CN117710152A - 一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光伏设备管理领域，具体公开了一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，包括支架数据收集模块、光伏数据聚类模块、支架结构分析模块、支架寿命预测模块、支架汇总分类模块以及显示提醒模块；本发明用于解决强风雪天气下，光伏支架变形细微，人眼并不能准确识别其是否能够继续使用的问题，通过分析光伏支架的总负荷和所受应力，评估支架结构的稳定性和健康状况，利用疲劳寿命预测模型，预测光伏支架的疲劳程度，并汇总分析结果，对支架进行分类，有助于提前识别潜在问题，减少支架的损坏风险，提高维护效率，从而降低光伏组件的损坏率和人力成本，保持系统正常工作状态，提高发电效率。

Description

一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统

技术领域

本发明涉及光伏设备管理领域，更具体地说，本发明涉及一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统。

背景技术

光伏组件是由多个光伏电池组装而成的板状结构，也被称为太阳能电池板，这些组件通常通过支架结构安装在光照充足的区域，但长时间的承载和外部环境因素可能导致光伏系统支架结构的变形，尤其是在强风雪的恶劣天气条件下，其所导致的支架结构变形将造成光伏组件的不正常倾斜，从而影响其正常工作，且变形后的支架仅能凭借人力进行识别，部分支架变形细微，人眼并不能准确识别其是否能够继续使用，误判将影响光伏组件的朝向和角度偏离最佳工作位置，并影响光伏组件的正常使用，工作量大的同时降低了发电效率，为了解决上述问题，现提供一种技术方案。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，通过分析光伏支架的总负荷和所受应力，评估支架结构的稳定性和健康状况，利用疲劳寿命预测模型，预测光伏支架的疲劳程度，并汇总分析结果，对支架进行分类，有助于提前识别潜在问题，减少支架的损坏风险，提高维护效率，从而降低光伏组件的损坏率和人力成本，保持系统正常工作状态，提高发电效率，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，包括支架数据收集模块、光伏数据聚类模块、支架结构分析模块、支架寿命预测模块、支架汇总分类模块以及显示提醒模块，支架数据收集模块用于收集天气数据、历史运维数据以及光伏组件的实时监控数据，并生成支架数据集；光伏数据聚类模块用于对支架数据集进行聚类分析；支架结构分析模块用于分析光伏支架的总负荷以及所受到的应力；支架寿命预测模块用于预测光伏支架的疲劳程度，光伏支架的疲劳程度计算公式为：

；

式中：为光伏支架的疲劳程度，/>为循环比，/>为光伏支架受到的最大应力，为光伏支架的极限应力。

作为本发明的进一步方案，支架数据收集模块与光伏数据聚类模块相连接，光伏数据聚类模块与支架结构分析模块相连接，支架结构分析模块与支架寿命预测模块相连接，支架寿命预测模块与支架汇总分类模块相连接，支架寿命预测模块、支架汇总分类模块分别与显示提醒模块相连接。

作为本发明的进一步方案，支架数据收集模块包括数据收集单元、数据处理及存储单元，数据收集单元与数据处理及存储单元相连接；数据收集单元用于收集天气数据（包括风速、风向以及气温）、历史运维数据（包括支架结构维护记录以及维修记录）以及光伏组件的实时监控数据（包括光伏支架的载荷以及光伏组件的倾斜角度、输出功率、发电量）；数据处理及存储单元用于对收集的数据进行清洗以及标准化处理，将处理后的数据存储至支架数据集。

作为本发明的进一步方案，支架结构分析模块包括风载荷分析单元、雪载荷分析单元、重力载荷分析单元、支架总载荷分析单元以及支架应力分析单元；风载荷分析单元用于分析光伏支架受到的风载荷；雪载荷分析单元用于分析光伏支架受到的雪载荷；重力载荷分析单元用于分析光伏组件对于光伏支架的重力负荷；支架总载荷分析单元用于分析光伏支架的总负荷；支架应力分析单元用于计算在光伏支架的总负荷作用下的应力；应力筛选单元用于筛选光伏支架受到的最大应力。

作为本发明的进一步方案，风载荷分析单元、雪载荷分析单元、重力载荷分析单元分别与支架总载荷分析单元相连接，支架总载荷分析单元与支架应力分析单元相连接。

作为本发明的进一步方案，支架总载荷分析单元用于分析光伏支架的总负荷，光伏支架的总负荷为：

；

式中：为光伏支架的总负荷，/>为风力系数，/>为空气密度，/>为风速，为光伏组件和支架在垂直方向上的投影面积，/>为单位面积的雪重，/>为光伏组件的质量，/>为重力加速度，/>为载荷调节因子。

作为本发明的进一步方案，支架应力分析单元用于计算在光伏支架的总负荷作用下的应力，光伏支架的应力包括轴向应力、剪切应力、弯曲应力以及扭矩，应力筛选单元用于筛选光伏支架受到的最大应力，筛选最大应力的公式为：

；

式中：为光伏支架受到的最大应力，/>为最大值筛选操作，/>为光伏支架的扭矩，/>为光伏支架的弯曲应力，/>为光伏支架的剪切应力，/>为光伏支架的轴向应力。

作为本发明的进一步方案，支架汇总分类模块包括支架分类单元、维修支架汇总单元以及完好支架汇总单元，支架分类单元与维修支架汇总单元以及完好支架汇总单元分别相连接。

作为本发明的进一步方案，支架分类单元用于根据光伏支架的疲劳程度对光伏支架进行分类，分类为需维修光伏支架以及完好光伏支架两类；维修支架汇总单元用于汇总需维修光伏支架信息；完好支架汇总单元用于汇总完好光伏支架信息。

作为本发明的进一步方案，支架分类单元用于根据光伏支架的疲劳程度对光伏支架进行分类，分类为需维修光伏支架以及完好光伏支架两类，分类的依据为：

当时，光伏支架在当前载荷下为需维修光伏支架；

当时，光伏支架在当前载荷下为完好光伏支架。

作为本发明的进一步方案，显示提醒模块包括提示灯、语音警示组件、通信组件以及处理器；提示灯、语音警示组件、通信组件分别与处理器相连接。

作为本发明的进一步方案，处理器用于根据光伏支架的疲劳程度，生成提示信号，并将提示信号传送至提示灯；提示灯用于根据提示信号控制提示灯的闪烁颜色；处理器还用于根据光伏支架的疲劳程度，生成语音警示信号，并将语音警示信号传送至语音警示组件；语音警示组件用于根据语音警示信号发出语音警示；处理器还用于根据光伏支架的疲劳程度，生成提示信息，并将提示信息传送至通信组件；通信组件用于与支架寿命预测模块建立通信连接。

本发明一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统的技术效果和优点：本发明通过分析光伏支架的总负荷和所受应力，评估支架结构的稳定性和健康状况，利用疲劳寿命预测模型，预测光伏支架的疲劳程度，并汇总分析结果，对支架进行分类，有助于提前识别潜在问题，减少支架的损坏风险，提高维护效率，从而降低光伏组件的损坏率和人力成本，保持系统正常工作状态，提高发电效率；采用提示灯、语音警示组件和通信组件多通道的方式进行提醒，即使在某一通道出现故障时，其他通道仍然能够正常工作，有助于提高管理人员对光伏支架的管理和维护效率。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的光伏数据聚类模块对支架数据集进行聚类分析的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的技术方案仅仅是本发明一部分，而不是全部。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统的结构示意图。如图1所示，本实施例中的一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统包括支架数据收集模块、光伏数据聚类模块、支架结构分析模块、支架寿命预测模块、支架汇总分类模块以及显示提醒模块。其中：

支架数据收集模块与光伏数据聚类模块相连接，用于收集天气数据、历史运维数据以及光伏组件的实时监控数据，并生成支架数据集；

光伏数据聚类模块与支架结构分析模块相连接，用于对支架数据集进行聚类分析；

支架结构分析模块与支架寿命预测模块相连接，用于分析光伏支架的总负荷以及所受到的应力；

支架寿命预测模块分别与支架汇总分类模块、显示提醒模块相连接，用于预测光伏支架的疲劳程度，光伏支架的疲劳程度计算公式为：

；

式中：为光伏支架的疲劳程度，/>为循环比，/>为光伏支架受到的最大应力，为光伏支架的极限应力；

支架汇总分类模块与显示提醒模块相连接，用于根据光伏支架的疲劳程度对光伏支架进行分类，分类为需维修光伏支架以及完好光伏支架两类；

显示提醒模块用于对需维修光伏支架发出警示提醒。

其中，支架数据收集模块与光伏数据聚类模块相连接，光伏数据聚类模块与支架结构分析模块相连接，支架结构分析模块与支架寿命预测模块相连接，支架寿命预测模块与支架汇总分类模块相连接，支架寿命预测模块、支架汇总分类模块分别与显示提醒模块相连接。

本发明实施例中，支架数据收集模块包括数据收集单元、数据处理及存储单元，数据收集单元与数据处理及存储单元相连接；数据收集单元用于收集天气数据（包括风速、风向以及气温）、历史运维数据（包括支架结构维护记录以及维修记录）以及光伏组件的实时监控数据（包括光伏支架的载荷以及光伏组件的倾斜角度、输出功率、发电量）；数据处理及存储单元用于对收集的数据进行清洗以及标准化处理，将处理后的数据存储至支架数据集。

本发明实施例中，支架结构分析模块用于分析光伏支架的总负荷以及所受到的应力；支架结构分析模块包括风载荷分析单元、雪载荷分析单元、重力载荷分析单元、支架总载荷分析单元以及支架应力分析单元；风载荷分析单元、雪载荷分析单元、重力载荷分析单元分别与支架总载荷分析单元相连接，支架总载荷分析单元与支架应力分析单元相连接。

风载荷分析单元用于分析光伏支架受到的风载荷；雪载荷分析单元用于分析光伏支架受到的雪载荷；重力载荷分析单元用于分析光伏组件对于光伏支架的重力负荷；支架总载荷分析单元用于分析光伏支架的总负荷；支架应力分析单元用于计算在光伏支架的总负荷作用下的应力；应力筛选单元用于筛选光伏支架受到的最大应力。

本发明实施例中，风载荷分析单元用于分析光伏支架受到的风载荷，光伏支架受到的风载荷的分析公式为：

；

式中：为光伏支架受到的风载荷，/>为风力系数，/>为空气密度，/>为风速，为光伏组件和支架在垂直方向上的投影面积。

支架载荷分析单元用于分析光伏支架受到的雪载荷，光伏支架受到的雪载荷的分析公式为：

；

式中：为光伏支架受到的雪载荷，/>为光伏组件和支架在垂直方向上的投影面积，/>为单位面积的雪重。

重力载荷分析单元用于分析光伏组件对于光伏支架的重力负荷，光伏支架的重力负荷的分析公式为：

；

式中：为光伏组件对于光伏支架的重力负荷，/>为光伏组件的质量，/>为重力加速度。

支架总载荷分析单元用于分析光伏支架的总负荷，光伏支架的总负荷为：

；

式中：为光伏支架的总负荷，/>为风力系数，/>为空气密度，/>为风速，为光伏组件和支架在垂直方向上的投影面积，/>为光伏组件和支架在垂直方向上的投影面积，/>为单位面积的雪重，/>为光伏组件的质量，/>为重力加速度，/>为载荷调节因子。

通过考虑风载荷、雪载荷和重力载荷，实现对光伏支架受力情况的全面分析，有助于了解不同载荷在支架上的分布情况，识别可能的受力集中区域，从而更好地了解结构的受力状况，并有助于识别潜在的结构问题和提前预防可能的损坏；引入载荷调节因子，能够更灵活地对不同环境条件下的光伏支架负荷进行调整，适应不同的运行场景，提高支架的适用性；通过分析总负荷，预测支架可能面临的极端负载情况，有助于提前预警和规划维护工作，降低结构失效的风险。

本发明实施例中，支架应力分析单元用于计算在光伏支架的总负荷作用下的应力，光伏支架的应力包括轴向应力、剪切应力、弯曲应力以及扭矩，光伏支架的轴向应力计算公式为：

；

式中：为光伏支架的轴向应力，/>为光伏支架的总负荷，/>为光伏支架的横截面积。

光伏支架的剪切应力计算公式为：

；

式中：为光伏支架的剪切应力，/>为光伏支架受到的风载荷，/>为光伏支架的横截面积。

光伏支架的弯曲应力计算公式为：

；

式中：为光伏支架的弯曲应力，/>为光伏支架的弹性模量，/>为光伏支架的截面惯性矩，/>为光伏支架的曲率，/>为光伏支架的惯性矩。

光伏支架的扭矩计算公式为：

；

式中：为光伏支架的扭矩，/>为弯矩，/>为光伏支架的直径。

应力筛选单元用于筛选光伏支架受到的最大应力，筛选最大应力的公式为：

；

式中：为光伏支架受到的最大应力，/>为最大值筛选操作，/>为光伏支架的扭矩，/>为光伏支架的弯曲应力，/>为光伏支架的剪切应力，/>为光伏支架的轴向应力。

通过计算轴向应力、剪切应力、弯曲应力和扭矩，能够全面评估光伏支架的应力分布情况，有助于了解光伏支架结构的健康状况；通过对不同应力类型的计算，能够为光伏支架的设计提供参考，以提高支架的稳定性和耐久性；通过及时发现并处理可能导致结构破坏的高应力区域，能够降低因支架故障而导致的损失风险，提高光伏系统的可靠性和稳定性。

本发明实施例中，支架汇总分类模块包括支架分类单元、维修支架汇总单元以及完好支架汇总单元，支架分类单元与维修支架汇总单元以及完好支架汇总单元分别相连接。支架分类单元用于根据光伏支架的疲劳程度对光伏支架进行分类，分类为需维修光伏支架以及完好光伏支架两类；维修支架汇总单元用于汇总需维修光伏支架信息；完好支架汇总单元用于汇总完好光伏支架信息。

支架分类单元用于根据光伏支架的疲劳程度对光伏支架进行分类，分类为需维修光伏支架以及完好光伏支架两类，分类的依据为：

当时，光伏支架在当前载荷下为需维修光伏支架；

当时，光伏支架在当前载荷下为完好光伏支架。

本发明实施例中，显示提醒模块包括提示灯、语音警示组件、通信组件以及处理器，提示灯、语音警示组件、通信组件分别与处理器相连接。

本发明实施例通过分析光伏支架的总负荷和所受应力，评估支架结构的稳定性和健康状况，利用疲劳寿命预测模型，预测光伏支架的疲劳程度，并汇总分析结果，对支架进行分类，有助于提前识别潜在问题，减少支架的损坏风险，提高维护效率，从而降低光伏组件的损坏率和人力成本，保持系统正常工作状态，提高发电效率。

实施例二

图2示出了本发明实施例二提供的光伏数据聚类模块对支架数据集进行聚类分析的流程示意图。如图2所示，本实施例中的光伏数据聚类模块对支架数据集进行聚类分析，进行聚类分析的步骤为：

步骤一：开始；

步骤二：从支架数据集中的数据选取3个数据作为第一聚类中心，依据第一聚类中心划分为风载荷数据簇、雪载荷数据簇以及重力载荷数据簇，三个簇分别记为，/>，/>；

步骤三：对于支架数据集中的每个数据，计算其与三个簇中心的距离，并将其分配至距离最近的簇中：

；

式中：为与数据/>与最近的簇的距离，/>为数据/>与簇/>的距离，为数据/>与簇/>的距离，/>为数据/>与簇/>的距离，/>为取最小距离操作；

步骤四：依次在每个数据分配结束后，重新计算每个簇的聚类中心，每个簇的聚类中心的计算公式为：

；

式中：为簇/>的聚类中心，/>为簇/>的数据点数量，/>为第/>个数据的位置；

步骤五：重复步骤二和步骤三，直到每个簇的聚类中心不再改变或达到预定的迭代次数；如果是，则执行步骤六；如果否，则返回步骤三；

步骤六：结束。

本发明实施例通过聚类分析，将支架数据集划分为风载荷、雪载荷和重力载荷三个簇，实现了对不同载荷类型的分类；通过计算每个簇的聚类中心，实现了对簇中心的动态更新，更好地代表了簇内数据的平均位置；通过反复迭代过程，使得簇的聚类中心逐渐趋于稳定，提高了聚类结果的准确性，有助于管理人员更好地了解支架的运行状态和性能。

实施例三

显示提醒模块包括提示灯、语音警示组件、通信组件以及处理器；提示灯、语音警示组件、通信组件分别与处理器相连接。

其中，处理器用于根据光伏支架的疲劳程度，生成提示信号，并将提示信号传送至提示灯；提示灯用于根据提示信号控制提示灯的闪烁颜色。

以接收到支架寿命预测模块以及支架汇总分类模块的输出信号为例说明，处理器根据光伏支架的疲劳程度、维修支架汇总单元以及完好支架汇总单元的输出信号，输出提醒信号。当接收到光伏支架的疲劳程度以及维修支架汇总单元的输出信号时，输出提醒信号至提示灯，提示灯接收到处理器的的提醒信号后，控制自身提示灯的颜色为绿色；当接收到光伏支架的疲劳程度以及完好支架汇总单元的输出信号时，输出提醒信号至提示灯，提示灯接收到处理器的提醒信号后，控制自身提示灯的颜色为红色。

处理器还用于根据光伏支架的疲劳程度，生成语音警示信号，并将语音警示信号传送至语音警示组件；语音警示组件用于根据语音警示信号发出语音警示。

以接收到支架寿命预测模块以及支架汇总分类模块的输出信号为例说明，处理器根据光伏支架的疲劳程度、维修支架汇总单元以及完好支架汇总单元的输出信号，输出语音警示信号。当接收到光伏支架的疲劳程度以及维修支架汇总单元的输出信号时，输出语音警示信号至语音警示组件，语音警示组件接收到处理器的语音警示信号后，控制播放“光伏支架需维修，请及时处理”的语音；当接收到光伏支架的疲劳程度以及完好支架汇总单元的输出信号时，输出语音警示信号至语音警示组件，语音警示组件接收到处理器的语音警示信号后，控制语音关闭。

处理器还用于根据光伏支架的疲劳程度，生成提示信息，并将提示信息传送至通信组件；通信组件用于与支架寿命预测模块建立通信连接。

以接收到支架寿命预测模块以及支架汇总分类模块的输出信号为例说明，处理器根据光伏支架的疲劳程度、维修支架汇总单元以及完好支架汇总单元的输出信号，输出提示信息。当接收到光伏支架的疲劳程度以及维修支架汇总单元的输出信号时，输出提示信息至通信组件，通信组件接收到处理器的提示信息后，将在操作员显示屏上显示文字“光伏支架需维修，请及时处理”；当接收到光伏支架的疲劳程度以及完好支架汇总单元的输出信号时，输出提示信息至通信组件，通信组件接收到处理器的输出提示信息后，控制通信组件不执行任何操作。

本发明实施例通过处理器实时监测光伏支架的疲劳程度，通过提示灯、语音警示组件以及通信组件向操作员提供实时的支架状态信息，确保及时发现支架的异常情况；采用提示灯、语音警示组件和通信组件多通道的方式进行提醒，提高了信息传达的可靠性，即使在某一通道出现故障时，其他通道仍然能够正常工作；通过在操作员显示屏上显示文字信息，操作员能够清晰地了解光伏支架的状态，有助于提高管理人员对光伏支架的管理和维护效率。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

最后：以上所述仅为本发明的优选方案而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，包括支架数据收集模块、光伏数据聚类模块、支架结构分析模块、支架寿命预测模块、支架汇总分类模块以及显示提醒模块，其特征在于，支架数据收集模块用于收集天气数据、历史运维数据以及光伏组件的实时监控数据，并生成支架数据集；光伏数据聚类模块用于对支架数据集进行聚类分析；支架结构分析模块用于分析光伏支架的总负荷以及所受到的应力；支架寿命预测模块用于预测光伏支架的疲劳程度，光伏支架的疲劳程度计算公式为：

；

式中：为光伏支架的疲劳程度，/>为循环比，/>为光伏支架受到的最大应力，/>为光伏支架的极限应力。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，其特征在于，支架结构分析模块包括风载荷分析单元、雪载荷分析单元、重力载荷分析单元、支架总载荷分析单元以及支架应力分析单元；风载荷分析单元用于分析光伏支架受到的风载荷；雪载荷分析单元用于分析光伏支架受到的雪载荷；重力载荷分析单元用于分析光伏组件对于光伏支架的重力负荷；支架总载荷分析单元用于分析光伏支架的总负荷；支架应力分析单元用于计算在光伏支架的总负荷作用下的应力；应力筛选单元用于筛选光伏支架受到的最大应力。

3.根据权利要求2所述的一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，其特征在于，支架总载荷分析单元用于分析光伏支架的总负荷，光伏支架的总负荷为：

；

式中：为光伏支架的总负荷，/>为风力系数，/>为空气密度，/>为风速，/>为光伏组件和支架在垂直方向上的投影面积，/>为单位面积的雪重，/>为光伏组件的质量，/>为重力加速度，/>为载荷调节因子。

4.根据权利要求2所述的一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，其特征在于，支架应力分析单元用于计算在光伏支架的总负荷作用下的应力，光伏支架的应力包括轴向应力、剪切应力、弯曲应力以及扭矩，应力筛选单元用于筛选光伏支架受到的最大应力，筛选最大应力的公式为：

；

式中：为光伏支架受到的最大应力，/>为最大值筛选操作，/>为光伏支架的扭矩，/>为光伏支架的弯曲应力，/>为光伏支架的剪切应力，/>为光伏支架的轴向应力。

5.根据权利要求1所述的一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，其特征在于，支架汇总分类模块包括支架分类单元、维修支架汇总单元以及完好支架汇总单元。

6.根据权利要求1所述的一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，其特征在于，显示提醒模块包括提示灯、语音警示组件、通信组件以及处理器；提示灯、语音警示组件、通信组件分别与处理器相连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于聚类集成分析的光伏设备运行管理系统，其特征在于，处理器用于根据光伏支架的疲劳程度，生成提示信号，并将提示信号传送至提示灯；提示灯用于根据提示信号控制提示灯的闪烁颜色；处理器还用于根据光伏支架的疲劳程度，生成语音警示信号，并将语音警示信号传送至语音警示组件；语音警示组件用于根据语音警示信号发出语音警示；处理器还用于根据光伏支架的疲劳程度，生成提示信息，并将提示信息传送至通信组件；通信组件用于与支架寿命预测模块建立通信连接。