省級太陽輻射模擬可視化查詢平臺設計

陸標標 劉德剛 陳永鑫 成馳

（1 中國地質大學（武漢），武漢 430074；2 湖北省氣象服務中心，武漢 430205）

關鍵字：太陽輻射，模擬分析，可視化查詢，光伏電站

0 引言

為了合理地利用太陽能資源，對太陽輻射進行可視化分析在光伏電站項目選址、發電量估計方面有著重要的意義。2013年底，國家能源局出臺了光伏電站暫行管理辦法，其中里面第12條明確規定，項目開發前期必須要有現場實測數據，或者有代表性的實測數據[1]。目前，很多氣象部門已經建立了氣象數據相關的查詢平臺，但是這些平臺多是用于氣象預報、信息查詢等業務，在太陽輻射數據模擬和分析方面的針對性不強[2-4]。國內具有多年觀測資料的輻射站點數量有限，而且觀測站大多設在開闊地段，采集到的數據覆蓋面較窄。單靠這些站點的實測資料分析全省的太陽輻射分布，顯然是不充分的[5-6]。鑒于這些原因，利用氣象局提供的歷年氣象、輻射數據和MODIS遙感云量數據，設計實現了省級太陽輻射模擬可視化查詢平臺。

1 平臺總體框架

平臺總體上按照主要功能分為數據處理子系統和查詢分析子系統（圖1）。數據處理子系統以遙感云量數據作為基礎，建模計算出輻射相關數據。查詢分析子系統利用計算得到的各類數據，完成可視化查詢、統計分析、數據存儲等功能需求。

數據處理子系統采用C/S架構，直接從本地讀取遙感數據進行計算。根據Andrzej[7]對比MODIS云量和地面觀測數據的結果，證明在溫帶的MODIS云量數據比其他衛星數據更接近真實值。所以，平臺采用MOD06_L2衛星上采集的云量數據作為基礎資料[8]，MODIS傳感器的空間分辨率有250 m、500 m和1000 m三種，統一采用1 km×1 km的分辨率為標準。為了得到日照百分率和清晰度的模型系數，采用省內的氣象站實測的歷年云量、日照數據和輻射站實測的歷年輻射數據來進行反演計算。通過對高精度的MODIS云量數據和反演系數建立計算模型，系統所模擬輻射數據的空間分辨率可達到1 km×1 km。

查詢分析子系統框架采用B/S架構，以ArcGIS作為基礎，實現多要素數據可視化查詢。通過在內網中架設服務器，系統提供模擬分析、統計查詢等功能，輔助用戶對光伏發電資源進行綜合分析，為光伏電站建設提供依據。

2 數據處理子系統設計

2.1 數據處理子系統框架設計

數據處理子系統使用Qt編程實現，系統架構分為數據預處理層和和數據處理層（圖2）。

圖2 數據流圖 Fig.2 Data flow

數據預處理層的主要功能有兩個。一個功能是對MODIS數據進行格式轉：MODIS數據原始格式為矩陣形式，矩陣大小為408×270。根據計算要求，將矩陣形式的數據轉換成表格格式的離散云量數據[9]。另一個功能是反演模型系數：通過氣象站和輻射站實測得到的大量歷史數據，反演出日照模型系數和清晰度模型系數，這些系數將會作為日照模型和清晰度模型的計算參數[10]。

數據處理層以離散云量數據作為基礎，提供了日照百分率和清晰度指數兩種系數來計算水平面輻射。最長數據流經過插值計算、日照模型、清晰度模型、輻射模型四個步驟，最終得到直射、散射、總輻射、地形修正輻射等多種輻射數據。四個步驟的詳細過程如下：

1）系統是采用從DEM提取出的開闊度和省經緯度數據作為基準點，所以離散云量使用的地理坐標系（WGS84）與DEM中的地理坐標系（GCS_WGS_1984）不同。為了將云量轉換到基準坐標系上，系統從離散云量中取出距離基準點最近的四個云量值插值計算，得到省經緯度下的標準云量數據。

2）根據云量與日照百分率良好的負相關關系，建立日照百分率估算模型，為一元線性擬合。具體公式如下：

其中，SRg為日照百分率；CL為對應經緯度下的云量值；a、b為氣象站實測數據通過預處理層反演得到的系數[11]。

3）與日照百分率計算模型相似，根據日照百分率與清晰度的負相關性，利用反演得到的清晰度模型系數，進一步計算出清晰度指數[12]。

4）輻射模型主要用于求解總輻射、直接輻射、散射輻射和地形修正輻射。系統利用太陽總輻射氣候學評估方法，以日照百分率作為基礎，建立水平面太陽總輻射模型[13]。使用日照百分率和清晰度指數資料，采用成分分解法建立水平面太陽直接輻射模型。利用水平面直接輻射、散射輻射與總輻射的閉合關系，在散射輻射各向異性的情況下，建立太陽散射輻射模型[14]。利用開闊度與直接輻射的線性關系，建立地形修正輻射模型[15]。

圖3給出了2014—2016年3年平均的四川7個輻射站總輻射模擬結果與實測結果的對比。7個站點依次對應甘孜（31.37°N，100.00°E）、紅原（32.48°N，102.33°E）、綿陽（31.27°N，104.45°E）、成都（30.40°N，104.01°E）、峨眉山（29.31°N，103.20°E）、攀枝花（26.35°N，101.43°E）、納溪（28.77°N，105.38°E）。由于站點所處的海拔不同，模擬數據與實測數據會有一些波動，但模擬數據依然能夠較為準確地反映實際輻射狀況。

圖3 輻射模擬數據與實際數據對比 Fig.3 Comparison of radiation simulation data with actual data

2.2 數據成圖與發布

得到的各類數據主要提供給查詢分析系統使用，在給查詢分析系統使用之前，還需要進行數據可視化處理。平臺使用ArcGIS將數據制作成地圖影像進行可視化，發布為ArcGIS Server，通過ArcGIS Server提供不同的API給查詢分析系統，實現數據的可視化查詢。

得到地圖影像需要將所有數據轉換為柵格數據，存儲柵格文件到ArcGIS空間數據庫。數據處理子系統中的數據文件統一以表格格式存儲（.csv），平臺先將數據文件轉換為shapefile文件格式（.shp），然后轉換為柵格文件，最后保存文件到工作空間。ArcGIS Server通過ArcGIS Desktop中的ArcCatalog來管理，使用agsadmin組中的賬戶登陸，再發布工作空間中的影像數據。

針對以上的每一個操作，ArcGIS都提供了相應的Python接口，平臺使用Python讓這些操作聯系起來，使得整個成圖和服務發布的流程自動化[16]。

3 查詢分析子系統設計

3.1 主要功能

查詢分析子系統主要功能如下：

1）模擬分析功能。在地圖上的位置模擬光伏電站，統計在該位置的各類輻射數據。通過計算不同傾角下的斜面輻射量，分析出光伏電站對太陽能資源的利用情況。

2）站所數據管理功能。對省內的輻射站、氣象站、光伏電站的實測歷史數據進行管理，便于用戶對實測數據的查詢和分析。

3）圖層管理功能功能。對每一個月的影像數據進行分層管理，方便用戶進行對比和分析。

4）管理用戶信息功能。對系統管理提供了管理用戶、導出平臺數據等功能。

此外，還有一些常用的地理信息系統功能，比如放大、縮小、面積量算等操作，以及指定行政區、地名、顯示背景地圖等簡單功能。

3.2 架構設計

查詢分析子系統總體上分為數據層、邏輯層、應用層等三層架構（圖4）。

圖4 查詢分析系統架構 Fig.4 Architecture of the query analysis subsystem

在數據層中，通過輻射信息數據庫和ArcGIS空間數據庫存儲數據。輻射信息數據庫使用MySQL存儲觀測站歷年數據、處理后的輻射相關數據和用戶信息；ArcGIS空間數據庫存儲ArcGIS工作空間中的柵格影像數據。

邏輯層分包含兩條業務流，一條業務流使用ASP.NET MVC框架，實現數據查詢、用戶管理等業務邏輯。在ASP.NET MVC架構中，使用EF（Entity Framework）對數據庫進行訪問，經過Repository邏輯處理提供服務。另一條業務流使用ArcGIS Server，完成GIS相關的交互邏輯。邏輯層的兩個服務，分別提供不同的restful API給應用層，實現與應用層的交互。

應用層負責界面交互，根據用戶的操作，調用不同的Restful API。要在保證界面美觀、簡潔的同時，還要讓平臺具備較好的兼容性。

4 關鍵技術實現

數據處理子系統需要三年及以上的數據量作為基礎，以確保數據的可靠性和準確性。按照程序正常計算速度，完成這個數據量的處理，至少需要3天時間。平臺進一步采用Qt多線程解決這一問題，讓一個程序同時處理多個文件，極大地縮短了數據處理時間。在實際插值計算時，使用了三年云量數據，一天的存儲量約60萬條。正常速度下，計算一個月的平均云量需要6 h，處理完成所有數據則需要72 h。使用Qt多線程之后，將一臺機器設置6個線程，處理完成所有的數據只需要12 h，將數據處理時間縮短了6倍。

在數據查詢分析子系統中，前端采用Dojo Toolkit做開發，Dojo使開發HTML和JavaScript Web應用變得更為容易，解決了很多Web 應用普遍存在的跨瀏覽器不兼容的矛盾。更為重要的是，ArcGIS提供的Web開發庫ArcGIS API for JavaScript是基于Dojo的。后端使用了C#開發，采用語言集成查詢（Language Integrated Query）方法訪問MySQL數據庫。

ArcGIS Server和MVC服務通過Windows 的IIS發布，訪問服務地址即可進入平臺。圖5a～5c 的太陽能板圖標模擬了新增的光伏電站，模擬的電站會給出一年內的各類輻射數據的變化情況，提供表格和柱狀圖等多種展示方式（圖6）。其還給出了理論最佳傾角作為參考，提供不同傾角下的輻射數據計算工具。通過計算結果，幫助用戶分析光伏電站的太陽能資源豐富程度，評估出光伏電站建設完成后的發電效率。

圖5 云量圖層（a）、水平面總輻射圖層（b）和地形修正輻射圖層（c） Fig.5 Cloud amount layer (a), total radiation layer of the horizontal plane (b), and terrain correction radiation layer (c)

5 結論

平臺是輔助省級光伏數據分析的專業系統，采用MODIS遙感數據、氣象站和輻射站數據等，以較高精度模擬出了全省的太陽輻射分布情況。具備輻射相關數據的管理能力，實現了輻射相關數據的存儲、統計、分析、可視化等功能。

目前，平臺采用了四川省7個輻射站從1994年至今的觀測數據、157個氣象站建站以來的氣象數據、2014—2016年MODIS云量數據，在四川省建成并投入業務運行一年多的時間。各個部分的功能模塊運行穩定、可靠，平臺的計算結果得到了四川省電力系統評審的認可，取得了良好的應用效果。