CN112510719B - 一种基于深度强化学习的智能电热水器保温档负荷控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于深度强化学习的智能电热水器保温档负荷控制方法,包括以下步骤:采用LSTM网络利用过去48小时电价预测未来24小时电价;采用基于DQN的深度强化学习算法,将电力消耗和用户满意度同时作为好策略的衡量标准,并根据用户自身的需求调节二者所占比重。根据所预测的电价训练电热水器保温档负荷控制智能体学习得到使得奖励值最高的策略,使其在高电价时选择较低功率,低电价时选择较高功率,在尽可能保证用户满意度的同时节省更多电力消耗,以获得一个性能优良且适用性较高的电热水器负荷控制智能体。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制方法,具体涉及一种基于深度强化学习的智能电热水器保温档负荷控制方法,属于智能家居控制技术领域。
背景技术
随着居民生活水平和家用电器智能化水平的提高,人们在选择使用家用电器时就会考虑更多的因素,例如电力消耗和用户满意度。对于许多有电热水器的家庭来说,热水器是24小时一直通电进行保温还是在使用之前打开进行加热是一个值得考虑的问题。如果选择24小时进行通电使热水器的温度一直保持在用户即开即用的状态,虽然用户满意度比较高,但同时会带来较大的电力消耗;如果选择在使用之前打开进行加热,虽然可以省去部分电力消耗,但是用户等待加热的时间太长会减小用户满意度。
为了解决这个问题,电热水器的保温档被设置为多个档位,用户可以根据自身需要在电力消耗和用户满意度之间权衡进而选择合适的档位,但是这样的电热水器负荷控制方法属于手动控制方法,用户早上出门后一天之内档位不会发生变化,缺少一定的灵活度。为了实现自动控制且有效避开电价高峰以节省更多的电力消耗,前人提出了一些基于实际电价的智能电热水器保温档负荷控制方法,但实际应用普遍存在以下局限性:1.以小时为单位波动的电价具有一定的灵活性,将实际电价传至电热水器再进行控制存在很大的延迟。2.大多数负荷控制方法需要对电热水器进行准确地建模,由于内部结构不同,不同种类的电热水器具有不同的模型,分别建模难度较大。因此设计一种基于预测电价且适用于不同种类电热水器的无模型智能电热水器保温档负荷控制方法对于解决电价灵活性高和不同种类电热水器适用性差的问题具有重要的意义。
发明内容
本发明针对前述电热水器保温档负荷控制方法中存在的电价灵活性高和不同种类电热水器适用性差带来的控制问题,实现一种基于预测电价且适用于不同电热水器的无模型智能电热水器保温档负荷控制方法。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下,一种基于深度强化学习的智能电热水器保温档负荷控制方法,主要包括LSTM时序预测技术和基于DQN(DeepQNetwork,深度Q网络)的深度强化学习技术。首先使用LSTM网络根据过去48小时的电价预测未来24小时的电价,之后引入强化学习的方法,基于神经网络训练控制电热水器负荷的智能体,通过对于当前小时预测电价和电热水器水温的观测以及得到的奖励,自动学习电热水器保温档负荷控制的优化过程,得到最优的控制决策,其具体的技术方案包括以下步骤:
步骤S1:采用LSTM时序预测技术预测未来24小时电价;
步骤S2:采用基于DQN的深度强化学习方法训练电热水器保温档负荷控制智能体,最大化长期回报。
其中步骤S1所述的采用LSTM网络预测未来电价,具体方法是:
步骤S11:将当日的电价信息作为输出,所在小时的前48小时电价信息作为输入训练LSTM网络参数;
步骤S12:将最近48小时的电价数据输入LSTM网络预测未来24小时每小时的电价,记为Pi。
其中,步骤S2所述的采用DQN训练智能体控制电热水器保温档负荷以最大化长期回报,具体方法是:
步骤S2具体如下:
步骤S202,电热水器保温档负荷控制智能体有5种功率可以选取,动作空间记为A={0.2Kwh,0.45Kwh,0.7Kwh,1.0Kwh,1.5Kwh},电热水器以ε的概率采取贪婪算法选取动作argmaxaQ(si,a;θ),以(1-ε)的概率随机选取动作ai;
步骤S203,i小时的状态观测值为si=[Pi,ti],其中参数Pi代表第i小时的电价,是与时间相关的变量;参数ti代表第i小时的电热水器水温,是与智能体选取的控制动作相关的变量;
步骤S204,状态转移si+1=∫(si,ai),其中Pi转换至Pi+1,Pi+1为预测电价信息中第i+1小时的电价;ti转换至ti+1,ti+1=ti+Δti,Δti为智能体控制动作ai带来的第i小时电热水器水温的变化;
步骤S205,奖励函数r=-(β*0.001*(Pi-4.6)*PR+2*(65-ti))。其中,0.001*Pi*PR表示电力的消耗,-4.6是为了让智能体在电价低于4.6EUR/Mwh时选择较大功率避免水温下降太快,2*(65-ti)表示当用户需要用水时加热到65℃所需要等待的时间,用它来衡量用户满意度的大小,β表示电力消耗和用户满意度之间的平衡系数。电热水器负荷控制智能体执行动作ai,观测奖励值和下一时刻的状态si+1;
步骤S206,将(si,ai,ri,si+1)记录进经验池D中;
步骤S207,从经验池D中随机抽取迷你批样本(sj,aj,rj,sj+1);
步骤S209,最小化损失函数J(θ)=E[(yj-Q(sj,aj;θ))2],通过梯度下降法进行反向传播更新估计值网络θ的参数;
步骤S210,重复步骤S202-S209,每隔N步将估计动作值网络参数复制给目标动作值网络参数以更新目标动作值网络参数;
步骤S211,重复步骤S201-S210,直到学习出使得奖励值最大的策略π。
相对于现有技术,本发明具有如下优点,1)LSTM网络解决了RNN中长序列依赖问题,在长时间序列预测中依然可以保持比较高的准确率;根据过去48小时的电价可以比较准确地预测未来24小时电价,解决了电价灵活性为智能体带来的控制问题;2)DQN是一种无模型的仅仅依靠智能体与环境交互完成训练的深度强化学习技术,解决了不同种类电热水器控制方法适用性问题;3)该方法将预测得到的结果提前输入电热水器再而控制水温,可以解决电热水器控制的时延问题。4)该方法设置了电力消耗和用户满意度之间的平衡系数并可由用户自行调节,可以满足不同用户的不同需求。
附图说明
图1为LSTM网络结构图。
图2为DQN算法主要流程图。
图3为基于深度强化学习的智能电热水器保温档负荷控制方法流程图。
具体实施方式:
为了加深对本发明的理解,下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1:本发明所提出的智能电热水器保温档负荷控制方法的具体实施方式,分为两个阶段,第一阶段为LSTM网络预测电价阶段,第二阶段为DQN方法训练智能体得到最优策略阶段。下面根据说明书附图分别进行介绍。
本实施例将以一台即用温度为65℃的家用电热水器保温档的负荷控制为例进行说明。
如图1所示,本发明给出的LSTM网络结构图,采用它来预测未来电价的具体步骤如下:
步骤S11,根据https://www.nordpoolgroup.com/网站上的电价数据。将2020年4月19日的电价信息作为输出,所在小时的前48小时电价信息作为输入训练LSTM网络参数;
步骤S12,将2020年4月18日和19日这48小时的电价数据输入LSTM网络预测4月20日这24小时的电价,记为Pi。
如图2所示,本发明给出的DQN模型框架,使用它来训练智能体控制电热水器保温档负荷的具体步骤如下:
步骤S202,电热水器保温档负荷控制智能体有5种功率可以选取,动作空间记为A={0.2Kwh,0.45Kwh,0.7Kwh,1.0Kwh,1.5Kwh},电热水器以ε的概率采取贪婪算法选取动作argmaxaQ(si,a;θ),以(1-ε)的概率随机选取动作ai;
步骤S203,i小时的状态观测值为si=[Pi,ti],其中参数Pi代表第i小时的电价,是与时间相关的变量;参数ti代表第i小时的电热水器水温,是与智能体选取的控制动作相关的变量;
步骤S204,状态转移si+1=∫(si,ai),其中Pi转换至Pi+1,Pi+1为预测电价信息中第i+1小时的电价;ti转换至ti+1,ti+1=ti+Δti,Δti为智能体控制动作ai带来的第i小时电热水器水温的变化;
步骤S205,奖励函数r=-(β*0.001*(Pi-4.6)*PR+2*(65-ti))。其中,0.001*Pi*PR表示电力的消耗,-4.6是为了让智能体在电价低于4.6EUR/Mwh时选择较大功率避免水温下降太快,2*(65-ti)表示当用户需要用水时加热到65℃所需要等待的时间,用它来衡量用户满意度的大小,β表示电力消耗和用户满意度之间的平衡系数。电热水器负荷控制智能体执行动作ai,观测奖励值和下一时刻的状态si+1;
步骤S206,将(si,ai,ri,si+1)记录进经验池D中;
步骤S207,从经验池D中随机抽取迷你批样本(sj,aj,rj,sj+1);
步骤S209,最小化损失函数J(θ)=E[(yj-Q(sj,aj;θ))2],通过梯度下降法进行反向传播更新估计值网络θ的参数;
步骤S210,重复步骤S202-S209,每隔N步将估计动作值网络参数复制给目标动作值网络参数以更新目标动作值网络参数;
步骤S211,重复步骤S201-S210,直到学习出使得奖励值最大的策略π。
需要说明的是上述实施例,并非用来限定本发明的保护范围,在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
Claims (2)
1.一种基于深度强化学习的智能电热水器保温档负荷控制方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤S1:采用LSTM时序预测技术预测未来24小时电价;
步骤S2:采用基于DQN的深度强化学习方法训练电热水器保温档负荷控制智能体,最大化长期回报;
步骤S2具体如下:
步骤S202,电热水器保温档负荷控制智能体有5种功率可以选取,动作空间记为A={0.2Kwh,0.45Kwh,0.7Kwh,1.0Kwh,1.5Kwh},电热水器以ε的概率采取贪婪算法选取动作argmaxaQ(si,a;θ),以(1-ε)的概率随机选取动作ai;
步骤S203,i小时的状态观测值为si=[Pi,ti],其中参数Pi代表第i小时的电价,是与时间相关的变量;参数ti代表第i小时的电热水器水温,是与智能体选取的控制动作相关的变量;
步骤S204,状态转移si+1=f(si,ai),其中Pi转换至Pi+1,Pi+1为预测电价信息中第i+1小时的电价;ti转换至ti+1,ti+1=ti+Δti,Δti为智能体控制动作ai带来的第i小时电热水器水温的变化;
步骤S205,奖励函数r=-(β*0.001*(Pi-4.6)*PR+2*(65-ti)),其中,0.001*Pi*PR表示电力的消耗,-4.6是为了让智能体在电价低于4.6EUR/Mwh时选择较大功率避免水温下降太快,2*(65-ti)表示当用户需要用水时加热到65℃所需要等待的时间,用它来衡量用户满意度的大小,β表示电力消耗和用户满意度之间的平衡系数,电热水器负荷控制智能体执行动作ai,观测奖励值和下一时刻的状态si+1;
步骤S206,将(si,ai,ri,si+1)记录进经验池D中;
步骤S207,从经验池D中随机抽取迷你批样本(sj,aj,rj,sj+1);
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步骤S211,重复步骤S201-S210,直到学习出使得奖励值最大的策略π。
2.根据权利要求1所述的基于深度强化学习的智能电热水器保温档负荷控制方法,其特征在于,步骤S1所述的采用LSTM网络预测未来电价,具体方法是:步骤S11:将当日的电价信息作为输出,所在小时的前48小时电价信息作为输入训练LSTM时序参数;
步骤S12:将最近48小时的电价数据输入LSTM网络预测未来24小时每小时的电价,记为Pi。
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多智能体深度强化学习的若干关键科学问题;孙长银等;《自动化学报》;20200731;第46卷(第7期);第1301-1312页 * |
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