基于多层ReLU网络的楼宇暖通空调系统能量管理策略

王枭; 刘清; Alaa SHAKIR; 张靖邦; 王驰

doi:10.7500/AEPS20231120001

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基于多层ReLU网络的楼宇暖通空调系统能量管理策略

学术研究 | 更新时间：2025-06-16

- 基于多层ReLU网络的楼宇暖通空调系统能量管理策略
- Energy Management Strategy for Heating, Ventilation, and Air Conditioning Systems in Buildings Based on Multi-layer Rectified Linear Unit Network
- 电力系统自动化 2024年48卷第15期页码：84-91
- 作者机构：
  
  1.武汉理工大学自动化学院,湖北省武汉市 430070
  2.武汉大学电气与自动化学院,湖北省武汉市 430072
  3.国网辽宁省电力有限公司,辽宁省沈阳市 110004
- 作者简介：
  
  王枭（1990—），男，博士，讲师，主要研究方向：电力系统运行与控制、可再生能源系统建模与控制、需求侧能量管理等。E-mail：xiaowang@whu.edu.cn
  刘清（1966—），女，通信作者，博士，教授，主要研究方向：智能控制与智能系统、交通智能检测与控制等。E-mail：qliu2000@163.com
  Alaa SHAKIR（1987—），男，博士研究生，主要研究方向：智能楼宇能量管理。E-mail：Alaashakir223@gmail.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(52207134);湖北省自然科学基金资助项目(2022CFB678);国家水运安全工程技术研究中心开放基金资助项目(A202401)
- DOI：10.7500/AEPS20231120001
  中图分类号：
- 收稿：2023-11-20，
  
  修回：2024-01-19，
  
  网络出版：2024-06-04，
  
  纸质出版：2024-08-10
- 稿件说明：
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王枭,刘清,Alaa SHAKIR等.基于多层ReLU网络的楼宇暖通空调系统能量管理策略[J].电力系统自动化,2024,48(15):84-91.

WANG Xiao,LIU Qing,SHAKIR Alaa,et al.Energy Management Strategy for Heating, Ventilation, and Air Conditioning Systems in Buildings Based on Multi-layer Rectified Linear Unit Network[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(15):84-91.
王枭,刘清,Alaa SHAKIR等.基于多层ReLU网络的楼宇暖通空调系统能量管理策略[J].电力系统自动化,2024,48(15):84-91. DOI： 10.7500/AEPS20231120001.

WANG Xiao,LIU Qing,SHAKIR Alaa,et al.Energy Management Strategy for Heating, Ventilation, and Air Conditioning Systems in Buildings Based on Multi-layer Rectified Linear Unit Network[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(15):84-91. DOI： 10.7500/AEPS20231120001.

摘要

提升现代智能楼宇的能量管理能力，是电力紧平衡背景下促进电网节能增效的重要举措。文中提出一种数据驱动的楼宇暖通空调系统节能控制策略，避免了传统模型预测控制对精确热力学建模的依赖。首先

在搭建楼宇热网络仿真模型的基础上，采用延时嵌入法构造输入特征，建立基于修正线性单元的多层神经网络模型，实现室内温度时间序列的多步预测。然后，针对电网的分时电价，构建滚动时域优化模型，并将其重构为混合整数线性规划的形式，实现有限控制周期内优化模型的高效求解。最后，基于Simscape搭建楼宇热仿真模型，验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明，所提策略能够满足温度舒适度要求，并提高楼宇的经济运行水平。

Abstract

Improving the energy management capability of modern intelligent buildings is an important measure to promote energy saving and efficiency enhancement of power grid under the background of tight power balance. This paper proposes a data-driven energy saving control strategy for heating

ventilation

and air conditioning (HVAC) systems in buildings

which avoids the dependence of traditional model predictive control on accurate thermodynamic modeling. First

on the basis of thermal network simulation model for buildings

the input features are constructed by time-delay embedding method

and a multi-layer neural network model based on rectified linear unit (ReLU) is established to realize the multi-step prediction of indoor temperature time series. Then

for the time-of-use price of power grid

the rolling time-domain optimization model is constructed and reconstructed into the form of mixed-integer linear programming to realize the efficient solution of the optimization model during the finite control period. Finally

a thermal simulation model for buildings is built based on Simscape to verify the effectiveness of the proposed control strategy. The simulation results show that the proposed strategy can meet the requirements of temperature comfort and improve the economic operation level of the building.

关键词

Keywords

references

今夏湖北电网负荷创新高［EB/OL］.［ 2023-08-05 ］. http：//hb http://hb ． people .com.cn/n 2 / 2022 / 0810 / c194063 -40073960. html .

Hubei power grid load hit a new hight this summer ［EB/OL］. ［ 2023-08-05 ］. http：//hb.people.com.cn/n2/2022/0810/c194063-40073960.html http://hb.people.com.cn/n2/2022/0810/c194063-40073960.html .

美的iBUILDING ［EB/OL］.［ 2023-08-05 ］. https：//ibuilding.midea.com/ https://ibuilding.midea.com/ .

Midea iBUILDING ［EB/OL］. ［ 2023-08-05 ］. https：//ibuilding.midea.com/ https://ibuilding.midea.com/ .

陈新和，裴玮，邓卫，等 . 数据驱动的虚拟电厂调度特性封装方法［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 14 ）： 4816 - 4828 .

CHEN Xinhe ， PEI Wei ， DENG Wei ， et al . Data-driven virtual power plant dispatching characteristic packing method ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 14 ）： 4816 - 4828 .

HAO H ， WU D ， LIAN J M ， et al . Optimal coordination of building loads and energy storage for power grid and end user services ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 5 ）： 4335 - 4345 .

李卓阳，靳小龙，贾宏杰，等 . 考虑建筑物热动态特性的暖通空调模型预测控制方法［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 12 ）： 3928 - 3940 .

LI Zhuoyang ， JIN Xiaolong ， JIA Hongjie ， et al . Model predictive control method for the HVAC system of buildings considering the thermal dynamic characteristics of the envelope ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 12 ）： 3928 - 3940 .

VEDULLAPALLI D T ， HADIDI R ， SCHROEDER B . Combined HVAC and battery scheduling for demand response in a building ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2019 ， 55 （ 6 ）： 7008 - 7014 .

MANSY H ， KWON S . Optimal HVAC control for demand response via chance-constrained two-stage stochastic program ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2021 ， 12 （ 3 ）： 2188 - 2200 .

YANG Y ， HU G Q ， SPANOS C J . HVAC energy cost optimization for a multizone building via a decentralized approach ［J］. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering ， 2020 ， 17 （ 4 ）： 1950 - 1960 .

OLDEWURTEL F ， STURZENEGGER D ， ANDERSSON G ， et al . Towards a standardized building assessment for demand response ［C］// 52nd IEEE Conference on Decision and Control ， December 10-13 ， 2013 ， Florence， Italy .

吴润基，王冬骁，谢昌鸿，等 . 空调负荷参与配电网电压管理的分布式控制方法［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 6 ）： 215 - 222 .

WU Runji ， WANG Dongxiao ， XIE Changhong ， et al . Distributed control method for air-conditioning load participating in voltage management of distribution network ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 6 ）： 215 - 222 .

陈厚合，李泽宁，靳小龙，等 . 集成智能楼宇的主动配电网建模及优化方法［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 22 ）： 6550 - 6563 .

CHEN Houhe ， LI Zening ， JIN Xiaolong ， et al . Modeling and optimization of active distribution network with integrated smart buildings ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 22 ）： 6550 - 6563 .

陈厚合，李泽宁，姜涛，等 . 基于模型预测控制的智能楼宇用能灵活性调控策略［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 16 ）： 116 - 124 .

CHEN Houhe ， LI Zening ， JIANG Tao ， et al . Flexible energy scheduling strategy in smart buildings based on model predictive control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 16 ）： 116 - 124 .

VRETTOS E ， KARA E C ， MACDONALD J ， et al . Experimental demonstration of frequency regulation by commercial buildings： Part Ⅰ modeling and hierarchical control design ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2018 ， 9 （ 4 ）： 3213 - 3223 .

赵建立，赵本源，顾霈，等 . 基于互动能力曲线的暖通空调集群协调控制策略［J］. 电力需求侧管理， 2021 ， 23 （ 5 ）： 17 - 23 .

ZHAO Jianli ， ZHAO Benyuan ， GU Pei ， et al . Coordinated control strategy of HVAC cluster based on interaction capability curve ［J］. Power Demand Side Management ， 2021 ， 23 （ 5 ）： 17 - 23 .

LU S ， GU W ， DING S X ， et al . Data-driven aggregate thermal dynamic model for buildings： a regression approach ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2022 ， 13 （ 1 ）： 227 - 242 .

XU C L ， CHEN H X ， WANG J Y ， et al . Improving prediction performance for indoor temperature in public buildings based on a novel deep learning method ［J］. Building and Environment ， 2019 ， 148 ： 128 - 135 .

FERRACUTI F ， FONTI A ， CIABATTONI L ， et al . Data-driven models for short-term thermal behavior prediction in real buildings ［J］. Applied Energy ， 2017 ， 204 ： 1375 - 1387 .

JUNG M ， DA COSTA MENDES P R ， ÖNNHEIM M ， et al . Model predictive control when utilizing LSTM as dynamic models ［J］. Engineering Applications of Artificial Intelligence ， 2023 ， 123 ： 106226 .

YAN J Y ， DIMEO P ， SUN L ， et al . LSTM-based model predictive control of piezoelectric motion stages for high-speed autofocus ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 6 ）： 6209 - 6218 .

关于湖北电网 2020 —2022年输配电价和销售电价有关事项的通知［EB/OL］.［ 2023-08-05 ］. http：//fgw.hubei.gov.cn/fbjd/zc/zcwj/tz/202011/t20201126_3763550.shtml http://fgw.hubei.gov.cn/fbjd/zc/zcwj/tz/202011/t20201126_3763550.shtml .

Notice on matters related to transmission and distribution price and sales price of Hubei Power Grid from 2020 to 2022 ［EB/OL］. ［ 2023-08-05 ］. http：//fgw.hubei.gov.cn/fbjd/zc/zcwj/tz/202011/t20201126_3763550.shtml http://fgw.hubei.gov.cn/fbjd/zc/zcwj/tz/202011/t20201126_3763550.shtml .

GLOROT X ， BORDES A ， BENGIO Y ． Deep sparse rectifier neural networks ［C］// 14th International Conference on Artificial Intelligence and Statistics ， April 11-13 ， 2011 ， Fort Lauderdale， USA ．

GLOROT X ， YOSHUA B . Understanding the difficulty of training deep feedforward neural networks ［C］// 13th International Conference on Artificial Intelligence and Statistics ， May 13-15 ， 2010 ， Sardinia， Italy .

KINGMA D P ， BA J ． Adam： a method for stochastic optimization ［EB/OL］. ［ 2023-06-08 ］. https：//arxiv.org/abs/1412.6980v6 https://arxiv.org/abs/1412.6980v6 ．

LOFBERG J . YALMIP： a toolbox for modeling and optimization in MATLAB ［C］// 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation ， September 2-4 ， 2004 ， Taipei， China .

Mathworks ， house heating system ［EB/OL］. ［ 2023-06-06 ］. https：//ww2.mathworks.cn/help/simscape/ug/house-heating-system.html https://ww2.mathworks.cn/help/simscape/ug/house-heating-system.html .

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