CN107968482A - 一种新能源发电场站管理平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源发电场站管理平台，包括提供计算、存储以及灾备资源的主机存储层；和，完成现场新能源发电厂站运行数据接入、支持无线和有线方式的数据传输、交换的网络通信层；和，通过虚拟化软件对主机存储层计算和存储资源进行调度和扩展的支撑软件层；和，根据不同数据特征分别采用传统的关系型数据库和各种NoSQL数据库来实现各类业务主题数据的持久存储、使用的数据资源层；和，将新能源电场数据实时传递给管理人员、提供在线控制和场站管理、利用数据资源层数据通过数据模式识别和模型训练算法进行故障预判和诊断的应用系统层；和，针对不同应用场景搭建用户交互渠道的用户交互层。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，尤其是一种新能源发电场站管理平台。
背景技术
新能源机电装备通常工作在恶劣的环境中，如极端温差、酷暑严寒、强阵风冲击，变向、变负荷风力作用等。因此随着使用年限增加机组的故障率会逐渐增高。以风电机组为例，其主要部件位于高达百米的塔架顶部，因此对其主要部件如叶片、齿轮箱、发电机等的维护和检修都需要采用吊车等特殊设备，这导致了风机的维护成本非常高昂。据统计，对于装机寿命20年的风电场，运行维护成本可达总收入的10％-15％。所以，如何降低新能源机电装备的运行维护成本是迫切需要解决的问题之一。
新能源机电装备的运行维护成本除了机组的零部件替换成本以外，还包括维修人员的人力成本。新能源机电装备往往是安装在海岛、海滩、高山、荒野等处。这些地方虽然资源丰富，但是交通不便，给维修带来了额外的成本。所以，如何规划维修的顺序、制定合理的路径非常重要。
另外，维修人员的排班调度优化问题也是需要考虑的问题。不合理的调度会造成人力资源的浪费，影响设备的使用率，造成运营效率的降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种新能源发电场站管理平台，实现新能源发电场站全量数据的采集展示，将运维方式由被动向主动转变，实现降本增效。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种新能源发电场站管理平台，包括提供计算、存储以及灾备资源的主机存储层；和，
完成现场新能源发电厂站运行数据接入、支持无线和有线方式的数据传输、交换的网络通信层；和，
通过虚拟化软件对主机存储层计算和存储资源进行调度和扩展的支撑软件层；和，
根据不同数据特征分别采用传统的关系型数据库和各种NoSQL数据库来实现各类业务主题数据的持久存储、使用的数据资源层；和，
将新能源电场数据实时传递给管理人员、提供在线控制和场站管理、利用数据资源层数据通过数据模式识别和模型训练算法进行故障预判和诊断的应用系统层；和，
针对不同应用场景搭建用户交互渠道的用户交互层。
进一步地，所述主机存储层包括数据处理模块，通过数学函数的调用和分析实现对不同数据采用不同的存储方式定义；和，
存储模块，支持大数据管理，采用分布式数据库存储；和
备份模块，支持数据库冗余热备份，通过导入备份数据进行系统还原。
进一步地，所述网络通信层包括多系统接入模块，实现现场气象数据、SCADA系统数据、CMNS系统数据、载荷测试数据同时接入；和
断点续传模块，系统在故障恢复后自动续传数据，支持手动和/或自动方式完备数据；和，
数据清洗处理模块，根据需要对系统接入模块采集的现场数据进行筛选、处理和存储。
进一步地，所述支撑软件层采用Tomcat应用服务器实现B/S架构，以SpringProject作为开发和运行的基础，采用Nginx技术进行负载均衡和实时热备。
进一步地，所述数据资源层包括数据采集模块，采用消息中间件缓存实时数据，采用Socket读取第三方系统数据；和，
数据处理模块，采用大数据实时处理技术对异源异构数据进行采集和清洗转换；
采用批处理计算框架Hadoop计算分析离线任务，然后将任务处理结果输出给应用系统层使用；
采用流式计算框架Storm或内存计算框架Spark处理实时任务，然后将处理后数据存入数据库或实时反馈给用户。
进一步地，所述应用系统层包括新能源发电场站监控系统，将新能源电场的各种状态、事件、传感器数据实时可视化呈现给管理人员；和，
新能源发电场站运维管理系统，制定和实施现场设备维护计划，管控运维工作流程，管理运维人员，管理物料备件，管理在建项目；和，
新能源发电场站数据分析平台，通过数据模式识别和模型训练算法利用数据资源层数据进行故障的预判和诊断，并为新能源发电场站的技术和商业管理提供决策辅助支持。
进一步地，所述新能源发电场站监控系统的功能模块包括信息管理模块，包含新能源发电场站信息管理、新能源机电装备信息管理、箱式变电站信息管理、气象站信息管理；和，
状态展示模块，实现对场站和新能源机电装备运行状态的实时监视，查询和访问场站和新能源机电装备主要设备和监控对象的运行状态和实时运行参数显示；和，
报表模块，提供参考模板；和，
存档模块，实现对新能源发电场站资料的存档；和，
信息发布模块，针对不同权限的用户需求定制Web发布信息内容，实现远程访问和/或通过邮箱自动向固定人群推送发布信息；和，
系统管理模块，实现增减系统管理员，编辑系统管理员信息；和，
统计模块，实现对选择信息的历史数据进行统计。
进一步地，所述新能源发电场站数据分析平台包括，基于分类的故障诊断模块，使用类标签将已知故障数据和历史数据建立分类模型，并进行训练和优化，将实时数据传入分类模型完成实时数据归类，发现问题数据并报警；和，
基于聚类的故障诊断模块，建立故障特征标准库，将预处理历史数据使用聚类算法进行聚类，将聚类结果与标准库进行比对获取故障模式分类，将故障日志数据导入故障聚类模型，将聚类结果与故障模式类别比对得到故障类别，并将故障类别结果反馈给故障聚类模型进行模型优化；和，
基于时序关联的故障诊断模块，通过在历史数据中找到故障发生时各个传感器参数之间的频繁子序列，并生成相关性规则，对于新采集到的数据运用相关性规则推导，计算其支持度和置信度，确认故障点和发现潜在的故障。
本发明的有益效果是，
本发明基于Hadoop技术建立新能源发电场站的管理系统，主要包括主机存储层、网络通信层、支撑软件层、数据资源层、应用系统层以及用户交互层共计六个层次。该平台能够实现新能源发电场站全量数据的采集展示，实现数据的透明化；能够实现新能源发电场站海量数据的高效存储；能够实现基于数学模型的设备诊断预警，将运维方式由被动向主动转变，实现降本增效。
附图说明
图1是本发明平台结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明系统架构自下而上可以分为：主机存储层、网络通信层、支撑软件层、数据资源层、应用系统层以及用户交互层共计六个层次。
主机存储层为平台的硬件载体，提供计算、存储以及灾备资源，主要包括应用服务器、数据服务器、磁盘阵列和光纤存储网络等。
主机存储层支持多格式数据处理与支持，数据处理包括各类数学函数的调用和分析，能针对不同的数据进行不同的存储方式定义，确保后期能够对历史数据的调用和分析。
主机存储层支持分布式数据库和大数据支持，存储基于成熟数据库结构进行，采用分布式数据库，支持大数据管理和分析。
主机存储层支持热备份，支持数据库冗余热备份，防止服务器宕机导致数据损失。
主机存储层支持导入与导出，具备数据导出、备份功能；当存储介质出现故障时，能够通过导入备份的数据进行系统还原，避免由于系统故障造成的数据丢失。
网络通信层为数据采集、传输和交换的物理通道。可支持各种无线和有线的传输方式，实现新能源发电场站运行数据的接入，接入形式至少包括VPN、GPS或移动存储设备导入三种方式。
网络通信层可实现多系统同时接入，平台支持2种以上不同系统的数据同时接入，包括现场气象数据、SCADA系统数据、CMS系统数据、载荷测试数据等。
网络通信层支持断点续传，数据接口具备自动断点续传功能，当系统故障、传输线路故障或其他类型的故障发生，能够在系统恢复后自动续传数据，支持通过自动或手动的方式补齐相关数据。
网络通信层能够实现数据清洗与处理，现场数据接入后，能够根据需要筛选要实时显示的数据，并对数据进行处理和存储。数据处理包括各类数学函数的调用和分析，
支撑软件层通过VMware等虚拟化软件，对底层计算和存储资源进行弹性调度和便捷扩展。支撑软件层采用Nginx等技术进行负载均衡和实时热备，提高系统的响应速度和稳定性，以Spring Project作为开发和运行的基础，使得系统具有较高的扩展性和可维护性。
支撑软件层采用Tomcat等应用服务容器实现B/S架构，系统的升级、部署更为灵活。
数据资源层根据不同数据的特征，分别采用传统的关系型数据库和各种NoSQL数据库，来实现各类业务主题数据的持久存储，以及高效便捷使用。
数据资源层构建数据采集传输接口，针对实时数据采用消息中间件缓存，提高系统吞吐量，针对第三方系统数据则采用Socket读取。
数据资源层包括专门的高性能数据处理模块，应用SPARK，STORM等大数据实时处理技术和Hadoop批处理平台，来实现对各种异源异构数据的有效采集和高速清洗转换处理，形成规范统一的数据资源平台。
数据资源层在统一的整体技术架构下针对不同类别的数据特征采用不同的存储解决方案，包括关系型数据，非结构化数据，分布式文件，实时数据。数据资源层能够根据任务的特征不同其处理方式也不尽相同，一般将任务按照实时要求分为离线任务和实时任务。在系统运行负载较低时采用批处理计算框架Hadoop计算分析离线任务，然后将结果输出给上层应用使用，大部分机器学习任务和对历史数据的处理也放到Hadoop中离线处理。对于实时计算的任务，首先将采集的数据传入流式计算框架Storm或内存计算框架Spark，然后将处理后的数据存入数据库或实时反馈给用户。
应用系统层主要由新能源发电场站监控系统，新能源发电场站运维管理系统以及新能源发电场站数据分析平台三部分组成，分别是：
1)新能源发电场站监控系统主要是将新能源电场的各种状态、事件、传感器数据等实时、直观、清晰地可视化呈现给管理人员，以实现监管、展示等管理需求；
2)新能源发电场站运维管理系统则是为用户远程在线控制和管理场站各个设备提供了手段。各种运维计划的制定和实施，物料备件的规范管理也通过该子系统进行实现。其主要工作包括：现场设备维护计划，运维工作流程管控，运维人员管理，物料备件管理，在建项目管理等。
3)新能源发电场站运数据分析平台的主要功能是在统一完备的数据资源层基础之上，通过各种数据模式识别和模型训练算法，进行故障的预判和诊断，并为新能源发电场站的技术和商业管理提供决策辅助支持。
新能源发电场站监控系统的功能模块包括信息管理模块，状态展示模块，报表模块，存档模块，信息发布，系统管理，统计模块等。
新能源发电场站监控系统信息管理模块包含新能源发电场站信息管理、新能源机电装备信息管理、箱式变电站信息管理、气象站信息管理。其中发电场站信息包括但不限于：场站名称，业主名称，地理位置，联系方式，场站容量，机位及各机位安装机型信息，并网、投产、质保时间等。新能源机电装备信息包括但不限于：新能源机电装备序列号，主要参数，安装信息，配置信息，组件信息，运行实时数据，运行历史数据等；升压站信息信息包括但不仅限于：升压站型号，序列号，主要参数，安装信息等；气象站信息包括但不仅限于：传感器型号，高度，主要参数，安装信息等。
新能源发电场站监控系统监控的状态展示模块实现对场站和新能源机电装备运行状态的实时监视，能够查询和访问任意场站和新能源机电装备主要设备和监控对象的运行状态和实时运行参数显示，具备实时曲线和列表形式的显示，实时显示新能源机电装备最近发生事件和故障信息，并具备信息保存、报表和导出能力，导出文件类型可自定义为PDF或Excel等格式；历史查询功能主要是通过对数据库的查询，可自定义按照事件的性质、时间范围、设备属性信息等内容进行自定义查询。信息查询后可选择趋势图或柱状图显示模式。
新能源发电场站监控系统的报表模块提供参考模板，可实现包括发电量、功率曲线、可利用率、故障信息、气象信息、运维信息等各种报表。用户可以自定义报表模板。
新能源发电场站监控系统的存档模块，能够实现对新能源发电场站资料的存档，可对新能源发电场站技术资料、各类型新能源机电装备技术资料、相关手册、指导书、规范、图纸等技术资料进行分类管理。授权人员可以远程访问、下载，为现场提供技术资料支撑。对系统生成的文档进行存档，包括各类曲线、报表数据进行存档管理。
新能源发电场站监控系统的信息发布模块，能够针对不同权限的用户需求定制Web发布信息内容，实现远程访问。也可以通过邮箱自动向固定人群推送发布信息，信息的内容和格式可自定义
新能源发电场站监控系统的系统管理模块，可根据需要灵活增减系统管理员，编辑管理员信息，设置管理员密码，并对每个管理员赋以不同的系统操作权限。同时引入了权限角色的概念，不同的权限角色与不同的系统功能之间进行一对多映射。在新增或编辑管理员时，只需修改绑定其对应的权限角色即可，而无需手工逐一重设。
新能源发电场站监控系统的统计模块，可以根据任意选择的信息对历史数据进行统计，并可设置常用的数学统计公式，对信息进行加工和处理，可按照曲线、表格或各种图表显示格式。
新能源发电场站的数据分析平台能够基于大数据的数据分析和挖掘将原来单一的离线、静态分析发展为注重在线、动态监控，实现从故障的事后处理转向故障预防与告警。
新能源发电场站的数据分析平台包含基于分类的故障诊断模型。分类是使用类标签将已知的新能源机电装备、新能源发电场站等故障数据和历史数据建立一个分类函数或者分类模型(分类器)，并通过相应的数据分析和挖掘工具对分类器训练和优化，当实时数据从实时采集系统采集到后传入分类器，将传感器数据归类，从而发现问题数据并及时报警，其中可用的分类算法如逻辑回归、贝叶斯分类、KNN、支持向量机等。
新能源发电场站运维管理系统数据分析平台能实现基于聚类的故障诊断模型首先根据新能源机电装备、新能源发电场站典型的故障特征建立标准的故障特征库，将预处理后的历史数据通过聚类算法进行聚类，然后将聚类后的结果与标准库进行比对，评价聚类结果实际含义，最终得到故障模式分类，当新的故障发生时将故障日志文件数据导入聚类模型，将聚类结果与故障模式类别比对便可发现相应的故障类别，同时将结果反馈给故障模型，从而不断优化模型，其中可用的聚类算法如K-MEANS、DBSCAN等。
新能源发电场站运维管理系统数据分析平台能实现基于时序关联的故障模型诊断，通过在历史数据中找到故障发生时各个传感器参数之间的频繁子序列，并生成相关性规则，对于新采集到的数据运用相关性规则推导，计算其支持度和置信度，可以确认故障点和发现潜在的故障，其中关联算法一般采用Apriori算法。
用户交互层针对不同的应用场景，搭建PC，移动终端，大屏幕等用户交互渠道，采用3D等大数据可视化技术实现时间、空间、统计数据的可视化，以及WEB，APP等交互手段，构建便捷的平台管理控制。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种新能源发电场站管理平台，其特征是，包括提供计算、存储以及灾备资源的主机存储层；和，
完成现场新能源发电厂站运行数据接入、支持无线和有线方式的数据传输、交换的网络通信层；和，
通过虚拟化软件对主机存储层计算和存储资源进行调度和扩展的支撑软件层；和，
根据不同数据特征分别采用传统的关系型数据库和各种NoSQL数据库来实现各类业务主题数据的持久存储、使用的数据资源层；和，
将新能源电场数据实时传递给管理人员、提供在线控制和场站管理、利用数据资源层数据通过数据模式识别和模型训练算法进行故障预判和诊断的应用系统层；和，
针对不同应用场景搭建用户交互渠道的用户交互层。
2.如权利要求1所述的一种新能源发电场站管理平台，其特征是，所述主机存储层包括数据处理模块，通过数学函数的调用和分析实现对不同数据采用不同的存储方式定义；和，
存储模块，支持大数据管理，采用分布式数据库存储；和
备份模块，支持数据库冗余热备份，通过导入备份数据进行系统还原。
3.如权利要求1所述的一种新能源发电场站管理平台，其特征是，所述网络通信层包括多系统接入模块，实现现场气象数据、SCADA系统数据、CMNS系统数据、载荷测试数据同时接入；和
断点续传模块，系统在故障恢复后自动续传数据，支持手动和/或自动方式完备数据；和，
数据清洗处理模块，根据需要对系统接入模块采集的现场数据进行筛选、处理和存储。
4.如权利要求1所述的一种新能源发电场站管理平台，其特征是，所述支撑软件层采用Tomcat应用服务器实现B/S架构，以Spring Project作为开发和运行的基础，采用Nginx技术进行负载均衡和实时热备。
5.如权利要求1所述的一种新能源发电场站管理平台，其特征是，所述数据资源层包括数据采集模块，采用消息中间件缓存实时数据，采用Socket读取第三方系统数据；和，
数据处理模块，采用大数据实时处理技术对异源异构数据进行采集和清洗转换；
采用批处理计算框架Hadoop计算分析离线任务，然后将任务处理结果输出给应用系统层使用；
采用流式计算框架Storm或内存计算框架Spark处理实时任务，然后将处理后数据存入数据库或实时反馈给用户。
6.如权利要求1所述的一种新能源发电场站管理平台，其特征是，所述应用系统层包括新能源发电场站监控系统，将新能源电场的各种状态、事件、传感器数据实时可视化呈现给管理人员；和，
新能源发电场站运维管理系统，制定和实施现场设备维护计划，管控运维工作流程，管理运维人员，管理物料备件，管理在建项目；和，
新能源发电场站数据分析平台，通过数据模式识别和模型训练算法利用数据资源层数据进行故障的预判和诊断，并为新能源发电场站的技术和商业管理提供决策辅助支持。
7.如权利要求6所述的一种新能源发电场站管理平台，其特征是，所述新能源发电场站监控系统的功能模块包括信息管理模块，包含新能源发电场站信息管理、新能源机电装备信息管理、箱式变电站信息管理、气象站信息管理；和，
状态展示模块，实现对场站和新能源机电装备运行状态的实时监视，查询和访问场站和新能源机电装备主要设备和监控对象的运行状态和实时运行参数显示；和，
报表模块，提供参考模板；和，
存档模块，实现对新能源发电场站资料的存档；和，
信息发布模块，针对不同权限的用户需求定制Web发布信息内容，实现远程访问和/或通过邮箱自动向固定人群推送发布信息；和，
系统管理模块，实现增减系统管理员，编辑系统管理员信息；和，
统计模块，实现对选择信息的历史数据进行统计。
8.如权利要求6所述的一种新能源发电场站管理平台，其特征是，所述新能源发电场站数据分析平台包括，基于分类的故障诊断模块，使用类标签将已知故障数据和历史数据建立分类模型，并进行训练和优化，将实时数据传入分类模型完成实时数据归类，发现问题数据并报警；和，
基于聚类的故障诊断模块，建立故障特征标准库，将预处理历史数据使用聚类算法进行聚类，将聚类结果与标准库进行比对获取故障模式分类，将故障日志数据导入故障聚类模型，将聚类结果与故障模式类别比对得到故障类别，并将故障类别结果反馈给故障聚类模型进行模型优化；和，
基于时序关联的故障诊断模块，通过在历史数据中找到故障发生时各个传感器参数之间的频繁子序列，并生成相关性规则，对于新采集到的数据运用相关性规则推导，计算其支持度和置信度，确认故障点和发现潜在的故障。
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