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        基于改進(jìn) FCM 算法的校園空調(diào)冷負(fù)荷錯(cuò)峰研究

        2018-05-18 03:17:00張夢(mèng)成劉兆輝譚洪衛(wèi)
        關(guān)鍵詞:時(shí)間段能耗聚類

        張夢(mèng)成 劉兆輝 譚洪衛(wèi) *

        1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

        2同濟(jì)大學(xué)綠色建筑及新能源研究中心

        3聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署- 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)院

        在校園各項(xiàng)能耗消費(fèi)中,空調(diào)能耗占比迅速增大。據(jù)全國(guó)高校統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示, 校區(qū)平均空調(diào)耗電量已達(dá)到總耗電量的29.3% [1] 。 校園空調(diào)負(fù)荷隨著建筑用途的不同呈現(xiàn)不同的需求規(guī)律, 具有通過(guò)錯(cuò)峰管理降低整體能耗的潛力??照{(diào)負(fù)荷在開學(xué)前后階躍式的增長(zhǎng)[2]會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)極大壓力, 開展負(fù)荷錯(cuò)峰可以保持整體負(fù)荷需求的穩(wěn)定, 降低用電量的波動(dòng)。

        為挖掘錯(cuò)峰潛力, 必須充分整理校園空調(diào)負(fù)荷需求規(guī)律。本篇通過(guò)最近最遠(yuǎn)指標(biāo)來(lái)改進(jìn)模糊C均值算法 (Fuzzy C-means), 自動(dòng)確定最佳的聚類數(shù)來(lái)開展聚類。整理校園空調(diào)負(fù)荷聚類特征, 結(jié)合其他數(shù)據(jù)挖掘方法研究校園建筑負(fù)荷時(shí)序規(guī)律及空間分布特征, 從而為優(yōu)化校園空調(diào)系統(tǒng)管理和開展節(jié)能減排工作提供方法和借鑒。

        1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

        數(shù)據(jù)挖掘的首要任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、 一致性、 適用性、 權(quán)威性, 從而真實(shí)反映校園空調(diào)負(fù)荷需求規(guī)律。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)集成, 數(shù)據(jù)清洗, 數(shù)據(jù)變換和數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化, 在一般的數(shù)據(jù)挖掘工作中, 數(shù)據(jù)的預(yù)處理會(huì)占到80%左右的工作量 [3] 。

        1.1 數(shù)據(jù)集成

        各棟建筑物空調(diào)負(fù)荷需求無(wú)法實(shí)際測(cè)量, 對(duì)于校園建筑, 在末端 (如風(fēng)機(jī)盤管) 可控時(shí), 可以認(rèn)為空調(diào)系統(tǒng)供冷滿足各樓的實(shí)際需要, 因此用空調(diào)系統(tǒng)向各樓的實(shí)際負(fù)荷供應(yīng)量來(lái)代替需求量:

        式中:Qi表示各樓空調(diào)系統(tǒng)冷量,kW;ts、tr分別表示各樓空調(diào)系統(tǒng)供回水溫度,℃ ;Li表示各樓空調(diào)系統(tǒng)冷凍水流量,m3/ h。

        1.2 數(shù)據(jù)清洗

        采集的數(shù)據(jù)受到實(shí)際采集條件的制約, 存在諸多錯(cuò)誤, 異常和空白數(shù)據(jù), 這些數(shù)據(jù)需要在清洗之后才能使用,在清洗的過(guò)程中需要根據(jù)負(fù)荷物理意義, 盡量多的保留樣本, 以便開展分析。

        1) 針對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)如亂碼等, 根據(jù)負(fù)荷的連續(xù)性,通過(guò)相鄰兩時(shí)刻的平均值來(lái)代替。

        2) 針對(duì)異常數(shù)據(jù)即個(gè)別過(guò)大或過(guò)小的數(shù)據(jù), 利用負(fù)荷的周期性, 將其與同一時(shí)刻的其他負(fù)荷值平均來(lái)加以修正。

        3) 針對(duì)大段的空白數(shù)據(jù), 利用同一星期天數(shù)同一時(shí)間段的負(fù)荷平均值來(lái)代替。

        1.3 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化

        采集得到的輸入?yún)?shù)中,某 些負(fù)荷屬性可能與其它數(shù)據(jù)屬性相關(guān)性較低,無(wú) 法體現(xiàn)整體負(fù)荷需求特征,需要舍去以免對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生干擾。本次建模過(guò)程采用相關(guān)性分析的方法加以判定。

        2 改進(jìn)的FCM 聚類算法

        利用聚類可以歸納各個(gè)時(shí)刻的負(fù)荷需求,從 而得到幾類典型特征樣本,從 數(shù)據(jù)層面獲得真實(shí)的負(fù)荷規(guī)律。而 FCM[4]算 法是一種基于目標(biāo)函數(shù)的模糊聚類算法,相 較于其他聚類方法運(yùn)算時(shí)間少,克 服了非此即彼的缺點(diǎn),缺 點(diǎn)是需要預(yù)設(shè)聚類數(shù)目,本 篇通過(guò)最近最遠(yuǎn)得分指標(biāo)( NFS)進(jìn) 行改進(jìn)。

        2.1 FCM算法概述

        FCM聚類準(zhǔn)函數(shù)由隸屬函數(shù)定義:

        式中: (xi -m j)是xi到mj之間的歐式距離;c為預(yù)定的類別數(shù);mj(j=1,2,…,c)是每一個(gè)聚類的中心;uj(xi)是第i個(gè)樣本關(guān)于第j類的隸屬度;b是模糊加權(quán)冪指數(shù);M是X的模糊C劃分矩陣,V是X的聚類中心集合。

        FCM 聚類算法的結(jié)果就是要獲得使得準(zhǔn)則函數(shù)達(dá)到最小的M和V。隸屬度和為1:

        在式 (3) 條件下求式 (2) 的極小值, 令J(M,V)對(duì)mj和uj(x i)偏導(dǎo)數(shù)為0, 可得極小值的必要條件為:

        FCM算法可以按照以下迭代步驟完成:

        ①設(shè)定聚類數(shù)目c和參數(shù)b,算法終止閾值ε, 迭代次數(shù)t=1, 允許最大迭代數(shù)為tmax。

        ②初始化各個(gè)聚類中心mi(隨機(jī)設(shè)定聚類中心,多次運(yùn)算以避免局部最小值)。

        ③用當(dāng)前聚類中心根據(jù)式 (5) 計(jì)算隸屬度函數(shù)。

        ④用當(dāng)前隸屬函數(shù)按式 (4) 更新各類聚類中心。

        ⑤選取合適的矩陣范數(shù), 如果 ||V(i+1)-vi||≤ε或t≥tmax, 停止運(yùn)算; 否則,t=t+1, 返回步驟③。

        代入訓(xùn)練樣本進(jìn)行聚類運(yùn)算, 當(dāng)算法收斂時(shí)即可以得到各個(gè)聚類中心和各個(gè)樣本的隸屬度, 根據(jù)隸屬度歸類各個(gè)訓(xùn)練樣本。

        2.2 最遠(yuǎn)最近得分指標(biāo)

        聚類數(shù)目C的確定關(guān)系到聚類效果和后續(xù)的分析。最佳聚類數(shù)C值可以通過(guò)最近最遠(yuǎn)得分指標(biāo) [5] 加以確定。NFS指標(biāo)是基于最近鄰一致性和最遠(yuǎn)鄰相異性的原則, 每個(gè)樣本擁有兩個(gè)影響評(píng)分的因子, 即最近得分因子ns(i)和最遠(yuǎn)得分因子fs(i):

        樣本得分s(i)為最近最遠(yuǎn)得分的均值, 即s(i)=[ns(i)+fs(i)]/2, 平均各個(gè)類樣本的得分, 得到各類的得分,再平均類得分, 得到類別數(shù)為K下的聚類結(jié)果的最近最遠(yuǎn)得分nfs(K):

        K即為類別數(shù)。聚類結(jié)果的得分越高,表示聚類的近鄰一致性和遠(yuǎn)鄰相異性越好, 即聚類效果越佳。

        2.3 改進(jìn)后的FCM聚類算法

        在C均值算法的目標(biāo)函數(shù)中, 引入最近最遠(yuǎn)得分指標(biāo), 則可以避免了重復(fù)計(jì)算聚類結(jié)果, 大幅度減少計(jì)算量。該算法的思想步驟如下:

        圖1 改進(jìn)FCM算法流程圖

        ①設(shè)置最大聚類數(shù)Cmax和最小聚類數(shù)Cmin, 閾值ε, 并 設(shè)k=Cmin- 1,最 佳聚類數(shù)為C。

        ②隨機(jī)初始化隸屬度矩陣U(0),t= 0,k增加1。

        ③更新隸屬度矩陣U(t)和聚類中心V(t),t增加1;

        ④||V(i+1)-vi||>ε, 返 回③。

        ⑤計(jì)算nfs(k),記 下此時(shí)聚類數(shù)目k,并 設(shè)nfsmin=nfs(k)(Cmin) 如果nfs(k)<nfs(k)min, 則nfsmin=nfs(k),C=k。

        ⑥如果k>Cmax,即C即為最終聚類數(shù)目,否 則,返回②。

        通過(guò)引入最近最遠(yuǎn)得分改進(jìn)后的算法可以較好的解決聚類問(wèn)題,算 法流程圖如圖1。

        3 案例分析

        案例為江蘇省某綠色校園, 該校為建設(shè)綠色建筑與節(jié)能示范區(qū), 便于統(tǒng)一管理和降低能耗, 在校園內(nèi)主要用能建筑內(nèi)實(shí)施采用地源熱泵可再生能源空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)供能總建筑面積14.47萬(wàn)m2, 向涵蓋行政、 食堂、 教學(xué)、 科研、 圖書館、 宿舍在內(nèi)的9棟建筑供應(yīng)冷熱水。各類建筑使用時(shí)間表如表1所示。

        表1 各類建筑用能時(shí)間表

        該系統(tǒng)由4臺(tái)熱泵主機(jī)組成,末端負(fù)荷側(cè)水循環(huán)系統(tǒng)為兩管制閉式二次泵水循環(huán)系統(tǒng), 一級(jí)泵4臺(tái), 二級(jí)泵14臺(tái)。 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)有獨(dú)立的含分項(xiàng)計(jì)量裝置在內(nèi)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng), 和智能電表, 氣象觀測(cè)儀等共同組成校園能源監(jiān)管平臺(tái)。本次采集數(shù)據(jù)包括特定樓的逐時(shí)電耗數(shù)據(jù), 各類樓輸入的冷凍水流量和供回水溫度數(shù)據(jù)。

        3.1 構(gòu)造和驗(yàn)證樣本集

        將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,得到連續(xù)的2017/8/1-2017/9/25 時(shí)間段涵蓋六類建筑的共計(jì)16128組逐五分鐘負(fù)荷數(shù)據(jù)樣本,進(jìn)行歸一化處理。將六類建筑負(fù)荷樣本進(jìn)行相關(guān)性分析, 結(jié)果如表2:

        表2 各類建筑負(fù)荷相關(guān)性表

        其中,Q x,Q t,Q s,Qj,Q k,Qg分別表示行政樓、圖書館、 食堂、 教育技術(shù)中心、 科研樓、 宿舍的歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)。由表2可見, 科研樓與其他樓的相關(guān)性極低, 觀察數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)研可知, 由于科研樓在夏季幾乎沒(méi)有使用, 故將其排除。為保證聚類樣本時(shí)刻的統(tǒng)一性, 需要將采集得到的數(shù)據(jù)整理成逐時(shí)樣本。同時(shí), 為體現(xiàn)該時(shí)刻不同樓的負(fù)荷變化范圍, 最大程度挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值, 取每幢樓每小時(shí)的負(fù)荷平均值、 最大值、 最小值作為該樓該時(shí)刻的負(fù)荷屬性,即每組樣本共有 15 個(gè)屬性, 整理得到樣本數(shù)1345組。

        3.2 聚類分析

        使用改進(jìn)后的 FCM 聚類算法對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行聚類, 從 FCM 算法的物理解釋角度出發(fā)[6], 參數(shù)b取為2,ε取為0.0001,tmax取為100。參照2.3設(shè)定C為2至15運(yùn)行算法得到最優(yōu)聚類C為 3,其中nfs得分變化趨勢(shì)如圖2:

        圖2 nfs得分隨聚類數(shù)的變化趨勢(shì)

        從峰值調(diào)控出發(fā), 取各類建筑的逐時(shí)最大負(fù)荷進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì), 得到各類負(fù)荷需求特征如表3。

        表3 聚類結(jié)果的負(fù)荷分布

        由表可知,0類宿舍負(fù)荷需求較高,其 他類建筑負(fù)荷需求較低,總 負(fù)荷需求最高,占 樣本總數(shù)的16.6%。1類各類建筑都有較低負(fù)荷需求,總 負(fù)荷需求最低,占 比60.7%。2 類建筑行政、圖 書館教學(xué)等負(fù)荷需求較高,兼有部分食堂和宿舍負(fù)荷需求,占 比23.4%。統(tǒng) 計(jì)所有負(fù)荷樣本的峰值比上各樓負(fù)荷峰值之和為0.52,即通過(guò)錯(cuò)峰使設(shè)計(jì)峰值負(fù)荷降低了 48.0%,因而可以選用輸出冷量較小的設(shè)備從而降低能耗,節(jié) 省費(fèi)用。

        3.2.1 能耗時(shí)序規(guī)律聚類結(jié)果分析

        從電量監(jiān)測(cè)模塊得到機(jī)房總電耗 (機(jī)組和冷凍、 冷水泵組電耗)整理成逐時(shí)樣本。將逐時(shí)電耗與逐時(shí)總負(fù)荷進(jìn)行回歸分析, 結(jié)果如圖3:

        圖3 負(fù)荷與能耗趨勢(shì)圖

        可見負(fù)荷 (供冷量) 與冷熱源能耗基本呈現(xiàn)線性關(guān)系, 負(fù)荷與機(jī)房能耗比值為5.36。

        為觀察能耗時(shí)序規(guī)律的聚類劃分情況, 以空調(diào)系統(tǒng)冷熱源總能耗為 Y 軸, 分別以時(shí)序列, 小時(shí)周期和星期周期為X軸, 按照聚類結(jié)果進(jìn)行劃分, 結(jié)果如圖 4所示。

        圖4 (a) 中九月開學(xué)后能耗劇增, 結(jié)合圖4 (c) 中各聚類在一周各天內(nèi)均有分布, 表明影響能耗時(shí)間分布的主要因素是假期和教學(xué)周的劃分, 對(duì)于校園建筑, 并不存在嚴(yán)格的工作日和休息日區(qū)分。開學(xué)后,以辦公教學(xué)負(fù)荷為主的2類能耗倍增,由于假期行政樓只有部分區(qū)域在使用, 而開學(xué)后全部投入使用, 同時(shí)圖書館等其他建筑也正常運(yùn)行。以宿舍休息負(fù)荷為主的 0類在假期沒(méi)有需求, 開學(xué)后隨著學(xué)生返校達(dá)到高峰, 由于部分學(xué)生給末端設(shè)備設(shè)定溫度過(guò)高, 導(dǎo)致此時(shí)系統(tǒng)總能耗達(dá)到假期能耗的2倍。

        圖4 (b) 中機(jī)組在日常運(yùn)行時(shí), 分別在中午和午夜時(shí)刻達(dá)到能耗峰值, 在聚類上分別對(duì)應(yīng)于2類和 1類,表明宿舍用冷和辦公教學(xué)用冷是能耗的主要來(lái)源。在日常運(yùn)行中, 校園建筑通過(guò)錯(cuò)開使用時(shí)間, 保持負(fù)荷錯(cuò)峰來(lái)維持能耗的基本穩(wěn)定, 避免了用能突變對(duì)電網(wǎng)造成壓力[7]。

        圖4 聚類結(jié)果

        此外, 由圖 4 可得 1 類有兩類能耗特征, 大部分時(shí)間段能耗較低或?yàn)?,集中于八九月份的非工作時(shí)間; 部分時(shí)間段能耗較高, 主要集中在九月過(guò)渡時(shí)間段和午休時(shí)間段。根據(jù)能耗特征結(jié)合表3中1類負(fù)荷需求總體較低的特點(diǎn),可知1類主要對(duì)應(yīng)的是機(jī)組關(guān)機(jī)和較低負(fù)荷率下的運(yùn)行模式, 其中機(jī)組能耗較高時(shí)的負(fù)荷與能耗回歸曲線如圖5所示, 此時(shí), 負(fù)荷與機(jī)房能耗比例相比于平均水平降到了3.51,即開學(xué)后存在部分時(shí)間段, 地源熱泵系統(tǒng)在較低的負(fù)荷率下運(yùn)行且系統(tǒng)能效下降 [8] 。根據(jù)實(shí)地問(wèn)詢和分析可知, 由于在過(guò)渡時(shí)間段, 人流在辦公類建筑和宿舍間移動(dòng)時(shí)未做到及時(shí)關(guān)閉空調(diào)末端設(shè)備, 造成機(jī)組關(guān)機(jī)后二次泵組仍在運(yùn)行,冷量供應(yīng)逐漸減少但是泵組能耗仍較高, 此外, 地源熱泵系統(tǒng)開機(jī)存在延遲, 在負(fù)荷劇增時(shí), 地埋管瞬間換熱能力有限, 也會(huì)造成供冷量下降而能耗仍然較高的情況。在午休時(shí)刻,人流集中在食堂而其他建筑空調(diào)末端仍在運(yùn)行 [9] , 造成系統(tǒng)能效比較低, 從而使該時(shí)刻被歸于1類。

        圖5 1類部分九月份樣本負(fù)荷與能耗回歸

        3.2.2 能耗空間分布情況分析

        由圖4 (b) 可知以辦公教學(xué)為主的 2類, 以宿舍休息為主的0類和負(fù)荷較低的1類在多個(gè)時(shí)間段上均有交叉分布, 這表明校園錯(cuò)峰管理并不完善, 需要結(jié)合同一時(shí)間段建筑負(fù)荷空間分布情況進(jìn)行具體分析。提取典型教學(xué)周能耗及典型類建筑的負(fù)荷, 其小時(shí)增長(zhǎng)變化聚類情況如圖6所示。

        由圖6 (a) 可知辦公時(shí)間類的能耗比較穩(wěn)定, 休息時(shí)間類能耗在休息日略有下降。在兩類時(shí)段的過(guò)渡期存在隸屬于1類的整體負(fù)荷需求較低的樣本。由于行政樓、 教育中心、 圖書館相關(guān)性較高, 故用行政樓負(fù)荷變化情況代替第2聚類。 觀察變化曲線可知, 行政樓在中午 (午休 / 用餐) 時(shí)間段存在較大負(fù)荷需求, 由于食堂一般在工作日中午才運(yùn)行, 導(dǎo)致存在食堂負(fù)荷的樣本均被歸于辦公時(shí)間類。宿舍除晚上睡眠外還存在中午午休需求,故宿舍在中午 11:00-14:00也存在負(fù)荷,但由于并不是所有學(xué)生均有午休需求, 所以一周內(nèi)大部分存在宿舍負(fù)荷的樣本也被歸于辦公時(shí)間類。

        理論上三類負(fù)荷需求與各類建筑使用時(shí)間密切關(guān)聯(lián), 彼此區(qū)分。 但其中, 周一行政樓 12:00-13:00由于負(fù)荷需求較低, 被歸于休息時(shí)間類。 周二中午11點(diǎn), 在辦公時(shí)間類建筑最大負(fù)荷均較高的情況下, 由于關(guān)機(jī)造成均值負(fù)荷較低, 如圖7所示, 因而被歸于 1類。據(jù)了解, 該周周四晚上 7:00 行政樓舉行活動(dòng), 導(dǎo)致行政樓負(fù)荷需求劇增, 使得該時(shí)間段也被歸于辦公時(shí)間類。周六和周日中午 10:00-11:00 由于處于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)過(guò)渡時(shí)間段,負(fù)荷與能耗比例從 2.46 增加到5.14, 所以仍然被歸于1類。因此, 應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)各類建筑管理, 主動(dòng)引導(dǎo)負(fù)荷錯(cuò)峰。

        圖6 典型教學(xué)周能耗及負(fù)荷聚類結(jié)果

        圖7 周二中午辦公教學(xué)樓建筑負(fù)荷均值

        3 結(jié)論

        1) 本文利用最近最遠(yuǎn)指標(biāo)改進(jìn) FCM 算法, 可以自動(dòng)確定最佳聚類數(shù), 減少運(yùn)算次數(shù)。聚類結(jié)果顯示,負(fù)荷被聚為辦公時(shí)間類, 休息時(shí)間類和過(guò)渡時(shí)間段三類, 聚類數(shù)目與時(shí)間表聯(lián)系密切, 物理意義清晰, 各聚類樣本負(fù)荷特征明顯,有開展負(fù)荷錯(cuò)峰管理的潛力。由于負(fù)荷 (供冷量) 與能耗關(guān)聯(lián)性較強(qiáng), 聚類結(jié)果對(duì)于分析校園能耗特征和來(lái)源有較高的價(jià)值, 也為充分利用監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)提供了方法和借鑒。

        2) 能耗聚類時(shí)序規(guī)律顯示校園能耗主要受到開學(xué)季的影響, 不存在明顯的工作日和休息日劃分, 同時(shí)由于機(jī)組的延遲效應(yīng)和維持無(wú)人房間空調(diào)開啟狀態(tài)等不好的用冷習(xí)慣, 導(dǎo)致處于工作和休息時(shí)段之間部分樣本能效比較低。在今后的節(jié)能管理中,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)校內(nèi)人員節(jié)能減排的宣傳工作。同時(shí),校園在運(yùn)行地源熱泵系統(tǒng)時(shí)可以考慮利用機(jī)組的延遲效應(yīng), 在各類建筑使用時(shí)段末端提前關(guān)機(jī), 利用冷凍水的余冷為建筑繼續(xù)供冷。在宿舍的使用時(shí)段前提前開機(jī),避免突然過(guò)高的冷負(fù)荷需求對(duì)供冷安全造成威脅。

        3)能耗在時(shí)間序列上存在各聚類時(shí)間段交叉的現(xiàn)象, 針對(duì)異常的時(shí)間段, 可以進(jìn)行負(fù)荷空間分布特征的分析來(lái)得到異常值出現(xiàn)的來(lái)源。某典型教學(xué)周分析結(jié)果顯示, 同一時(shí)間段辦公教學(xué)用建筑和宿舍休息用建筑負(fù)荷需求基本錯(cuò)開, 在過(guò)渡時(shí)間段存在兩者交叉,總負(fù)荷需求較小的情況。由于中午人流轉(zhuǎn)移到宿舍和食堂, 同時(shí)行政樓等末端設(shè)備仍處于開啟階段, 因而該段時(shí)間仍被聚類為辦公時(shí)間類。食堂在周末沒(méi)有進(jìn)行供冷, 此外, 宿舍在周末的使用率較低。校園在日常運(yùn)行時(shí)存在負(fù)荷錯(cuò)峰現(xiàn)象, 但需要進(jìn)一步加強(qiáng)引導(dǎo)從而降低能耗并使其保持穩(wěn)定, 以提高設(shè)備使用效率和保持電網(wǎng)穩(wěn)定。

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