Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Hybrid Model Approach to Appliance Load Disaggregation: Expressive appliance modelling by combining convolutional neural networks and hidden semi Markov models.
KTH, School of Computer Science and Communication (CSC).
2015 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Hybridmodell för disaggregering av hemelektronik : Detaljerad modellering av elapparater genom att kombinera neurala nätverk och Markovmodeller. (Swedish)
Abstract [en]

The increasing energy consumption is one of the greatest environmental challenges of our time. Residential buildings account for a considerable part of the total electricity consumption and is further a sector that is shown to have large savings potential. Non Intrusive Load Monitoring (NILM), i.e. the deduction of the electricity consumption of individual home appliances from the total electricity consumption of a household, is a compelling approach to deliver appliance specific consumption feedback to consumers. This enables informed choices and can promote sustainable and cost saving actions. To achieve this, accurate and reliable appliance load disaggregation algorithms must be developed.

This Master's thesis proposes a novel approach to tackle the disaggregation problem inspired by state of the art algorithms in the field of speech recognition. Previous approaches, for sampling frequencies 1 Hz, have primarily focused on different types of hidden Markov models (HMMs) and occasionally the use of artificial neural networks (ANNs). HMMs are a natural representation of electric appliances, however with a purely generative approach to disaggregation, basically all appliances have to be modelled simultaneously. Due to the large number of possible appliances and variations between households, this is a major challenge. It imposes strong restrictions on the complexity, and thus the expressiveness, of the respective appliance model to make inference algorithms feasible.

In this thesis, disaggregation is treated as a factorisation problem where the respective appliance signal has to be extracted from its background. A hybrid model is proposed, where a convolutional neural network (CNN) extracts features that correlate with the state of a single appliance and the features are used as observations for a hidden semi Markov model (HSMM) of the appliance. Since this allows for modelling of a single appliance, it becomes computationally feasible to use a more expressive Markov model.

As proof of concept, the hybrid model is evaluated on 238 days of 1 Hz power data, collected from six households, to predict the power usage of the households' washing machine. The hybrid model is shown to perform considerably better than a CNN alone and it is further demonstrated how a significant increase in performance is achieved by including transitional features in the HSMM.

Abstract [sv]

Den ökande energikonsumtionen är en stor utmaning för en hållbar utveckling. Bostäder står för en stor del av vår totala elförbrukning och är en sektor där det påvisats stor potential för besparingar. Non Intrusive Load Monitoring (NILM), dvs. härledning av hushållsapparaters individuella elförbrukning utifrån ett hushålls totala elförbrukning, är en tilltalande metod för att fortlöpande ge detaljerad information om elförbrukningen till hushåll. Detta utgör ett underlag för medvetna beslut och kan bidraga med incitament för hushåll att minska sin miljöpåverakan och sina elkostnader. För att åstadkomma detta måste precisa och tillförlitliga algoritmer för el-disaggregering utvecklas.

Denna masteruppsats föreslår ett nytt angreppssätt till el-disaggregeringsproblemet, inspirerat av ledande metoder inom taligenkänning. Tidigare angreppsätt inom NILM (i frekvensområdet 1 Hz) har huvudsakligen fokuserat på olika typer av Markovmodeller (HMM) och enstaka förekomster av artificiella neurala nätverk. En HMM är en naturlig representation av en elapparat, men med uteslutande generativ modellering måste alla apparater modelleras samtidigt. Det stora antalet möjliga apparater och den stora variationen i sammansättningen av dessa mellan olika hushåll utgör en stor utmaning för sådana metoder. Det medför en stark begränsning av komplexiteten och detaljnivån i modellen av respektive apparat, för att de algoritmer som används vid prediktion ska vara beräkningsmässigt möjliga.

I denna uppsats behandlas el-disaggregering som ett faktoriseringsproblem, där respektive apparat ska separeras från bakgrunden av andra apparater. För att göra detta föreslås en hybridmodell där ett neuralt nätverk extraherar information som korrelerar med sannolikheten för att den avsedda apparaten är i olika tillstånd. Denna information används som obervationssekvens för en semi-Markovmodell (HSMM). Då detta utförs för en enskild apparat blir det beräkningsmässigt möjligt att använda en mer detaljerad modell av apparaten.

Den föreslagna Hybridmodellen utvärderas för uppgiften att avgöra när tvättmaskinen används för totalt 238 dagar av elförbrukningsmätningar från sex olika hushåll. Hybridmodellen presterar betydligt bättre än enbart ett neuralt nätverk, vidare påvisas att prestandan förbättras ytterligare genom att introducera tillstånds-övergång-observationer i HSMM:en.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. , 84 p.
Keyword [en]
NILM, disaggregation, neural network, convolutional neural network, CNN, HMM, HSMM
National Category
Other Computer and Information Science
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-179200OAI: oai:DiVA.org:kth-179200DiVA: diva2:881880
External cooperation
WattyAB
Educational program
Master of Science - Machine Learning
Supervisors
Examiners
Available from: 2015-12-14 Created: 2015-12-11 Last updated: 2015-12-14Bibliographically approved

Open Access in DiVA

HussAnders2015(5738 kB)237 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5738 kBChecksum SHA-512
39083bb108f4ee5ff6240fd0d659cda999752c129782469348fc050992e8ea3df1ab7f496c6447135d8c2ab0301d7bcfe2b4d3600744aa74851430da40aef62c
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Computer Science and Communication (CSC)
Other Computer and Information Science

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 237 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 3601 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf