基于新農(nóng)村光伏采集的虛擬仿真與數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲艾伶

（西南民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610041）

0 引言

在國家不可再生資源緊縮和能源安全、環(huán)境污染日益加劇背景下，新能源的采集受到了重點(diǎn)關(guān)注。而光伏發(fā)電作為分布式新能源的一種，主要來源于太陽能，是可進(jìn)行持續(xù)采集使用的可再生能源，具有充分的清潔性、絕對的安全性、相對的廣泛性、確實(shí)的長壽命和免維護(hù)性。由于對光伏能源的采集所需的成本低廉，且能夠在一定程度上緩解我國嚴(yán)重缺電局面，保證可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施，這促使它在長期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。因此，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，如何通過數(shù)據(jù)可視化來對光伏設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)管理與調(diào)控成為了能源行業(yè)的熱門話題。

現(xiàn)階段，大數(shù)據(jù)技術(shù)已被廣泛的利用在社會生活的各個(gè)領(lǐng)域中，如醫(yī)療大數(shù)據(jù)、金融大數(shù)據(jù)、交通大數(shù)據(jù)等。隨著光伏發(fā)電技術(shù)在能源行業(yè)中的關(guān)注度不斷提高，光伏數(shù)據(jù)在一定程度上也體現(xiàn)出不可估量的價(jià)值。因此，基于新農(nóng)村光伏采集的虛擬仿真與數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)著眼于將光伏設(shè)備信息與大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)相結(jié)合，將光伏大數(shù)據(jù)利用最大化。通過以農(nóng)村光伏數(shù)據(jù)作為研究切入點(diǎn)，使用3D建模技術(shù)對場景進(jìn)行虛擬仿真，真實(shí)模擬光伏采集設(shè)備所處真實(shí)環(huán)境，后續(xù)基于光伏采集設(shè)備對光伏數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，并將其作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上利用大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)對光伏數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，利用可視化技術(shù)對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，為后續(xù)光伏設(shè)備管理與調(diào)控提供科學(xué)有效的建議，應(yīng)用于高效的光伏采集與能源使用等任務(wù)中。

1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著光伏能源在我國的能源使用量的占比不斷增加，越來越多的學(xué)者開始對該產(chǎn)業(yè)進(jìn)行研究。何凱等人［1］基于CitySpace軟件對CNKI數(shù)據(jù)庫中的所有與光伏發(fā)電領(lǐng)域相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行了可視化分析，并通過知識圖譜的形式表現(xiàn)出了光伏發(fā)電領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，后續(xù)通過一系列的方法，如數(shù)學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等對該領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測，為后來的學(xué)者們提供了理論基礎(chǔ)。趙露等人［2］搭建了一種基于Labview的光伏監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控與實(shí)時(shí)管理，從而能夠更好的實(shí)現(xiàn)信息交互。朱衛(wèi)東等人［3］通過對使用者的需求分析，使用了多種信息化的手段，以此來設(shè)計(jì)了一個(gè)新能源全過程動態(tài)跟蹤的可視化分析服務(wù)平臺，該平臺可進(jìn)行能源消耗實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)、信息可視化等多個(gè)功能。徐旭慧等人［4］為了加強(qiáng)對發(fā)電企業(yè)在多個(gè)方面的管理，結(jié)合了機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及AI感知等多種技術(shù)，將企業(yè)所處的實(shí)際場景作為研究區(qū)域，設(shè)計(jì)了一套3D場景可視化的管理平臺，以此來提高企業(yè)在生產(chǎn)階段上安全把控與管理上的綜合能力。李環(huán)等人［5］認(rèn)為系統(tǒng)如果采用二維平面化設(shè)計(jì)，在一定程度上無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的展示，會影響數(shù)據(jù)的有效分析。因此，使用了3D建模、圖像識別和大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了基于三維可視化的變電站管控系統(tǒng)。黨彬彬等人［6］實(shí)現(xiàn)了一套基于云計(jì)算的光伏發(fā)電運(yùn)行智能綜控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化、監(jiān)控管理智能化等多個(gè)功能。而對于光伏發(fā)電站而言，隨著其內(nèi)部電源結(jié)構(gòu)的比重處于上升趨勢，光伏功率的精準(zhǔn)把控變得由于重要，這關(guān)系著電網(wǎng)是否能夠安全的運(yùn)行。柳佳璐［7］從這一方面出發(fā)，提出了基于數(shù)據(jù)可視化的光伏發(fā)電量預(yù)測，通過這種方法能夠在各類電源的調(diào)度計(jì)劃上，幫助發(fā)電站各部分進(jìn)行有效協(xié)調(diào)、管控。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)

本文以對新農(nóng)村光伏采集相關(guān)工作為例，旨在開發(fā)現(xiàn)實(shí)場景的虛擬仿真與數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。以實(shí)時(shí)光伏存儲量、發(fā)電量與用電量三個(gè)方面作為數(shù)據(jù)類別，基于數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化和存儲，建設(shè)光伏電量綜合數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)技術(shù)、三維建模技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)作為主要技術(shù)手段，以實(shí)現(xiàn)光伏設(shè)備管理、性能優(yōu)化等任務(wù)為主要功能，最終目標(biāo)為建設(shè)一個(gè)集合光伏電量數(shù)據(jù)輸入、基于時(shí)間序列的數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測可視化、專業(yè)分析評價(jià)、實(shí)地場景展示、共享與服務(wù)等功能為一體的虛擬仿真與數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，為光伏數(shù)據(jù)管理提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、綜合性的智能服務(wù)平臺，也為新農(nóng)村光伏能源設(shè)備搭建等提供可靠的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)搭建的主要工作任務(wù)包括：光伏及電量綜合數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)據(jù)預(yù)處理與導(dǎo)入、三維場景建模、數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)建設(shè)與基于光伏及電量的數(shù)據(jù)分析。

2.1 光伏及電量綜合數(shù)據(jù)庫建設(shè)

光伏及電量綜合數(shù)據(jù)庫建設(shè)的主要目的是將實(shí)時(shí)采集的光伏數(shù)據(jù)與電量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，從而對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的更新與維護(hù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供合理、科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。光伏及電量綜合數(shù)據(jù)庫將實(shí)際應(yīng)用作為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，包含了實(shí)時(shí)與累計(jì)兩個(gè)方面的存儲電量、發(fā)電量、用電量數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)中心，有助于管理者能夠方便的了解與掌握基于時(shí)間序列的設(shè)備工作情況，為光伏設(shè)備的性能優(yōu)化與管理提供參考。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與導(dǎo)入

由于光伏及電量數(shù)據(jù)具有一定的海量性，且采集數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式與用電設(shè)備不同，不符合數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的需求。除此之外，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，其來源往往有多個(gè)。因此，數(shù)據(jù)中可能會包含噪聲，且數(shù)據(jù)值缺失、數(shù)據(jù)之間具有沖突的情況也會對數(shù)據(jù)的可靠性造成一定程度的影響。所以我們在進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析時(shí)，需要對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的預(yù)處理操作，從而確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，并實(shí)現(xiàn)自身的價(jià)值。綜上所述，本文旨在構(gòu)建基于光伏信息的數(shù)據(jù)庫，使其能夠具備存儲數(shù)據(jù)信息化、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢、獲取以及數(shù)據(jù)共享等多個(gè)功能。因此，在將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫之前，我們應(yīng)當(dāng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。其具體流程包含以下幾個(gè)步驟：①數(shù)據(jù)清理。對數(shù)據(jù)之間的差別進(jìn)行檢測，并對數(shù)據(jù)中的噪聲進(jìn)行識別、過濾，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化。有利于確保數(shù)據(jù)總體保持一致性，提高其準(zhǔn)確性、真實(shí)性，能夠有效的應(yīng)用于后續(xù)操作中。②數(shù)據(jù)集成。將多個(gè)來源收集到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行統(tǒng)一，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的集成構(gòu)建。這一操作能夠確保數(shù)據(jù)的完整性。③數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。將數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)置，保持?jǐn)?shù)據(jù)形式的一致性。

在以上操作的基礎(chǔ)上，將已經(jīng)進(jìn)行預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過MySQL進(jìn)行存儲，并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理，這是確保后續(xù)多個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)，也是系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具備安全性與能夠進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件?；趯ySQL技術(shù)的應(yīng)用，能夠使多類別的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)整體化的管理，最終實(shí)現(xiàn)對海量的光伏及電量數(shù)據(jù)的有效使用。

2.3 三維場景建模

三維場景建模旨在為管理者提供實(shí)時(shí)的地理位置與環(huán)境展示。通過對該場景中處于不同位置的光伏設(shè)備進(jìn)行選擇，可實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)光伏及電量數(shù)據(jù)的了解與掌握，為光伏設(shè)備的地理位置部署提供了靈活的可視化分析。本文選擇3Dmax軟件作為三維模型制作工作，實(shí)現(xiàn)三維場景建模任務(wù)，模型構(gòu)建效果如圖2所示。

圖2 基于3Dmax的場景建模

2.4 數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)建設(shè)

基于光伏及電量的數(shù)據(jù)分析，主要采用聚類與分類、關(guān)聯(lián)分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管理者不同的數(shù)據(jù)分析結(jié)果需求，從而為光伏設(shè)備相關(guān)分析評價(jià)提供科學(xué)的信息技術(shù)支撐。如，本文對發(fā)電量、用電量這兩個(gè)類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性挖掘。通過數(shù)據(jù)分析，可得出針對用電量與發(fā)電量不匹配的影響因素。在此基礎(chǔ)上，管理者可通過實(shí)地調(diào)研與設(shè)備調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能的優(yōu)化，從而減少能源的損耗。

數(shù)據(jù)可視化，是指大數(shù)據(jù)分析與預(yù)測結(jié)果以圖表的形式展示給用戶的過程，具有一定的可觀性與直觀性，并且可實(shí)現(xiàn)與用戶之間的實(shí)時(shí)交互。它主要采用了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)，以圖形作為基本的展示形式，并通過對數(shù)據(jù)的表達(dá)、建模以及相關(guān)內(nèi)容的顯示，來對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化解釋。并且顯示的信息中包含了數(shù)據(jù)的各種屬性和變量。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)能夠使用戶從海量數(shù)據(jù)中觀察到其隱含的關(guān)聯(lián)性信息，從而確保其能夠進(jìn)行科學(xué)、合理的決策。在整個(gè)大數(shù)據(jù)分析流程中，數(shù)據(jù)可視化環(huán)節(jié)能夠使分析結(jié)果具備直觀性，這也是促使用戶能夠清晰明了的理解數(shù)據(jù)整體內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自身的價(jià)值的關(guān)鍵因素。

本文的數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)建設(shè)為管理者提供了光伏及電量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析結(jié)果的瀏覽和查詢等服務(wù)。結(jié)合管理者對數(shù)據(jù)展現(xiàn)的多個(gè)任務(wù)需求，通過使用Raydata大數(shù)據(jù)可視化交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化、場景化以及交互的管理方式，從而節(jié)省管理成本，提升數(shù)據(jù)輔助決策的效率。本文設(shè)計(jì)的可視化系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)功能：①系統(tǒng)基礎(chǔ)信息。顯示系統(tǒng)的運(yùn)行天數(shù)與當(dāng)日的設(shè)備的能源存儲量、發(fā)電量與用電量。②歷史發(fā)電信息。通過柱形圖表示xxxx年的每月光伏能源存儲量。③累計(jì)信息。顯示設(shè)備累計(jì)的能源存儲量、發(fā)電量與用電量。④相關(guān)數(shù)據(jù)波動。通過折線圖來表示以周為單位的能源存儲量、發(fā)電量與用電量的數(shù)據(jù)波動。⑤狀態(tài)信息。顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，并說明最近檢測時(shí)間。⑥預(yù)警信息。顯示最近系統(tǒng)預(yù)警信息。

數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

通過該可視化系統(tǒng)，用戶可以實(shí)時(shí)掌握數(shù)據(jù)基于時(shí)間序列的變化，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確、科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，并在此基礎(chǔ)上提出有效決策。

3 結(jié)語

本文以新農(nóng)村的光伏采集與能源使用為例，針對光伏及電量數(shù)據(jù)可視化與虛擬仿真的業(yè)務(wù)需求，利用數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、3D場景建模等技術(shù)，綜合光伏及電量數(shù)據(jù)庫，研發(fā)了基于新農(nóng)村光伏采集的虛擬仿真與數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。包含了光伏及電量數(shù)據(jù)管理、專業(yè)分析評價(jià)、三維實(shí)地場景建模、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化等功能。該系統(tǒng)的構(gòu)建旨在為提高光伏設(shè)備的智能化水平，為設(shè)備管理、故障檢修以及性能優(yōu)化提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)輔助，并為決策工作提供科學(xué)依據(jù)，大大提高了工作效率。