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[국내논문] 계층적 군집분석방법을 활용한 건물 부하의 전력수요예측
Load Forecasting using Hierarchical Clustering Method for Building 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.1, 2015년, pp.41 - 47  

황혜미 (Photovoltaic Group, Korea Institute of Energy Research) ,  이성희 (Dept. of Consulting, E3 EXPERT Inc.) ,  박종배 (Dept. of Electrical Engineering, Konkuk University) ,  박용기 (Dept. of Electrical Engineering, Konkuk University) ,  손성용 (Dept. of Electrical Engineering, Gachon University)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In recent years, energy supply cases to take advantage of EMS(Energy Management System) are increasing according to high interest of energy efficiency. The important factor for essential and economical EMS operation is the supply and demand plan the hourly power demand of building load using the hie...

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문제 정의

  • 본 연구에서는 특정 건물부하의 전력부하예측을 위하여 데이터마이닝의 기법 중, 사전 정보가 없거나 타깃(종속변수)이 없는 경우 수행되는 자율예측(Unsupervised Prediction) 기법의 하나인 계층적 군집분석(Hierarchical Cluster Analysis)을 적용하여 예측대상(전력부하)을 도출하고자 한다. 기존 연구들은 대부분 국내 전력수요 전체를 대상으로 하기 때문에 특정 건물에 대한 전력 부하를 제대로 설명하지 못하거나 향후 예측에 대한 운영이 용이하지 않을 수 있다.
  • 이와 같은 방법에서 데이터의 예측 정확도는 시간당 부하패턴이 유사한 날짜를 정확히 찾아내는 방법과 밀접한 관련을 갖는다. 따라서 본 논문에서는 여러 가지 군집분석 방법 중 초기 그룹 설정 및 해석이 용이하고 그룹 간의 연관 관계를 쉽게 파악할 수 있는 계층적 군집분석을 활용한 전력부하의 예측 결과를 제시하고자 한다.
  • 군집분석은 군집의 형태와 사용되는 유사도(Similarity) 혹은 비유사도(Dissimilarity)의 척도와 연관된 다양한 방법이 존재하는데, 군집분석을 위해 고려되는 변수가 3개 이하인 경우에는 산점도 등을 활용한 목측(目測)에 의한 군집 관계 파악이 바람직하지만 변수의 수가 늘어나게 되면 이러한 방식을 사용할 수 없게 되므로 여러 가지 군집분석 방법의 특성을 적절히 활용해야 한다. 따라서 본 논문에서는 연간 전력사용 데이터의 12개월 각각에 대한 특성을 도출하기 위하여 월별로 군집분석을 수행하였다. 특히 각 월별 날짜를 개체로 간주하고 24시간의 시간 변수에 따라 시간별 날짜의 유사도에 따른 그룹을 찾기 위한 계층적(Hierarchical) 군집분석을 실시하였으며, 이때 일간 평균전력의 유사도에 따라 그룹이 분류될 수 있도록 평균연결법(Average Linkage)을 활용하였다.
  • 본 논문에서는 24시간에 대한 군집분석 이외에 On peak와 Off peak에 관한 군집분석을 함께 수행하여 각 월별 그룹의 분류가 유사한지를 검증하여 보았다. On peak 시간대는 오전 8시부터 오후 7시 사이, Off peak는 오후 7시부터 다음날 오전 8시 사이이며, 24시간에 관한 분석과 마찬가지로 2012년 1월~ 12월까지 1년간의 시간대별 전력부하 사용량 데이터를 활용하여 군집분석을 실시하였다.
  • 본 논문에서는 목표 건물을 대상으로 전력부하의 연간 수요를 예측하기 위하여 계층적 군집분석을 활용한 전력수요 예측방법을 제시하였다. 이를 위하여 수립된 예측방법론에 따라 예측에 활용할 데이터들의 군집분석을 수행하기 위하여 수집된 자료들을 일별, 시간대별로 구분하여 정리한 후 계층적 군집분석을 수행하여 각 데이터들의 그룹핑을 통한 일별 수요특성을 도출하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
평균연결법은? 평균연결법(Average Linkage Method)은 유사도를 표현하는 방식 중의 하나로서 두 군집 U, N 사이의 거리를 각 군집에 속하는 모든 개체들의 평균거리로 정의하여 가장 유사성이 큰 군집을 묶어 나가는 방식이다. 즉, 크기가 각각 N1, N2 인 두 군집 U, N에서 각 군집에 속해 있는 개체 하나씩을 선택하여 N1 × N2 가지의 거리 dij의 평균을 정의한 것으로 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.
최근의 에너지 효율향상에 대한 관심이 증대됨에 따라 공급 측면이 아닌 수요 측면에서의 수요 반응 및 수요 관리에 대한 중요성이 더욱 커지고 있는데 이를 뒷받침하는 사례에는 무엇이 있는가? 특히, 최근의 에너지 효율향상에 대한 관심이 증대됨에 따라 공급 측면이 아닌 수요 측면에서의 수요 반응 및 수요 관리에 대한 중요성이 더욱 커지고 있다. 이와 관련하여 부하에 에너지 저장장치(ESS, Energy storage system) 및 신재생에너지 등을 활용하여 에너지관리시스템(EMS, Energy management system)을 적용하는 사례가 늘고 있는데, 이러한 시스템에서는 관리 대상이 되는 전력 부하의 정확한 부하 사용 패턴을 파악하는 것이 중요하다. 전력 부하 예측에 관한 연구는 주로 예측 정확도를 향상시키기 위하여 통계적, 수리적 모형의 입장에서 다양한 방법으로 진행되어 왔으며, 예측 대상을 세분화하여 예측력이 떨어지는 구간에 대한 추정방법론을 제시하거나 고도의 예측 모형을 제안, 또는 예측 기법을 다양하게 활용하여 비교하고 있다.
단기 전력 수요 예측은 어떤 연구는 크게 어떻게 나뉘어 연구되고 있는가? 전력 부하 예측에 관한 연구는 주로 예측 정확도를 향상시키기 위하여 통계적, 수리적 모형의 입장에서 다양한 방법으로 진행되어 왔으며, 예측 대상을 세분화하여 예측력이 떨어지는 구간에 대한 추정방법론을 제시하거나 고도의 예측 모형을 제안, 또는 예측 기법을 다양하게 활용하여 비교하고 있다. 단기 전력 수요 예측은 크게 과거 시계열적인 특성을 고도화하기 위한 연구와 기상과 같은 요인들(Casual Factors)과의 관계를 규명하기 위한 연구로 나눌 수 있다[1, 11]. 과거 시계열적 특성을 활용하여 이중계절 지수평활법이나 삼중계절 방식을 활용하여 전력 수요를 예측해왔으며, ARIMA 모형을 사용하여 예측 방법의 정확도를 향상하였다[2, 3].
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참고문헌 (11)

  1. Amjady, N. (2001). Short-Term Hourly Load Forecasting Using Time-Series Modeling with Peak Load Estimation Capability, IEEE Transactions on Power Systems, 16, pp.498~505. 

  2. D.H. Hong, S.H. Lee, and H.Y. Do (2011), “Fuzzy linear regression analysis for fuzzy input-output data using shape preserving operations”, Fuzzy Sets and Systems 122, pp.513-526. 

  3. Kyung-Bin Song, Young-Shik Baek, Dug-Hun Hong, Gil-Soo Jang (2005), “Short-term load forecasting for the holidays using fuzzy linear regression method”, IEEE Trans. on Power Systems, Vol.20, No.1, pp.96-101. 

  4. Taylor, J. W. (2010). Triple seasonal methods for short-term electricity demand foreca-sting, European Journal of Operational Research, 204, pp.139~152. 

  5. B.G. Ku, C.H. Kim, J.H. Park, and H.S. Lee (2009), Daily electric load classification using data mining, KIEE summer conference 2009, pp.11-112. 

  6. J.D. Park, K.B. Song, H.W. Lim, and H.S. Park (2012), Short-Term Load Forecast for Near Consecutive Holidays Having The Mixed Load Profile Characteristics of Weekdays and Weekends, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 61(12), pp.1765-1773. 

  7. J.D. Park, and K.B. Song (2013), Short-Term Load Forecast for Summer Special Light-Load Period, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 62(4), pp. 482~488. 

  8. J.S. Lee, H.G. Son, and S.Y. Kim (2013), Daily Peak Load Forecasting for Electricity Demand by Time Series Models, The Korean Journal of Applied Statistics, 26(2), pp.349-360. 

  9. S.Y. Choi, and H.J. Kim (2007), Short-term Demand Forecasting Using Data Mining Method, Journal of Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers. 21(10), pp.126-133. 

  10. Taylor, J. W. (2003). Short-term electricity demand forecasting using double seasonal exponential smooth-ing, Journal of the Operational Research Society, 54, pp.799~805. 

  11. Weron, R. (2006). Modeling and Forecasting Electricity Loads and Prices: A Statistical Approach, Wiley, Chichester. 

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