基于高斯過程回歸的零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

曲 銳，陳 雪，劉 成，鄭瑞春，王煥忠

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山 528000；2.廣東南海電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，廣東佛山 528000）

高斯過程回歸是一種非參數(shù)化的應(yīng)用模型，可在高斯過程原理的支持下，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的優(yōu)先校驗(yàn)與處理。與其他應(yīng)用型處置函數(shù)相比，高斯過程回歸可在時(shí)間序列方面對數(shù)據(jù)參量進(jìn)行重新排列，并根據(jù)既定樣本條件，將這些信息參量直接反饋至核心應(yīng)用主機(jī)之中[1-2]。與GPR 等大型參數(shù)處理政策相比，高斯過程回歸方案的應(yīng)用維度相對較低，可在大樣本數(shù)據(jù)條件下，對各類信息參量進(jìn)行集中化的計(jì)算與處理。

在建筑供配電系統(tǒng)中，隨電能傳輸量的增加，建筑供配電系統(tǒng)電能的實(shí)際利用率會出現(xiàn)持續(xù)降低的變化趨勢。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)參數(shù)處理手段在粒子群算法的支持下，得到準(zhǔn)確的耗電誤差指標(biāo)參數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)對電能參量傳輸頻率的精準(zhǔn)化控制。但此方法所能承載的電能傳輸量數(shù)值相對較小，很難實(shí)現(xiàn)對建筑能耗量的精細(xì)化約束。基于此引入高斯過程回歸原理，提出一種新型的零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案，在核函數(shù)、回歸參數(shù)等多項(xiàng)指標(biāo)參量的作用下，建立必要的目標(biāo)約束條件。

1 系統(tǒng)諧波分析計(jì)算

1.1 單調(diào)諧濾波器

單調(diào)諧濾波器是零能耗建筑供配電系統(tǒng)中的核心電能應(yīng)用設(shè)備，具備直流型、交流型、回流型3 種基本連接形式。其中直流型單調(diào)諧濾波器的應(yīng)用形式相對簡單，電容C、電阻R、導(dǎo)線L之間始終保持單一的獨(dú)立連接狀態(tài)。交流型單調(diào)諧濾波器包含多個(gè)應(yīng)用電阻，且R1與R2的阻值之和始終等于干路電阻R的物理數(shù)值[3-4]。回流型單調(diào)諧濾波器的電阻R始終與應(yīng)用導(dǎo)線L保持并聯(lián)狀態(tài)，隨電容C所占據(jù)實(shí)用電壓物理數(shù)值水平的提升，下級電阻所負(fù)載的電能流量水平也會不斷升高。單調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 單調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)圖

1.2 供配電潮流量

供配電潮流量計(jì)算包括諧波潮流計(jì)算、基波潮流計(jì)算兩個(gè)實(shí)際處理環(huán)節(jié)。所謂諧波潮流是指由用電端流向供電端的電量波動行為，在既定傳輸周期內(nèi)，始終保持非正弦波的振動形式，對于零能耗建筑供配電系統(tǒng)來說，該項(xiàng)物理參量的計(jì)算，需要電力變壓器、變頻器等多個(gè)實(shí)踐設(shè)備的共同配合。基波潮流與諧波潮流相反，是指由供電端流向用電端的電量波動行為，其本質(zhì)與非線性元件的轉(zhuǎn)換指令直接相關(guān)，在整個(gè)電量傳輸周期內(nèi)，該項(xiàng)物理量的實(shí)際表現(xiàn)行為始終保持不變[5-6]。設(shè)Si代表零能耗建筑供配電系統(tǒng)內(nèi)的諧波潮流系數(shù)，i代表諧波傳輸參量，Su代表零能耗建筑供配電系統(tǒng)內(nèi)的基波潮流系數(shù)，u代表基波傳輸參量。聯(lián)立上述物理量，可將零能耗建筑供配電系統(tǒng)中的供配電潮流量計(jì)算結(jié)果表示為：

其中，w代表諧波量化差，e代表基波量化差。

1.3 目標(biāo)約束條件

目標(biāo)約束條件是與零能耗建筑供配電系統(tǒng)電能潮流量直接相關(guān)的數(shù)值應(yīng)用參量，在不考慮其他干擾因素的情況下，受到電壓傳輸產(chǎn)值、電流傳輸差值兩項(xiàng)物理量的直接影響[7-8]。電壓傳輸產(chǎn)值可表示為U0，隨著已累計(jì)供配電潮流量的增加，該項(xiàng)物理系數(shù)會呈現(xiàn)不斷上升的變化趨勢，直至單調(diào)諧濾波器的執(zhí)行能力不再發(fā)生改變，該項(xiàng)物理量的理論數(shù)值水平將會達(dá)到最大實(shí)值系數(shù)Umax。電流傳輸差值可表示為I0，與其他配電應(yīng)用系數(shù)相比，該項(xiàng)物理量所具備的累積變化能力更強(qiáng)，通常情況下，在幾個(gè)裝配周期結(jié)束后，該項(xiàng)物理量的實(shí)值表現(xiàn)結(jié)果能夠達(dá)到最大值Imax。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)約束條件定義為：

式中，β代表與零能耗建筑供配電系統(tǒng)相關(guān)的目標(biāo)約束參量，ε代表冪次項(xiàng)整合條件。

2 基于高斯過程回歸的參數(shù)優(yōu)化方案

2.1 供配電數(shù)據(jù)預(yù)處理

在零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化處理過程中，任何微小的誤差行為都是不被允許的。因此，為獲得理想化的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，需要在高斯過程回歸理論的支持下，實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)供配電數(shù)據(jù)參量的初步預(yù)處理[9-10]。簡單來說，就是在保障零能耗建筑供配電系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，剔除各項(xiàng)非必要的理論應(yīng)用參量，再借助高斯過程回歸模型，實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的集中化計(jì)算[11-12]。設(shè)D0代表零能耗建筑供配電系統(tǒng)的理想化電能輸出參量，D1代表零能耗建筑供配電系統(tǒng)的實(shí)際電能輸出參量，若不考慮高斯過程回歸模型對實(shí)際能耗量的影響，規(guī)定D1-D0的物理表現(xiàn)實(shí)值始終大于自然數(shù)1。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），可將供配電數(shù)據(jù)的預(yù)處理結(jié)果表示為：

式中，Kmax代表供配電數(shù)據(jù)的最大傳輸提取量，f代表配電處理系數(shù)，λ代表建筑配電系統(tǒng)中的能源消耗條件，代表能耗量均值。

2.2 核函數(shù)的選擇

核函數(shù)能夠影響高斯過程回歸模型的實(shí)踐作用能力，隨著建筑供配電系統(tǒng)實(shí)際能耗量的增加，核函數(shù)基本作用空間也會出現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)大的變化趨勢[13-14]。規(guī)定在一個(gè)配電傳輸周期內(nèi)，高斯過程回歸模型的最大輸出行為量不會超過物理實(shí)值，且在一個(gè)參數(shù)優(yōu)化周期內(nèi)，有且只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化向量的變化行為能夠影響模型最終的表現(xiàn)應(yīng)用形式。假設(shè)m1、m2、…、mn分別代表n個(gè)不同的函數(shù)備選參量，在式（3）的支持下，聯(lián)立上述物理量，可將基于高斯過程回歸的核函數(shù)選擇結(jié)果定義為：

其中，s↓代表核函數(shù)的下限應(yīng)用邊界值，s↑代表核函數(shù)的上限應(yīng)用邊界值，ξ代表既定函數(shù)選擇指標(biāo)，代表基于高斯過程回歸模型的供電能耗應(yīng)用量。

2.3 回歸參數(shù)確定

回歸參數(shù)確定是零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案建立的末尾處理環(huán)節(jié)，可聯(lián)合已選定的核函數(shù)條件，在高斯過程模型的作用下，直接得出建筑供配電系統(tǒng)中的電能消耗均值，從而避免應(yīng)用電量的無故浪費(fèi)[15-18]。設(shè)x1、x2代表兩個(gè)不同的線性回歸條件，且在一個(gè)參數(shù)優(yōu)化周期內(nèi)，上述兩個(gè)物理量的實(shí)際取值結(jié)果永遠(yuǎn)不會相等，且在高斯過程模型限定作用強(qiáng)度不等于零的情況下，x1

式中，λ代表與核函數(shù)相關(guān)的電量消耗系數(shù)，b1代表第一個(gè)高斯迭代實(shí)值，bn代表第n個(gè)高斯迭代實(shí)值。至此，完成各項(xiàng)指標(biāo)系數(shù)量的計(jì)算與處理，在高斯過程回歸模型的支持下，實(shí)現(xiàn)零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案的順利應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為突出基于高斯過程回歸零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案和傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)參數(shù)處理方案間的實(shí)用差異性，設(shè)計(jì)如下對比實(shí)驗(yàn)。在既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，根據(jù)各項(xiàng)已記錄數(shù)值，分析各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的具體變化情況，其中實(shí)驗(yàn)組記錄主機(jī)搭載基于高斯過程回歸的零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案，對照組記錄主機(jī)搭載傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)參數(shù)處理方案。

出于實(shí)用性考慮，可按照表1設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

以50 min 作為既定實(shí)驗(yàn)時(shí)長，分別記錄在該段時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對照組電能傳輸量數(shù)值的具體變化情況，實(shí)驗(yàn)詳情如表2 所示。

分析表2 可知，隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長，實(shí)驗(yàn)組電能傳輸量數(shù)值保持先上升、再穩(wěn)定的變化趨勢，全局最大值達(dá)到9.5×109T。對照組電能傳輸量數(shù)值在小幅上升趨勢后，開始逐漸趨于穩(wěn)定，從第40 min 起開始持續(xù)下降，全局最大值僅達(dá)到7.0×109T，與實(shí)驗(yàn)組極值相比，下降了2.5×109T。綜上可知，隨著基于高斯過程回歸零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案的應(yīng)用，電能傳輸量數(shù)值確實(shí)出現(xiàn)了明顯的上升變化趨勢，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對建筑能耗量的精準(zhǔn)化控制。

表2 電能傳輸量數(shù)值對比表

建筑能量消耗實(shí)值可反應(yīng)配網(wǎng)主機(jī)對傳輸電能的實(shí)際利用效率，通常情況下，前者的指標(biāo)數(shù)值越小，后者的利用效率越高。表3 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對照組建筑能量消耗實(shí)值的具體變化情況。

表3 建筑能量消耗實(shí)值對比表

分析表3 可知，隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長，實(shí)驗(yàn)組、對照組建筑能量消耗實(shí)值均呈現(xiàn)持續(xù)遞增的變化趨勢，但實(shí)驗(yàn)組上升幅度明顯低于實(shí)驗(yàn)組。從極限數(shù)值的角度來看，實(shí)驗(yàn)組最大值4.4×109T 與對照組最大值7.9×109T 相比，下降了3.5×109T。綜上可知，隨著基于高斯過程回歸零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案的應(yīng)用，建筑能量消耗實(shí)值確實(shí)得到了有效控制，可大幅度提升配網(wǎng)主機(jī)對傳輸電能的實(shí)際利用效率。

4 結(jié)束語

在高斯過程回歸模型的支持下，新型零能耗建筑供配電系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方案可在傳統(tǒng)配電系統(tǒng)參數(shù)處理手段的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對單調(diào)諧濾波器的有效部署，且可按照核函數(shù)選擇原理，得到更為精準(zhǔn)的回歸參數(shù)定義結(jié)果。從實(shí)用性角度來看，電能傳輸量數(shù)值上升、建筑能量消耗實(shí)值下降的同步出現(xiàn)，可在解決配網(wǎng)電能利用率過低問題的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對建筑能耗量的精準(zhǔn)控制，具有較強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用意義。