KR20200034023A - A method for creating demand response determination model for hvac system and a method for demand response - Google Patents

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Abstract

Provided is a method for generating a demand response (DR) determining model for an HVAC system of a building. According to the present invention, the method comprises the steps of: generating a zone temperature determining model for outputting a temperature of a building by receiving input power of an HVAC system and a thermal state of a building by training a first artificial neural network on the basis of a plurality of first training data; generating an objective function for a power supply schedule having an optimal solution varied in accordance with an electricity price and a thermal state while including a linear equation for simulating the generated zone temperature determining model; determining each optimal solution of the objective function for a plurality of electricity price profiles and thermal state profiles; and generating a DR determining model for outputting a power supply schedule for the HVAC system by receiving the electricity price profiles and the thermal state profiles by training a second artificial neural network on the basis of a plurality of second training data including the electricity price profiles, the thermal state profiles, and the determined optimal solution.

Description

열·공조 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법 및 수요 반응을 수행하기 위한 방법{A METHOD FOR CREATING DEMAND RESPONSE DETERMINATION MODEL FOR HVAC SYSTEM AND A METHOD FOR DEMAND RESPONSE}A method for generating a demand response decision model for a heat and air conditioning system and a method for performing a demand response {A METHOD FOR CREATING DEMAND RESPONSE DETERMINATION MODEL FOR HVAC SYSTEM AND A METHOD FOR DEMAND RESPONSE}

본 발명은 수요 반응에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 건물의 HVAC 시스템에 대한 최적 수요 반응을 위한 감독 학습 이용 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a demand response, and more particularly, to a method of using supervised learning for an optimal demand response to a building's HVAC system.

빌딩의 특성인 큰 열적 용량은 빌딩 내 열·공조 (Heating, ventilating, and air-conditioning, HVAC) 시스템을 수요 반응 (demand response, DR) 에 이용될 수 있도록 한다. 하지만, 다중 구역 빌딩에서의 HVAC 시스템에 수요 반응을 적용하는 것은 특히 어려운데, HVAC 시스템을 수요 반응 자원으로 사용하기 위해서는 빌딩의 열적 조건 (thermal condition) 과 설비 운영에 대한 구역별 온도 모델이 요구되며, 이 모델은 물리적인 특성을 자세히 반영해야 하기 때문이다. The large thermal capacity, a characteristic of buildings, enables the building's heating and air conditioning (HVAC) systems to be used for demand response (DR). However, it is particularly difficult to apply the demand response to the HVAC system in a multi-zone building. In order to use the HVAC system as a demand response resource, a temperature model for each area of the building's thermal conditions and facility operation is required. This is because the model needs to reflect the physical characteristics in detail.

한국 등록특허공보 제10-1739271호 ("수요반응자원 최적 구성용 스마트 포트폴리오 최적화모델링형성장치 및 방법", 재단법인차세대융합기술연구원)Korean Registered Patent Publication No. 10-1739271 ("Smart Portfolio Optimization Modeling Forming Apparatus and Method for Optimal Configuration of Demand Response Resources", Next Generation Convergence Technology Research Institute)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기계 학습을 이용하여 정상적인 빌딩 운영 조건에서 축적된 데이터를 기반으로 인공 신경망을 학습시키고 이를 부분 선형 방정식을 이용하여 수식으로 모사하여 가격 기반 수요 반응의 최적 스케쥴링 문제에 적용함으로써 간단하고 신속하게 HVAC 시스템의 입력 전력의 최적 스케줄링을 도출할 수 있는, 열·공조 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법을 제공하는 것이다. The object of the present invention for solving the above-mentioned problems is to learn an artificial neural network based on the data accumulated under normal building operating conditions using machine learning, and to simulate it as an equation using a partial linear equation to optimize price-based demand response. It is to provide a method for generating a demand response decision model for a heat and air conditioning system that can derive an optimal scheduling of input power of an HVAC system simply and quickly by applying it to a scheduling problem.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 기계 학습을 이용하여 정상적인 빌딩 운영 조건에서 축적된 데이터를 기반으로 인공 신경망을 학습시키고 이를 부분 선형 방정식을 이용하여 수식으로 모사하여 가격 기반 수요 반응의 최적 스케쥴링 문제에 적용함으로써 간단하고 신속하게 HVAC 시스템의 입력 전력의 최적 스케줄링을 도출할 수 있는 수요 반응을 수행하기 위한 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention for solving the above-described problem is to learn an artificial neural network based on the data accumulated under normal building operating conditions using machine learning, and simulate it as an equation using a partial linear equation to determine the price-based demand response. It is to provide a method for performing a demand response that can easily and quickly derive an optimal scheduling of input power of an HVAC system by applying to an optimal scheduling problem.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved of the present invention is not limited to this, and may be variously extended without departing from the spirit and scope of the present invention.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 건물의 열·공조 (Heating, ventilating, and air-conditioning, HVAC) 시스템에 대한 수요 반응 (Demand Response, DR) 결정 모델을 생성하는 방법은, 복수의 제 1 훈련 데이터들을 기반으로 제 1 인공 신경망을 훈련시키는 것에 의해, HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태를 입력받아 상기 건물의 온도를 출력하는 구역 온도 결정 모델을 생성하는 단계; 상기 구역 온도 결정 모델을 모사하는 선형 방정식을 포함하고, 전기 가격 및 열적 상태에 따라 최적해 (Optimal solution) 가 변동되는 전력 공급 스케쥴에 대한 목적 함수를 생성하는 단계; 복수의 전기 가격 프로파일 및 열적 상태 프로파일에 대한 상기 목적 함수의 각각의 최적해들을 결정하는 단계; 및 상기 전기 가격 프로파일, 상기 열적 상태 프로파일 및 상기 결정된 최적해를 각각 포함하는 복수의 제 2 훈련 데이터들을 기반으로 제 2 인공 신경망을 훈련시키는 것에 의해, 전기 가격 프로파일 및 열적 상태 프로파일을 입력받아 HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴을 출력하는 수요 반응 결정 모델을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. Method for generating a demand response (DR) determination model for a heating, air conditioning (HVAC) system of a building according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is , By training a first artificial neural network based on a plurality of first training data, generating an area temperature determination model that receives HVAC system input power and a thermal state of the building and outputs the building temperature; Generating an objective function for a power supply schedule that includes a linear equation that simulates the zone temperature determination model, and that an optimal solution varies according to electricity price and thermal conditions; Determining respective optimal solutions of the objective function for a plurality of electricity price profiles and a thermal state profile; And training the second artificial neural network based on a plurality of second training data each including the electric price profile, the thermal condition profile, and the determined optimal solution, to receive the electric price profile and the thermal condition profile and enter the HVAC system. And generating a demand response determination model outputting a power supply schedule for the power supply.

일 측면에 따르면, 상기 건물은 복수의 구역을 포함하고, 상기 구역 온도 결정 모델은 상기 복수의 구역 각각에 대한 온도를 출력할 수 있다. According to one aspect, the building includes a plurality of zones, and the zone temperature determination model can output temperatures for each of the plurality of zones.

일 측면에 따르면, 상기 복수의 제 1 훈련 데이터들 각각은, 종래의 HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태에 관한 정보 및 상기 종래의 HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태에 따른 상기 복수의 구역 각각에 대한 온도를 포함할 수 있다. According to an aspect, each of the plurality of first training data may include information regarding a conventional HVAC system input power and a thermal state of a building, and each of the plurality of zones according to the conventional HVAC system input power and a thermal condition of a building. It may include a temperature for.

일 측면에 따르면, 상기 건물의 열적 상태는, 대기 온도, 일조량, 풍력, 습도, 빌딩의 열적 부하 및 건물 사용 스케쥴 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. According to one aspect, the thermal state of the building may include at least one of air temperature, sunshine, wind power, humidity, thermal load of the building, and building usage schedule.

일 측면에 따르면, 상기 HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태에 관한 정보는 빌딩 에너지 관리 시스템 (Building Energy Management System, BEMS) 으로부터 획득될 수 있다. According to one aspect, information on the input power of the HVAC system and the thermal state of the building may be obtained from a building energy management system (BEMS).

일 측면에 따르면, 상기 제 1 인공 신경망의 입력층 (Input Layer) 은, 미리 결정된 제 1 시점으로부터 현재 시점까지의 HVAC 시스템 입력 전력, 미리 결정된 제 2 시점으로부터 현재 시점까지의 열적 상태 및 미리 결정된 제 3 시점으로부터 현재 시점 이전 시점까지의 상기 복수의 구역 각각에 대한 온도를 입력 뉴런으로서 포함할 수 있다. According to one aspect, the input layer of the first artificial neural network includes: a HVAC system input power from a first predetermined time point to a current time point, a thermal state from a second predetermined time point to a current time point, and a second predetermined time point. Temperatures for each of the plurality of zones from the time point 3 to the time point before the current time point may be included as an input neuron.

일 측면에 따르면, 상기 제 1 인공 신경망은, 심층 비선형 자동 회귀 네트워크 (Deep nonlinear auto-regressive network, D-NARX) 의 형태로 구현될 수 있다. According to one aspect, the first artificial neural network may be implemented in the form of a deep nonlinear auto-regressive network (D-NARX).

일 측면에 따르면, 상기 제 1 인공 신경망은, 복수의 은닉층 (Hidden Layer) 들을 포함하고, 상기 복수의 은닉층들 중 적어도 하나는, 시그모이드 (Sigmoid) 함수 또는 정류된 선형 유닛 (Rectified Linear Unit, ReLU) 함수를 활성 함수로서 사용할 수 있다. According to an aspect, the first artificial neural network includes a plurality of hidden layers, and at least one of the plurality of hidden layers includes a sigmoid function or a rectified linear unit, ReLU) function can be used as an active function.

일 측면에 따르면, 상기 제 1 인공 신경망은, 입력 데이터들을 정규화하기 위한 전 처리기 (pre-processor) 및 출력 데이터들에 대한 정규화를 되돌리기 위한 후 처리기 (post-processor) 를 포함할 수 있다. According to one aspect, the first artificial neural network may include a pre-processor for normalizing input data and a post-processor for reverting normalization for output data.

일 측면에 따르면, 상기 제 1 인공 신경망은, 하나 이상의 가중 계수 및 하나 이상의 편향 (bias) 값을 포함하고, 상기 가중 계수 및 편향 값은, 정규화 평균 제곱 오차 (Normalized mean squared errors, NMSE) 를 기반으로 결정될 수 있다. According to one aspect, the first artificial neural network includes one or more weighting factors and one or more bias values, and the weighting factors and biasing values are based on normalized mean squared errors (NMSE). It can be determined by.

일 측면에 따르면, 상기 가중 계수 및 편향 값은, 상기 복수의 구역들마다 각각 결정될 수 있다. According to an aspect, the weighting factor and the deflection value may be respectively determined for each of the plurality of zones.

일 측면에 따르면, 상기 구역 온도 결정 모델을 모사하는 선형 방정식은, 상기 제 1 인공 신경망에 포함된 복수의 은닉층들에 각각 상응하는 활성 함수의 부분 선형화를 통해 생성된 부분 선형 방정식을 포함할 수 있다. According to an aspect, the linear equation simulating the zone temperature determination model may include a partial linear equation generated through partial linearization of an active function corresponding to a plurality of hidden layers included in the first artificial neural network. .

일 측면에 따르면, 상기 전력 공급 스케쥴은, 상기 복수의 구역 각각의 온도를 미리 결정된 범위 내로 유지시키면서 시간에 따라 변화하는 전기 가격에 대해 총 전기 비용을 최소화 시키도록 결정될 수 있다. According to one aspect, the power supply schedule may be determined to minimize the total electricity cost for the electricity price changing over time while maintaining the temperature of each of the plurality of zones within a predetermined range.

일 측면에 따르면, 상기 목적 함수는, 총 전기 비용 및 미리 결정된 경계 온도에 대한 초과량들의 합을 최소화하기 위한, 상기 HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴 및 상기 복수의 구역들 각각에 대한 온도를 상기 최적해로서 결정하기 위한 것일 수 있다. According to one aspect, the objective function is to optimize the power supply schedule for the HVAC system and the temperature for each of the plurality of zones to minimize the sum of excess amounts for the total electricity cost and a predetermined boundary temperature. As may be to determine.

일 측면에 따르면, 상기 목적 함수의 상기 복수의 구역 각각의 온도에 대한 경계 조건은, 상기 경계 온도의 하한에 대한 제 1 오프셋 및 상기 경계 온도의 상한에 대한 제 2 오프셋을 허용하고, 상기 제 1 오프셋 및 상기 제 2 오프셋은 상기 복수의 구역별로 상이하게 설정될 수 있다. According to one aspect, the boundary condition for the temperature of each of the plurality of zones of the objective function allows a first offset to the lower limit of the boundary temperature and a second offset to the upper limit of the boundary temperature, and the first The offset and the second offset may be set differently for each of the plurality of zones.

일 측면에 따르면, 상기 제 1 오프셋은 제 1 강화된 오프셋을 초과하지 않고, 상기 제 2 오프셋은 제 2 강화된 오프셋을 초과하지 않도록 설정될 수 있다. According to one aspect, the first offset may not be set to exceed the first enhanced offset, and the second offset may be set not to exceed the second enhanced offset.

일 측면에 따르면, 상기 목적 함수에서, 미리 결정된 상기 건물에 거주자가 존재하지 않는 시간에 대한 HVAC 시스템 입력 전력은 0 으로 설정될 수 있다. According to one aspect, in the objective function, the HVAC system input power for a time when there is no occupant in the predetermined building may be set to zero.

일 측면에 따르면, 상기 전기 가격 프로파일은, 시간에 따라 변화하는 전기 가격에 대한 정보를 포함하고, 상기 열적 상태 프로파일은, 시간에 따라 변화하는 건물의 열적 상태에 대한 정보를 포함할 수 있다. According to an aspect, the electricity price profile may include information on electricity prices that change over time, and the thermal status profile may include information on thermal conditions of buildings that change over time.

일 측면에 따르면, 상기 전력 스케쥴 목적 함수의 최적해들을 각각 결정하는 단계는, 혼합 정수 선형 프로그래밍 (Mixed-integer linear programming, MILP) 을 이용하여 상기 전력 스케쥴 목적 함수의 최적해를 결정할 수 있다. According to an aspect, the step of determining the optimal solutions of the power schedule objective function may determine an optimal solution of the power schedule objective function using mixed-integer linear programming (MILP).

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 구역을 포함하는 건물의 열·공조 (Heating, ventilating, and air-conditioning, HVAC) 시스템에 대한 수요 반응 (Demand Response, DR) 을 수행하기 위한 방법은, 시간에 따라 변화하는 전기 가격에 대한 정보를 포함하는 전기 가격의 예측 프로파일 (Profile) 및 시간에 따라 변화하는 상기 건물의 열적 상태에 관한 정보를 포함하는 열적 상태 예측 프로파일을 획득하는 단계; 및 상기 전기 가격에 대한 정보 및 상기 열적 상태에 관한 정보를 기반으로 상기 건물의 HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. In order to solve the above-described problem, a demand response (DR) for a heating, air conditioning (HVAC) system of a building including a plurality of zones according to another embodiment of the present invention (Demand Response, DR) The method for performing is obtained a prediction profile (Profile) of the electricity price, which includes information about the electricity price, which changes over time, and a thermal condition prediction profile, which includes information about the thermal condition of the building, which changes over time. To do; And determining a power supply schedule for the HVAC system of the building based on the information on the electricity price and the information on the thermal condition.

일 측면에 따르면, 상기 전력 공급 스케쥴을 결정하는 단계는, 앞서 설명된 본 발명의 일 실시예에 따른 수요 반응 결정 모델을 이용하여 상기 전력 공급 스케쥴을 결정하도록 구성될 수 있다. According to an aspect, the step of determining the power supply schedule may be configured to determine the power supply schedule using a demand response determination model according to an embodiment of the present invention described above.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology can have the following effects. However, since the specific embodiment does not mean to include all of the following effects or only the following effects, the scope of rights of the disclosed technology should not be understood as being limited thereby.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법 및 수요 반응을 위한 방법에 따르면, 기계 학습을 이용하여 정상적인 빌딩 운영 조건에서 축적된 데이터를 기반으로 인공 신경망을 학습시키고 이를 부분 선형 방정식을 이용하여 수식으로 모사하여 가격 기반 수요 반응의 최적 스케쥴링 문제에 적용함으로써 간단하고 신속하게 HVAC 시스템의 입력 전력의 최적 스케줄링을 도출할 수 있다. According to the method for generating a demand response determination model for the HVAC system and the method for demand response according to the above-described exemplary embodiment of the present invention, an artificial neural network is based on data accumulated under normal building operating conditions using machine learning. The optimal scheduling of the input power of the HVAC system can be derived simply and quickly by learning and applying it to the optimal scheduling problem of price-based demand response by simulating it as a formula using a partial linear equation.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 수요 반응 결정은 물리 기반 모델링 방법이 아닌, 기계 학습 기법을 적용하여 다양한 종류의 HVAC 시스템과 상업 건물에 즉시 적용할 수 있다. That is, the demand response determination according to an embodiment of the present invention can be applied immediately to various types of HVAC systems and commercial buildings by applying machine learning techniques, not physically-based modeling methods.

또한, 되먹임 루프와 데이터의 전후 처리기, 다중 은닉층을 특징으로 하는 인공 신경망을 모사하고, 이를 이용하여 선형 방정식으로 최적화 문제를 구성해, 혼합 정수 선형 프로그래밍 방법으로 전역 해를 구할 수 있다. In addition, an artificial neural network featuring a feedback loop, before and after processors of data, and multiple hidden layers can be simulated, and by using this, an optimization problem can be constructed with a linear equation to obtain a global solution using a mixed integer linear programming method.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 감독 학습 지원 메타 예측 방법은 24시간 동안의 빌딩의 열적 상태와 가변하는 전기 가격에 대한 HVAC 시스템 입력 전력의 최적 스케줄링을 즉시 도출해낼 수 있다. 이는 계산 시간을 현저히 단축시켜, 전기 가격 신호를 통한 배전망 내 HVAC 시스템의 전체 부하 수요량 조절로 배전 시스템 운영자에게 도움이 되도록 할 수 있다. Furthermore, the super prediction learning meta prediction method according to an embodiment of the present invention can immediately derive the optimal scheduling of the input power of the HVAC system for the thermal condition of the building for 24 hours and the variable electricity price. This can significantly shorten the calculation time and help the distribution system operator by adjusting the total load demand of the HVAC system in the distribution network through the electricity price signal.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 수요 반응 스케쥴링을 위한 알고리즘의 흐름도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법의 흐름도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템의 수요 반응을 수행하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 인공 신경망의 구조를 나타낸다.
도 5 는 도 4 의 J 번째 은닉층의 상세도이다.
도 6 은 도 4 의 K 번째 은닉층의 상세도이다.
도 7 은 도 4 의 L 번째 은닉층의 상세도이다.
도 8 은 시그모이드 함수를 이용한 활성 함수의 부분 선형 근사의 예시도이다.
도 9 는 ReLU 함수를 이용한 활성 함수의 부분 선형 근사의 예시도이다.
도 10 은 목적 함수의 최적해에 관한 데이터 세트의 처리를 나타낸다.
도 11 은 제 2 인공 신경망의 학습을 위한 훈련 데이터 세트의 처리를 나타낸다.
도 12 는 학습된 제 2 인공 신경망을 이용한 최적 수요 반응 스케쥴링 결정을 나타낸다.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 수요 반응 알고리즘을 나타낸다.
1 is a flowchart of an algorithm for scheduling an optimal demand response according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart of a method for generating a demand response determination model for an HVAC system according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart of a method for performing demand response of an HVAC system according to an embodiment of the present invention.
4 shows the structure of a first artificial neural network according to an embodiment of the present invention.
5 is a detailed view of the J-th hidden layer of FIG. 4.
6 is a detailed view of the K-th concealment layer in FIG. 4.
7 is a detailed view of the L-th concealment layer in FIG. 4.
8 is an example of partial linear approximation of an active function using a sigmoid function.
9 is an exemplary diagram of partial linear approximation of an active function using a ReLU function.
10 shows the processing of a data set relating to the optimal solution of the objective function.
11 shows processing of a training data set for learning a second artificial neural network.
12 shows an optimal demand response scheduling decision using the learned second artificial neural network.
13 shows an optimal demand response algorithm according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.The present invention can be applied to various changes and can have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, the first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component. The term and / or includes a combination of a plurality of related described items or any one of a plurality of related described items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When an element is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described herein, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the overall understanding in describing the present invention, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions for the same components are omitted.

개요summary

본 발명의 일 측면에 따르면, 기계 학습을 이용하여 다중 구역 빌딩의 HVAC 시스템을 최적 수요 반응에 이용할 수 있는 방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, a method is provided in which an HVAC system in a multi-zone building can be used for optimal demand response using machine learning.

본 발명의 일 측면에 따라 개시되는 방법은, 정상적인 빌딩 운영 조건에서 축적된 데이터를 기반으로 제 1 인공 신경망을 학습시킨 후, 학습된 제 1 인공 신경망을 부분 선형 방정식 (piecewise linear equation) 을 사용하여 수식으로 모사하고 이를 가격 기반 수요 반응의 최적 스케줄링 문제에 적용할 수 있다. 최적 스케줄링 문제는 다양한 전기 가격과 빌딩의 열적 조건에 대해 풀며, 그 결과 도출되는 목적 함수의 최적해 (optimal solution) 는 최적 수요 반응 스케줄링 결정에 사용될 제 2 인공 신경망 (예를 들어, 심층 신경망 (deep neural network)) 을 학습시키는 데에 사용될 수 있다. 본 발명을 일 측면에 따라, 해당 알고리즘은 감독 학습을 이용한 메타 예측 (Supervised-learning-aided meta-prediction, SLAMP) 이라고 지칭될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기계 학습 기반의 전략은 거주자의 열적 선호도와 비용 효율적 작동을 해치지 않으면서 실제 적용될 수 있고 계산 시간의 관점에서 효율적으로 작동될 수 있다. The method disclosed in accordance with an aspect of the present invention, after learning a first artificial neural network based on data accumulated under normal building operating conditions, uses the learned first artificial neural network using a piecewise linear equation The equation can be simulated and applied to the optimal scheduling problem of price-based demand response. The optimal scheduling problem is solved for various electricity prices and thermal conditions of the building, and the resulting optimal solution is a second neural network (e.g., deep neural network) to be used to determine optimal demand response scheduling. network)). According to an aspect of the present invention, the algorithm may be referred to as supervised-learning-aided meta-prediction (SLAMP) using supervised learning. The machine learning-based strategy according to an embodiment of the present invention can be practically applied without compromising the thermal preference and cost-effective operation of the occupant and can be efficiently operated in terms of calculation time.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기계 학습을 이용하여 다중 구역 상업용 건물에서의 HVAC 시스템이 최적으로 수요 반응에 참여할 수 있는 새로운 방법이 개시된다. 이는 HVAC 시스템의 입력 전력을 시간에 대해 연속적으로 스케줄링하는 것으로, 구역 (zone) 내 온도를 일정 범위 내로 유지시키면서 시간에 따라 변하는 전기 가격에 대해 최적으로 결정된다. More specifically, according to one aspect of the present invention, a new method is disclosed in which a HVAC system in a multi-zone commercial building can optimally participate in demand response using machine learning. This is to continuously schedule the input power of the HVAC system over time, which is optimally determined for the electricity price that changes over time while keeping the temperature in the zone within a certain range.

HVAC 시스템의 입력 전력 변화에 대한 각 구역들의 온도 변화를 예측하기 위해 되먹임 루프 (feedback loop) 와 시간 지연된 입력, 다중 은닉층 (multiple hidden layers) 이 적용된 제 1 인공 신경망 (artificial neural network, ANN) 모델이 구현될 수 있다. 감독 학습 알고리즘을 이용하여, 위와 같은 제 1 인공 신경망 모델은 정상 상태에서의 빌딩 운영 데이터로 학습되고, 이후 부분 선형 방정식의 집합으로 모사된다. 최적의 수요 반응 스케줄링을 위해, 최적화 문제를 선형 방정식으로 구성하고, 혼합 정수 선형 프로그래밍 (Mixed-Integer Linear Programming, MILP) 을 이용하여 전역 최적해를 도출할 수 있다. 다양한 전기 가격의 프로파일 (profile) 과 빌딩의 열적 상태를 고려하여 도출된 최적해는 제 2 인공 신경망 (예를 들어, 심층 신경망) 모델을 학습하는 데에 사용되며, 이후 제 2 인공 신경망 모델은 최적화 문제를 풀지 않고도 즉각적으로 최적의 수요 반응 스케줄을 도출하는 데에 사용된다. 이를 통틀어 감독 학습 지원 메타 예측 (Supervised-Learning-Aided Meta-Prediction, SLAMP) 알고리즘이라 지칭할 수 있다.A first artificial neural network (ANN) model with feedback loops, time delayed inputs and multiple hidden layers to predict the temperature change of each zone for input power changes in the HVAC system Can be implemented. Using the supervised learning algorithm, the above first artificial neural network model is trained with building operation data in a steady state, and then simulated as a set of partial linear equations. For optimal demand response scheduling, the optimization problem can be composed of linear equations, and global optimal solutions can be derived using mixed-integer linear programming (MILP). The optimal solution derived by considering the profile of various electricity prices and the thermal state of the building is used to train the second artificial neural network (eg, deep neural network) model, and then the second artificial neural network model is an optimization problem. It is used to instantly derive an optimal demand response schedule without solving the problem. This can be referred to as a supervised-learning-aided meta-prediction (SLAMP) algorithm.

본 발명의 일 측면에 따른 SLAMP 알고리즘에 따르면, 제시된 알고리즘은 물리 기반 모델링 방법이 아닌, 기계 학습 기법을 적용하므로 다양한 종류의 HVAC 시스템과 상업 건물에 즉시 적용할 수 있는 유리한 효과를 가진다. 또한, 되먹임 루프와 데이터의 전후 처리기, 다중 은닉층을 특징으로 하는 제 1 인공 신경망을 모사한 것이 알고리즘의 주요 기술적 특징으로서 포함될 수 있으며, 이를 이용하여 선형 방정식으로 최적화 문제를 구성하고, 혼합 정수 선형 프로그래밍 방법으로 전역 최적해를 구할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 측면에 따른 감독 학습 지원 메타 예측 방법은 24시간 동안의 빌딩의 열적 상태와 가변하는 전기 가격에 대한 HVAC 시스템 입력 전력의 최적 스케줄링을 즉시 도출해낼 수 있다. 이는 계산 시간을 현저히 단축시켜, 전기 가격 신호를 통한 배전망 내 HVAC 시스템의 전체 부하 수요량 조절로 배전 시스템 운영자에게 도움이 되도록 할 수 있다. According to the SLAMP algorithm according to an aspect of the present invention, the proposed algorithm has an advantageous effect that can be applied immediately to various types of HVAC systems and commercial buildings because it applies machine learning techniques, not physically-based modeling methods. In addition, a simulation of the first artificial neural network, which features a feedback loop, before and after processors of data, and multiple hidden layers can be included as the main technical features of the algorithm. The method can be used to find the global optimal solution. Furthermore, the super prediction learning meta prediction method according to an aspect of the present invention can immediately derive the optimal scheduling of the input power of the HVAC system for the thermal condition of the building for 24 hours and the variable electricity price. This can significantly shorten the calculation time and help the distribution system operator by adjusting the total load demand of the HVAC system in the distribution network through the electricity price signal.

HVAC 시스템 운영에 대한 다중 구역 빌딩의 열적 반응의 감독 학습Supervised learning of the thermal response of multi-zone buildings to the operation of HVAC systems

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적 수요 반응 스케쥴링을 위한 알고리즘의 흐름도이다. 즉, 도 1 은 본 발명의 일 측면에 따른, 기계 학습 기반 수요 반응 전략 알고리즘에 관한 개략적인 내용이다. 본 발명의 일 측면에 따른 알고리즘은 크게 세 가지 단계로 구분될 수 있다. 먼저, (a) HVAC 시스템 운영과 빌딩의 열적 상태에 관한 모델링을 위해 제 1 인공 신경망을 구현할 수 있다. 이후, (b) 제 1 인공 신경망에 대한 선형 방정식으로의 모사 방법을 이용하여 최적화 문제를 구성하고 최적해 (Optimal Solution) 를 도출할 수 있다. 이어서, (c) 최적의 수요 반응 스케줄링을 구하기 위해 앞서 도출한 최적해를 이용하여 감독 학습 지원 메타 예측 알고리즘을 구현한다. 1 is a flowchart of an algorithm for scheduling an optimal demand response according to an embodiment of the present invention. That is, FIG. 1 is a schematic view of a machine learning-based demand response strategy algorithm according to an aspect of the present invention. The algorithm according to an aspect of the present invention can be roughly divided into three steps. First, (a) the first artificial neural network can be implemented for the operation of the HVAC system and modeling of the thermal state of the building. Subsequently, (b) an optimization problem may be constructed and an optimal solution may be derived using a simulation method as a linear equation for the first artificial neural network. Subsequently, (c) a meta prediction algorithm for supervised learning is implemented using the optimal solution derived above in order to obtain an optimal demand response scheduling.

도 1 을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 측면에 따른 알고리즘을 수행하기 위해, 먼저, 목적이 되는 다중 구역 빌딩의 HVAC 시스템 운영과 열적 조건 (날씨, 구역 온도 등) 에 관한 빌딩 에너지 관리 시스템 (Building Energy Management System, BEMS) 의 데이터를 처리할 수 있다 (단계 10). Referring to FIG. 1, in order to perform an algorithm according to an aspect of the present invention, first, a building energy management system relating to HVAC system operation and thermal conditions (weather, zone temperature, etc.) of a target multi-zone building ( Building Energy Management System (BEMS) (step 10).

예를 들어 BEMS 로부터 획득한, 주어진 HVAC 시스템 운영 조건 (예를 들어, 전력 공급의 프로파일) 과 열적 조건 (예를 들어, 대기 온도, 일조량 등의 건물 환경에 대한 값) 에서의 구역 온도 추정을 위한 제 1 인공 신경망 모델 학습 (도 4 참조) 을 수행할 수 있다 (단계 20). 이후, 선형 및 부분 선형 방정식을 이용하여 제 1 인공 신경망 모델을 모사 (전·후 처리기 이용, 수학식 2 내지 11 참조) 할 수 있고 (단계 30), 이를 이용하여 가격 기반의 수요 반응 스케쥴링에 관한 최적화 문제를 정형화 (수학식 5 내지 25 참조) 할 수 있다 (단계 40). 혼합 정수 선형 프로그래밍 (MILP) 을 이용하여 수학식 5 내지 25 의 최적해를 도출할 수 있다 (단계 50). 위와 같은 단계 20 내지 단계 50 은 HVAC 시스템의 운영 및 열적 조건에 따른 구역 온도 추정에 대한 인공 신경망 모사 방법 (1) 으로서 지칭될 수 있다. For estimating zone temperature under given HVAC system operating conditions (e.g. power supply profile) and thermal conditions (e.g. values for the building environment such as air temperature, sunlight, etc.) obtained from BEMS The first artificial neural network model training (see FIG. 4) may be performed (step 20). Subsequently, the first artificial neural network model can be simulated using linear and partial linear equations (using pre- and post-processors, see Equations 2 to 11) (step 30), and using this, regarding price-based demand response scheduling The optimization problem can be formulated (see equations 5-25) (step 40). The optimal solution of equations 5 to 25 can be derived using mixed integer linear programming (MILP) (step 50). The above steps 20 to 50 may be referred to as an artificial neural network simulation method (1) for estimating the zone temperature according to the operating and thermal conditions of the HVAC system.

다시 도 1 을 참조하면, 복수의 열적 조건 및 전기 가격의 프로파일에 따른 각각의 목적 함수의 최적해들을 산출할 수 있다. 구체적으로, 혼합 정수 선형 프로그래밍 (MILP) 을 이용하여 수학식 5 내지 25 의 가격 기반의 수요 반응 스케쥴링에 관한 정형화된 최적화 목적 함수에 대한 최적해를 도출 (단계 50) 하는 것을, 빌딩 열적 조건과 전기 가격의 다양한 프로파일에 대하여 반복 (도 13 의 알고리즘 1 -파트 1 참조) 할 수 있다 (단계 60). 빌딩 열적 조건과 전기 가격의 다양한 프로파일, 그리고 각각 도출된 최적해들을 기반으로, HVAC 시스템의 최적 수요 반응 스케쥴을 위한 제 2 인공 신경망 (예를 들어, 심층 신경망) 의 학습 (도 13 의 알고리즘 1 - 파트 2 참조) 을 수행할 수 있다 (단계 70). 위와 같은 단계 50 내지 단계 70 은 SLAMP 방법으로 지칭될 수 있다. Referring again to FIG. 1, it is possible to calculate optimal solutions of each objective function according to a plurality of thermal conditions and electricity price profiles. Specifically, deriving an optimal solution for a standardized optimization objective function for price-based demand response scheduling of equations 5 to 25 using mixed integer linear programming (MILP) (step 50), building thermal conditions and electricity price Iterate over a variety of profiles (see Algorithm 1 -Part 1 of Figure 13) (step 60). Learning a second artificial neural network (e.g., deep neural network) for the optimal demand response schedule of the HVAC system based on the building thermal conditions, various profiles of electricity prices, and the derived optimal solutions, respectively (Algorithm 1-Part of Figure 13) 2) (step 70). The above steps 50 to 70 may be referred to as a SLAMP method.

이후, 훈련된 제 2 인공 신경망을 기반으로, 시변 전기 가격 및 빌딩 열적 조건을 반영한 HVAC 시스템의 최적 수요 반응 스케쥴링 신속하고 간단하게 도출할 수 있다 (단계 80). Then, based on the trained second artificial neural network, it is possible to quickly and simply derive the optimal demand response scheduling of the HVAC system reflecting the time-varying electricity price and building thermal conditions (step 80).

본 발명의 다른 측면에 따라, 상기와 같은 알고리즘은 HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법과, 생성된 모델을 기반으로 HVAC 시스템의 수요 반응을 수행하기 위한 방법으로 구분되어 정의될 수 있다. According to another aspect of the present invention, the above-described algorithm may be divided into and defined as a method for generating a demand response determination model for the HVAC system and a method for performing a demand response for the HVAC system based on the generated model. .

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법의 흐름도이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법은, 건물의 열·공조 (Heating, ventilating, and air-conditioning, HVAC) 시스템에 대한 수요 반응 (Demand Response, DR) 결정 모델을 생성하는 방법으로서, 상기 건물은 복수의 구역을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 단일 구역을 가지는 건물에 대해서도 적용될 수 있다. 2 is a flowchart of a method for generating a demand response determination model for an HVAC system according to an embodiment of the present invention. As illustrated in FIG. 2, a method for generating a demand response determination model for an HVAC system according to an embodiment of the present invention includes a heating, ventilating, and air-conditioning (HVAC) system for a building. As a method of generating a demand response (DR) decision model, the building may include a plurality of zones. However, the method according to an embodiment of the present invention can be applied to a building having a single zone.

먼저, 복수의 제 1 훈련 데이터들을 기반으로 제 1 인공 신경망을 훈련시키는 것에 의해, HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태를 입력받아 복수의 구역 각각에 대한 온도를 출력하는 구역 온도 결정 모델을 생성할 수 있다 (단계 210). First, by training a first artificial neural network based on a plurality of first training data, a zone temperature determination model that receives input power of the HVAC system and a thermal state of a building and outputs temperatures for each of the plurality of zones is generated. Can (step 210).

이후, 위와 같이 생성된 구역 온도 결정 모델을 모사하는 선형 방정식을 포함하고, 전기 가격 및 열적 상태에 따라 최적해 (Optimal solution) 가 변동되는 전력 공급 스케쥴에 대한 목적 함수를 생성할 수 있고 (단계 220), 복수의 전기 가격 프로파일 및 열적 상태 프로파일에 대해 앞서 생성된 목적 함수의 각각의 최적해들을 결정한다 (단계 230). Subsequently, it includes a linear equation that simulates the zone temperature determination model generated as above, and can generate an objective function for the power supply schedule in which the optimal solution varies depending on the electricity price and thermal conditions (step 220). , Determine the respective optimal solutions of the objective function generated above for the plurality of electricity price profiles and the thermal state profile (step 230).

이어서, 전기 가격 프로파일, 열적 상태 프로파일 및 결정된 최적해를 각각 포함하는 복수의 제 2 훈련 데이터들을 기반으로 제 2 인공 신경망을 훈련시키는 것에 의해, 전기 가격 프로파일 및 열적 상태 프로파일을 입력받아 HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴을 출력하는 수요 반응 결정 모델을 생성할 수 있다 (단계240). Then, by training a second artificial neural network based on a plurality of second training data each including an electric price profile, a thermal condition profile, and a determined optimal solution, the electric price profile and the thermal condition profile are input and power for the HVAC system is received. A demand response determination model that outputs a supply schedule may be generated (step 240).

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템의 수요 반응을 수행하기 위한 방법의 흐름도이다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템의 수요 반응을 수행하기 위한 방법은, 건물의 열·공조 (Heating, ventilating, and air-conditioning, HVAC) 시스템에 대한 수요 반응 (Demand Response, DR) 을 수행하기 위한 방법으로서, 상기 건물은 복수의 구역을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 단일 구역을 가지는 건물에 대해서도 적용될 수 있다. 3 is a flowchart of a method for performing demand response of an HVAC system according to an embodiment of the present invention. As shown in Figure 3, the method for performing the demand response of the HVAC system according to an embodiment of the present invention, the heating and air conditioning of buildings (Heating, ventilating, and air-conditioning, HVAC) system demand response As a method for performing (Demand Response, DR), the building may include a plurality of zones. However, the method according to an embodiment of the present invention can be applied to a building having a single zone.

먼저, 시간에 따라 변화하는 전기 가격에 대한 정보를 포함하는 전기 가격의 예측 프로파일 (Profile) 및 시간에 따라 변화하는 건물의 열적 상태에 관한 정보를 포함하는 열적 상태 예측 프로파일을 획득하여 (단계 310), 전기 가격에 대한 정보 및 상기 열적 상태에 관한 정보를 기반으로 건물의 HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴을 결정 (단계 320) 할 수 있다. 이러한 결정은 앞서 설명된 수요 반응 결정 모델을 기반으로 수행될 수 있다. First, a prediction profile (Profile) of an electricity price including information about an electricity price changing over time and a thermal condition prediction profile including information on a thermal condition of a building changing over time are obtained (step 310). , It is possible to determine the power supply schedule for the HVAC system of the building based on the information on the electricity price and the thermal condition (step 320). This determination can be made based on the demand response decision model described above.

이하, 전술한 본 발명의 실시예들에 따른 알고리즘 및/또는 방법의 각 단계들에 대해서 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, each step of the algorithm and / or method according to the above-described embodiments of the present invention will be described in more detail.

인공 신경망 구조 및 학습Artificial neural network structure and learning

도 2 를 참조하여 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법은, 먼저 복수의 제 1 훈련 데이터들을 기반으로 제 1 인공 신경망을 훈련시키는 것에 의해, HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태를 입력받아 건물의 온도를 출력하는 구역 온도 결정 모델을 생성할 수 있다 (단계 210). 건물이 복수의 구역을 포함할 경우, 구역 온도 결정 모델은 복수의 구역 각각에 대한 온도를 출력할 수 있다. As described above with reference to FIG. 2, a method of generating a demand response determination model for an HVAC system according to an embodiment of the present invention includes first training a first artificial neural network based on a plurality of first training data. By this, it is possible to generate an area temperature determination model that receives the input power of the HVAC system and the thermal state of the building and outputs the building temperature (step 210). When a building includes a plurality of zones, the zone temperature determination model can output temperatures for each of the plurality of zones.

관련하여, 먼저 구역 온도 결정 모델을 생성하기 위한 제 1 인공 신경망의 구조 및 학습에 대해서 보다 구체적으로 설명한다. 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 인공 신경망의 구조를 나타내고, 도 5 는 도 4 의 J 번째 은닉층의 상세도이고, 도 6 은 도 4 의 K 번째 은닉층의 상세도이며, 도 7 은 도 4 의 L 번째 은닉층의 상세도이다. In relation to this, first, the structure and learning of the first artificial neural network for generating the zone temperature determination model will be described in more detail. Figure 4 shows the structure of the first artificial neural network according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a detailed view of the J-th hidden layer of Figure 4, Figure 6 is a detailed view of the K-th hidden layer of Figure 4, Figure 7 Is a detailed view of the L-th concealment layer in FIG. 4.

임의의 시간 (t) 에 따른 각 구역 (z) 에서의 실내 온도 (

Figure pat00001
) 는 해당 시점 이전 (t-τ) 부터 원래 시점 (t) 까지의 다중 구역 빌딩의 열적 상태 (Et) 와 HVAC 시스템의 입력 전력 (Pt) 에 의해 결정될 수 있다. 만약 빌딩의 열적 상태 (Et) 와 설비의 입력 전력 (Pt) 이 동일하다면 이전 시점에서의 실내 온도(
Figure pat00002
)가 현재 온도(
Figure pat00003
)에 직접적으로 영향을 준다. 즉, 현재 온도(
Figure pat00004
)는 빌딩의 열 동적 설계 (thermal dynamics) 의 상태 공간 모델 (state-space model) 에서 출력 결과일 뿐만 아니라 상태 변수로 사용된다. 이를 통해 열 동적 설계에 있어서, 과거의 입력 전력과 열적 상태를 입력으로 받고, 실내 온도에 대해 되먹임 루프로 구성된 인공 신경망 모델이 적합하다는 것을 알 수 있다. Room temperature in each zone (z) over an arbitrary time (t)
Figure pat00001
) Can be determined by the thermal state (E t ) of the multi-zone building from the time point (t-τ) to the original time point ( t ) and the input power (P t ) of the HVAC system. If the thermal condition of the building (E t ) and the input power of the facility (P t ) are the same, the room temperature at the previous point (
Figure pat00002
) Is the current temperature (
Figure pat00003
) Directly. That is, the current temperature (
Figure pat00004
) Is used as a state variable as well as an output result from the state-space model of the building's thermal dynamics. Through this, it can be seen that, in the thermal dynamic design, an artificial neural network model composed of a feedback loop for the room temperature receiving the input power and the thermal state of the past is suitable.

관련하여, 제 1 인공 신경망을 훈련시키기 위한 복수의 제 1 훈련 데이터들 각각은, 종래의 HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태에 관한 정보 및 상기 종래의 HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태에 따른 복수의 구역 각각에 대한 온도를 포함할 수 있다. In relation, each of the plurality of first training data for training the first artificial neural network may include information regarding the conventional HVAC system input power and the thermal state of the building and the conventional HVAC system input power and thermal state of the building. It may include a temperature for each of the plurality of zones.

보다 구체적으로, 도 4 내지 7 에 도시된 바와 같이, 제 1 인공 신경망의 입력층 (Input Layer) 은, 미리 결정된 제 1 시점으로부터 현재 시점까지의 HVAC 시스템 입력 전력, 미리 결정된 제 2 시점으로부터 현재 시점까지의 열적 상태 및 미리 결정된 제 3 시점으로부터 현재 시점 이전 시점까지의 상기 복수의 구역 각각에 대한 온도를 입력 뉴런으로서 포함할 수 있다. More specifically, as illustrated in FIGS. 4 to 7, the input layer of the first artificial neural network includes: HVAC system input power from a first predetermined time point to a current time point, and a second current time point from a predetermined second time point. A thermal state up to and a temperature for each of the plurality of zones from a predetermined third time point to a time point before the current time point may be included as an input neuron.

또한, 모델의 정확도를 높이기 위해, 시그모이드 (sigmoid) 함수 혹은 정류된 선형 유닛 (rectified linear unit, ReLU) 함수를 활성 함수로 사용하는 다중 은닉층이 사용될 수 있다. 결과적으로 도 4 내지 7 에 도시된 바와 같이 제 1 인공 신경망 모델은 외인성 (exogenous) 입력을 갖는 심층 비선형 자동 회귀 네트워크 (a deep nonlinear auto-regressive network, D-NARX) 의 형태로 구현될 수 있다. 또한 다른 형태를 갖는 다중 층의 네트워크들을 일부 수정하여 해당 알고리즘에 적용할 수 있다. Further, in order to increase the accuracy of the model, multiple hidden layers using a sigmoid function or a rectified linear unit (ReLU) function as an active function may be used. As a result, as shown in FIGS. 4 to 7, the first artificial neural network model may be implemented in the form of a deep nonlinear auto-regressive network (D-NARX) with exogenous input. In addition, it is possible to modify some of the multi-layer networks with different forms and apply them to the algorithm.

일 측면에 따르면, 제 1 인공 신경망 모델은, 입력 데이터들을 정규화하기 위한 전 처리기 (pre-processor) 및 출력 데이터들에 대한 정규화를 되돌리기 위한 후 처리기 (post-processor) 를 포함할 수 있다. According to one aspect, the first artificial neural network model may include a pre-processor for normalizing input data and a post-processor for reverting normalization for output data.

구체적으로, 제 1 인공 신경망 모델은 입력 데이터 세트(

Figure pat00005
) 를 정규화 (normalization) 하기 위한 전 처리기 (pre-processor) 를 포함할 수 있다. 이는 학습 알고리즘 내 미분값 (gradient) 이 매우 작아져 인공 신경망의 학습 속도가 느려지는 것을 방지할 수 있다. 빌딩 에너지 관리 시스템 (Building Energy Management System, BEMS) 의 빌딩 운영 데이터 유효성을 기반으로, 빌딩의 열적 상태 (Et) 는 대기 온도, 일조량, 풍력, 습도, 빌딩의 열적 부하 그리고 건물 사용 스케쥴 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있고, 각 항목들은 서로 다른 범위의 값을 갖는다. 후 처리기 (post-processor) 는 정규화된 실내 온도 (
Figure pat00006
) 를 원래 온도 (
Figure pat00007
) 의 범위로 역 변환하는 데에 사용된다. Specifically, the first artificial neural network model includes an input data set (
Figure pat00005
) May include a pre-processor for normalization. This can prevent the learning speed of the artificial neural network from slowing down because the gradient in the learning algorithm is very small. Based on the validity of the building operation data of the Building Energy Management System (BEMS), the thermal state of the building (E t ) is at least one of air temperature, sunshine, wind, humidity, thermal load on the building, and building usage schedule. It may contain the above, and each item has a different range of values. The post-processor is a normalized room temperature (
Figure pat00006
) To the original temperature (
Figure pat00007
) Is used to inverse transform to a range.

도 4 내지 7 에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 인공 신경망은, 하나 이상의 가중 계수 및 하나 이상의 편향 (bias) 값을 포함할 수 있다. 학습 과정 동안 가중 계수들 (

Figure pat00008
,
Figure pat00009
,
Figure pat00010
) 과 편향 (bias) 값 (
Figure pat00011
,
Figure pat00012
) 은 정규화 평균 제곱 오차 (normalized mean squared errors, NMSE) 를 기반으로 모든 뉴런 (입력, 은닉, 출력 뉴런) 에 대해 결정될 수 있다. 4 to 7, the first artificial neural network may include one or more weighting factors and one or more bias values. Weighting factors during the learning process (
Figure pat00008
,
Figure pat00009
,
Figure pat00010
) And bias values (
Figure pat00011
,
Figure pat00012
) Can be determined for all neurons (input, concealment, output neurons) based on normalized mean squared errors (NMSE).

Figure pat00013
Figure pat00013

상기 수학식 1 에서

Figure pat00014
은 실내 온도 (
Figure pat00015
) 의 모델 예측 값이며,
Figure pat00016
는 전체 학습 (혹은 테스트) 데이터 세트의 개수이다. 네트워크의 복잡성을 고려하여 가중 계수와 편향 값들은 스케줄링 기간 (
Figure pat00017
) 동안 일정하도록 설정될 수 있다. 제 1 인공 신경망의 가중 계수 및 편향 값은, 건물에 포함된 복수의 구역들마다 각각 결정될 수 있고, 따라서 각 구역에 대해 제 1 인공 신경망 모델은 상이한 가중 계수와 편향 값을 가질 수 있다. 이전 실내 온도 (
Figure pat00018
) 를 제외한 입력과 활성 함수, 네트워크 구조는 모든 구역에 대해 동일하게 설정될 수 있다. In Equation 1 above
Figure pat00014
Silver room temperature (
Figure pat00015
) Is the model predicted value,
Figure pat00016
Is the total number of training (or test) data sets. Considering the complexity of the network, the weighting factors and bias values are used for the scheduling period (
Figure pat00017
). The weighting coefficient and bias value of the first artificial neural network may be determined for each of a plurality of zones included in the building, and thus, for each zone, the first artificial neural network model may have different weighting coefficients and bias values. Previous room temperature (
Figure pat00018
Except for), the input, active function, and network structure can be set the same for all zones.

학습된 인공 신경망 모델의 부분 선형 모사Partial linear simulation of a trained artificial neural network model

다시 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법은, 앞서 제 1 인공 신경망을 학습하여 생성된 구역 온도 결정 모델을 모사하는 선형 방정식을 도출할 수 있다 (단계 220). Referring back to FIG. 2, a method of generating a demand response determination model for an HVAC system according to an embodiment of the present invention derives a linear equation that simulates a zone temperature determination model generated by learning a first artificial neural network. You can (step 220).

앞서 도 4 내지 7 을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 제 1 인공 신경망은, 복수의 은닉층 (Hidden Layer) 들을 포함하고, 복수의 은닉층들 중 적어도 하나는, 시그모이드 (Sigmoid) 함수 또는 정류된 선형 유닛 (Rectified Linear Unit, ReLU) 함수를 활성 함수로서 사용할 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 구역 온도 결정 모델을 모사하는 선형 방정식은, 제 1 인공 신경망에 포함된 복수의 은닉층들에 각각 상응하는 활성 함수의 부분 선형화를 통해 생성된 부분 선형 방정식을 포함할 수 있다. As described above with reference to FIGS. 4 to 7, the first artificial neural network according to an aspect of the present invention includes a plurality of hidden layers, and at least one of the plurality of hidden layers is sigmoid ) Function or Rectified Linear Unit (ReLU) function can be used as the active function. According to one aspect, the linear equation simulating the zone temperature determination model may include a partial linear equation generated through partial linearization of an active function corresponding to a plurality of hidden layers included in the first artificial neural network.

구체적으로, 학습된 제 1 인공 신경망의 구역 온도 결정 모델은 선형 방정식과 부분적 선형 방정식으로 모사되어 도 2 의 단계 220 에서 다뤄지는 최적화 문제에 적용된다. 도 4 내지 7 을 참조하면, 예를 들어 첫번째 은닉 층에 존재하는 j 번째 은닉 뉴런 (hidden neuron) 의 출력(

Figure pat00019
)은 아래의 수학식 2 와 같이 계산될 수 있다. 여기서
Figure pat00020
는 특정 구역 (Z) , 특정 시간 (t) 에서 i 번째 입력 뉴런의 정규화된 입력 데이터를 의미한다.Specifically, the model for determining the zone temperature of the learned first artificial neural network is applied to the optimization problem addressed in step 220 of FIG. 2 by simulating a linear equation and a partial linear equation. 4 to 7, for example, the output of the j-th hidden neuron (hidden neuron) present in the first hidden layer (
Figure pat00019
) Can be calculated as in Equation 2 below. here
Figure pat00020
Denotes normalized input data of the i-th input neuron at a specific zone (Z) and at a specific time (t).

Figure pat00021
Figure pat00021

이와 비슷하게, k 번째 은닉 뉴런의 출력값 (

Figure pat00022
) 은 이전 은닉 뉴런 (j, j = k - 1) 의 활성 함수의 출력값 (
Figure pat00023
) 을 이용하여 아래의 수학식 3 과 같이 계산될 수 있다.Similarly, the output of the kth hidden neuron (
Figure pat00022
) Is the output of the active function of the previous hidden neuron (j, j = k-1) (
Figure pat00023
) Can be calculated as in Equation 3 below.

Figure pat00024
Figure pat00024

수학식 3 의 j 번째 활성 함수의 출력 (

Figure pat00025
) 은
Figure pat00026
로 표현될 수 있으며, 활성 함수의 종류에 따라 하기의 수학식 4 의 첫 행 또는 두번째 행과 같이 계산될 수 있다. 시그모이드 함수와 ReLu 함수에 대하여 각각 수학식 4 의 첫 행과 두번째 행과 같이 나타낼 수 있다.Output of j-th active function in Equation (3)
Figure pat00025
) Silver
Figure pat00026
It can be represented by, and can be calculated as the first or second row of Equation 4 below according to the type of the active function. The sigmoid function and the ReLu function can be expressed as the first row and the second row of Equation 4, respectively.

Figure pat00027
Figure pat00027

도 8 은 시그모이드 함수를 이용한 활성 함수의 부분 선형 근사의 예시도이고, 도 9 는 ReLU 함수를 이용한 활성 함수의 부분 선형 근사의 예시도이다. 도 8 내지 9 에 도시된 바와 같이, 모든 은닉 뉴런들의 활성 함수는 아래의 수학식 5 내지 8 과 같이 부분 선형화를 이용하여 나타낼 수 있다.8 is an exemplary diagram of partial linear approximation of an active function using a sigmoid function, and FIG. 9 is an exemplary diagram of partial linear approximation of an active function using a ReLU function. 8 to 9, the activity function of all hidden neurons can be represented using partial linearization as shown in Equations 5 to 8 below.

Figure pat00028
Figure pat00028

Figure pat00029
Figure pat00029

Figure pat00030
Figure pat00030

Figure pat00031
Figure pat00031

Figure pat00032
Figure pat00032

수학식 5 에서

Figure pat00033
는 부분 선형 블록의 수를 나타내며,
Figure pat00034
Figure pat00035
의 최솟값,
Figure pat00036
Figure pat00037
의 s번째 선형 구분에 해당하는 활성 함수의 출력 값 (
Figure pat00038
) 의 기울기를 부분 선형화한 결과이다. 수학식 6 내지 8 에서
Figure pat00039
Figure pat00040
의 s번째 선형 구간에 해당하는 활성 함수 입력 값을 의미하며,
Figure pat00041
은 구분 선형화를 완성하기 위한 이진 변수를 의미한다. 비슷하게, 출력 뉴런의 출력은 아래의 수학식 9 와 같다. 여기서
Figure pat00042
은 마지막 은닉층에 존재하는 뉴런의 개수이다.In Equation 5
Figure pat00033
Denotes the number of partial linear blocks,
Figure pat00034
The
Figure pat00035
The minimum value of,
Figure pat00036
The
Figure pat00037
The output value of the active function corresponding to the s-th linear division of (
Figure pat00038
) Is the result of partial linearization of the slope. In equations 6 to 8
Figure pat00039
silver
Figure pat00040
Means the input value of the active function corresponding to the s-th linear interval of
Figure pat00041
Denotes a binary variable to complete classification linearization. Similarly, the output of the output neuron is shown in Equation 9 below. here
Figure pat00042
Is the number of neurons present in the last hidden layer.

Figure pat00043
Figure pat00043

간단한 표현을 위해 출력 층의 활성 함수 (

Figure pat00044
) 는 선형 식별 함수 (linear identity function) 로 설정할 수 있다. 여기서 제 1 인공 신경망 모델이 다중 은닉층에 의해 빌딩의 열 동적 설계를 성공적으로 반영한다는 가정이 존재한다.For simplicity, the active function of the output layer (
Figure pat00044
) Can be set as a linear identity function. Here, the assumption exists that the first artificial neural network model successfully reflects the thermal dynamic design of the building by multiple hidden layers.

수학식 10 과 11 은 앞서 언급한 전후 처리기를 표현한 식이다. 여기서

Figure pat00045
Figure pat00046
는 학습 데이터
Figure pat00047
의 최대값과 최소값을,
Figure pat00048
Figure pat00049
는 학습 데이터 내 실내 온도 (
Figure pat00050
) 의 최대값과 최소값을 의미한다. 보편성 손실의 문제 없이 수학식 2 내지 11 은 다른 구조의 인공 신경망 혹은 활성 함수에 적용될 수 있다.Equations 10 and 11 are expressions of the aforementioned pre- and post-processors. here
Figure pat00045
Wow
Figure pat00046
Is learning data
Figure pat00047
The maximum and minimum values of
Figure pat00048
Wow
Figure pat00049
Is the room temperature in the learning data (
Figure pat00050
) Means the maximum and minimum values. Equations 2 to 11 can be applied to artificial neural networks or active functions of other structures without problems of universality loss.

Figure pat00051
Figure pat00051

Figure pat00052
Figure pat00052

다중 구역 빌딩 내 HVAC 시스템의 감독 학습 지원 수요 반응Demand response for supervised learning support of HVAC systems in multi-zone buildings

학습된 인공 신경망을 이용한 최적화 문제 정식화 (Formulation)Formulating optimization problems using the trained artificial neural network (Formulation)

다시 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법은, 앞서 제 1 인공 신경망을 학습하여 생성된 구역 온도 결정 모델을 모사하는 선형 방정식을 포함하고, 전기 가격 및 열적 상태에 따라 최적해 (Optimal solution) 가 변동되는 전력 공급 스케쥴에 대한 목적 함수를 생성할 수 있다 (단계 220). 즉, 학습된 인공 신경망을 이용한 최적화 문제를 정식화 (Formulation) 를 수행할 수 있다. Referring back to FIG. 2, a method of generating a demand response determination model for an HVAC system according to an embodiment of the present invention includes a linear equation that simulates a zone temperature determination model generated by learning a first artificial neural network. Then, an objective function for the power supply schedule in which the optimal solution varies according to the electricity price and the thermal condition may be generated (step 220). That is, the optimization problem using the trained artificial neural network can be formulated.

본 발명의 실시예에 따른 알고리즘 및/또는 방법은, 다중 구역 빌딩의 HVAC 시스템을 가격 기반 수요 반응에 최적으로 운영하기 위해, 모사된 제 1 인공 신경망 모델을 이용하여 하기 수학식 12 로서 표현된 목적 함수에 대한 최적해 (Optimal Solution) 를 도출할 수 있다. Algorithm and / or method according to an embodiment of the present invention, using the simulated first artificial neural network model in order to optimally operate the HVAC system of a multi-zone building for a price-based demand response, is expressed as Equation 12 You can derive an optimal solution for the function.

Figure pat00053
Figure pat00053

여기서, 고려해야할 제한 조건을 설정할 수 있으며, 예시적인 각 항목은 아래와 같다. Here, limit conditions to be considered can be set, and each exemplary item is as follows.

- 실내 온도(

Figure pat00054
)에 대한 제한 조건 (수학식 13 내지 15) -Room temperature (
Figure pat00054
Restriction condition for (Equation 13 to 15)

Figure pat00055
Figure pat00055

Figure pat00056
Figure pat00056

Figure pat00057
Figure pat00057

- 실내 온도(

Figure pat00058
)와 HVAC 시스템 입력 전력(P t ) 간 제한 조건 -Room temperature (
Figure pat00058
) And HVAC system input power (P t )

수학식 5 내지 수학식 11 과 더불어, 아래의 수학식 16 내지 22 의 제한 조건이 전제될 수 있다. In addition to Equations 5 to 11, the constraints of Equations 16 to 22 below may be premised.

Figure pat00059
Figure pat00059

Figure pat00060
Figure pat00060

Figure pat00061
Figure pat00061

Figure pat00062
Figure pat00062

Figure pat00063
Figure pat00063

Figure pat00064
Figure pat00064

Figure pat00065
Figure pat00065

- 시간 지연된 입력 전력(

Figure pat00066
)에 관한 제한 조건 (수학식 23 내지 25) -Time delayed input power (
Figure pat00066
) Restrictions (Equations 23 to 25)

Figure pat00067
Figure pat00067

Figure pat00068
Figure pat00068

Figure pat00069
Figure pat00069

본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘 및/또는 방법의 전력 공급 스케쥴은, 건물에 포함된 복수의 구역 각각의 온도를 미리 결정된 범위 내로 유지시키면서 시간에 따라 변화하는 전기 가격에 대해 총 전기 비용을 최소화 시키도록 결정되는 것일 수 있다. 따라서, 일 측면에 따르면, ,최적 수요 응답을 달성하기 위한 기준이 되는 목적 함수는, 총 전기 비용 및 미리 결정된 경계 온도에 대한 초과량들의 합을 최소화하도록 하는, HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴 및 상기 복수의 구역들 각각에 대한 온도를 최적해로서 결정하기 위한 것일 수 있다. The power supply schedule of the algorithm and / or method according to an embodiment of the present invention minimizes the total electricity cost for electricity prices that change over time while maintaining the temperature of each of a plurality of zones included in the building within a predetermined range. It may be decided to let. Thus, according to one aspect, the objective function, which is the basis for achieving the optimal demand response, is to provide a power supply schedule for the HVAC system and to minimize the sum of excess amounts for the total electricity cost and a predetermined boundary temperature. It may be to determine the temperature for each of the plurality of zones as an optimal solution.

보다 구체적으로, 수학식 12 를 참조하면, 수학식 12 의 목적 함수는 크게 두 항으로 구분되며 첫번째 항은 시간에 따라 변하는 전기 가격 (

Figure pat00070
) 에 24 시간 동안의 HVAC 시스템의 입력 전력 (Pt) 을 곱하여 합산한 것으로, 설비 운영 비용을 낮추는 것을 목적으로 할 수 있다. More specifically, referring to Equation 12, the objective function of Equation 12 is largely divided into two terms, and the first term is an electricity price that changes with time (
Figure pat00070
) Multiplied by the input power (P t ) of the HVAC system for 24 hours, which can be aimed at lowering the operation cost of the facility.

수학식 12 의 두번째 항은 입력 전력에 해당하는 실내 온도 (

Figure pat00071
) 가 최대 한도 (
Figure pat00072
) 혹은 최소 한도 (
Figure pat00073
) 를 넘어가게 될 경우, 한도 대비 초과된 온도 차이 (
Figure pat00074
혹은
Figure pat00075
) 에 대한 불이익 (penalty) 을 나타내는 항이다. 이는 각각 수학식 13 과 14 에 해당한다. 다시 말해서, 온도 경계 조건 (temperature boundary condition) 은 수학식 12 에서 온도 차 (
Figure pat00076
혹은
Figure pat00077
) 를 포함시킴으로 인해 완화될 수 있으며, 이는 신뢰성 있게 해당 최적화 문제를 해결할 수 있도록 한다. 환언하면, 본 발명의 일 측면에 따른 알고리즘 및/또는 방법의 목적 함수에 있어서, 복수의 구역 각각의 온도에 대한 경계 조건은, 경계 온도의 하한에 대한 제 1 오프셋 및 경계 온도의 상한에 대한 제 2 오프셋을 허용하도록 구성되어 온도 경계 조건을 완화할 수 있다. The second term of Equation 12 is the room temperature corresponding to the input power (
Figure pat00071
) Is the maximum limit (
Figure pat00072
) Or minimum (
Figure pat00073
), The temperature difference exceeded the limit (
Figure pat00074
or
Figure pat00075
) Is a term that represents a penalty. This corresponds to Equations 13 and 14, respectively. In other words, the temperature boundary condition is the temperature difference (
Figure pat00076
or
Figure pat00077
) Can be mitigated, which reliably solves the optimization problem. In other words, in the objective function of the algorithm and / or method according to an aspect of the present invention, the boundary condition for the temperature of each of the plurality of zones includes: a first offset to the lower limit of the boundary temperature and a limit to the upper limit of the boundary temperature. It is configured to allow 2 offsets to relieve temperature boundary conditions.

여기서, 각 구역에 존재하는 거주자들의 열적 선호도를 기반으로, 최대 한도와 최소 한도, 또는 제 1 오프셋과 제 2 오프셋은 건물에 포함된 복수의 구역별로 상이하게 설정될 수 있다. 다만, 온도의 과도한 증가 혹은 감소를 방지하기 위해 수학식 15 와 같은 강화된 경계 조건이 설정될 수 있다. 따라서, 제 1 오프셋은 제 1 강화된 오프셋을 초과하지 않고, 제 2 오프셋은 제 2 강화된 오프셋을 초과하지 않도록 설정될 수 있다. 제 1 강화된 오프셋 및 제 2 강화된 오프셋은 수학식 15 와 같이 동일한 크기를 가지도록 설정될 수도 있고, 서로 상이하게 설정될 수도 있다. Here, based on the thermal preference of residents existing in each zone, the maximum and minimum limits, or the first offset and the second offset may be set differently for a plurality of zones included in the building. However, in order to prevent excessive increase or decrease in temperature, an enhanced boundary condition such as Equation 15 may be set. Accordingly, the first offset may not be set to exceed the first enhanced offset, and the second offset may be set not to exceed the second enhanced offset. The first enhanced offset and the second enhanced offset may be set to have the same size as in Equation 15, or may be set differently from each other.

수학식 16 내지 22 의 두번째 제한 조건은 학습된 제 1 인공 신경망 모델의 입력 변수 중 하나인 입력 전력 (Pt) 과 출력 변수인 구역별 온도 (

Figure pat00078
) 간의 관계를 의미한다. 특히 수학식 2 는 수학식 16 과 등가적으로 표현되며, 여기서 입력 변수 (
Figure pat00079
) 는 제어 가능한 변수 (Pt), 되먹임 변수 (
Figure pat00080
), 환경 입력 변수 (Et) 로 구성될 수 있다. 수학식 17 은, 수학식 16 의 선형 구간 s 에 해당하는 활성 함수 입력 (
Figure pat00081
) 이 도 8 내지 도 9 에서와 같이 해당 구간의 길이 (
Figure pat00082
) 의 합과 임의의 큰 값을 갖는 음수 r0 에 대해 등가적으로 표현됨을 나타내며, 이와 비슷하게, 다른 층에 존재하는 활성 함수 입력 (
Figure pat00083
) 의 선형 표현 (
Figure pat00084
) 을 이용하여 t수학식 3 이 등가적으로 수학식 18 과 같이 표현될 수 있음을 알 수 있다. The second restriction condition of Equations 16 to 22 is the input power (P t ), which is one of the input variables of the learned first artificial neural network model, and the temperature for each zone, which is the output variable (
Figure pat00078
). In particular, Equation 2 is equivalent to Equation 16, where the input variable (
Figure pat00079
) Is a controllable variable (P t ), a feedback variable (
Figure pat00080
), And an environment input variable (E t ). Equation 17 is the input of the active function corresponding to the linear interval s of Equation 16 (
Figure pat00081
) As in FIGS. 8 to 9, the length of the section (
Figure pat00082
) And represents an equivalent expression for a negative r 0 with an arbitrary large value, similarly, inputting the active function present in another layer (
Figure pat00083
) Linear representation of (
Figure pat00084
), It can be seen that t equation 3 can be equivalently expressed as equation 18.

수학식 19 와 수학식 20 은 실내 온도 (

Figure pat00085
) 의 되먹임 루프를 반영한 것으로, 이 중 수학식 19 는 학습된 인공 신경망 모델의 되먹임 입력 변수 (
Figure pat00086
,
Figure pat00087
) 와 출력 변수 (
Figure pat00088
) 와의 관계를 의미한다. 운영 비용 계산 시 시간의 흐름에 따라 변하는 전기 가격 (CE) 을 적용하고, 본 발명의 일 실시예에서 한 시간 별로 전기 가격이 변동될 때, 단위 샘플링 시간 (unit sampling time,
Figure pat00089
) 은 한 시간으로 설정될 수 있다. 수학식 20 에서와 같이,
Figure pat00090
(
Figure pat00091
) 는 하루 전에 예측된 온도 (
Figure pat00092
) 에 대하여 정해질 수 있다. 나아가, 수학식 21 은 수학식 10 에서 얻어진 제어 가능 변수와 되먹임 입력 변수가 -1 과 1 사이의 값을 갖는다는 것을 의미한다. 이는 입력 전력에 해당하는 변수 (Pt) 가 0 보다 크거나 같으며, 정격 전력 (
Figure pat00093
) 이하의 값을 가짐을 의미한다. 이와 같이 수학식 22 에서도 정규화된 변수 (
Figure pat00094
) 의 최대값과 최소값을 확인할 수 있다. 여기서 정규화된 변수 (
Figure pat00095
) 는 수학식 5 내지 9 를 이용하여 수학식 18 에 연결되고, 수학식 11 을 이용하여 실내 온도로 역 변환될 수 있다. Equation 19 and Equation 20 represent the room temperature (
Figure pat00085
), And Equation 19 is the feedback input variable of the trained artificial neural network model (
Figure pat00086
,
Figure pat00087
) And output variables (
Figure pat00088
). When calculating the operating cost, the electric price (C E ) that changes according to the passage of time is applied, and when the electric price changes for each hour in an embodiment of the present invention, the unit sampling time (unit sampling time,
Figure pat00089
) Can be set to one hour. As in Equation 20,
Figure pat00090
(
Figure pat00091
) Is the temperature predicted one day ago (
Figure pat00092
). Furthermore, Equation 21 means that the controllable variable and the feedback input variable obtained in Equation 10 have a value between -1 and 1. This means that the variable (P t ) corresponding to the input power is greater than or equal to 0, and the rated power (
Figure pat00093
) It means to have the following values. Likewise, in Equation 22, the normalized variable (
Figure pat00094
) Of the maximum and minimum values. Where the normalized variable (
Figure pat00095
) Is connected to Equation 18 using Equations 5 to 9, and may be inversely converted to room temperature using Equation 11.

학습된 인공 신경망을 최적화 문제에 적용하기 위해, 수학식 23 과 수학식 24 는 HVAC 시스템의, 시간 지연된 입력 전력에 대한 입력 뉴런의 제한 조건을 의미한다. 더욱이 수학식 25 에서 근무 시간 이후 빌딩 내 거주자가 거의 존재하지 않는 시간대 (

Figure pat00096
) 에는 HVAC 시스템을 정지시키고, 예비 냉방 (pre-cooling) 을 위해 사람들이 일을 하기 위해 빌딩으로 모이기 전 이른 아침에 HVAC 시스템을 작동시키는 것을 반영할 수 있다. 따라서, 목적 함수에서, 설정에 따라 미리 결정된, 건물에 거주자가 존재하지 않는 시간에 대한 HVAC 시스템 입력 전력은 0 으로 설정될 수 있다. In order to apply the trained artificial neural network to the optimization problem, Equation 23 and Equation 24 refer to the constraint condition of the input neuron with respect to the time delayed input power of the HVAC system. Moreover, in Equation 25, the time zone during which there are few residents in the building after working hours (
Figure pat00096
) May reflect stopping the HVAC system and operating the HVAC system early in the morning before people come to the building to do work for pre-cooling. Thus, in the objective function, the HVAC system input power for a time when there is no occupant in the building, predetermined according to the setting, may be set to zero.

수학식 5 내지 25 의 최적화 문제는 큰 수정 없이 다양한 빌딩 모델에 실제로 적용 될 수 있다. 단, 빌딩의 열 동적 설계 및 HVAC 시스템 부하 특성에 따라 제 1 인공 신경망 내의 예를 들어 다섯 가지 변수 (

Figure pat00097
,
Figure pat00098
,
Figure pat00099
,
Figure pat00100
,
Figure pat00101
)가 달라질 수 있다. 수학식 5 내지 25 는 선형 방정식과 이진 변수들을 포함하므로, 본 발명의 일 측면에 따른 알고리즘 및/또는 방법의 최적화 문제는 혼합 정수 선형 프로그래밍 (Mixed-integer linear programming, MILP) 을 이용을 이용하여 해결될 수 있다. 이를 통해 최적의 수요 반응 일정을 도출할 수 있다. The optimization problems of Equations 5 to 25 can be applied to various building models without significant modification. However, depending on the thermal dynamic design of the building and the load characteristics of the HVAC system, for example, five variables within the first artificial neural network (
Figure pat00097
,
Figure pat00098
,
Figure pat00099
,
Figure pat00100
,
Figure pat00101
) May vary. Since Equations 5 to 25 include linear equations and binary variables, the optimization problem of the algorithm and / or method according to an aspect of the present invention is solved by using mixed-integer linear programming (MILP). Can be. Through this, it is possible to derive an optimal demand response schedule.

다시 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법은, 복수의 전기 가격 프로파일 및 열적 상태 프로파일에 대한 목적 함수의 각각의 최적해들을 결정할 수 있다 (단계 230). 여기서, 전기 가격 프로파일은 시간에 따라 변화하는 전기 가격에 대한 정보를 포함할 수 있고, 열적 상태 프로파일은 시간에 따라 변화하는 열적 상태에 대한 정보를 포함할 수 있다. 전기 가격 및/또는 열적 상태가 변화하는 간격은 구현에 따라 상이할 수 있고, 예를 들어 전기 가격이 한 시간 단위로 변경되도록 책정된 정보를 포함할 수 있다. 전기 가격과 열적 상태의 변화 간격은 서로 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다. 한편, 도 2 의 전력 스케쥴 목적 함수의 최적해들을 각각 결정하는 단계 (단계 230) 는, 혼합 정수 선형 프로그래밍 (Mixed-integer linear programming, MILP) 을 이용하여 전력 스케쥴 목적 함수의 최적해를 결정하도록 구성될 수 있다. Referring again to FIG. 2, a method of generating a demand response determination model for an HVAC system according to an embodiment of the present invention may determine respective optimal solutions of objective functions for a plurality of electricity price profiles and thermal state profiles (Step 230). Here, the electricity price profile may include information on electricity prices that change over time, and the thermal status profile may include information on thermal conditions that change over time. The interval at which the electricity price and / or the thermal state changes may be different depending on the implementation, and may include information, for example, that the electricity price is changed in units of one hour. The interval between changes in the electricity price and the thermal state may be the same or may be different from each other. Meanwhile, the step of determining the optimal solutions of the power schedule objective function of FIG. 2 (step 230) may be configured to determine the optimal solution of the power schedule objective function using mixed-integer linear programming (MILP). have.

감독 학습 기반 메타 예측 방법을 통한 최적의 수요 반응Optimal demand response through super prediction based meta prediction method

다시 도 2 를 참조하면, 복수의 상이한 전기 가격 프로파일 및 열적 상태 프로파일에 따라 도출된 각각의 최적해들이 획득될 수 있다 (단계 230). 이와 같은 전기 가격 프로파일, 열적 상태 프로파일 및 결정된 최적해를 각각 포함하는 복수의 제 2 훈련 데이터들을 기반으로 제 2 인공 신경망을 훈련시키는 것에 의해, 전기 가격 프로파일 및 열적 상태 프로파일을 입력받아 HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴을 출력하는 수요 반응 결정 모델을 생성할 수 있다 (단계 240). Referring again to FIG. 2, respective optimal solutions derived according to a plurality of different electricity price profiles and thermal state profiles can be obtained (step 230). Power for the HVAC system by receiving the electrical price profile and the thermal state profile by training the second artificial neural network based on a plurality of second training data each including the electrical price profile, the thermal state profile, and the determined optimal solution A demand response determination model that outputs a supply schedule can be generated (step 240).

구체적으로, 전기 가격 (

Figure pat00102
) 과 환경 변수 (Et) (예를 들어, 열적 조건) 가 주어졌을 때, SLAMP 방법 (도 10 내지 12 와 도 13 의 알고리즘 1 참조) 을 통해 수학식 5 내지 25 의 최적 해를 즉시 구할 수 있다. 이는 최적 수요 반응 일정에 대한 계산 시간을 현저하게 감소시키며, 배전 설비 운영자로 하여금 배전 망 내 여러 버스에서의 전기 가격 (
Figure pat00103
) 을 최적으로 설정하는 데에 영향을 줄 수 있다. 이는 배전 망 내에 넓게 분포하는 HVAC 시스템의 전체 부하 수요 프로파일을 예측할 수 있도록 하기 때문이며, SLAMP 방법은 앞서 언급된 바와 같이, 빌딩 운영 데이터를 이용한 인공 신경망 모사 방법으로 구현될 수 있다. Specifically, electricity prices (
Figure pat00102
) And the environment variable (E t ) (e.g., thermal conditions), the SLAMP method (see Algorithm 1 in FIGS. 10 to 12 and 13) can be used to immediately obtain the optimal solution of equations 5 to 25 have. This significantly reduces the calculation time for the optimal demand response schedule, and allows the distribution facility operator the electricity prices (on multiple buses in the distribution network).
Figure pat00103
) Can be optimally set. This is because the entire load demand profile of the HVAC system widely distributed in the distribution network can be predicted, and the SLAMP method can be implemented by an artificial neural network simulation method using building operation data as mentioned above.

특히, 도 13 의 알고리즘 1 에서의 파트 1 을 보면, 수학식 5 내지 25 의 최적화 문제는 오프라인 상에서 반복 (iteration) 을 통하여 해결될 수 있다. 그 결과, 최적 해 (

Figure pat00104
) 를 도출하고, 현재 입력 (
Figure pat00105
) 의 과거 데이터에 대하여 이에 상응하는 운영 비용 (
Figure pat00106
) 과, 경계 온도와의 차이와 연관된 온도 패널티 항 (
Figure pat00107
) 을 계산할 수 있다. 도 10 에서와 같이, 예를 들어 BEMS 데이터베이스 (1010) 로부터의 입력 (m) 은 SLAMP 알고리즘 (1020) 에 의해 제 2 인공 신경망 (예를 들어, 심층 신경망) 모델의 학습을 위한 데이터 (
Figure pat00108
) 로 확장되어 입력 데이터 ( I ) 와 출력 데이터 ( O ) 로 재 가공될 수 있다. 심층 신경망 모델의 성능 향상을 위해 입력 데이터 ( I ) 는 학습 데이터 ( M ) 의 시간 지연된 데이터를 포함함으로써 확장되고, 도 11 에 도시된 바와 같이 데이터베이스 (1110) 로부터의 데이터로부터 획득될 수 있는 입력 데이터 ( I ) 와 출력 데이터 ( O ) 는 무작위로 섞여 심층 신경망 모델 (1120) 을 위한 학습 데이터 (
Figure pat00109
) 와 테스트 데이터 (
Figure pat00110
) 가 다양한 전기 가격 (
Figure pat00111
) 및 환경 변수 (Et) 프로파일, 그리고 이에 해당하는 실내 온도 (
Figure pat00112
) 와 입력 전력 (Pt) 의 최적 스케줄 결과를 포함하도록 한다. In particular, referring to Part 1 in Algorithm 1 of FIG. 13, the optimization problems of Equations 5 to 25 may be solved through iteration offline. As a result, the optimal solution (
Figure pat00104
), And the current input (
Figure pat00105
) Corresponding operating costs for historical data (
Figure pat00106
) And the temperature penalty term associated with the difference between the boundary temperature (
Figure pat00107
). As in FIG. 10, for example, input m from the BEMS database 1010 is data for training a second artificial neural network (eg, deep neural network) model by the SLAMP algorithm 1020 (
Figure pat00108
) And can be reprocessed as input data ( I ) and output data ( O ). In order to improve the performance of the deep neural network model, the input data I is expanded by including time-delayed data of the training data M , and the input data can be obtained from data from the database 1110 as shown in FIG. 11. ( I ) and output data ( O ) are randomly mixed to learn data for the deep neural network model 1120 (
Figure pat00109
) And test data (
Figure pat00110
) Various electricity prices (
Figure pat00111
) And environmental variable (E t ) profiles, and corresponding room temperature (
Figure pat00112
) And input power (P t ).

다시 도 13 을 참조하면, 파트 2 에서는 학습 데이터 (

Figure pat00113
) 와 테스트 데이터 (
Figure pat00114
) 를 이용하여 심층 신경망의 학습 및 테스트를 각각 진행한다. 이 때, 네트워크 매개 변수들 (
Figure pat00115
) 에 대해 진행되며, 매개 변수들은 입력 데이터 ( I ) 의 시간 지연 ( τ ) 와 은닉 층의 수 ( G ), 각각의 층들의 활성 함수 ( F ) 와 은닉 뉴런 ( U ) 을 포함한다. 최적의 입력 전력 (Pt) 이 메타 예측 (meta-predicted) 되면, 상응하는 실내 온도 (
Figure pat00116
) 는 제 1 인공 신경망 모델 (도 12 의 1240, 도 4 내지 7 참조) 을 학습시킨 구역 온도 결정 모델을 통해 도출될 수 있다. Referring back to FIG. 13, in Part 2, learning data (
Figure pat00113
) And test data (
Figure pat00114
) To learn and test deep neural networks, respectively. At this time, the network parameters (
Figure pat00115
), The parameters include the time delay ( τ ) of the input data ( I ) and the number of hidden layers ( G ), the active function of each layer ( F ) and the hidden neurons ( U ). When the optimal input power (P t ) is meta-predicted, the corresponding room temperature (
Figure pat00116
) Can be derived through a zone temperature determination model trained on a first artificial neural network model (see 1240 in FIG. 12, FIGS. 4 to 7).

본 발명의 일 측면에서 심층 신경망의 성능은 입력 데이터 ( D ) 내의 모든 하루 치 프로파일에 대해 입력 전력 (Pt), 실내 온도 (

Figure pat00117
), 운영 비용 (EC), 온도 패널티 항 (TV) 들의 가중치 합 (
Figure pat00118
, 수학식 1) 을 이용하여 평가될 수 있다. 매개 변수 세트 (
Figure pat00119
) 중 정규화 평균 제곱 오차 (NMSE) 의 최대값 (
Figure pat00120
) 을 도출하는 세트 (
Figure pat00121
) 를 선택하여 심층 신경망 모델 (
Figure pat00122
) 을 구현할 수 있다. 최종적으로, 다음 스케줄링 기간에 해당하는 전기 가격 (
Figure pat00123
) 과 환경 변수 (Et) 의 예측 값에 대해 입력 전력 (Pt), 실내 온도 (
Figure pat00124
) 의 최적 수요 반응 스케줄을 도출할 수 있다 (도 12 참조). 도 12 에 도시된 바와 같이, 가격 프로파일 (1210) 및 환경 변수 (1220) 가 입력되면, 심층 신경망 (1230) 및 인공 신경망들 (1240) 을 기반으로 최적의 공급 전력 및 각각의 구역에 대한 최적의 온도가 도출될 수 있다. Performance of the deep neural network In one aspect of the invention, the input data (D) every day input power value for the profile (P t), room temperature in the (
Figure pat00117
), Operating cost (E C ), weighted sum of temperature penalty terms (T V ) (
Figure pat00118
, It can be evaluated using Equation 1). Parameter set (
Figure pat00119
), The maximum value of the normalized mean squared error (NMSE) (
Figure pat00120
Set to derive ()
Figure pat00121
Select the deep neural network model ()
Figure pat00122
) Can be implemented. Finally, the posting price for the next scheduling period (
Figure pat00123
) And environmental variables (the input power for the prediction value (P t), a room temperature of E t) (
Figure pat00124
), An optimal demand response schedule can be derived (see FIG. 12). As shown in FIG. 12, when the price profile 1210 and the environmental variable 1220 are input, the optimal supply power and the optimal for each zone based on the deep neural network 1230 and artificial neural networks 1240 Temperature can be derived.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 다중 구역 빌딩 내 HVAC 시스템의 최적 수요 반응을 위한, 기계 학습 기반의 새로운 알고리즘 및/또는 방법이 개시된다. 알고리즘 및/또는 방법 내의 제 1 인공 신경망 모델은 빌딩의 복잡한 열 동적 설계를 반영하기 위해 감독 학습 알고리즘을 기반으로 학습되고, 부분 선형 방정식을 이용하여 모사될 수 있다. 이는 최적화 문제를 정형화하는 데에 사용되어, 혼합 정수 선형 프로그래밍을 이용하여 최적해를 도출할 수 있다. 여기서 전기 가격과 빌딩의 열적 상태에 관한 과거 데이터를 기반으로 최적해를 구하고, 복수의 전기 가격과 빌딩의 열적 상태에 관한 대응하는 최적해들은 SLAMP 방법 내 제 2 인공 신경망 (예를 들어, 심층 신경망) 모델을 학습시키는 데에 사용되며, 이러한 모델은 HVAC 시스템의 최적 입력 전력 스케줄을 도출할 수 있다. SLAMP 방법은 실제 적용 가능성과 운영 비용, 계산 시간 등을 고려할 때, 최적 수요 반응 스케줄링에 효과적인 방법이다. 또한, 이러한 SLAMP 방법은 시간에 따라 변하는 전기 가격과 거주자의 열적 선호도를 반영하여 HVAC 시스템의 부하 이전 (load shifting) 기능을 보장할 수 있다. As described above, according to an aspect of the present invention, a new algorithm and / or method based on machine learning for optimal demand response of an HVAC system in a multi-zone building is disclosed. The first artificial neural network model in the algorithm and / or method is trained based on a supervised learning algorithm to reflect the complex thermal dynamic design of the building and can be simulated using partial linear equations. This can be used to formalize the optimization problem, so that an optimal solution can be derived using mixed integer linear programming. Here, the optimal solution is obtained based on the past data on the electrical price and the thermal state of the building, and the corresponding optimal solutions on the plurality of electrical prices and the thermal state of the building are second artificial neural networks (eg, deep neural networks) models in the SLAMP method. It is used to train, and this model can derive the optimal input power schedule of the HVAC system. The SLAMP method is an effective method for scheduling an optimal demand response when considering practical applicability, operating cost, and calculation time. In addition, this SLAMP method can ensure the load shifting function of the HVAC system by reflecting the electric price changing over time and the thermal preference of the occupant.

상술한 본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.The method according to the present invention described above can be embodied as computer readable codes on a computer readable recording medium. The computer-readable recording medium includes any type of recording medium that stores data that can be read by a computer system. For example, there may be a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), a magnetic tape, a magnetic disk, a flash memory, and an optical data storage device. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed over computer systems connected by a computer communication network, and stored and executed as code readable in a distributed manner.

이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although described above with reference to the drawings and examples, the protection scope of the present invention is not meant to be limited by the drawings or the examples, and those skilled in the art of the present invention described in the claims below It will be understood that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope.

구체적으로, 설명된 특징들은 디지털 전자 회로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 또는 그들의 조합들 내에서 실행될 수 있다. 특징들은 예컨대, 프로그래밍 가능한 프로세서에 의한 실행을 위해, 기계 판독 가능한 저장 디바이스 내의 저장장치 내에서 구현되는 컴퓨터 프로그램 제품에서 실행될 수 있다. 그리고 특징들은 입력 데이터 상에서 동작하고 출력을 생성함으로써 설명된 실시예들의 함수들을 수행하기 위한 지시어들의 프로그램을 실행하는 프로그래밍 가능한 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 설명된 특징들은, 데이터 저장 시스템으로부터 데이터 및 지시어들을 수신하기 위해, 및 데이터 저장 시스템으로 데이터 및 지시어들을 전송하기 위해 결합된 적어도 하나의 프로그래밍 가능한 프로세서, 적어도 하나의 입력 디바이스, 및 적어도 하나의 출력 디바이스를 포함하는 프로그래밍 가능한 시스템 상에서 실행될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들 내에서 실행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 소정 결과에 대해 특정 동작을 수행하기 위해 컴퓨터 내에서 직접 또는 간접적으로 사용될 수 있는 지시어들의 집합을 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 해석된 언어들을 포함하는 프로그래밍 언어 중 어느 형태로 쓰여지고, 모듈, 소자, 서브루틴(subroutine), 또는 다른 컴퓨터 환경에서 사용을 위해 적합한 다른 유닛으로서, 또는 독립 조작 가능한 프로그램으로서 포함하는 어느 형태로도 사용될 수 있다.Specifically, the described features can be implemented in digital electronic circuitry, or computer hardware, firmware, or combinations thereof. The features can be implemented in a computer program product implemented in storage in a machine-readable storage device, eg, for execution by a programmable processor. And the features can be performed by a programmable processor executing a program of instructions for performing the functions of the described embodiments by operating on input data and generating output. The described features include at least one programmable processor, at least one input device, and at least one output device coupled to receive data and directives from a data storage system and to transmit data and directives to the data storage system. It can be executed in one or more computer programs that can be executed on a programmable system comprising a. A computer program includes a set of directives that can be used directly or indirectly within a computer to perform a specific action on a given result. A computer program is written in any form of programming language, including compiled or interpreted languages, and is included as a module, element, subroutine, or other unit suitable for use in other computer environments, or as a standalone program. Can be used in any form.

지시어들의 프로그램의 실행을 위한 적합한 프로세서들은, 예를 들어, 범용 및 특수 용도 마이크로프로세서들 둘 모두, 및 단독 프로세서 또는 다른 종류의 컴퓨터의 다중 프로세서들 중 하나를 포함한다. 또한 설명된 특징들을 구현하는 컴퓨터 프로그램 지시어들 및 데이터를 구현하기 적합한 저장 디바이스들은 예컨대, EPROM, EEPROM, 및 플래쉬 메모리 디바이스들과 같은 반도체 메모리 디바이스들, 내부 하드 디스크들 및 제거 가능한 디스크들과 같은 자기 디바이스들, 광자기 디스크들 및 CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크들을 포함하는 비휘발성 메모리의 모든 형태들을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 ASIC들(application-specific integrated circuits) 내에서 통합되거나 또는 ASIC들에 의해 추가되어질 수 있다.Suitable processors for the execution of the program of directives include, for example, both general purpose and special purpose microprocessors, and either a single processor or multiple processors of other types of computers. Also suitable for implementing computer program instructions and data embodying the described features are storage devices suitable for example, semiconductor memory devices such as EPROM, EEPROM, and flash memory devices, magnetic devices such as internal hard disks and removable disks. Devices, magneto-optical disks and all forms of non-volatile memory including CD-ROM and DVD-ROM disks. The processor and memory may be integrated within application-specific integrated circuits (ASICs) or added by ASICs.

이상에서 설명한 본 발명은 일련의 기능 블록들을 기초로 설명되고 있지만, 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is described based on a series of functional blocks, but is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention is possible.

전술한 실시 예들의 조합은 전술한 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 구현 및/또는 필요에 따라 전술한 실시예들 뿐 아니라 다양한 형태의 조합이 제공될 수 있다.Combinations of the above-described embodiments are not limited to the above-described embodiments, and various forms of combinations may be provided as well as the above-described embodiments according to implementation and / or needs.

전술한 실시 예들에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로서 순서도를 기초로 설명되고 있으나, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 순서도에 나타난 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나, 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In the above-described embodiments, the methods are described based on a flowchart as a series of steps or blocks, but the present invention is not limited to the order of steps, and some steps may occur in a different order than the steps described above or simultaneously. have. In addition, those skilled in the art may recognize that the steps shown in the flowchart are not exclusive, other steps are included, or one or more steps in the flowchart may be deleted without affecting the scope of the present invention. You will understand.

전술한 실시 예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다. The foregoing embodiments include examples of various aspects. It is not possible to describe all possible combinations for representing various aspects, but a person skilled in the art will recognize that other combinations are possible. Accordingly, the present invention will be said to include all other replacements, modifications and changes that fall within the scope of the following claims.

Claims (22)

건물의 열·공조 (Heating, ventilating, and air-conditioning, HVAC) 시스템에 대한 수요 반응 (Demand Response, DR) 결정 모델을 생성하는 방법으로서,
복수의 제 1 훈련 데이터들을 기반으로 제 1 인공 신경망을 훈련시키는 것에 의해, HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태를 입력받아 상기 건물의 온도를 출력하는 구역 온도 결정 모델을 생성하는 단계;
상기 구역 온도 결정 모델을 모사하는 선형 방정식을 포함하고, 전기 가격 및 열적 상태에 따라 최적해 (Optimal solution) 가 변동되는 전력 공급 스케쥴에 대한 목적 함수를 생성하는 단계;
복수의 전기 가격 프로파일 및 열적 상태 프로파일에 대한 상기 목적 함수의 각각의 최적해들을 결정하는 단계; 및
상기 전기 가격 프로파일, 상기 열적 상태 프로파일 및 상기 결정된 최적해를 각각 포함하는 복수의 제 2 훈련 데이터들을 기반으로 제 2 인공 신경망을 훈련시키는 것에 의해, 전기 가격 프로파일 및 열적 상태 프로파일을 입력받아 HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴을 출력하는 수요 반응 결정 모델을 생성하는 단계를 포함하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
As a method of generating a demand response (DR) decision model for a building's heating, air conditioning (HVAC) system,
Generating a zone temperature determination model that receives the input power of the HVAC system and the thermal state of the building and outputs the temperature of the building by training the first artificial neural network based on the plurality of first training data;
Generating an objective function for a power supply schedule that includes a linear equation that simulates the zone temperature determination model, and that an optimal solution varies according to electricity price and thermal conditions;
Determining respective optimal solutions of the objective function for a plurality of electricity price profiles and a thermal state profile; And
By training a second artificial neural network based on a plurality of second training data each including the electric price profile, the thermal condition profile, and the determined optimal solution, an electric price profile and a thermal condition profile are input to the HVAC system. A method of generating a demand response determination model for an HVAC system, comprising generating a demand response determination model outputting a power supply schedule.
제 1 항에 있어서,
상기 건물은 복수의 구역을 포함하고,
상기 구역 온도 결정 모델은 상기 복수의 구역 각각에 대한 온도를 출력하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 1,
The building includes a plurality of areas,
The zone temperature determination model is a method for generating a demand response determination model for an HVAC system, outputting temperatures for each of the plurality of zones.
제 2 항에 있어서,
상기 복수의 제 1 훈련 데이터들 각각은,
종래의 HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태에 관한 정보 및 상기 종래의 HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태에 따른 상기 복수의 구역 각각에 대한 온도를 포함하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 2,
Each of the plurality of first training data,
A demand response determination model for an HVAC system, comprising information about a conventional HVAC system input power and thermal condition of a building and temperature for each of the plurality of zones according to the conventional HVAC system input power and a building thermal condition. How to generate.
제 1 항에 있어서,
상기 건물의 열적 상태는,
대기 온도, 일조량, 풍력, 습도, 빌딩의 열적 부하 및 건물 사용 스케쥴 중 적어도 하나를 포함하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 1,
The thermal condition of the building,
A method for generating a demand response determination model for an HVAC system, comprising at least one of air temperature, sunshine, wind, humidity, thermal load of the building, and building usage schedule.
제 1 항에 있어서,
상기 HVAC 시스템 입력 전력과 건물의 열적 상태에 관한 정보는 빌딩 에너지 관리 시스템 (Building Energy Management System, BEMS) 으로부터 획득되는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 1,
A method for generating a demand response determination model for an HVAC system, wherein the information on the input power of HVAC system and thermal condition of a building is obtained from a Building Energy Management System (BEMS).
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 인공 신경망의 입력층 (Input Layer) 은,
미리 결정된 제 1 시점으로부터 현재 시점까지의 HVAC 시스템 입력 전력, 미리 결정된 제 2 시점으로부터 현재 시점까지의 열적 상태 및 미리 결정된 제 3 시점으로부터 현재 시점 이전 시점까지의 상기 복수의 구역 각각에 대한 온도를 입력 뉴런으로서 포함하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 2,
The input layer of the first artificial neural network,
Enter the HVAC system input power from the first predetermined time point to the current time point, the thermal state from the second predetermined time point to the current time point, and the temperature for each of the plurality of zones from the third predetermined time point to the time point before the current time point A method for generating a demand response decision model for an HVAC system, including as a neuron.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 인공 신경망은,
심층 비선형 자동 회귀 네트워크 (Deep nonlinear auto-regressive network, D-NARX) 의 형태로 구현되는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
The method of claim 6,
The first artificial neural network,
A method of generating a demand response decision model for an HVAC system, implemented in the form of a deep nonlinear auto-regressive network (D-NARX).
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 인공 신경망은, 복수의 은닉층 (Hidden Layer) 들을 포함하고,
상기 복수의 은닉층들 중 적어도 하나는, 시그모이드 (Sigmoid) 함수 또는 정류된 선형 유닛 (Rectified Linear Unit, ReLU) 함수를 활성 함수로서 사용하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 1,
The first artificial neural network includes a plurality of hidden layers,
A method of generating a demand response determination model for an HVAC system, wherein at least one of the plurality of hidden layers uses a sigmoid function or a rectified linear unit (ReLU) function as an active function.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 인공 신경망은, 입력 데이터들을 정규화하기 위한 전 처리기 (pre-processor) 및 출력 데이터들에 대한 정규화를 되돌리기 위한 후 처리기 (post-processor) 를 포함하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 1,
The first artificial neural network comprises a pre-processor for normalizing input data and a post-processor for reverting normalization for output data. How to generate.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 인공 신경망은, 하나 이상의 가중 계수 및 하나 이상의 편향 (bias) 값을 포함하고,
상기 가중 계수 및 편향 값은, 정규화 평균 제곱 오차 (Normalized mean squared errors, NMSE) 를 기반으로 결정되는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 2,
The first artificial neural network includes one or more weighting factors and one or more bias values,
The weighting coefficients and bias values are determined based on a normalized mean squared error (NMSE), a method of generating a demand response determination model for an HVAC system.
제 10 항에 있어서,
상기 가중 계수 및 편향 값은, 상기 복수의 구역들마다 각각 결정되는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
The method of claim 10,
The method of generating a demand response determination model for an HVAC system, wherein the weighting coefficient and the bias value are respectively determined for each of the plurality of zones.
제 1 항에 있어서,
상기 구역 온도 결정 모델을 모사하는 선형 방정식은,
상기 제 1 인공 신경망에 포함된 복수의 은닉층들에 각각 상응하는 활성 함수의 부분 선형화를 통해 생성된 부분 선형 방정식을 포함하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 1,
The linear equation simulating the zone temperature determination model,
And a partial linear equation generated through partial linearization of an active function corresponding to a plurality of hidden layers included in the first artificial neural network.
제 2 항에 있어서,
상기 전력 공급 스케쥴은,
상기 복수의 구역 각각의 온도를 미리 결정된 범위 내로 유지시키면서 시간에 따라 변화하는 전기 가격에 대해 총 전기 비용을 최소화 시키도록 결정되는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 2,
The power supply schedule,
A method of generating a demand response determination model for an HVAC system that is determined to minimize the total electricity cost for a time-varying electricity price while maintaining the temperature of each of the plurality of zones within a predetermined range.
제 13 항에 있어서,
상기 목적 함수는,
총 전기 비용 및 미리 결정된 경계 온도에 대한 초과량들의 합을 최소화하기 위한, 상기 HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴 및 상기 복수의 구역들 각각에 대한 온도를 상기 최적해로서 결정하기 위한 것인, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
The method of claim 13,
The objective function is,
To determine the power supply schedule for the HVAC system and the temperature for each of the plurality of zones as the optimal solution, to minimize the sum of excess amounts for the total electricity cost and a predetermined boundary temperature. How to generate a demand response decision model for
제 2 항에 있어서,
상기 목적 함수의 상기 복수의 구역 각각의 온도에 대한 경계 조건은,
상기 경계 온도의 하한에 대한 제 1 오프셋 및 상기 경계 온도의 상한에 대한 제 2 오프셋을 허용하고, 상기 제 1 오프셋 및 상기 제 2 오프셋은 상기 복수의 구역별로 상이하게 설정될 수 있는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 2,
The boundary condition for the temperature of each of the plurality of zones of the objective function is:
The first offset for the lower limit of the boundary temperature and the second offset for the upper limit of the boundary temperature, the first offset and the second offset can be set differently for each of the plurality of zones, HVAC system How to generate a demand response decision model for
제 15 항에 있어서,
상기 제 1 오프셋은 제 1 강화된 오프셋을 초과하지 않고, 상기 제 2 오프셋은 제 2 강화된 오프셋을 초과하지 않는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
The method of claim 15,
A method for generating a demand response determination model for an HVAC system, wherein the first offset does not exceed a first enhanced offset and the second offset does not exceed a second enhanced offset.
제 1 항에 있어서,
상기 목적 함수에서, 미리 결정된 상기 건물에 거주자가 존재하지 않는 시간에 대한 HVAC 시스템 입력 전력은 0 으로 설정되는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 1,
In the objective function, a method for generating a demand response determination model for an HVAC system, wherein the HVAC system input power for a time when there is no occupant in the predetermined building is set to zero.
제 1 항에 있어서,
상기 전기 가격 프로파일은, 시간에 따라 변화하는 전기 가격에 대한 정보를 포함하고,
상기 열적 상태 프로파일은, 시간에 따라 변화하는 건물의 열적 상태에 대한 정보를 포함하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 1,
The electricity price profile includes information on electricity prices that change over time,
The thermal condition profile includes a method for generating a demand response determination model for an HVAC system, which includes information about a thermal condition of a building that changes over time.
제 1 항에 있어서,
상기 전력 스케쥴 목적 함수의 최적해들을 각각 결정하는 단계는,
혼합 정수 선형 프로그래밍 (Mixed-integer linear programming, MILP) 을 이용하여 상기 전력 스케쥴 목적 함수의 최적해를 결정하는, HVAC 시스템에 대한 수요 반응 결정 모델을 생성하는 방법.
According to claim 1,
Determining the optimal solutions of the power schedule objective function, respectively,
A method of generating a demand response determination model for an HVAC system that determines an optimal solution of the power schedule objective function using mixed-integer linear programming (MILP).
건물의 열·공조 (Heating, ventilating, and air-conditioning, HVAC) 시스템에 대한 수요 반응 (Demand Response, DR) 을 수행하기 위한 방법으로서,
시간에 따라 변화하는 전기 가격에 대한 정보를 포함하는 전기 가격의 예측 프로파일 (Profile) 및 시간에 따라 변화하는 상기 건물의 열적 상태에 관한 정보를 포함하는 열적 상태 예측 프로파일을 획득하는 단계; 및
상기 전기 가격에 대한 정보 및 상기 열적 상태에 관한 정보를 기반으로 상기 건물의 HVAC 시스템에 대한 전력 공급 스케쥴을 결정하는 단계를 포함하는, HVAC 시스템의 수요 반응을 수행하기 위한 방법.
As a method for performing a demand response (DR) to the building's heating and air conditioning (Heating, ventilating, and air-conditioning, HVAC) system,
Obtaining a prediction profile (Profile) of the electricity price including information on the electricity price changing over time and a thermal condition prediction profile including information on the thermal condition of the building changing over time; And
And determining a power supply schedule for the HVAC system in the building based on the information on the electricity price and the information on the thermal condition.
제 20 항에 있어서,
상기 건물은 복수의 구역을 포함하는, HVAC 시스템의 수요 반응을 수행하기 위한 방법.
The method of claim 20,
The building comprises a plurality of zones, a method for performing a demand response of an HVAC system.
제 20 항에 있어서,
상기 전력 공급 스케쥴을 결정하는 단계는,
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 의해 생성된 수요 반응 결정 모델을 이용하여 상기 전력 공급 스케쥴을 결정하는, HVAC 시스템의 수요 반응을 수행하기 위한 방법.
The method of claim 20,
Determining the power supply schedule,
A method for performing a demand response of an HVAC system, wherein the power supply schedule is determined using a demand response determination model generated by any one of claims 1 to 14.
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