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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:莊國誠
研究生(外文):Zhuang, Guo-Cheng
論文名稱:LSTM模型對國立大專院校用電量進行預測–以國立陽明交通大學光復校區為例
論文名稱(外文):Conducting Prediction of Electricity Consumption of National University by Applying LSTM Model – A Case Study of National Yang Ming Chiao Tung University
指導教授:黃世昌黃世昌引用關係
指導教授(外文):Huang, Shyh-Chang
口試委員:張智安黃世昌沈勁利
口試委員(外文):Teo, Tee-AnnHuang, Shyh-ChangShen, Jine-Lih
口試日期:2022-01-03
學位類別:碩士
校院名稱:國立陽明交通大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2022
畢業學年度:110
語文別:中文
論文頁數:88
中文關鍵詞:用電量數據數據預處理LSTM用電量預測用電量圖像化
外文關鍵詞:Electricity Consumption DataData PreprocessingLSTMElectricity Consumption PredictionElectricity Consumption Visualization
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這篇論文首先將光復校區所有智慧電表紀錄到的累計用電度數數據取出並進行數據預處理,包含數據合併、數據轉換及數據清理,將數據內部有問題的數據用空值取代。接著會將經過預處理後的光復校區北區及南區數據進行異常數據檢測及數據填補。最後用LSTM模型預測北區及南區未來30天的用電量,很多能源管理方法都需要以未來用電量為基準,所以選擇用電量預測作為應用。用LSTM模型預測未來30天用電量,會比較輸入1筆到最多2年的數據時的預測結果,以及分成三種輸入參數不同的模型,分別是單純用電量預測模型、代表人員活動的學期參數模型及代表天氣狀況的天氣參數模型。預測出來後再以圖像化及RMSE值來呈現。在不同輸入設定下各個模型通常只要有約7筆數據就有不錯的預測結果;學期參數模型則以分成學期間平日、假日及寒暑假四種時間區間預測結果最佳;天氣參數模型中單純用溼度預測結果最佳。用以訓練的數據集只要有一年的數據量就足夠進行預測,更多數據對預測結果影響不大。

關鍵字:用電量數據、數據預處理、LSTM、用電量預測、用電量圖像化
The accumulated electricity consumption data recorded by all smart meters in Guangfu Campus is taken out and preprocessed first, including data merging, data conversion and data cleaning, and replacing the problematic data with null values. Then, the preprocessed data of the northern and southern areas of Guangfu campus will perform abnormal data detection and data filling. Finally, the LSTM model will be used to predict the electricity consumption of the northern and southern areas of Guangfu campus in the next 30 days. Many energy management methods will require future electricity consumption as a benchmark, so the electricity consumption forecast is chosen as an application.Using the LSTM model to predict the electricity consumption in the next 30 days, it will compare the prediction results when inputting data from 1 to 2 years at most, and divide it into three models with different input parameters, namely a simple electricity consumption forecast model, a semester parameter model representing personnel activities, and a weather parameter model representing weather conditions. The prediction results will be presented in the form of images and RMSE values. Under different input settings, each model usually only uses about 7 pieces of data to have good enough prediction results. The best prediction results of semester parameter model are to divide into the four time intervals of weekdays of the semester, holidays of the semester, winter and summer vacations. The best prediction results of weather parameter model are based on the humidity parameters. The data set used for training only needs a year of data to enough to make predictions, and more data has little effect on the prediction results.

keywords:Electricity Consumption Data, Data Preprocessing, LSTM, Electricity Consumption Prediction, Electricity Consumption Visualization
摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
1 緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 研究動機與背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究目的與預期結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 研究範圍與限制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 研究架構與流程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 能源管理與智慧電表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.1 能源管理系統 SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 智慧電表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 資料庫的知識搜尋 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 數據預處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 遺失數據處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 評比 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3 用電量預測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 LSTM 模型介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 小結 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 用電概述與數據預處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 用電基本介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 電力能源政策 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.1.2 用電設備管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 能源管理系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.1 系統內的智慧電表 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2 數據取出及合併 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.3 數據預處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 小結 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4 用電量數據分析及預測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1 用電量數據分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.1 數據圖像化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1.2 數據填補及異常數據檢測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 用電量預測 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 預測結果與分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2.2 不同的測試設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3 小結 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5 結論與建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
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