基于多阶段注意力机制的建筑空调负荷预测方法.pdf
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1、第 42 卷 第 10 期2023 年10 月Zhejiang Electric PowerVol.42,No.10Oct.25.2023基于多阶段注意力机制的建筑空调负荷预测方法陈东海1,马旭2,王波1,朱晓杰1,白文博3(1.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司,浙江 宁波 315000;2.国网浙江余姚市供电有限公司,浙江 宁波 315000;3.宁波市电力设计院有限公司,浙江 宁波 315000)摘要:建筑空调负荷预测对于提升建筑用电负荷和区域配电网电力负荷预测的准确性具有重要意义。为了提高建筑空调负荷预测的准确性,提出一种基于多阶段注意力机制的建筑空调负荷预测方法。首先,构建影响因素注
2、意力模块,以充分考虑不同影响因素对于建筑空调负荷预测的重要性差异;然后,采用长短期记忆神经网络模型提取各个时刻影响因素的隐含特征;最后,构建时间注意力模块,将不同时刻的影响因素隐含特征根据建筑空调负荷预测的重要性加以区分,以求得最终的空调负荷预测结果。算例结果表明,影响因素注意力模块和时间注意力模块的构建,都有利于提高模型对建筑空调负荷的拟合能力,从而有效提升建筑空调负荷预测的准确性。关键词:建筑空调负荷;多阶段注意力机制;长短期记忆神经网络;负荷预测DOI:10.19585/j.zjdl.202310007 开放科学(资源服务)标识码(OSID):A load forecasting met
3、hod for building air conditioning based on multi-stage attention mechanismCHEN Donghai1,MA Xu2,WANG Bo1,ZHU Xiaojie1,BAI Wenbo3(1.State Grid Ningbo Power Supply Company,Ningbo,Zhejiang 315000,China;2.State Grid Yuyao Power Supply Company,Ningbo,Zhejiang 315000,China;3.Ningbo Electric Power Design In
4、stitute Co.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang 315000,China)Abstract:Load forecasting of building air conditioning is of great significance for improving the accuracy of power load forecasting of buildings and regional distribution networks.In order to improve the load forecasting accuracy of building air conditi
5、oning,a load forecasting method based on multi-stage attention mechanism is proposed.First,the attention module of influencing factors is constructed to fully consider the importance difference of different influencing factors for load forecasting of building air conditioning.Second,the LSTM network
6、 model is used to extract the implicit features of influencing factors in each hour.Finally,the temporal attention module is constructed to differentiate the implicit features of the influencing factors in different hours according to the importance of building air conditioning load forecasting to o
7、btain the results of the air conditioning load forecasting.The example results show that the construction of the influencing factor attention module and the temporal attention module are both conducive to improving the model s ability to fit the building air-conditioning load,thus effectively improv
8、ing the load prediction accuracy of building air-conditioning.Keywords:building air conditioning load;multi-stage attention mechanism;LSTM network;load forecasting0引言在建筑用电负荷中,空调负荷通常占据了一半左右的比重1-3,同时,空调负荷受到人类活动和气象条件等因素的影响,呈现出较强的不确定性,其变化往往会引起建筑用电负荷的明显波动4-7。因此,准确地分析建筑空调负荷的变化规律,对于提升建筑用电负荷预测的准确性,保证区域配电网的电
9、力供需平衡有着关键性的作用8-11。对于建筑空调负荷的预测,有部分学者采用统计学方法进行研究。文献 12 基于改进的季节性指数平滑法,利用日平均气温对办公类建筑的空调负荷进行了预测;文献 13 采用蒙特卡洛方法分析天气预报数据的不确定性,并将不确定性基金项目:宁波永耀电力投资集团有限公司科技项目(CY820400QT20210652)第 42 卷分析结果用于建筑空调负荷预测,从而提高了对空调负荷的预测准确性;文献 14 采用多元线性回归方法对历史负荷和温度的逐时数据进行分析,以预测每个小时的建筑空调负荷值。但是,统计学方法在影响因素较多,且影响因素与负荷之间存在非线性相关的复杂关系时,负荷预测
10、的准确性和稳定性都难以保证15-18。近几年来,随着机器学习技术,尤其是深度学习技术的发展,不少研究开始采用人工智能方法进行建筑空调负荷预测。文献 19 基于 K-means聚类和BP(反向传播)神经网络算法对办公建筑的逐时电负荷进行预测,有效提高了建筑总用电和空调用电负荷的预测精度;文献 20 采用结合主成分分析法和LSTM(长短期记忆)神经网络的方法,在对影响建筑空调负荷的多元因素进行降维处理的基础上,得到建筑空调负荷的预测结果;文献 21 通过SVD(奇异值分解)的方法对空调负荷数据进行降噪处理,再结合温湿度数据集构建了基于LSTM神经网络的高校宿舍空调负荷预测模型。相比于统计学方法,基
11、于人工智能的神经网络更能捕捉到建筑空调负荷与影响因素之间的非线性相关性。然而,在各种各样的气象、时间条件下,不同影响因素类型以及影响因素值的不同采样时刻,对于建筑空调负荷预测的重要性都有所差异,而上述模型构建时采用的神经网络结构均没有引入注意力机制,未能充分地区分不同影响因素和采样时刻的重要程度,影响了建筑空调负荷预测的准确性。除了建筑空调负荷预测,在电网整体负荷预测问题中,已有相关研究将注意力机制引入预测模型,如文献 15 在GRU(门控循环单元)中使用注意力机制,构建短期负荷预测模型;文献 16 同样将注意力机制引入GRU,并结合卷积神经网络进行负荷预测模型的构建;文献 17 则在LSTM
12、中加入注意力机制,以区分不同时刻采样值对电网短期负荷预测的重要程度。然而,这些研究大多只将注意力机制应用于时间序列,未对不同影响因素赋予不同的注意力,因而应用于建筑空调的负荷预测时,难以把握各种条件下不同类型影响因素对于建筑空调负荷预测的重要性差异。为了同时考虑不同影响因素和采样时刻对建筑空调负荷的影响程度差异,本文提出一种基于多阶段注意力机制的建筑空调负荷预测方法。在分析建筑空调负荷各类影响因素的基础上,采用影响因素注意力模块区分不同影响因素对空调负荷预测的重要性差异,得到含影响因素注意力的特征矩阵;然后将特征矩阵输入LSTM神经网络,并在输出层加入时间注意力模块,用于计算输出向量,以区分不
13、同采样时刻的影响因素对于空调负荷预测的重要性差异;最后将含时间注意力的输出向量输入SVR(支持向量回归)模型,得到建筑空调负荷的预测结果。1建筑空调负荷的影响因素建筑空调负荷与人类活动和气象因素都有密切的关系20。人类活动对建筑空调负荷的影响主要体现在日常作息规律和空调使用习惯上,相应地可以选择是否工作日、当日时刻(24 h制)、历史空调负荷3个维度作为影响因素。气象因素对建筑空调负荷的影响主要体现在对人体感受和空调制冷功率的影响,根据文献 20-22 的分析,可选择与空调负荷相关性较强的温度、湿度、气压3个维度作为影响因素。上述6个影响因素维度在使用前首先需要进行数值化。对于某一个采样时刻t
14、,若该时刻所在当天是工作日,则“是否工作日”维度的值取1,否则取0;“当日时刻”维度表示时刻t处于一天中的哪一个整点时刻,取值范围为 0,1,23 ;“历史空调负荷”“温度”“气压”维度分别以千瓦、摄氏度、百帕为单位取值;“湿度”维度取相对湿度值。影响因素数值化后,还需要进行归一化处理,得到预测模型实际使用的影响因素值。归一化采用Min-Max标准化方法,假设某个影响因素x的所有历史数据中最大值为xmax,最小值为xmin,则采样时刻t的数值xt归一化后为:xt=xt-xminxmax-xmin(1)后续预测模型采用的均为归一化的影响因素值。预测某一时刻的建筑空调负荷时,考虑其前T小时内每个小
15、时的影响因素值,可将上述6个影响因素维度构建为一个6行T列的初始影响因素矩阵I,矩阵的第t列(t=1,2,T)表示第t个采样时刻的6个影响因素值。58 第 10 期陈东海,等:基于多阶段注意力机制的建筑空调负荷预测方法2基于多阶段注意力的建筑空调负荷预测模型2.1负荷预测模型总体结构建筑空调负荷预测模型的总体结构如图1所示,模型结构主要包括3部分,分别是影响因素注意力模块、LSTM神经网络以及时间注意力模块。其中,影响因素注意力模块用于区分不同影响因素对于建筑空调负荷预测的重要性差异,以对不同的影响因素分配不同的注意力权重;LSTM神经网络用于提取每个采样时刻的影响因素信息,并对影响因素信息进
16、行筛选与融合;时间注意力模块用于区分不同采样时刻对于建筑空调负荷预测的重要性差异,以对不同采样时刻的影响因素分配不同的注意力权重。预测建筑空调负荷时,首先将6行T列的初始影响因素矩阵I输入影响因素注意力模块。影响因素注意力模块可以自动学习不同气象、时间等条件下各个影响因素对建筑空调负荷的影响程度差异,对输入矩阵I的元素值进行调整,得到含影响因素注意力的特征矩阵C,且矩阵C与矩阵I的行数和列数均相同。接着,将含影响因素注意力的特征矩阵C按列拆分为T个特征矩阵列向量ct(t=1,2,T),再依次输入LSTM网络的各个LSTM单元中,以提取每个时间步长的影响因素特征信息,提取后每个列向量ct均得到对
17、应的l维隐藏层向量ht。最后,将所有隐藏层向量ht输入时间注意力模块,通过时间注意力模块区分不同时刻t的隐藏层向量ht对于建筑空调负荷预测的重要性差异,得到含时间注意力的l维输出向量h0,再通过SVR模型计算出最终的建筑空调负荷预测值。2.2影响因素注意力模块影响因素注意力模块的作用是通过注意力机制区分各种条件下不同影响因素对于建筑空调负荷的影响程度差异。例如,对于居民建筑而言,在凌晨时段,“温度”维度对于建筑空调负荷的影响程度通常大于“是否工作日”维度;而在早上或下午时段时,“是否工作日”维度对于建筑空调负荷的影响程度则更大。影响因素注意力模块结构如图2所示。图1 建筑空调负荷预测模型总体结
18、构Fig.1 General structure of the load prediction model for building air conditioning图2 影响因素注意力模块结构Fig.2 Structure of the influencing factor attention module59第 42 卷影响因素注意力模块的计算过程如下:1)初始影响因素矩阵I输入影响因素注意力模块后,按行拆分为6个影响因素行向量ir(r=1,2,6)。为了在影响因素注意力计算时充分考虑影响因素与建筑空调负荷之间的非线性和非单调性关系,本文提出一种简单高效的卷积层结构,并将每个ir分别输入一
19、个卷积层进行卷积运算。卷积层结构如图3所示,由k个单通道的11卷积核、激活函数以及1个k通道的11卷积核串接而成,其中激活函数采用ReLU(修正线性单元)的形式。卷积层结构中,k个单通道的11卷积核有利于捕捉影响因素与建筑空调负荷之间的非单调性关系,例如随着温度由低温到高温变化,建筑空调负荷通常会呈现先下降后上升的非单调变化趋势;激活函数ReLU有利于更好地拟合影响因素与建筑空调负荷之间复杂的非线性关系;1个k通道的11卷积核则将k个T维行向量重新融合为1个T维的特征行向量。经过卷积层的计算后,每个ir均得到对应的特征行向量cr。2)引入T维的影响因素注意力向量u1,并计算每个特征行向量cr与
20、u1的内积,再使用softmax函数进行归一化,得到6维的影响因素注意力权重向量a1,其中向量a1第r维的值a1(r)计算方法为:a1(r)=eu1cTrr=16eu1cTr(2)3)将每个特征行向量 cr与向量 a1第 r 维的值a1(r)相乘,相乘后共得到6个行向量,按行拼接后得到含影响因素注意力的特征矩阵C。上述计算过程中,卷积层的卷积核参数以及影响因素注意力向量u1的值均可在模型训练过程中自动学习得到。2.3时间注意力模块时间注意力模块的作用是通过注意力机制区分不同时刻的影响因素对于建筑空调负荷预测的影响程度差异。例如,对于“历史空调负荷”维度而言,由于建筑空调负荷变化具有连续性,往往
21、越接近于当前时刻的采样时刻,其采样值对当前的空调负荷影响越大;而对于“温度”“湿度”等气象因素而言,其对建筑空调负荷的影响往往具有延迟效应23-27,因此距离当前时刻较远的采样时刻,其采样值也可能对当前的建筑空调负荷产生较大的影响。时间注意力模块的结构如图4所示。时间注意力模块的计算过程如下:1)将T个l维的隐藏层向量ht输入时间注意力模块后,引入l维的影响因素注意力向量u2,并计算每个隐藏层向量ht与u2的内积,再使用softmax函数进行归一化,得到T维的影响因素注意力权重向量a2,其中向量a2第t维的值a2(t)计算方法为:a2(t)=eu2htt=1Teu2ht(3)2)将每个隐藏层向
22、量 ht与向量 a2第 t 维的值a2(t)相乘,并对相乘后得到的T个列向量求和,求和后得到含时间注意力的输出向量h0。上述计算过程中,时间注意力向量u2的值可在模型训练过程中自动学习得到。完成时间注意力模块的计算后,将含时间注图3 卷积层结构Fig.3 Sturcture of the convolutional layer图4 时间注意力模块结构Fig.4 Structure of the temporal attention module60 第 10 期陈东海,等:基于多阶段注意力机制的建筑空调负荷预测方法意力的输出向量h0输入SVR模型,通过支持向量回归法计算最终的建筑空调负荷预测值
23、。SVR模型的参数可在模型训练过程中自动学习得到。3算例分析3.1实验数据集为了验证本文所提的基于多阶段注意力机制的建筑空调负荷预测模型的预测效果,采用华东某地区的1座办公建筑和1座居民建筑作为实验对象,采集2座建筑在20182021年间的空调实际用电负荷数据,以及是否工作日、当日时刻、历史空调负荷、温度、湿度、气压共6类影响因素数据进行实验,数据均在整点时刻进行采样,采样间隔为1 h。其中,空调负荷数据为暂态功率数据,采集方法是采用半侵入式的智能用电负荷监测系统,对所研究建筑的楼层或室内配电箱的空调分支回路电压、电流数据进行实时监测与传输,从而采集每个配电箱对应的空调有功功率实时数据,并进行
24、汇总求和,得到建筑对应的总体空调负荷实时数据,再通过整点时刻的采样得到暂态功率数据。将20182020年的数据作为训练集,用于训练建筑空调负荷预测模型的模型参数;将2021年的数据作为测试集,用于测试建筑空调负荷预测模型的预测效果。模型训练和测试时,均滚动地利用待预测时刻的前1至T个小时的6个影响因素实际值构建初始影响因素矩阵I,并输入建筑空调负荷预测模型,通过模型计算后输出待预测时刻的空调负荷预测值。3.2评价指标为评估建筑空调负荷预测的准确性,选取负荷预测常用的 MAPE(平均绝对百分比误差)和RMSE(均方根误差)作为评价指标。假设测试集一共有D个待预测的建筑空调负荷值,负荷的实际值记为
25、y0(d)(d=1,2,D),负荷的预测值记为y(d),则MAPE指标的计算方法为:M=1Dd=1D|y0(d)-y(d)y0(d)100%(4)RMSE指标的计算方法为:R=1Dd=1D(y0(d)-y(d)2(5)3.3实验模型与参数设置本文采用了多阶段的注意力模块,以区分不同影响因素和不同采样时刻对于空调负荷预测的重要程度差异,故对照模型也针对影响因素注意力模块和时间注意力模块进行设置。实验模型的具体设置如表1所示。其中,对照模型1既不使用影响因素注意力模块(即图2中直接令特征矩阵C等于初始影响因素矩阵I),也不使用时间注意力模块(即图4中直接将各个隐藏层向量ht乘以1/T后求和得到输出
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