그래프에 나타난 바와 같이 하루 중 같은 기온일 때 전력수요의 크기가 다른 경우가 존재함을 알 수 있다. 예를 들어, 2016년 7월
15일 금요일의 경우 같은 기온(26.8℃)을 가지는 시간대(0, 8, 22시)의 전력수요의 크기는 모두 다르며, 0시와 8시의 전력수요는 약 9500MW의
큰 차이를 가진다. 즉, 같은 기온이 나타나더라도 시간대에 따라 기온의 증감추세, 산업용 전력의 사용유무가 다르기 때문에 전력수요의 크기가 달라짐을
의미한다. 그리고 그림 5에 나타난 바와 같이 하절기 평일의 전력수요는 평일동안 매우 유사한 패턴을 가진다. 즉, 평일의 같은 시간대에는 일반적으로 같은 전력사용 패턴이 나타나기
때문에 동시간대의 전력수요의 증감 정도는 기온에 의한 냉방부하의 영향이라 할 수 있다.
그림. 5. 하절기 평일(화요일-금요일)의 시간별 전력수요 패턴
Fig. 5. Hourly electric load pattern on summer weekdays(Tue.-Fri.)
따라서 본 논문에서는 전력수요 예측 정확도를 향상시키기 위해 기온 변화에 대한 전력수요의 민감도를 시간별로 산출하여 인공 신경망의 입력변수로써 사용하였다.
2.2.4 시간별 기온 민감도 산출
시간별 기온 민감도 산출 및 전력수요 예측 시 공휴일 전·후일과 대규모 사업장의 하계휴가로 인한 조업중단의 여파로 일반적인 평일에 비해 매우 낮은
수준의 전력사용 패턴을 나타내는 특수경부하 기간은 제외하였다[17].
시간별 기온 민감도는 최소자승법에 의한 기온과 전력수요의 회귀 분석을 통해 산출하였다.
여기서, E는 오차 제곱의 합(Sum of squares of error, SSE), x는 기온, y는 전력수요, t는 시각, n은 동일시간의 날짜
개수를 의미한다. 그리고 $a_{t}$는 회귀계수이자 본 논문에서 제안하는 t시각의 기온에 의한 전력수요의 민감도를 의미하며, $b_{t}$는 회귀상수이다.
SSE가 최소가 되도록 $a_{t}$, $b_{t}$에 관해 편미분하면 아래의 식과 같다.
이를 만족하는 $a_{t}$, $b_{t}$는 다음과 같다.