【基于隨機(jī)森林算法的配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告4900字】

PAGEPAGE3基于隨機(jī)森林算法的配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告一、論文選題依據(jù)（包括課題來(lái)源、研究的目的和意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)）課題來(lái)源：近年來(lái)，隨著工業(yè)水平的不斷進(jìn)步，社會(huì)發(fā)展模式逐步實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化。在計(jì)算機(jī)化建設(shè)的背景下，企業(yè)機(jī)房數(shù)量大規(guī)模增加，為企業(yè)機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行提供了基礎(chǔ)支持，并逐漸成為一個(gè)研究方向。機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備，如UPS、電源、空調(diào)等。，必須始終確保服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行和信息系統(tǒng)的切換。因此，在整個(gè)機(jī)艙的建造過(guò)程中，監(jiān)測(cè)能量分布的重要性不容忽視。一旦機(jī)房設(shè)備突然發(fā)生故障，就會(huì)影響信息系統(tǒng)的運(yùn)行，威脅信息系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，如果事件處理延遲，可能會(huì)損壞硬件設(shè)備并造成重大后果。由于維修人員數(shù)量少，配電裝置數(shù)量多，設(shè)備維修人員的維修難度也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。同時(shí)，維修人員不僅要檢查機(jī)艙，還要經(jīng)常讀取和測(cè)試重要的設(shè)備數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于當(dāng)前的供配電需求，有必要有一種能夠適應(yīng)它們并取得良好輸入輸出優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)代化管理模式。因此，通信設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)必須從集中監(jiān)控、集中維護(hù)、集中管理入手。如何利用一整套科學(xué)有效的管理系統(tǒng)來(lái)減輕機(jī)房維護(hù)人員不足帶來(lái)的壓力，已成為迫切需要解決的重要問(wèn)題。以往的配電方式主要是維修人員使用不同的電氣設(shè)備和電氣儀表組合對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)，難以實(shí)現(xiàn)智能化管理。這種配電方式不僅使生產(chǎn)、儲(chǔ)存和維護(hù)非常不舒適，而且使復(fù)雜的控制邏輯難以實(shí)現(xiàn)。此外，其集成度和智能化程度較低，不具備故障診斷和報(bào)警功能。目前，隨著數(shù)據(jù)中心和企業(yè)機(jī)房規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的設(shè)備故障，使得機(jī)房的維護(hù)效率非常低。為了提高機(jī)房的工作效率，降低設(shè)備的能耗，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，非常有必要對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)各負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控。為了節(jié)省機(jī)房?jī)?nèi)的能源，提高設(shè)備的維護(hù)效率，節(jié)約人工成本，有必要密切監(jiān)控機(jī)房?jī)?nèi)各種電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。然而，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備眾多，傳統(tǒng)的配電方式已不能滿足現(xiàn)代機(jī)房的配電需求。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種智能化的配電網(wǎng)多回路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。近幾十年來(lái)，隨著電廠控制領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，機(jī)房配電系統(tǒng)也得到了大力發(fā)展，并逐步走向智能化。配電網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最基本的功能是監(jiān)測(cè)供電線路的運(yùn)行狀態(tài)。有必要準(zhǔn)確檢測(cè)供電線路的電壓和電流，然后根據(jù)獲得的電氣參數(shù)綜合評(píng)估電路的工作狀態(tài)。此外，配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)接收到的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析的功能，并能保護(hù)電源電路，避免過(guò)電壓、過(guò)電流等問(wèn)題。同時(shí)，配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)還應(yīng)具有通信功能，能夠?qū)⑦\(yùn)行狀態(tài)和故障信息實(shí)時(shí)加載到顯示終端進(jìn)行管理。對(duì)于當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心和企業(yè)機(jī)房，每個(gè)負(fù)載必須連續(xù)工作，以確保正常運(yùn)行。因此，為了保證系統(tǒng)在全負(fù)荷下安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期、高質(zhì)量的運(yùn)行，必須在系統(tǒng)中加入基于隨機(jī)森林算法的錯(cuò)誤預(yù)警功能。根據(jù)電力負(fù)荷的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和工作環(huán)境參數(shù)，可以在設(shè)備實(shí)際發(fā)生故障之前及時(shí)預(yù)測(cè)設(shè)備的異常情況，有助于故障排除和設(shè)備維護(hù)，提高運(yùn)維效率，確保機(jī)艙設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。研究的目的和意義：根據(jù)機(jī)房配電的需求，配電監(jiān)控系統(tǒng)主要分為直流配電監(jiān)控系統(tǒng)和交流配電監(jiān)控系統(tǒng)。本課題主要實(shí)現(xiàn)了基于隨機(jī)森林算法的直流配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以集中監(jiān)控多達(dá)144條回路的各種電氣參數(shù)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)，包括輸入和輸出電路。在完成機(jī)艙各種電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集、上傳、顯示和存儲(chǔ)任務(wù)的同時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和預(yù)測(cè)，降低維修人員維護(hù)管理的復(fù)雜性。提高機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以保證機(jī)房設(shè)備的穩(wěn)定高效運(yùn)行，還可以提高能效，達(dá)到節(jié)能的目的，提高機(jī)房能源分配的智能化、自動(dòng)化水平。在數(shù)據(jù)中心和企業(yè)機(jī)房，配電監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象是多樣的。為了滿足各種設(shè)備可靠、穩(wěn)定的用電要求，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化監(jiān)控具有重大的意義。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)：1.配電監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)隨著設(shè)備控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)機(jī)房對(duì)于配電監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)智能化管理，機(jī)房配電系統(tǒng)融合了現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)對(duì)設(shè)備是否正常運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)的同時(shí)結(jié)合工業(yè)領(lǐng)域的各種系統(tǒng)，使機(jī)房配電實(shí)現(xiàn)高層次、透明化的良好管理已經(jīng)成為必然趨勢(shì)和發(fā)展方向?，F(xiàn)如今的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，它在改變世界的同時(shí)，也宣告了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)。這說(shuō)明了必須結(jié)合電腦和通信使運(yùn)行和經(jīng)營(yíng)管理模式都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。原有的配電監(jiān)控技術(shù)主要以人工監(jiān)控為主，采用電能表、功率表、電壓表等儀表進(jìn)行監(jiān)控。西方國(guó)家在上世紀(jì)70年代研究出了智能配電監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了當(dāng)時(shí)眾多新發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，使得配電監(jiān)控系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在上世紀(jì)80年代末至90年代，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)配電網(wǎng)中的監(jiān)控終端進(jìn)行了智能化、小型化、多功能化的研究，并得到了一定的發(fā)展，不再是之前單一化的通信方式。大型企業(yè)也對(duì)智能配電監(jiān)控展開(kāi)了研究，開(kāi)始把計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、現(xiàn)場(chǎng)總線等相關(guān)技術(shù)與強(qiáng)電監(jiān)控相融合應(yīng)用于配電系統(tǒng)。近年來(lái)，配電監(jiān)控技術(shù)隨著無(wú)線通信尤其是3G、4G、WLAN的發(fā)展也達(dá)到了一個(gè)新的高度，配電設(shè)備可以通過(guò)無(wú)線設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，國(guó)外的專家也對(duì)配電監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了相應(yīng)的研究，Kumar等提出在配電系統(tǒng)中配備智能化設(shè)備可以全面地了解變電站的運(yùn)行狀態(tài)。Oprea等提出基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)值算法可以更好地分析配電設(shè)備的電能質(zhì)量，為配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了良好的保障。Vanfretti等提出在監(jiān)控用電設(shè)備電氣參數(shù)的同時(shí)也要關(guān)注環(huán)境數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估配電系統(tǒng)狀態(tài)。與國(guó)外的研究相比，國(guó)內(nèi)對(duì)于智能配電監(jiān)控系統(tǒng)在90年代末才展開(kāi)研究，時(shí)間相對(duì)較晚，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大型公共設(shè)施、高層智能建筑、數(shù)據(jù)機(jī)房等國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目成倍增加，因此對(duì)智能化配電設(shè)備的安全性、可靠性、兼容性、實(shí)用性的需求也變得十分迫切，對(duì)故障影響范圍的要求也更高。同時(shí)，隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，配電系統(tǒng)自動(dòng)化已成為相關(guān)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。近些年來(lái)，為了適應(yīng)配電行業(yè)快速發(fā)展的步伐，很多研究人員結(jié)合各種技術(shù)開(kāi)發(fā)了很多智能化的配電監(jiān)控系統(tǒng)，為智能配電監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。潘代華等人設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)技術(shù)的配電監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中控制算法的研究，使系統(tǒng)的智能化水平有所提高；田瑾使用GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)與配電系統(tǒng)相結(jié)合，擴(kuò)展了系統(tǒng)的通信方式，讓配電監(jiān)控系統(tǒng)具備了遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)、控制、監(jiān)視和測(cè)量等功能，可通過(guò)無(wú)線設(shè)備對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制；黃廷城等研究了基于AHP－熵權(quán)法綜合評(píng)估配電網(wǎng)絡(luò)，提高了配電監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性；郭阿梅利用PLC技術(shù)設(shè)計(jì)了一套供配電監(jiān)控系統(tǒng)，可以完成對(duì)變電站的自動(dòng)監(jiān)控；錢健等利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)對(duì)低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行智能化監(jiān)控，將智能變電箱及其內(nèi)配置的智能配變終端應(yīng)用于配電監(jiān)控中；黃華平等基于OpenWRT將采集端發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾和權(quán)限認(rèn)證，提高配電系統(tǒng)中電力設(shè)備信息的安全性。2.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)如今已經(jīng)發(fā)展了很多年，逐漸形成了一套完整的理論體系并且廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)、金融、教育、交通、安全監(jiān)控等行業(yè)。如郭春基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)；陳金佑將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用到股票分析中，預(yù)測(cè)股票未來(lái)走勢(shì)；馬丹基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套學(xué)生成績(jī)分析系統(tǒng)，分析預(yù)測(cè)學(xué)生在校學(xué)習(xí)情況；孫軼軒通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)交通事故進(jìn)行分析，研究事故產(chǎn)生的多種因素。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的提高，機(jī)器學(xué)習(xí)等算法也得到了發(fā)展，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以做的工作越來(lái)越復(fù)雜，處理的數(shù)據(jù)量更大。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)發(fā)展的前期還沒(méi)有應(yīng)用到配電監(jiān)控中來(lái)，許多配電監(jiān)控系統(tǒng)的故障預(yù)警都是建立在對(duì)設(shè)備設(shè)置安全閾值的基礎(chǔ)上的，如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和閾值相比較高或較低，則視為故障。這種故障預(yù)警方法有明顯的缺點(diǎn)，當(dāng)參數(shù)報(bào)警時(shí)，故障可能已經(jīng)發(fā)生，運(yùn)行維護(hù)人員不能及時(shí)采取有效措施停止故障，并且單一設(shè)備的故障會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，會(huì)造成很大的安全隱患和財(cái)產(chǎn)損失。隨著對(duì)配電監(jiān)控系統(tǒng)智能化的需求增加，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用到智能配電監(jiān)控系統(tǒng)已成為必然趨勢(shì)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)配電過(guò)程的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)警，提高系統(tǒng)的智能化水平。3.隨機(jī)森林算法研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)隨著工業(yè)復(fù)雜性的增加，隨機(jī)森林算法在機(jī)器學(xué)習(xí)中越來(lái)越受到人們的重視。根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)可以看出，隨機(jī)森林算法具備很多其他機(jī)器學(xué)習(xí)算法沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，它能處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)精度不受數(shù)據(jù)丟失的影響，輸入特征可以是離散數(shù)據(jù)，也可以是連續(xù)數(shù)據(jù)，整個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)療、保險(xiǎn)、金融、電力等各個(gè)領(lǐng)域。隨機(jī)森林是一種有監(jiān)督的學(xué)習(xí)算法，通過(guò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和特征子集的隨機(jī)選取來(lái)進(jìn)行決策樹(shù)的構(gòu)建，很好地抑制了傳統(tǒng)分類器的過(guò)擬合現(xiàn)象，同時(shí)研究人員針對(duì)原有的隨機(jī)森林算法存在的缺點(diǎn)和在實(shí)際應(yīng)用中的不足進(jìn)行了改進(jìn)。胡瑋針對(duì)隨機(jī)森林建立分類模型時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，在改進(jìn)的領(lǐng)域粗糙集屬性約簡(jiǎn)算法的基礎(chǔ)上，對(duì)隨機(jī)森林算法進(jìn)行了改進(jìn)，并將其應(yīng)用于糖尿病預(yù)測(cè)中，預(yù)測(cè)效果明顯。趙金超等結(jié)合K近鄰方法對(duì)隨機(jī)森林算法進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)，建立心臟病預(yù)測(cè)模型，用于輔助醫(yī)生對(duì)患者是否患有心臟病進(jìn)行診斷預(yù)測(cè)，結(jié)果表明改進(jìn)算法有較好的分類效果，泛化能力強(qiáng)。黃青平等利用模糊聚類對(duì)隨機(jī)森林進(jìn)行改進(jìn)，用相似度高的樣本訓(xùn)練隨機(jī)森林預(yù)測(cè)模型，提高了算法的預(yù)測(cè)精度。當(dāng)數(shù)據(jù)不平衡率增加，隨機(jī)森林偏向?qū)⑸贁?shù)類歸為多數(shù)類，造成假的高分類精度，研究人員針對(duì)這個(gè)問(wèn)題又對(duì)隨機(jī)森林算法作出了進(jìn)一步改進(jìn)。一方面是從數(shù)據(jù)本身出發(fā)通過(guò)欠采樣或過(guò)采樣的方法，改變數(shù)據(jù)集中的多數(shù)類和少數(shù)類數(shù)據(jù)分布情況以此改變樣本數(shù)量的分布結(jié)構(gòu)，達(dá)到數(shù)據(jù)的相對(duì)平衡，例如HA等提出基于遺傳算法的欠采樣GAUS算法，通過(guò)損失最小化來(lái)優(yōu)化多數(shù)類子集以達(dá)到數(shù)據(jù)平衡，SMOTE算法主要是通過(guò)過(guò)采樣在數(shù)據(jù)中人工合成少數(shù)類樣本達(dá)到數(shù)據(jù)均衡；另一方面是從算法層面出發(fā)包括特征選擇和代價(jià)敏感等，通過(guò)對(duì)算法的改進(jìn)來(lái)提高對(duì)不均衡數(shù)據(jù)分類的準(zhǔn)確性，例如GUO等提出的特征選擇與Adaboost相結(jié)合的集成學(xué)習(xí)算法，通過(guò)特征選擇提高分類器的分類性能。在配電監(jiān)控系統(tǒng)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，正常設(shè)備樣本數(shù)量占大多數(shù)，而故障設(shè)備的數(shù)據(jù)量較少，因此本文對(duì)隨機(jī)森林算法作出了改進(jìn)，減少不平衡數(shù)據(jù)集對(duì)故障預(yù)測(cè)模型的影響。二、論文課題的主要內(nèi)容、特色或創(chuàng)新之處、預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)及水平主要內(nèi)容：本課題主要研究一套通用性強(qiáng)、易于擴(kuò)展的直流配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)為集中監(jiān)控、集中維護(hù)、集中管理和小型無(wú)人值守?cái)?shù)據(jù)室提供了有力保障，解決了維護(hù)人員不足與網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模發(fā)展的矛盾，實(shí)現(xiàn)管理人員對(duì)配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，記錄機(jī)房配電的運(yùn)行狀態(tài)，確保用電設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，提高配電管理的效率和自動(dòng)化程度。通過(guò)分析配電網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和隨機(jī)森林算法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，分析了系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)和故障預(yù)測(cè)算法。提綱如下：1緒論1.1研究背景及意義1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3研究?jī)?nèi)容2相關(guān)理論與技術(shù)概述2.1Modbus通信協(xié)議2.1.1Modbus協(xié)議簡(jiǎn)述2.1.2Modbus通信原理2.1.3Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀2.2MCGS組態(tài)技術(shù)2.2.1MCGS組態(tài)軟件概述2.2.2MCGS組態(tài)軟件的系統(tǒng)構(gòu)成2.3隨機(jī)森林算法2.3.1決策樹(shù)2.3.2隨機(jī)森林定義2.3.3隨機(jī)森林構(gòu)建過(guò)程3配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3.1配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)3.2配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析3.3配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案4配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)4.1.1硬件電路設(shè)計(jì)方案4.1.2微處理器模塊4.1.3時(shí)鐘模塊4.1.4存儲(chǔ)模塊4.1.5電源模塊4.1.6電壓、電流采集模塊4.1.7通信模塊4.2配電監(jiān)控端軟件設(shè)計(jì)4.2.1開(kāi)發(fā)環(huán)境4.2.2主程序設(shè)計(jì)4.2.3存儲(chǔ)模塊程序設(shè)計(jì)4.2.4通信模塊程序設(shè)計(jì)4.3人機(jī)交互界面軟件設(shè)計(jì)4.4基于隨機(jī)森林算法的故障預(yù)測(cè)模型4.4.1配電監(jiān)控系統(tǒng)故障預(yù)警概述4.4.2機(jī)房動(dòng)力設(shè)備故障預(yù)警4.4.3數(shù)據(jù)采集與處理4.4.4故障預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建4.4.5預(yù)測(cè)結(jié)果及分析5系統(tǒng)總體測(cè)試與分析5.1系統(tǒng)硬件測(cè)試5.