【基于隨機森林算法的配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計開題報告4900字】

PAGEPAGE3基于隨機森林算法的配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計開題報告一、論文選題依據(jù)（包括課題來源、研究的目的和意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢）課題來源：近年來，隨著工業(yè)水平的不斷進步，社會發(fā)展模式逐步實現(xiàn)了計算機化。在計算機化建設(shè)的背景下，企業(yè)機房數(shù)量大規(guī)模增加，為企業(yè)機房設(shè)備的運行提供了基礎(chǔ)支持，并逐漸成為一個研究方向。機艙內(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)定運行和信息系統(tǒng)的切換。因此，在整個機艙的建造過程中，監(jiān)測能量分布的重要性不容忽視。一旦機房設(shè)備突然發(fā)生故障，就會影響信息系統(tǒng)的運行，威脅信息系統(tǒng)的可靠性。同時，如果事件處理延遲，可能會損壞硬件設(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)級增長。同時，維修人員不僅要檢查機艙，還要經(jīng)常讀取和測試重要的設(shè)備數(shù)據(jù)。因此，對于當(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)勢的現(xiàn)代化管理模式。因此，通信設(shè)備的運行維護必須從集中監(jiān)控、集中維護、集中管理入手。如何利用一整套科學(xué)有效的管理系統(tǒng)來減輕機房維護人員不足帶來的壓力，已成為迫切需要解決的重要問題。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機房內(nèi)的設(shè)備進行監(jiān)控和維護，難以實現(xiàn)智能化管理。這種配電方式不僅使生產(chǎn)、儲存和維護非常不舒適，而且使復(fù)雜的控制邏輯難以實現(xiàn)。此外，其集成度和智能化程度較低，不具備故障診斷和報警功能。目前，隨著數(shù)據(jù)中心和企業(yè)機房規(guī)模的不斷擴大，設(shè)備數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致無法及時發(fā)現(xiàn)的設(shè)備故障，使得機房的維護效率非常低。為了提高機房的工作效率，降低設(shè)備的能耗，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，非常有必要對機房內(nèi)各負荷的運行狀態(tài)進行有效監(jiān)控。為了節(jié)省機房內(nèi)的能源，提高設(shè)備的維護效率，節(jié)約人工成本，有必要密切監(jiān)控機房內(nèi)各種電氣設(shè)備的運行參數(shù)。然而，機房內(nèi)設(shè)備眾多，傳統(tǒng)的配電方式已不能滿足現(xiàn)代機房的配電需求。因此，有必要開發(fā)一種智能化的配電網(wǎng)多回路監(jiān)測系統(tǒng)。近幾十年來，隨著電廠控制領(lǐng)域的不斷進步，機房配電系統(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)測系統(tǒng)最基本的功能是監(jiān)測供電線路的運行狀態(tài)。有必要準(zhǔn)確檢測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)具有對接收到的運行數(shù)據(jù)進行融合分析的功能，并能保護電源電路，避免過電壓、過電流等問題。同時，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\行狀態(tài)和故障信息實時加載到顯示終端進行管理。對于當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心和企業(yè)機房，每個負載必須連續(xù)工作，以確保正常運行。因此，為了保證系統(tǒng)在全負荷下安全、穩(wěn)定、長期、高質(zhì)量的運行，必須在系統(tǒng)中加入基于隨機森林算法的錯誤預(yù)警功能。根據(jù)電力負荷的實時運行數(shù)據(jù)和工作環(huán)境參數(shù)，可以在設(shè)備實際發(fā)生故障之前及時預(yù)測設(shè)備的異常情況，有助于故障排除和設(shè)備維護，提高運維效率，確保機艙設(shè)備長期穩(wěn)定運行，減少不必要的經(jīng)濟損失。研究的目的和意義：根據(jù)機房配電的需求，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)。本課題主要實現(xiàn)了基于隨機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144條回路的各種電氣參數(shù)和開關(guān)狀態(tài)，包括輸入和輸出電路。在完成機艙各種電氣設(shè)備運行參數(shù)的采集、上傳、顯示和存儲任務(wù)的同時，系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對接收到的數(shù)據(jù)進行綜合分析和預(yù)測，降低維修人員維護管理的復(fù)雜性。提高機艙設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性。配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以保證機房設(shè)備的穩(wěn)定高效運行，還可以提高能效，達到節(jié)能的目的，提高機房能源分配的智能化、自動化水平。在數(shù)據(jù)中心和企業(yè)機房，配電監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)對象是多樣的。為了滿足各種設(shè)備可靠、穩(wěn)定的用電要求，實現(xiàn)配電系統(tǒng)的智能化監(jiān)控具有重大的意義。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢：1.配電監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著設(shè)備控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)機房對于配電監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求。為了實現(xiàn)智能化管理，機房配電系統(tǒng)融合了現(xiàn)代先進的技術(shù)對設(shè)備是否正常運行進行監(jiān)測、控制和保護的同時結(jié)合工業(yè)領(lǐng)域的各種系統(tǒng)，使機房配電實現(xiàn)高層次、透明化的良好管理已經(jīng)成為必然趨勢和發(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，也宣告了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)時代的到來。這說明了必須結(jié)合電腦和通信使運行和經(jīng)營管理模式都實現(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、電壓表等儀表進行監(jiān)控。西方國家在上世紀(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)時眾多新發(fā)展起來的技術(shù)，使得配電監(jiān)控系統(tǒng)取得了長足的進步。在上世紀(jì)80年代末至90年代，發(fā)達國家對配電網(wǎng)中的監(jiān)控終端進行了智能化、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)也對智能配電監(jiān)控展開了研究，開始把計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信、現(xiàn)場總線等相關(guān)技術(shù)與強電監(jiān)控相融合應(yīng)用于配電系統(tǒng)。近年來，配電監(jiān)控技術(shù)隨著無線通信尤其是3G、4G、WLAN的發(fā)展也達到了一個新的高度，配電設(shè)備可以通過無線設(shè)備進行遠程監(jiān)控。同時，國外的專家也對配電監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展進行了相應(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)的同時也要關(guān)注環(huán)境數(shù)據(jù)，綜合評估配電系統(tǒng)狀態(tài)。與國外的研究相比，國內(nèi)對于智能配電監(jiān)控系統(tǒng)在90年代末才展開研究，時間相對較晚，隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大型公共設(shè)施、高層智能建筑、數(shù)據(jù)機房等國家重點工程項目成倍增加，因此對智能化配電設(shè)備的安全性、可靠性、兼容性、實用性的需求也變得十分迫切，對故障影響范圍的要求也更高。同時，隨著通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，配電系統(tǒng)自動化已成為相關(guān)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。近些年來，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。潘代華等人設(shè)計了基于以太網(wǎng)技術(shù)的配電監(jiān)控系統(tǒng)，通過對系統(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遠程通信技術(shù)與配電系統(tǒng)相結(jié)合，擴展了系統(tǒng)的通信方式，讓配電監(jiān)控系統(tǒng)具備了遠程調(diào)節(jié)、控制、監(jiān)視和測量等功能，可通過無線設(shè)備對配電系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制；黃廷城等研究了基于AHP－熵權(quán)法綜合評估配電網(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)計了一套供配電監(jiān)控系統(tǒng)，可以完成對變電站的自動監(jiān)控；錢健等利用計算機技術(shù)和通信技術(shù)對低壓配電系統(tǒng)進行智能化監(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)進行過濾和權(quán)限認證，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；陳金佑將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用到股票分析中，預(yù)測股票未來走勢；馬丹基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一套學(xué)生成績分析系統(tǒng)，分析預(yù)測學(xué)生在校學(xué)習(xí)情況；孫軼軒通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對交通事故進行分析，研究事故產(chǎn)生的多種因素。隨著計算機系統(tǒng)性能的提高，機器學(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)展的前期還沒有應(yīng)用到配電監(jiān)控中來，許多配電監(jiān)控系統(tǒng)的故障預(yù)警都是建立在對設(shè)備設(shè)置安全閾值的基礎(chǔ)上的，如果監(jiān)測數(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，當(dāng)參數(shù)報警時，故障可能已經(jīng)發(fā)生，運行維護人員不能及時采取有效措施停止故障，并且單一設(shè)備的故障會影響整個系統(tǒng)的運行，會造成很大的安全隱患和財產(chǎn)損失。隨著對配電監(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，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對配電過程的運行數(shù)據(jù)進行綜合分析，對設(shè)備故障進行預(yù)警，提高系統(tǒng)的智能化水平。3.隨機森林算法研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著工業(yè)復(fù)雜性的增加，隨機森林算法在機器學(xué)習(xí)中越來越受到人們的重視。根據(jù)相關(guān)研究文獻可以看出，隨機森林算法具備很多其他機器學(xué)習(xí)算法沒有的優(yōu)點，它能處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，預(yù)測精度不受數(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)，整個算法的實現(xiàn)過程相對簡單，被廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)療、保險、金融、電力等各個領(lǐng)域。隨機森林是一種有監(jiān)督的學(xué)習(xí)算法，通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和特征子集的隨機選取來進行決策樹的構(gòu)建，很好地抑制了傳統(tǒng)分類器的過擬合現(xiàn)象，同時研究人員針對原有的隨機森林算法存在的缺點和在實際應(yīng)用中的不足進行了改進。胡瑋針對隨機森林建立分類模型時間較長的缺點，在改進的領(lǐng)域粗糙集屬性約簡算法的基礎(chǔ)上，對隨機森林算法進行了改進，并將其應(yīng)用于糖尿病預(yù)測中，預(yù)測效果明顯。趙金超等結(jié)合K近鄰方法對隨機森林算法進行參數(shù)調(diào)優(yōu)，建立心臟病預(yù)測模型，用于輔助醫(yī)生對患者是否患有心臟病進行診斷預(yù)測，結(jié)果表明改進算法有較好的分類效果，泛化能力強。黃青平等利用模糊聚類對隨機森林進行改進，用相似度高的樣本訓(xùn)練隨機森林預(yù)測模型，提高了算法的預(yù)測精度。當(dāng)數(shù)據(jù)不平衡率增加，隨機森林偏向?qū)⑸贁?shù)類歸為多數(shù)類，造成假的高分類精度，研究人員針對這個問題又對隨機森林算法作出了進一步改進。一方面是從數(shù)據(jù)本身出發(fā)通過欠采樣或過采樣的方法，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)，達到數(shù)據(jù)的相對平衡，例如HA等提出基于遺傳算法的欠采樣GAUS算法，通過損失最小化來優(yōu)化多數(shù)類子集以達到數(shù)據(jù)平衡，SMOTE算法主要是通過過采樣在數(shù)據(jù)中人工合成少數(shù)類樣本達到數(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敏感等，通過對算法的改進來提高對不均衡數(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，因此本文對隨機森林算法作出了改進，減少不平衡數(shù)據(jù)集對故障預(yù)測模型的影響。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、易于擴展的直流配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)為集中監(jiān)控、集中維護、集中管理和小型無人值守數(shù)據(jù)室提供了有力保障，解決了維護人員不足與網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模發(fā)展的矛盾，實現(xiàn)管理人員對配電系統(tǒng)的實時監(jiān)控，記錄機房配電的運行狀態(tài)，確保用電設(shè)備的安全可靠運行，提高配電管理的效率和自動化程度。通過分析配電網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和隨機森林算法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，分析了系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)和故障預(yù)測算法。提綱如下：1緒論1.1研究背景及意義1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3研究內(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隨機森林算法2.3.1決策樹2.3.2隨機森林定義2.3.3隨機森林構(gòu)建過程3配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計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)計需求分析3.3配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案4配電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)4.1系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計4.1.1硬件電路設(shè)計方案4.1.2微處理器模塊4.1.3時鐘模塊4.1.4存儲模塊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4.2.1開發(fā)環(huán)境4.2.2主程序設(shè)計4.2.3存儲模塊程序設(shè)計4.2.4通信模塊程序設(shè)計4.3人機交互界面軟件設(shè)計4.4基于隨機森林算法的故障預(yù)測模型4.4.1配電監(jiān)控系統(tǒng)故障預(yù)警概述4.4.2機房動力設(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)測模型的構(gòu)建4.4.5預(yù)測結(jié)果及分析5系統(tǒng)總體測試與分析5.1系統(tǒng)硬件測試5.