KR20210097613A - Power consumption prediction system for optimization of demand management resources - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전력사용량 예측 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SBR(Sequencing Batch Reactors) 공정에 대한 수요관리 자원 최적화를 위한 전력사용량 예측 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a power usage prediction system, and more particularly, to a power usage prediction system for optimizing demand management resources for a Sequencing Batch Reactors (SBR) process.
종래 하폐수처리시설의 운영은 에너지 저감측면보다는 방류수질의 법정기준 만족을 목표로 하고 있다. The operation of conventional wastewater treatment facilities aims to satisfy the legal standards of effluent quality rather than energy reduction.
하지만 실제 하폐수처리시설에서 사용되는 전력사용량은 2015년 말 기준, 연간 국내 공공 하폐수처리시설 전력사용량은 4,900GWh이며, 국내 전력사용량 대비 1%수준으로, 연간 4,900GWh이상의 전력이 소비되는 에너지 소비비중이 큰 산업이며, 또한 방류 수질기준이 강화되는 정책기조로 인하여 해당산업의 사용전력 또한 증가하는 추세이다. However, as of the end of 2015, the amount of electricity used in the actual wastewater treatment facilities is 4,900GWh, which is 1% of the domestic electricity consumption. It is a large industry, and the power consumption of the industry is also on the rise due to the policy stance that the standards for discharged water quality are strengthened.
따라서, 이러한 에너지 다소비 시설인 하폐수처리시설의 전력사용량을 예측하여, 국가 피크수요관리에 대응할 수 있는 방안의 모색이 요구된다. Therefore, it is required to find a way to respond to the national peak demand management by predicting the power consumption of the wastewater treatment facility, which is such an energy-consuming facility.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 하폐수처리시설의 전력사용량 예측을 통해 국가 피크수요관리에 대응할 수 있는 수요관리 자원 최적화를 위한 전력사용량 예측 시스템을 제공함에 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a power usage prediction system for optimizing demand management resources that can respond to national peak demand management through power usage prediction of a wastewater treatment facility. is in
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 전력사용량 예측 시스템은 SBR(Sequencing Batch Reactors) 공정에 대한 전력 데이터를 수집하는 수집부; 및 수집된 전력 데이터를 기반으로 전력사용량의 특성을 분석하고, 머신러닝 기반의 전력사용 예측모델을 생성하는 프로세서;를 포함한다.According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a system for predicting power consumption includes a collecting unit for collecting power data for a Sequencing Batch Reactors (SBR) process; and a processor that analyzes the characteristics of power consumption based on the collected power data and generates a machine learning-based power usage prediction model.
또한, 프로세서는, 데이터의 특징을 분류하고, 이상치 데이터를 제거하는 데이터 전처리를 수행하는 데이터 전처리모듈;을 포함할 수 있다.In addition, the processor may include a data pre-processing module for classifying data characteristics and performing data pre-processing to remove outlier data.
그리고 데이터 전처리모듈은, 시간에 의존적이며 주기성을 가지는 전력 데이터의 머신러닝 학습을 위해, 시간을 von Mises distribution를 따르는 방향 벡터로 치환하는 Directional Statistics 작업을 수행할 수 있다.And the data preprocessing module can perform directional statistics work that replaces time with a direction vector that follows von Mises distribution for machine learning learning of time-dependent and periodic power data.
또한, 데이터 전처리모듈은, 전력 데이터의 단위 시간 평균 또는 표준편차를 이용하여 이상치 데이터(Outlier)를 제거하는 Outlier 제거 작업을 수행할 수 있다.In addition, the data preprocessing module may perform an outlier removal operation of removing outliers by using a unit time average or standard deviation of power data.
그리고 데이터 전처리모듈은, 선형 보간법(Linear Interpolation) 및 스플라인 보간법(Cublic Spline Interpolation) 중 적어도 하나의 보간법을 이용하여 연속적인 전력 데이터를 얻거나 유실된 전력 데이터를 복원하는 Interpolation(보간) 작업을 수행할 수 있다.And the data preprocessing module obtains continuous power data or restores lost power data using at least one interpolation method of linear interpolation and spline interpolation to perform an interpolation operation. can
또한, 데이터 전처리모듈은, Interpolation 작업이 수행되면, Re-sampling 기법을 이용하여 전력 데이터의 시간 동기화 작업을 수행할 수 있다.In addition, when the interpolation operation is performed, the data preprocessing module may perform a time synchronization operation of the power data using a re-sampling technique.
그리고 프로세서는, RNN(Recurrent Neural Network)에서 과거 상태를 현재 데이터에 반영하는 변수를 제거하여, 전력사용 예측모델을 생성할 수 있다. In addition, the processor may generate a power usage prediction model by removing a variable that reflects a past state in current data from a recurrent neural network (RNN).
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 전력사용량 예측 방법은, 전력사용량 예측 시스템이 SBR(Sequencing Batch Reactors) 공정에 대한 전력 데이터를 수집하는 단계; 전력사용량 예측 시스템이 수집된 전력 데이터를 기반으로 전력사용량의 특성을 분석하는 단계; 및 전력사용량 예측 시스템이 분석 결과를 이용하여 머신러닝 기반의 전력사용 예측모델을 생성하는 단계;를 포함한다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention, a method for predicting power consumption includes: collecting, by a power usage prediction system, power data for a Sequencing Batch Reactors (SBR) process; analyzing, by the power usage prediction system, characteristics of power usage based on the collected power data; and generating, by the power usage prediction system, a machine learning-based power usage prediction model using the analysis result.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 하폐수처리시설의 전력사용량 예측을 통해 국가 피크수요관리에 대응할 수 있다. As described above, according to the embodiments of the present invention, it is possible to cope with the national peak demand management by predicting the power consumption of the wastewater treatment facility.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수요관리 자원 최적화를 위한 전력사용량 예측 시스템의 설명에 제공된 도면,
도 2는 SBR 처리 공정에 대한 전력사용 패턴이 예시된 도면,
도 3은 하수 Outlier 제거 작업의 설명에 제공된 도면,
도 4는 Interpolation 작업 전 기상청 온도 데이터가 예시된 도면,
도 5는 상기 도 4의 기상청 온도 데이터에 대한 Interpolation 작업을 수행한 결과가 예시된 도면,
도 6은 SBR 수처리 공정의 전력사용량 예측 모델이 예시된 도면,
도 7은 모델 학습 데이터 셋이 예시된 도면,
도 8은 전력사용량 패턴 예측 결과가 예시된 도면, 그리고
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수요관리 자원 최적화를 위한 전력사용량 예측 방법의 설명에 제공된 흐름도이다. 1 is a view provided for the description of a power usage prediction system for optimizing demand management resources according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram illustrating an electric power usage pattern for the SBR processing process;
3 is a view provided for the description of the sewage outlier removal operation;
4 is a diagram illustrating the temperature data of the Meteorological Agency before the Interpolation operation;
5 is a diagram illustrating a result of performing an interpolation operation on the temperature data of the Meteorological Agency of FIG. 4 ;
6 is a diagram illustrating a power consumption prediction model of the SBR water treatment process;
7 is a diagram illustrating a model training data set;
8 is a diagram illustrating an example of a power usage pattern prediction result, and
9 is a flowchart provided to explain a method of predicting power consumption for optimizing demand management resources according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수요관리 자원 최적화를 위한 전력사용량 예측 시스템(이하에서는 '전력사용량 예측 시스템'으로 총칭하기로 함)의 설명에 제공된 도면이다.1 is a diagram provided to explain a power usage prediction system for optimizing demand management resources according to an embodiment of the present invention (hereinafter, collectively referred to as a 'power usage prediction system').
본 실시예에 따른 전력사용량 예측 시스템은, 하폐수처리시설의 전력사용량 예측을 통해 국가 피크수요관리에 대응하기 위해 마련된다. The power usage prediction system according to this embodiment is provided to respond to the national peak demand management through the power usage prediction of the wastewater treatment facility.
구체적으로, 본 실시예에 따른 전력사용량 예측 시스템을 이용하여, 하폐수처리시설의 수요관리 서비스를 제공하기 위해서는, 수요반응이 발령되는 피크시간대의 전력사용량 예측이 필수적이다. Specifically, in order to provide a demand management service of a wastewater treatment facility using the power usage prediction system according to the present embodiment, it is essential to predict the power usage during the peak time when the demand response is issued.
이를 위해, 본 전력사용량 예측 시스템은, 수집부(110), 저장부(120) 및 프로세서(130)로 구성될 수 있다.To this end, the present power usage prediction system may include a
수집부(110)는, SBR 공정에 대한 전력 데이터를 수집하기 위해 마련된다.The
구체적으로, 수집부(110)는, 전력 데이터를 수집하는 센서를 구비하거나 별도의 센서로부터 데이터들을 수신할 수 있는 통신 수단을 구비할 수 있다. Specifically, the
예를 들면, 수집부(110)는, 예측모델 설계를 위하여 파일럿 시설의 전력사용량을 수집할 수 있으며, 이때, SBR 수처리 공정에 대한 패턴은 도 2에 예시된 바와 같다. For example, the
도 2에 예시된 전력 데이터는 순시전력값을 활용하며, 데이터의 단위는 와트이며 10분에 한 번씩 저장되었다. The power data illustrated in FIG. 2 utilizes an instantaneous power value, and the unit of data is watts and was stored once every 10 minutes.
이때, 누적전력값은 데이터의 최소 단위가 킬로와트이므로 전력사용량의 변화가 정확하게 반영되지 않아 예측 모델의 학습데이터로는 적합하지 않다. 따라서 프로세서는, 예측 모델을 통해 순시전력패턴을 예측하고 이를 토대로 1시간 단위 누적전력사용량을 역산할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. At this time, the accumulated power value is not suitable as training data for the prediction model because the change in power consumption is not accurately reflected because the minimum unit of data is kilowatts. Therefore, it is preferable that the processor predicts the instantaneous power pattern through the prediction model and inversely calculates the accumulated power consumption per hour based on the prediction model.
저장부(120)는, 프로세서(130)가 동작함에 있어 필요한 프로그램 및 데이터를 저장하는 저장매체이다.The
프로세서(130)는, 수집된 전력 데이터를 기반으로 전력사용량의 특성을 분석하고, 감축량 산정을 위한 지표로 활용할 수 있는 머신러닝(Machine Learning) 기반의 전력사용 예측모델을 생성할 수 있다.The
또한, 프로세서(130)는, 머신러닝 기반의 전력사용 예측모델을 이용하여 전력사용량에 대한 예측 결과를 도출한 이후, 수요반응 감축 발령 시, 평시 전력사용량 및 대응 시나리오에 따른 감축전력 예측정보를 토대로 수요반응 참여 가능여부를 판단할 수 있다. In addition, the
여기서 머신러닝 기반의 전력사용 예측모델은, 파이썬 기반의 케라스 라이브러리 등을 이용하여 구현될 수 있다. Here, the machine learning-based power use prediction model may be implemented using a Python-based Keras library, or the like.
일반적으로 하폐수처리시설은, 지역단위로 존재하며, 처리시설별로 다수개의 처리장과 공정이 혼재된 환경으로 구성되어, 공정별 전력사용량 예측모델을 도출하기 힘든 구조이기 때문에, 본 실시예에 따른 전력사용량 예측 시스템은, 기존 공정 중 5톤 미만의 소형 하수처리시설에서 주로 사용되는 SBR 처리 공정에 대한 파일럿 시설을 구성하고, 이를 대상으로 SBR 공정에 대한 전력데이터를 수집, 특성을 분석하고, SBR 처리 공정에 대한 전력사용 예측모델을 구현한다.In general, sewage treatment facilities exist on a regional basis, and each treatment facility consists of a mixed environment with a plurality of treatment plants and processes. The prediction system constitutes a pilot facility for the SBR treatment process, which is mainly used in small sewage treatment facilities of less than 5 tons of existing processes, and collects and analyzes power data for the SBR process with this target, and analyzes the characteristics of the SBR treatment process. Implement a power use prediction model for
한편, 프로세서(130)는, 전력사용 예측모델의 성능 향상을 위해서는, 입력 데이터에 대한 전처리(Pre-processing)가 매우 중요하기 때문에, 데이터의 특징을 효과적으로 분류하고, 이상치 데이터를 제거하는 데이터 전처리를 수행하는 데이터 전처리모듈을 포함할 수 있다. Meanwhile, the
구체적으로, 데이터 전처리모듈은, 시간에 의존적이며 주기성을 가지는 전력 데이터의 머신러닝 학습을 위해, 시간을 von Mises distribution를 따르는 방향 벡터로 치환하는 Directional Statistics 작업을 수행할 수 있다. Specifically, the data preprocessing module can perform directional statistics work that replaces time with a direction vector following the von Mises distribution for machine learning learning of time-dependent and periodic power data.
여기서, 머신러닝에 사용되는 하폐수처리시설의 전력 데이터는 HRT(Hydraulic Retention Time)를 기준으로 전력데이터가 반복되는 특성을 가진다. Here, the power data of the wastewater treatment facility used for machine learning has a characteristic that the power data is repeated based on the HRT (Hydraulic Retention Time).
특히, SBR의 HRT는 6시간으로 전력데이터도 24시간을 기준으로 반복되는 특성을 가지며, 기후(비, 장마), 요일(평일/휴일), 사람의 행동 패턴 및 활동량 등이 시간에 의존적이며 주기적인 특성을 가지기 때문에, 시간에 의존적이며 주기성을 가지는 전력 데이터를 학습시키기 위하여, 시간을 von Mises distribution를 따르는 방향 벡터로 치환하는 것이다. In particular, the HRT of SBR is 6 hours and power data is repeated based on 24 hours. In order to learn time-dependent and periodic power data because it has a characteristic characteristic, time is replaced with a direction vector following the von Mises distribution.
이때, von Mises distribution는 확률 이론 및 방향 통계에서 정규분포의 원형유사체인 랩핑된 정규분포에 가까운 근사값을 나타내는 원에 대한 연속 확률 분포이다.In this case, the von Mises distribution is a continuous probability distribution on a circle showing an approximation close to the wrapped normal distribution, which is a circular analogue of the normal distribution in probability theory and directional statistics.
데이터 전처리모듈은, von Mises distribution를 이용함으로서, 방향 벡터로의 치환 과정에서 데이터 량의 증가가 발생하지만, 최종 성능이 향상되고, 주기 데이터의 특성이 포함되도록 할 수 있다. The data preprocessing module uses von Mises distribution to increase the amount of data in the process of substitution with a direction vector, but the final performance is improved and the characteristics of periodic data can be included.
그리고 데이터 전처리모듈은, 전력 데이터의 단위 시간 평균 또는 표준편차를 이용하여 이상치 데이터(Outlier)를 제거하는 Outlier 제거 작업을 수행할 수 있다. In addition, the data preprocessing module may perform an outlier removal operation of removing outlier data using a unit time average or standard deviation of power data.
도 3은 물처리공정의 하수 온도 데이터가 예시된 도면이다. 하수 온도 데이터는, 미생물 처리를 위한 약품 공급 여부에 따라 상단의 그림과 같이 실제 온도와 다른 Outlier가 나타날 수 있다. 이때, 기계 작동에 의한 오차 Outlier를 제거하면, 하단의 그림과 같이 정상적인 온도 값을 얻을 수 있다. 데이터 전처리모듈은, 도 3에 예시된 바와 같이 이상치 데이터(Outlier)를 제거할 수 있다. 3 is a diagram illustrating sewage temperature data of a water treatment process. The sewage temperature data may show outliers different from the actual temperature as shown in the figure above depending on whether or not chemicals are supplied for microbial treatment. At this time, if the error outlier caused by the machine operation is removed, a normal temperature value can be obtained as shown in the figure below. The data preprocessing module may remove outliers as illustrated in FIG. 3 .
예를 들면, 데이터 전처리모듈은, 전력 데이터들의 표준편차의 250~300% 이내에 해당하는 데이터들의 최대값 및 최소값에 의해 결정되는 정상치 범위를 초과하는 경우, 이상치 데이터로 판단하여 제거할 수 있다. For example, when the data preprocessing module exceeds the normal value range determined by the maximum and minimum values of data corresponding to within 250 to 300% of the standard deviation of the power data, it may be determined as outlier data and removed.
여기서, 이상치 데이터는, 다양한 환경 및 경로, 각종 센서에 의해 취득된 데이터들 중 전자 장비의 열잡음, 사람의 수집과정에서 오차, 측정 과정에서의 오차, 네트워크 전송과정에서의 오류, 샘플링 과정에서의 오류 등 다양한 원인에 의해 발생하는 비정상적인 극단값을 가지거나 타당도가 없이 정상 분포에서 벗어난 값에 해당하는 데이터를 의미한다. Here, the outlier data includes thermal noise of electronic equipment among data acquired by various environments and paths and various sensors, an error in the human collection process, an error in the measurement process, an error in the network transmission process, and an error in the sampling process. It refers to data that has abnormal extreme values caused by various causes, such as data, or values that deviate from the normal distribution without validity.
도 4는 Interpolation 작업 전 기상청 온도 데이터가 예시된 도면이고, 도 5는 상기 도 4의 기상청 온도 데이터에 대한 Interpolation 작업을 수행한 결과가 예시된 도면이다.4 is a diagram illustrating the temperature data of the Korea Meteorological Agency before the interpolation operation, and FIG. 5 is a diagram illustrating the result of performing the interpolation operation on the temperature data of the Meteorological Agency of FIG. 4 .
수집부를 통해 수집된 전력 데이터들은 도 4에 예시된 바와 같이 이산시간 값으로 특정 시점의 상태 값을 가지고 있다. 이러한 값들은 등간격일 수도 있지만, 부등간격이거나 데이터가 없는 경우도 있다. As illustrated in FIG. 4 , the power data collected through the collecting unit has a state value at a specific time as a discrete time value. These values may be equally spaced, but they may also be unequally spaced or have no data.
데이터 전처리모듈은, 이러한 데이터들을 이용하여, 도 5에 예시된 바와 같이 연속적인 데이터를 얻거나 유실된 데이터를 복원하기 위하여 Interpolation 기법을 사용하여, Interpolation(보간) 작업을 수행할 수 있다. The data preprocessing module may perform an interpolation operation by using the interpolation technique to obtain continuous data or to restore lost data as illustrated in FIG. 5 by using these data.
즉, 데이터 전처리모듈은, 선형 보간법(Linear Interpolation) 및 스플라인 보간법(Cublic Spline Interpolation) 중 적어도 하나의 보간법을 이용하여 연속적인 전력 데이터를 얻거나 유실된 전력 데이터를 복원하는 Interpolation(보간) 작업을 수행하는 것이다.That is, the data pre-processing module obtains continuous power data or restores lost power data using at least one interpolation method of a linear interpolation method and a spline interpolation method. will do
선형 보간법은, 끝점의 값이 주어졌을 때 그 사이에 위치한 값을 추정하기 위하여 직선 거리에 따라 선형적으로 계산하는 방법으로서, 임의의 를 보간하기 위하여 인접 함수값 ,을 함수 전개하여, 이용하면 하기의 수식 1과 같이 표현된다.Linear interpolation is a method of linearly calculating according to a straight line distance to estimate a value located between the end points when the values are given. Adjacent function values to interpolate , It is expressed as
수식 1) Formula 1)
스플라인 보간법은, 주어진 점 사이의 값을 추정하기 위하여 3차 다항식을 사용한 방법이다. Spline interpolation is a method that uses a cubic polynomial to estimate a value between a given point.
데이터 전처리모듈은, 데이터의 끝부분에서 발생하는 출렁임을 줄이기 위해 Spline 기법을 적용하여 연속적인 전력 데이터를 얻을 수 있다. The data pre-processing module can obtain continuous power data by applying the spline technique to reduce the oscillation occurring at the end of the data.
도 4 내지 도 5는 기상청 온도 데이터를 나타낸 것이다. 4 to 5 show the temperature data of the Korea Meteorological Administration.
도 4에 예시된 온도 데이터는 이산시간동안 부등간격으로 전송된다. 따라서 계단 현상이 발생되어 실제 온도패턴과는 다소 차이가 발생하게 된다. The temperature data illustrated in FIG. 4 is transmitted at unequal intervals during discrete time. Therefore, a step phenomenon occurs and a slight difference from the actual temperature pattern occurs.
데이터 전처리모듈은, 이러한 데이터를 Interpolation 작업하여, Linear 및 Cublic Spline Interpolation을 적용하면 도 5에 예시된 바와 같이 이산데이터를 연속데이터로 수렴하도록, 전처리할 수 있다. The data pre-processing module may pre-process such data to converge discrete data into continuous data as illustrated in FIG. 5 when linear and cubic spline interpolation are applied by interpolation of these data.
그리고 데이터 전처리모듈은, Interpolation 작업이 수행되면, Re-sampling 기법을 이용하여 전력 데이터의 시간 동기화 작업을 수행할 수 있다. In addition, when the interpolation operation is performed, the data pre-processing module may perform a time synchronization operation of power data using a re-sampling technique.
수집부는, 다양한 센서 및 취득 경로를 통해 데이터들을 수집하기 때문에, 데이터별로 수집 시간이 다르며, 이는 데이터별 시간 동기화를 필요로 하게 된다. Since the collecting unit collects data through various sensors and acquisition paths, the collection time is different for each data, which requires time synchronization for each data.
따라서 데이터 전처리모듈은, 수집된 데이터의 시간 동기화를 위하여, Interpolation 작업이 수행되면, Re-sampling 기법을 이용하여 전력 데이터의 시간 동기화 작업을 수행할 수 있다.Therefore, when the interpolation operation is performed for time synchronization of the collected data, the data preprocessing module may perform the time synchronization operation of the power data using the re-sampling technique.
한편, SBR 처리 공정은 연속수처리 공정이 아닌 배치(Batch)방식의 수처리공정으로 유입-교반-폭기-침전-배출의 순차적 처리공정이 구동되는 형태이다. On the other hand, the SBR treatment process is a batch-type water treatment process, not a continuous water treatment process, in which the sequential treatment process of inflow-stirring-aeration-precipitation-discharge is driven.
즉, 전력 사용량 패턴은 처리공정 순서에 따라 규칙적인 패턴을 보여주고 있으므로 시계열 데이터로 판단될 수 있다. 그러나 시계열 데이터로 판단하고 설계한 예측모델은 예측성능이 매우 낮은 것으로 확인되었다. 이는 SBR공정의 전력사용패턴은 현재의 전력사용량이 과거의 전력사용량에 영향을 받는 조건부 확률 데이터가 아니라는 것을 의미한다. That is, since the power usage pattern shows a regular pattern according to the processing order, it can be determined as time series data. However, it was confirmed that the predictive model designed and judged with time series data had very low predictive performance. This means that the power usage pattern of the SBR process is not conditional probability data in which the current power usage is affected by the past power usage.
따라서, 본 실시예에 따른 프로세서(130)는, 도 6에 예시된 바와 같이 RNN(Recurrent Neural Network)에서 과거 상태를 현재 데이터에 반영하는 변수를 제거하여, 전력사용 예측모델을 생성하도록 구현된다. Accordingly, the
구체적으로 설명하면, 모델의 학습 및 예측을 위해서는 데이터 셋에 대한 구성이 필요하다. Specifically, for model learning and prediction, a data set configuration is required.
일반적으로 SBR 처리 공정은 HRT 6시간의 공정으로 하루동안 4 사이클이 반복되는 구조이다. In general, the SBR treatment process is a 6-hour HRT process and has a structure in which 4 cycles are repeated during one day.
이에 설계한 모델에서는 과거 24시간 4 사이클 공정의 전력사용량 데이터를 입력받아 다음 1 사이클 공정의 전력사용량을 예측할수 있도록 시스템을 구성하는 것이 바람직하다. In the model designed for this, it is desirable to configure the system so that the power consumption data of the past 24
전력 데이터는 10분에 한 번씩 저장되어 있으므로 144개의 24시간 입력데이터와 36개의 정답 데이터를 갖도록 데이터 셋을 생성하였다. Since power data is stored once every 10 minutes, a data set was created to have 144 24-hour input data and 36 correct answer data.
데이터 셋은 도 7에 예시된 바와 같이 학습데이터, 시험데이터, 검증데이터 3가지로 구성된다. 도 7은 모델 학습 데이터 셋의 일부가 예시된 도면이다. The data set consists of three types of training data, test data, and verification data, as illustrated in FIG. 7 . 7 is a diagram illustrating a part of a model training data set.
구체적으로, 프로세서(130)는, 생성한 데이터 셋으로 설계한 모델의 학습을 진행하며, 각 학습 파라미터는 배치 사이즈 32, 평균 제곱 오차를 사용하였으며 최적화 함수는 Adam으로 설정될 수 있다. Specifically, the
그리고 기계학습은 800 에포크 수행하였으며 기계학습을 완료한 모델을 사용해 실제 전력사용량에 대한 예측을 수행하여, 도 8과 같은 예측 결과가 도출될 수 있다. In addition, machine learning is performed for 800 epochs, and prediction results as shown in FIG. 8 can be derived by performing prediction on actual power consumption using a model that has completed machine learning.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수요관리 자원 최적화를 위한 전력사용량 예측 방법(이하에서는 '전력사용량 예측 방법'으로 총칭하기로 함)의 설명에 제공된 흐름도이다. 9 is a flowchart provided to explain a method for estimating power usage for optimizing demand management resources (hereinafter, collectively referred to as a 'power usage prediction method') according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 전력사용량 예측 방법은, 전력사용량 예측 시스템에 의해 실행되어, SBR 공정에 대한 전력 데이터를 수집하는 수집 단계(S910), 수집된 전력 데이터를 기반으로 전력사용량의 특성을 분석하는 분석 단계(S920) 및 분석 결과를 이용하여 머신러닝 기반의 전력사용 예측모델을 생성하는 생성 단계(S930)로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 9 , the power usage prediction method is executed by the power usage prediction system, a collection step of collecting power data for the SBR process (S910), and analyzing the characteristics of power usage based on the collected power data It may be composed of an analysis step (S920) and a generation step (S930) of generating a machine learning-based power use prediction model using the analysis result.
수집 단계(S910)에서는, 전력사용량 예측 시스템이 다양한 센서 및 취득 경로를 통해 전력 데이터들을 수집할 수 있다. In the collection step S910 , the power usage prediction system may collect power data through various sensors and acquisition paths.
분석 단계(S920)에서는, 전력사용량 예측 시스템이 데이터의 특징을 효과적으로 분류하고, 이상치 데이터를 제거하는 데이터 전처리를 수행할 수 있다. In the analysis step ( S920 ), the power usage prediction system may effectively classify data characteristics and perform data preprocessing to remove outlier data.
생성 단계(S930)에서는 전력사용량 예측 시스템이 RNN(Recurrent Neural Network)에서 과거 상태를 현재 데이터에 반영하는 변수를 제거하여, 전력사용 예측모델을 생성할 수 있다. In the generating step ( S930 ), the power usage prediction system may generate a power usage prediction model by removing a variable that reflects a past state in current data from a recurrent neural network (RNN).
이를 통해, 하폐수처리시설의 전력사용량을 예측하고, 예측 결과를 이용하여, 국가 피크수요관리에 대응할 수 있다. Through this, it is possible to predict the electricity consumption of the wastewater treatment facility and respond to the national peak demand management by using the prediction result.
한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.On the other hand, it goes without saying that the technical idea of the present invention can also be applied to a computer-readable recording medium containing a computer program for performing the functions of the apparatus and method according to the present embodiment. In addition, the technical ideas according to various embodiments of the present invention may be implemented in the form of computer-readable codes recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may be any data storage device readable by the computer and capable of storing data. For example, the computer-readable recording medium may be a ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical disk, hard disk drive, or the like. In addition, the computer-readable code or program stored in the computer-readable recording medium may be transmitted through a network connected between computers.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.In addition, although preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims In addition, various modifications may be made by those of ordinary skill in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.
110 : 수집부
120 : 저장부
130 : 프로세서110: collection unit
120: storage
130: processor
Claims (8)
수집된 전력 데이터를 기반으로 전력사용량의 특성을 분석하고, 머신러닝 기반의 전력사용 예측모델을 생성하는 프로세서;를 포함하고,
프로세서는,
데이터의 특징을 분류하고, 이상치 데이터를 제거하는 데이터 전처리를 수행하는 데이터 전처리모듈;을 포함하며,
데이터 전처리모듈은,
SBR 공정에 대한 전력 데이터가 4 사이클 간격으로 나타나는 주기성을 기초로, 전력 데이터를 특정 분포를 따르는 방향 벡터로 치환하고,
전력사용 예측모델은,
SBR 공정의 4 사이클 동안의 전력사용량을 입력받아, 다음 1 사이클의 전력사용량을 예측하기 위한 모델인 것을 특징으로 하는 전력사용량 예측 시스템.
a collection unit that collects power data for the Sequencing Batch Reactors (SBR) process; and
A processor that analyzes the characteristics of power consumption based on the collected power data and generates a machine learning-based power usage prediction model;
The processor is
A data pre-processing module for classifying data characteristics and performing data pre-processing to remove outlier data;
Data preprocessing module,
Based on the periodicity in which the power data for the SBR process appears at 4 cycle intervals, substituting the power data with a direction vector following a specific distribution,
The power usage prediction model is,
Power usage prediction system, characterized in that it is a model for receiving power usage for 4 cycles of the SBR process and predicting power usage for the next 1 cycle.
데이터 전처리모듈은,
시간에 의존적이며 주기성을 가지는 전력 데이터의 머신러닝 학습을 위해, 시간을 von Mises distribution를 따르는 방향 벡터로 치환하는 Directional Statistics 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력사용량 예측 시스템.
The method according to claim 1,
Data preprocessing module,
For machine learning learning of time-dependent and periodic power data, a power usage prediction system characterized by performing Directional Statistics work that replaces time with a direction vector following the von Mises distribution.
데이터 전처리모듈은,
전력 데이터의 단위 시간 평균 또는 표준편차를 이용하여 이상치 데이터(Outlier)를 제거하는 Outlier 제거 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력사용량 예측 시스템.
3. The method according to claim 2,
Data preprocessing module,
Power usage prediction system, characterized in that performing an outlier removal operation of removing outlier data using a unit time average or standard deviation of power data.
데이터 전처리모듈은,
선형 보간법(Linear Interpolation) 및 스플라인 보간법(Cublic Spline Interpolation) 중 적어도 하나의 보간법을 이용하여 연속적인 전력 데이터를 얻거나 유실된 전력 데이터를 복원하는 Interpolation(보간) 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력사용량 예측 시스템.
4. The method according to claim 3,
Data preprocessing module,
Power consumption, characterized in that by using at least one interpolation method of linear interpolation and spline interpolation to obtain continuous power data or perform an interpolation operation to restore lost power data prediction system.
데이터 전처리모듈은,
Interpolation 작업이 수행되면, Re-sampling 기법을 이용하여 전력 데이터의 시간 동기화 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력사용량 예측 시스템.
5. The method according to claim 4,
Data preprocessing module,
When the interpolation operation is performed, the power usage prediction system, characterized in that the time synchronization operation of the power data using a re-sampling technique.
프로세서는,
RNN(Recurrent Neural Network)에서 과거 상태를 현재 데이터에 반영하는 변수를 제거하여, 전력사용 예측모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 전력사용량 예측 시스템.
The method according to claim 1,
The processor is
A power usage prediction system, characterized in that by removing a variable that reflects a past state in current data from a Recurrent Neural Network (RNN), a power usage prediction model is generated.
프로세서는,
생성된 전력사용 예측모델을 이용하여 수요반응이 발령되는 피크시간대의 전력사용량에 대한 예측 결과를 도출한 이후, 수요반응 감축 발령 시, 평시 전력사용량 및 대응 시나리오에 따른 감축전력 예측정보를 토대로 수요반응 참여 가능여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 전력사용량 예측 시스템.
The method according to claim 1,
The processor is
After deriving the prediction result for the power consumption during the peak time when the demand response is issued by using the generated electricity usage prediction model, when the demand response reduction is issued, the demand response is based on the power consumption forecast in normal times and the reduction power forecast information according to the response scenario Power usage prediction system, characterized in that it is determined whether participation is possible.
전력사용량 예측 시스템이, 수집된 전력 데이터를 기반으로 전력사용량의 특성을 분석하는 단계; 및
전력사용량 예측 시스템이, 분석 결과를 이용하여 머신러닝 기반의 전력사용 예측모델을 생성하는 단계;를 포함하고,
분석 단계는,
데이터의 특징을 분류하고, 이상치 데이터를 제거하는 데이터 전처리를 수행하며,
SBR 공정에 대한 전력 데이터가 4 사이클 간격으로 나타나는 주기성을 기초로, 전력 데이터를 특정 분포를 따르는 방향 벡터로 치환하고,
전력사용 예측모델은,
SBR 공정의 4 사이클 동안의 전력사용량을 입력받아, 다음 1 사이클의 전력사용량을 예측하기 위한 모델인 것을 특징으로 하는 전력사용량 예측 방법.
Collecting, by the power usage prediction system, power data for a Sequencing Batch Reactors (SBR) process;
analyzing, by the power usage prediction system, characteristics of power usage based on the collected power data; and
Including, by the power usage prediction system, generating a machine learning-based power usage prediction model using the analysis result;
The analysis step is
Classify data characteristics, perform data preprocessing to remove outlier data,
Based on the periodicity in which the power data for the SBR process appears at 4 cycle intervals, substituting the power data with a direction vector following a specific distribution,
The power usage prediction model is,
Power usage prediction method, characterized in that it is a model for receiving power usage for 4 cycles of the SBR process and predicting power usage for the next 1 cycle.
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