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)設計

儲艾伶

（西南民族大學電氣工程學院，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關注。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、確實的長壽命和免維護性。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重缺電局面，保證可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施，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)時代的到來，如何通過數(shù)據(jù)可視化來對光伏設備進行實時管理與調(diào)控成為了能源行業(yè)的熱門話題。

現(xiàn)階段，大數(shù)據(jù)技術已被廣泛的利用在社會生活的各個領域中，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)電技術在能源行業(yè)中的關注度不斷提高，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)設計著眼于將光伏設備信息與大數(shù)據(jù)等相關技術相結合，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，使用3D建模技術對場景進行虛擬仿真，真實模擬光伏采集設備所處真實環(huán)境，后續(xù)基于光伏采集設備對光伏數(shù)據(jù)進行實時收集，并將其作為實驗數(shù)據(jù)。在此基礎上利用大數(shù)據(jù)相關技術對光伏數(shù)據(jù)信息進行分析，利用可視化技術對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行實時顯示，為后續(xù)光伏設備管理與調(diào)控提供科學有效的建議，應用于高效的光伏采集與能源使用等任務中。

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，越來越多的學者開始對該產(chǎn)業(yè)進行研究。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)電領域相關的文獻進行了可視化分析，并通過知識圖譜的形式表現(xiàn)出了光伏發(fā)電領域的研究現(xiàn)狀，后續(xù)通過一系列的方法，如數(shù)學模型、神經(jīng)網(wǎng)絡等對該領域的未來發(fā)展趨勢進行了預測，為后來的學者們提供了理論基礎。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)用戶的遠程監(jiān)控與實時管理，從而能夠更好的實現(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，以此來設計了一個新能源全過程動態(tài)跟蹤的可視化分析服務平臺，該平臺可進行能源消耗實時預報、信息可視化等多個功能。徐旭慧等人［4］為了加強對發(fā)電企業(yè)在多個方面的管理，結合了機器學習、大數(shù)據(jù)技術以及AI感知等多種技術，將企業(yè)所處的實際場景作為研究區(qū)域，設計了一套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］認為系統(tǒng)如果采用二維平面化設計，在一定程度上無法對數(shù)據(jù)進行直觀的展示，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)等先進技術，構建了基于三維可視化的變電站管控系統(tǒng)。黨彬彬等人［6］實現(xiàn)了一套基于云計算的光伏發(fā)電運行智能綜控系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化、監(jiān)控管理智能化等多個功能。而對于光伏發(fā)電站而言，隨著其內(nèi)部電源結構的比重處于上升趨勢，光伏功率的精準把控變得由于重要，這關系著電網(wǎng)是否能夠安全的運行。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)電量預測，通過這種方法能夠在各類電源的調(diào)度計劃上，幫助發(fā)電站各部分進行有效協(xié)調(diào)、管控。

2 系統(tǒng)總體架構與功能實現(xiàn)

本文以對新農(nóng)村光伏采集相關工作為例，旨在開發(fā)現(xiàn)實場景的虛擬仿真與數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。以實時光伏存儲量、發(fā)電量與用電量三個方面作為數(shù)據(jù)類別，基于數(shù)據(jù)處理技術、數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化和存儲，建設光伏電量綜合數(shù)據(jù)庫為基礎，以大數(shù)據(jù)技術、三維建模技術、數(shù)據(jù)可視化技術作為主要技術手段，以實現(xiàn)光伏設備管理、性能優(yōu)化等任務為主要功能，最終目標為建設一個集合光伏電量數(shù)據(jù)輸入、基于時間序列的數(shù)據(jù)管理、實時監(jiān)測可視化、專業(yè)分析評價、實地場景展示、共享與服務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)管理提供一個標準化、規(guī)范化、綜合性的智能服務平臺，也為新農(nóng)村光伏能源設備搭建等提供可靠的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)搭建的主要工作任務包括：光伏及電量綜合數(shù)據(jù)庫建設、數(shù)據(jù)預處理與導入、三維場景建模、數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)建設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

光伏及電量綜合數(shù)據(jù)庫建設的主要目的是將實時采集的光伏數(shù)據(jù)與電量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理，從而對數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時的更新與維護，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供合理、科學的數(shù)據(jù)支持。光伏及電量綜合數(shù)據(jù)庫將實際應用作為實現(xiàn)目標，包含了實時與累計兩個方面的存儲電量、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間序列的設備工作情況，為光伏設備的性能優(yōu)化與管理提供參考。

2.2 數(shù)據(jù)預處理與導入

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)形式與用電設備不同，不符合數(shù)據(jù)標準的需求。除此之外，在對數(shù)據(jù)進行采集時，其來源往往有多個。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。所以我們在進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析時，需要對收集的數(shù)據(jù)進行一系列的預處理操作，從而確保分析結果的準確性，并實現(xiàn)自身的價值。綜上所述，本文旨在構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)實時查詢、獲取以及數(shù)據(jù)共享等多個功能。因此，在將數(shù)據(jù)導入到數(shù)據(jù)庫之前，我們應當對采集的數(shù)據(jù)進行歸一化處理。其具體流程包含以下幾個步驟：①數(shù)據(jù)清理。對數(shù)據(jù)之間的差別進行檢測，并對數(shù)據(jù)中的噪聲進行識別、過濾，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化。有利于確保數(shù)據(jù)總體保持一致性，提高其準確性、真實性，能夠有效的應用于后續(xù)操作中。②數(shù)據(jù)集成。將多個來源收集到的數(shù)據(jù)集進行統(tǒng)一，在此基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的集成構建。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)的格式進行統(tǒng)一的設置，保持數(shù)據(jù)形式的一致性。

在以上操作的基礎上，將已經(jīng)進行預處理后的數(shù)據(jù)通過MySQL進行存儲，并實現(xiàn)統(tǒng)一的管理，這是確保后續(xù)多個功能模塊實現(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行穩(wěn)定運行的前提條件。基于對MySQL技術的應用，能夠使多類別的數(shù)據(jù)實現(xiàn)整體化的管理，最終實現(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時的地理位置與環(huán)境展示。通過對該場景中處于不同位置的光伏設備進行選擇，可實現(xiàn)其實時光伏及電量數(shù)據(jù)的了解與掌握，為光伏設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，實現(xiàn)三維場景建模任務，模型構建效果如圖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

基于光伏及電量的數(shù)據(jù)分析，主要采用聚類與分類、關聯(lián)分析等技術，實現(xiàn)管理者不同的數(shù)據(jù)分析結果需求，從而為光伏設備相關分析評價提供科學的信息技術支撐。如，本文對發(fā)電量、用電量這兩個類別的數(shù)據(jù)進行關聯(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。在此基礎上，管理者可通過實地調(diào)研與設備調(diào)整，來實現(xiàn)設備性能的優(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)分析與預測結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，并且可實現(xiàn)與用戶之間的實時交互。它主要采用了圖像處理和計算機視覺等技術，以圖形作為基本的展示形式，并通過對數(shù)據(jù)的表達、建模以及相關內(nèi)容的顯示，來對數(shù)據(jù)進行可視化解釋。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)可視化技術能夠使用戶從海量數(shù)據(jù)中觀察到其隱含的關聯(lián)性信息，從而確保其能夠進行科學、合理的決策。在整個大數(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自身的價值的關鍵因素。

本文的數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)建設為管理者提供了光伏及電量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析結果的瀏覽和查詢等服務。結合管理者對數(shù)據(jù)展現(xiàn)的多個任務需求，通過使用Raydata大數(shù)據(jù)可視化交互系統(tǒng)，實現(xiàn)云數(shù)據(jù)實時可視化、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。本文設計的可視化系統(tǒng)主要包含以下幾個功能：①系統(tǒng)基礎信息。顯示系統(tǒng)的運行天數(shù)與當日的設備的能源存儲量、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累計信息。顯示設備累計的能源存儲量、發(fā)電量與用電量。④相關數(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。顯示當前系統(tǒng)狀態(tài)，并說明最近檢測時間。⑥預警信息。顯示最近系統(tǒng)預警信息。

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)界面設計

通過該可視化系統(tǒng)，用戶可以實時掌握數(shù)據(jù)基于時間序列的變化，從而實現(xiàn)更加準確、科學的數(shù)據(jù)分析，并在此基礎上提出有效決策。

3 結語

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，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、三維實地場景建模、數(shù)據(jù)實時可視化等功能。該系統(tǒng)的構建旨在為提高光伏設備的智能化水平，為設備管理、故障檢修以及性能優(yōu)化提供關鍵的數(shù)據(jù)輔助，并為決策工作提供科學依據(jù)，大大提高了工作效率。