CN111735177A - 一种基于svr算法的中央空调系统冷负荷预测方法 - Google Patents

一种基于svr算法的中央空调系统冷负荷预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,包括冷负荷预测周期τ、建立以室外气象参数及室内空调系统相关参数历史数据和构建冷负荷预测训练数据集,还包括构建输入数据集、训练集和生成预测模型并保存。本发明根据室外气象参数和室内中央空调运行参数实时数据,进行预测未来时刻室内冷负荷需求,本发明采用基于RBF核的SVR回归算法进行空调冷负荷预测,并且采用PCA主成分分析的方法优选训练数据集,实现基于小批量训练数据、模型训练简单的方法较高准确度的预测未来时刻室内对空调冷负荷的需求。

Description

一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法
技术领域
本发明涉及中央空调能耗控制技术领域,具体涉及一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法。
背景技术
随着社会经济的发展,建筑的能耗逐年增加,已经占到全球能源需求的40%左右。就我国而言,建筑能耗占全社会能耗高达30%之高,同时,空调和供暖系统约占建筑总能耗的一半,并且近些年来所占比例不断增加,而公共建筑节能达标率不足10%,因此充分挖掘中央空调系统节能空间,空调系统节能是建筑节能的重点任务。
目前,中央空调系统的设计多根据设计空调负荷来进行选型设计,建筑的中央空调系统的设计容量一般是按照较大的空调负荷需求进行选择,然而系统大部分时间是处于部分负荷情况下运行,不仅设备可能在低负荷工况出现不利的运行工况,而且整个中央空调系统的自身能耗也会增加,从而造成了大量能源浪费。
理想的方法是未来时刻建筑需要的准是等要求进行预测,以预测的负荷分布为基础,结合各运行设备的能耗模型,采用全局优化控制算法确定该预测条件下各系统设备的最优或者接近最优的运行参数并加以控制,从而达到节能优化的目的,而该途径的实现则需要准确的对空调系统运行过程中的冷负荷进行预测。
传统的空调系统冷水机组运行控制策略主要是通过监测回水温度来决定冷水机组的群控,由于空调冷冻水系统庞大,温度的变化具有较大的滞后性,不能准确反映空调运行过程中负荷动态变化的情况,造成冷水机组控制策略的失效。
现今传统的中央空调系统针对冷水机组、冷冻/却泵机组、冷却塔等设备分别进行控制,控制手段单一,无法保证空调组的整体能效降低,甚至可能导致某一设备节能的同时,整个空调系统的能耗出现大幅增加。
SVR回归机使训练数据通过核函数非线性映射到某一低维数组中,以结构风险最小化为优化准则,即是利用优化准则减少支持向量的个数并使其最小化。实际工程应用及理论研究表明SVR可以生成大边际决策回归器,并能够具有较好的泛化性能和学习能力。
CV方法,指交叉验证,是用来验证分类器的性能一种统计分析方法,将原始数据随机分为训练集和验证集,利用训练集训练分类器,然后利用验证集验证模型,记录最后的分类准确率为分类器的性能指标。
RBF(Radial Basis Function),指径向基函数,是某种沿径向对称的标量函数。最常用的径向基函数是高斯核函数,它能够实现非线性映射。基于RBF的SVR负荷预测模型有更强的泛化能力和更高的精度及更快的计算速度。
此外,现有的基于预测模型的中央空调节能控制方法及系统,神经网络等模型,普遍存在预测复杂、训练过程难度较大、训练数据集量大等问题,对于应用于工业生产中实现成本较大。
为实现基于简单模型、小批量数据集的中央空调冷负荷预测方法,中国专利CN108709287A公开了一种空调系统冷负荷预测方法及冷水机组群控的策略,包括计算t和t+τ时刻冷负荷增量,建立模型并采集t-τ、t、t+τ的气象参数,代入得到上述时刻的冷负荷理论计算值,再计算两个时段的冷负荷理论计算值增量和t时刻修正系数γ,最近计算得到t+τ的冷负荷预测值。
虽然上述专利通过回归模型方法并加入修正系数,模型简单、容易训练。但是,具体而言,该专利方法针对历史数据进行冷负荷预测和准确性验证试验,其方法中预测t+τ时刻冷负荷值所需t+τ时刻的室外温度、湿度均无法准确获取,无法应用于实践生产当中。
发明内容
有鉴于此,本发明要解决的问题是针对现有技术中存在的模型复杂、不易实现应用等问题,而提供一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,包括冷负荷预测周期τ、建立以室外气象参数及室内空调系统相关参数历史数据和构建冷负荷预测训练数据集,还包括构建输入数据集、训练集和生成预测模型并保存,所述输入数据集的特征参数采用PCA主成分分析法获得。
一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,包括以下:
步骤1)确定冷负荷预测周期τ;
步骤2)建立以室外气象参数及室内空调系统相关参数历史数据作为冷负荷预测计算模型的数据集;
步骤3)扩展数据集并获取空调冷负荷预测数据集主成分特征,构建冷负荷预测训练数据集;
步骤4)根据冷负荷预测周期τ,采集空调系统预测时刻t+τ冷负荷数据集;
步骤5)基于空调系统主成分输入数据集与冷负荷预测数据集构建训练集,进行回归算法预测训练,生成预测模型并保存;
步骤6)调用步骤5)中保存的预测模型,基于当前时刻t冷负荷预测相关参数作为输入数据,预测下一时刻t+τ的冷负荷预测值Qpred(t+τ)。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明根据室外气象参数和室内中央空调运行参数实时数据,进行预测未来时刻室内冷负荷需求,本系统采用基于RBF核的SVR回归算法进行空调冷负荷预测,并且采用PCA主成分分析的方法优选训练数据集特征参数,实现基于小批量训练数据、模型训练简单的方法较高准确度的预测未来时刻室内对空调冷负荷的需求。本发明由于采用上述结构,本预测方法的结构简单,测量的成本低,集成化程度高,可方便地对应用于空调节能控制中,有广泛的应用价值和市场前景。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1所示为本发明的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法的流程图;
图2所示为中央空调系统冷负荷预测方法预测模型训练实现流程图;
图3所示为冷负荷预测模型测试与调用示意图;
图4所示为冷负荷预测方法模型预测准确率示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明的是,当组件被称为“固定于”另一个组件,它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件,它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件,它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
本发明提供的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其流程图如图1所示,包括以下步骤:
步骤1)确定冷负荷预测周期τ。
本发明中冷负荷预测周期τ为30分钟。
对于本发明而言,在具体应用时,可根据实际场景要求调整数据采集时间段和冷负荷预测周期τ。
步骤2)建立以室外气象参数及室内空调系统相关参数历史数据作为冷负荷预测计算模型的数据集。
具体来说,采集的室外气象参数和室内中央空调运行参数数据时间段为每日空调系统开机运行时间段,采集数据参数包括T(t)、H(t)、Td、Q(t)。其中,T(t)为室外温度,H(t)室外湿度,Td为空调系统湿球温度,Q(t)为空调系统冷负荷值。
优选地,训练所采集的数据集为每日早上9点30分至下午18点整,采集时间间隔为τ。应当理解,采集时间间隔τ亦为冷负荷预测周期τ。所述采集数据时间段避免工作时间内空调系统刚开机不稳定噪声数据,给预测模型建立带来不确定性。
所述不稳定噪声数据,是由于空调系统刚开机运行时,运行状态不稳定等因素,即在诸如外界气象参数差异较大时,空调系统运行数据亦可能相同。
所述不稳定噪声数据的去除,不会对实际应用和预测模型的建立产生过大的偏差,即所述采集时间段数据亦能保证实际的冷负荷预测需求,大大提高了产品性能和施工的统一性,并且能够增强系统的鲁棒性。
步骤3)扩展数据集并获取空调冷负荷预测数据集主成分特征,构建冷负荷预测训练数集。
由步骤2)中采集数据集T(t)、H(t)、Td、Q(t),并根据时间间隔τ,通过按时间间隔τ在时间序列上前后平移,得到T(t-τ)、H(t-τ)、Q(t-τ)。
其中,T(t-τ)为上一时刻t-τ的室外温度,H(t-τ)为上一时刻t-τ的室外湿度,Q(t-τ)为上一时刻t-τ空调系统冷负荷值。
表1所述扩展后数据集示例
Figure BDA0002585705790000061
所述获取空调冷负荷预测数据集主成分特征,本发明采用了PCA主成分分析方法,从诸多特征数据中获取与空调冷负荷预测相关性最高的4个特征参数,构建冷负荷预测训练数据集。
PCA主成分分析法是一种重要的无监督降维方法,其基本思想是:找出原始数据里最主要的方面代替原始数据,使得在损失少部分原始信息的基础上极大地降低原始数据的维度。广泛应用在机器学习领域中,其可便捷减小训练数据数据量级,实现本发明构建冷负荷预测训练集特征之目的。
具体来说,所述的与空调冷负荷预测相关性最高的4个特征参数包括当前时刻t室外温度T(t)、当前时刻t室外湿度H(t)、当前时刻t空调系统冷负荷Q(t)、上一时刻t-τ空调系统冷负荷Q(t-τ),构成最终训练数据集X。
表2所述最终训练数据集X示例:
Figure BDA0002585705790000071
步骤4)根据冷负荷预测周期τ,采集空调系统预测时刻t+τ冷负荷数据集。
所述的采集空调系统预测时刻t+τ冷负荷数据集,根据冷负荷预测周期τ以及t时刻冷负荷数据Q(t)向后扩展得到,具体如当前时刻t为早上10点,则所预测值为t+τ时刻冷负荷数据集Q(t+τ),即早上10点30分空调系统冷负荷值遍历获取所有冷负荷数据,构造样本预测集y。
表3所述最终样本预测集y示例:
Figure BDA0002585705790000072
优选地,本发明中每日采集工作时间段为早上9点整至下午18点整,其中下午18点整为空调系统关闭运行时刻,无需再进行预测下一时刻,即下午18点30分的冷负荷值。
本发明中训练数据集X采样时间范围为每日早上9点30分至下午17点30分的数据,采样时间间隔为τ;样本预测集y采样时间范围为每日早上10点整至下午18点整的数据,采样时间间隔为τ,具体值如上,不再展开叙述。
步骤5)基于空调系统主成分输入数据集与冷负荷预测数据集构建训练集,进行回归算法预测训练,生成预测模型并保存。
根据数据集X,Y按照80%比例划分训练集和测试集进行CV交叉验证训练,具体地,本发明中采用5折交叉验证,即CV=5。
所述的冷负荷预测方法是一种基于RBF核SVR算法,优选地,采用RBF核中的高斯核。所述的SVR算法为本领域公知方法,在此不一一赘述。
具体地,采用网格搜索的方法寻找最优算法超参数,本发明中所使用算的超参数为正则化参数C和核函数系数γ。其中,正则化参数CD的网格搜索取值集合为:[0.1,1,10,100,1000];核函数参数γ的网格搜索取值集合为:[0.01,0.03,0.08,0.22,0.60,1.67,4.64,1.30,35.9,100]。
最后,对训练得到的预测模型进行保存,所述预测模型训练方法流程如图3所示。
步骤6)调用步骤5)中保存的预测模型,基于当前时刻t冷负荷预测相关参数作为输入数据,预测下一时刻t+τ的冷负荷预测值Qpred(t+τ)。
输入当前时刻t室外温度T(t)、当前时刻t室外湿度H(t)、当前时刻t空调系统冷负荷Q(t)、上一时刻t-τ空调系统冷负荷Q(t-τ),调用保存的预测模型,预测下一时刻t+τ的冷负荷值Qpred(t+τ)。具体实现如图3预测示例图所示。
实施例二
为验证所述的测试方法,采用测试数据集对保存的预测模型进行空调冷负荷预测测试。本发明冷负荷预测值与冷负荷真实值对比实例情况如图4空调冷负荷预测方法预测准确率图。结果表明:预测准确率高达93.28%,R2值为0.933。该测试方法可应用于中央空调系统冷负荷预测与分析,其操作简便、精度高、成本低、测试范围广、定位准确、易于实现,为开发方便、快捷的为中央空调节能优化提供了理论支撑。
以上对本发明的实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1)确定冷负荷预测周期τ;
步骤2)建立以室外气象参数及室内空调系统相关参数历史数据作为冷负荷预测计算模型的数据集;
步骤3)扩展数据集并获取空调冷负荷预测数据集中的主成分特征,构建冷负荷预测训练数据集X;
步骤4)根据冷负荷预测周期τ,采集空调系统预测时刻t+τ冷负荷数据构造预测集Y;
步骤5)基于空调系统主成分特征作为输入数据集,结合冷负荷预测训练数据集构建训练集,采取回归算法策略预测训练,生成并保存预测模型;
步骤6)调用步骤5)保存的预测模型,将当前时刻t冷负荷预测相关参数作为输入数据,预测下一时刻t+τ的冷负荷预测值Qpred(t+τ)。
2.如权利要求1所述的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,所述步骤1)中冷负荷预测周期τ设置为30分钟。
3.如权利要求1所述的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,所述步骤2)中室外气象参数包括T(t)、T(t-τ)、H(t)、H(t-τ),室内空调系统相关参数包括Td、Q(t)、Q(t-τ);
T(t)为当前时刻t室外温度,H(t)为当前时刻t室外湿度,T(t-τ)为上一时刻t-τ室外温度,H(t-τ)为上一时刻t-τ室外湿度,Td为空调系统当前时刻t湿球温度,Q(t)为当前时刻t空调系统冷负荷值、Q(t-τ)为上一时刻t-τ空调系统冷负荷值。
4.如权利要求1所述的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,所述步骤3)中采用PCA主成分分析法获取空调冷负荷预测数据集主成分特征,并构建冷负荷预测训练数据集。
5.如权利要求1所述的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,所述步骤4)中,根据冷负荷预测周期τ,采集空调系统预测时刻t+τ冷负荷数据集,采t+τ时刻冷负荷值进行预测训练。
6.如权利要求1所述的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,所述步骤5)中所述回归算法策略具体过程是先将数据集X和预测集Y按比例划分进行CV交叉验证训练,定义正则化参数C和核函数系数γ,采用网格搜索法确定网格搜索取值集合。
7.如权利要求1所述的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,所述步骤5)中空调系统主成分特征作为输入数据集具体包括当前时刻t室外温度T(t)、当前时刻t室外湿度H(t)、当前时刻t空调系统冷负荷Q(t)和上一时刻t-τ空调系统冷负荷Q(t-τ)。
8.如权利要求1所述的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,所述步骤6)中输入数据包括当前时刻t室外温度T(t)、当前时刻t室外湿度H(t)、当前时刻t空调系统冷负荷Q(t)、上一时刻t-τ空调系统冷负荷Q(t-τ)。
9.如权利要求1所述的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,所述步骤6)中预测下一时刻t+τ的冷负荷值Qpred(t+τ)的具体方法为:调用步骤5)中所保存的预测模型,输入步骤6)中所要求的相关参数,预测下一时刻t+τ的冷负荷值Qpred(t+τ)。
10.如权利要求6所述的一种基于SVR算法的中央空调系统冷负荷预测方法,其特征在于,所述所述步骤5)中CV交叉验证训练过程采用的是5折交叉验证。
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