一种适用于偏远地区分布式光伏的云边协同远程运维系统的制作方法

[0001]
本发明属于光伏远程运维技术领域，更具体的说是涉及一种适用于偏远地区分布式光伏的云边协同远程运维系统。


背景技术：

[0002]
偏远地区分布式光伏具有环境情况较为复杂、规模较小、分布较多但较为分散的特点，随着偏远地区分布式光伏专业运维人员的逐渐减少，将会导致偏远地区分布式光伏面临因缺少维护难以管理致使无法充分发电的问题。
[0003]
因此，如何提供一种适用于偏远地区分布式光伏的云边协同远程运维系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本发明提供了一种适用于偏远地区分布式光伏的云边协同远程运维系统，能够实现对在环境复杂的偏远地区中分布较散的光伏高效可靠的故障识别、诊断以及处理功能，达到多区域光伏统一运维管理的目的。
[0005]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006]
一种适用于偏远地区分布式光伏的云边协同远程运维系统，包括：设备模块、数据监测模块、边端计算模块、数据传输模块、互动监控模块和控制模块，其中，
[0007]
所述设备模块，用于发电、储电、向用户供电，向数据监测模块发送各设备运行数据，接收控制模块的操作指令并动作；
[0008]
所述数据监测模块，用于实时监测各光伏组件运行状态并将所监测到的信息及时发送至各边端计算模块；
[0009]
所述边端计算模块，用于对数据监测模块发送的数据进行主动预警和快速抑制，并对故障信息做出反应并向控制模块发出指令；
[0010]
所述数据传输模块，用于通过lora无线通讯技术与4g/5g无线传输技术将运维数据以及操作指令上传和回传；
[0011]
所述互动监控模块，用于设备现场视频、音频监控，同时接收显示操作模块发出的语音操作指令并播放出来；
[0012]
所述控制模块，用于接收边端计算模块发送的运维指令，并向设备模块发送操作指令。
[0013]
优选的，还包括云端计算模块和显示操作模块，其中，
[0014]
所述云端计算模块，用于对数据传输模块发送来的数据进行储存以及分析和计算，并将最终结果以及数据指令发送至显示操作模块和数据传输模块；
[0015]
所述显示操作模块，用于将云端计算模块发送来的数据进行可视化处理，接收发送互动监控模块的音频和视频信息，将数据信息以及操作指令发送至云端计算模块或者数据传输模块。
[0016]
优选的，所述数据监测模块包括设备数据采集单元、外部环境监测单元和第一数据传输单元；所述设备数据采集单元，用于采集设备模块的实时运行状态数据信息；所述外部环境监测单元，用于采集设备模块周围环境数据；所述第一数据传输单元，用于转发数据。
[0017]
优选的，所述控制模块包括指令接收单元、控制单元和控制指令执行单元；
[0018]
所述指令接收单元，用于接收边端计算模块发送的运维指令；
[0019]
所述控制单元，用于根据下达的运维指令对设备模块进行控制；
[0020]
所述控制指令执行单元，用于执行本地和远端控制指令。
[0021]
优选的，所述边端计算模块包括第一数据接收单元、数据存储上传单元、数据预处理单元、故障诊断单元、故障处理单元、决策执行单元和触屏显示操作单元；其中，
[0022]
所述第一数据接收单元，用于接收数据传输模块发送的系统升级或管理信息以及数据监测模块上传的设备运行数据；
[0023]
所述数据存储上传单元，用于设备运行数据存储和上传；
[0024]
所述数据预处理单元，用于对数据存储上传单元上传的数据进行异常数据过滤；
[0025]
所述故障诊断单元，用于设置故障参数阈值并对运行数据的初步故障诊断；
[0026]
所述故障处理单元，用于对常见故障进行本地处理；
[0027]
所述决策执行单元，用于对上级决策指令进行存储、判断和执行；
[0028]
所述触屏显示操作单元，用于本地运维人员观测以及运维操作
[0029]
优选的，所述互动监控模块包括第一语音互动单元、音频外放单元以及无线数据收发单元；其中，
[0030]
所述第一语音互动单元，用于查看现场运维人员运维操作和设备运行情况，并用于与现场运维人员指导沟通；
[0031]
所述音频外放单元，用于现场运维人员听取运维中心语音音频；
[0032]
所述无线数据收发单元，用于实时接收和发送监控画面和互动音频。
[0033]
优选的，所述数据传输模块包括第二数据接收单元和第二数据传输单元；
[0034]
所述第二数据接收单元，用于接收边端计算模块，云端计算模块，显示操作模块传输数据；
[0035]
所述第二数据传输单元，用于将边缘计算模块发送来的数据通过无线通讯方式传输至云端计算模块，将故障警报信息发送至移动手机端，将云端模块和显示操作模块发送的控制指令发送至控制模块和边端计算模块。
[0036]
优选的，所述云端计算模块包括第三数据接收单元、数据存储单元、数据深度计算单元、故障分析预测单元和信息发送单元；
[0037]
所述第三数据接收单元，用于接收数据传输模块传输信息；
[0038]
所述数据存储单元，用于存储设备运行数据，环境数据，故障发生的具体时间，故障设备位置、故障类型，故障严重程度，故障处理用时间以及故障处理方法的历史信息；
[0039]
所述数据深度计算单元，用于对设备运行数据深度分析处理；
[0040]
所述故障分析预测单元，用于根据各类数据信息深度训练学习后对故障风险评估预测；
[0041]
所述信息发送单元，用于向显示操作模块发送各类数据信息并且发出运维指令和
数据报表。
[0042]
优选的，显示操作模块包括数据可视化处理单元、运维展示单元、操作单元、第二语音互动单元和运维信息发送单元；
[0043]
所述数据可视化处理单元，用于将各类数据信息整合后可视化的数据；
[0044]
所述运维展示单元，用于将可视化结果和现场画面进行展示；
[0045]
所述操作单元，用于运维中心运维人员远程下达运维或者管理指令；
[0046]
所述第二语音互动单元，用于运维中心与现场运维人员语音通讯；
[0047]
所述运维信息发送单元，用于将远程运维指令、系统升级信息以及音频信号发送至互动监控模块、数据传输模块、云端计算模块和移动手机终端。
[0048]
优选的，所述设备模块包括用于发电的光伏阵列单元、用于储能的蓄电池储能单元以及用于部分耗电的用电单元。
[0049]
本发明的有益效果在于：
[0050]
本发明提供的一种适用于偏远地区分布式光伏的云边协同远程运维系统，可以克服偏远地区较为复杂的环境条件，因缺乏专业运维人员而导致的光伏无法正常工作的问题。由于偏远地区光伏具有分布较散、数量较多的特点，本发明根据lora技术低功耗、低成本、广覆盖、组网灵活、接收灵敏度高、抗干扰能力强、网关支持多信道多数据并行处理，非常适合低功耗、远距离、大量连接的优点，与适合远距离宽带传输的4g或者5g无线通讯方式相结合，大大保障了发明的云边协同远程运维系统可以使各设备就地实现故障诊断和恢复的同时，也可以在远方的运维控制中心可同时对多区域设备统一监测，统一科学管理，并进行远程运维操作，大大提高了设备的自愈能力以及故障处理效率，降低事故发生率，尽量减少现场设备故障处理对专业运维人员的需求，大幅提高当地扶贫光伏使用寿命和发电效率。本发明可保证各项监测数据近端与远端同步，故障解决方案控制层与动作层相互协调，更快、更精准、更有效、更便捷的实现光伏系统的远程运维。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0052]
图1为本发明的数据交互流程图。
[0053]
图2为本发明整体结构图。
[0054]
图3为使用lora技术进行数据传输图。
[0055]
图4为本发明触屏显示操作单元的操作图。
[0056]
图5为本发明的边端计算模块的故障诊断处理流程图。
具体实施方式
[0057]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]
请参阅附图1-2，本发明提供了一种适用于偏远地区分布式光伏的云边协同远程运维系统，包括：设备模块、数据监测模块、边端计算模块、数据传输模块、互动监控模块和控制模块，其中，
[0059]
所述设备模块，用于发电、储电、向用户供电，向数据监测模块发送各设备运行数据，接收控制模块的操作指令并动作；
[0060]
所述数据监测模块，用于实时监测各光伏组件运行状态并将所监测到的信息及时发送至各边端计算模块；
[0061]
所述边端计算模块，用于对数据监测模块发送的数据进行主动预警和快速抑制，并对故障信息做出反应并向控制模块发出指令；
[0062]
所述数据传输模块，用于通过lora无线通讯技术与4g/5g无线传输技术将运维数据以及操作指令上传和回传；
[0063]
所述互动监控模块，用于设备现场视频、音频监控，同时接收显示操作模块发出的语音操作指令并播放出来；
[0064]
所述控制模块，用于接收边端计算模块发送的运维指令，并向设备模块发送操作指令。
[0065]
本发明还包括云端计算模块和显示操作模块，其中，
[0066]
所述云端计算模块，用于对数据传输模块发送来的数据进行储存以及分析和计算，并将最终结果以及数据指令发送至显示操作模块和数据传输模块；
[0067]
所述显示操作模块，用于将云端计算模块发送来的数据进行可视化处理，接收发送互动监控模块的音频和视频信息，将数据信息以及操作指令发送至云端计算模块或者数据传输模块。
[0068]
由于lora无线通讯技术相比其他无线通讯技术功耗更小、传播距离更远、寿命更长、花费成本更小，适合在偏远地区进行监测数据的传输。所以，如图3所示，同一区域的各分布式光伏的边端计算模块将处理后的运维数据采用该通讯方式发送至数据传输模块。
[0069]
本发明边缘计算模块可储存部分数据并处理部分监测数据，检测到故障时可立即使设备做出反应。云端计算模块可对数据统一储存管理和深度分析计算并建立相应的设备运行数据库，当数据上传时会与数据库内信息进行对比并做出相应的设备故障风险预估、故障诊断处理、设备健康预测，数据和计算结果将由显示操作模块数据可视化后显示出来供运维中心专业人员参考和分析，运维中心专业人员可根据分析结果、实时上传数据以及监控互动监控模块信息通过在显示操作模块上对各区域扶贫光伏组件进行统一远程运维和管理。通过使用lora与4g/5g通讯技术相结合的技术方案保障“边端+云端”顺利协同运行，对光伏设备现场解决包含光伏组件日常维护如积尘监测并自动清洗等，边端计算模块对光伏系统运行常规故障监测诊断并自动处理，在云端建立故障解决方案数据库，对上传数据分析并归类进行远端操作处理故障，更快、更精准、更有效、更智能、更节省的实现光伏系统的远程运维。
[0070]
本发明中，所述数据监测模块包括设备数据采集单元、外部环境监测单元和第一数据传输单元；所述设备数据采集单元，用于采集设备模块的实时运行状态数据信息；所述外部环境监测单元，用于采集设备模块周围环境数据；所述第一数据传输单元，用于转发数
据。
[0071]
其中，外部环境监测单元测量内容包括总辐照度、日照时数、风速、风向、环境温度、气压、相对湿度以及抗杂散光干扰的积尘量。
[0072]
本实施例中，辐照度的测量方法为：每5s采样一次，每分钟采集12个样本作为瞬时值。其测量光谱范围为280nm～3000nm，测试范围为0～1000w/m2，测量精度不超过5％。
[0073]
本实施例中，日照时数的测量方法为：日照传感器每5min自动累计当日的日照时数。其测量辐度范围为-0.1h～+0.1h。
[0074]
本实施例中，风速的测量方法为：采用风速传感器进行监测，且每秒采样一次。其测量范围为0m/s～70m/s，测量精度范围为-0.5m/s～+0.5m/s。
[0075]
本实施例中，环境温度、气压、相对湿度的测量方法为：采用温度传感器、大气压力传感器、湿度传感器进行监测，每5s采样一次，每分钟采样12个样本作为瞬时值。温度传感器的测量范围为-40℃～+60℃，测量精度范围为-0.5℃～+0.5℃；气压传感器的测量范围为500hpa～1100hpa，测量精度范围为-0.3hpa～+0.3hpa；湿度传感器的测量范围为0～100％，测量精度为-8％～+8％。
[0076]
本实施例中，可利用基于频域抗杂散光干扰的积尘检测方法进行积尘的监测。
[0077]
本发明中，所述控制模块包括指令接收单元、控制单元和控制指令执行单元；所述指令接收单元，用于接收边端计算模块发送的运维指令；所述控制单元，用于根据下达的运维指令对设备模块进行控制；所述控制指令执行单元，用于执行本地和远端控制指令。控制模块可在远端或近端对上传监控数据进行分析后下达清洗操作指令时，通过内置于光伏组件上的清洗动作控制芯片进行光伏组件自动清洗操作。
[0078]
本发明中，所述边端计算模块包括第一数据接收单元、数据存储上传单元、数据预处理单元、故障诊断单元、故障处理单元和决策执行单元；其中，所述第一数据接收单元，用于接收数据传输模块发送的系统升级或管理信息以及数据监测模块上传的设备运行数据；所述数据存储上传单元，用于设备运行数据存储和上传；所述数据预处理单元，用于对数据存储上传单元上传的数据进行异常数据过滤；所述故障诊断单元，用于设置故障参数阈值并对运行数据的初步故障诊断；所述故障处理单元，用于对常见故障进行本地处理；所述决策执行单元，用于对上级决策指令进行存储、判断和执行。
[0079]
所述边端计算模块硬件设计包括多核64位芯片为核心，其包括usb接口、以太网接口、spi、sd卡接口、串口拓展板(rs485/232)、io采集板、触摸显示屏等。所述边端计算模块的软件设计采用qt for android平台开发。如图4所示，触摸显示屏内容包括设备配置设置、数据曲线、列表展示、设备控制、故障警报、历史记录、基本设置等功能模块。所述边端计算模块的数据处理方法采用动态链接库编程技术。
[0080]
本发明中，所述互动监控模块包括第一语音互动单元、音频外放单元以及无线数据收发单元；其中，所述第一语音互动单元，用于查看现场运维人员运维操作和设备运行情况，并用于与现场运维人员指导沟通；所述音频外放单元，用于现场运维人员听取运维中心语音音频；所述无线数据收发单元，用于实时接收和发送监控画面和互动音频。互动监控模块前端设备包括720p或更高清模式的网络摄像头，内置sata硬盘的存储服务器，可进行网络图像实时传输。
[0081]
本发明中，所述数据传输模块可将已进行边端处理的数据可视化后通过无线传输
至本地运维人员手机，通知其现场回访检查，包括第二数据接收单元和第二数据传输单元；所述第二数据接收单元，用于接收边端计算模块，云端计算模块，显示操作模块传输数据；所述第二数据传输单元，用于将边缘计算模块发送来的数据通过无线通讯方式传输至云端计算模块，将故障警报信息发送至移动手机端，将云端模块和显示操作模块发送的控制指令发送至控制模块和边端计算模块。
[0082]
本发明中，所述云端计算模块包括第三数据接收单元、数据存储单元、数据深度计算单元、故障分析预测单元和信息发送单元；所述第三数据接收单元，用于接收数据传输模块传输信息；所述数据存储单元，用于存储设备运行数据，环境数据，故障发生的具体时间，故障设备位置、故障类型，故障严重程度，故障处理用时间以及故障处理方法的历史信息；所述数据深度计算单元，用于对设备运行数据深度分析处理；所述故障分析预测单元，用于根据各类数据信息深度训练学习后对故障风险评估预测；所述信息发送单元，用于向显示操作模块发送各类数据信息并且发出运维指令和数据报表。
[0083]
在光伏短期发电故障预测采用改进ihcmac算法，算法为：
[0084]
①
随机选取k个对象为初始聚类中心；
[0085]
②
将样本集中的样本x
i
按照最近距离准则分派至最邻近聚类z
i
，由下式决定
[0086]
d
ij
＝min(||x
i-z
i
||),x
i
∈s,z
i
∈z
[0087]
式中x
i
表示样本集中的样本，z
j
表示第j个聚类，d
ij
为样本x
i
与聚类z
j
之间的最短距离。
[0088]
③
使用每个聚类中的样本值作为新的聚类中心；
[0089]
④
重复步骤
②
，
③
直到聚类中心不再变化；
[0090]
⑤
结束，得到k个聚类。
[0091]
该算法实现故障预测的具体内容为：首先，输入层通过历史故障数据与气象数据进行相关性分析，确定模型输入；然后，通过内部逻辑层对输入数据进行归一化处理和异常值修补，以消除数量级和提高数据质量；再利用k平均聚类算法确定网络节点以及节点数目，构建ihcmac预测模型；最后，通过输出层得到学习误差、泛化误差和故障预测值。
[0092]
本发明中，显示操作模块包括数据可视化处理单元、运维展示单元、操作单元、第二语音互动单元和运维信息发送单元；所述数据可视化处理单元，用于将各类数据信息整合后可视化的数据；所述运维展示单元，用于将可视化结果和现场画面进行展示；所述操作单元，用于运维中心运维人员远程下达运维或者管理指令；所述第二语音互动单元，用于运维中心与现场运维人员语音通讯；所述运维信息发送单元，用于将远程运维指令、系统升级信息以及音频信号发送至互动监控模块、数据传输模块、云端计算模块和移动手机终端。
[0093]
数据可视化处理单元和操作单元采用labview软件搭建，在使用labview与云服务器进行数据交换时，采用https协议通道。
[0094]
本发明中，所述设备模块包括用于发电的光伏阵列单元、用于储能的蓄电池储能单元以及用于部分耗电的用电单元。
[0095]
本发明提供的一种适用于偏远地区分布式光伏的云边协同远程运维系统，为“边端+云端”的智能扶贫光伏远程运维系统，目的是解决处于距离远、通信和交通较差的偏远贫困乡村在缺乏专业运维人员但需保证光伏运维作业正常运作的远程运维及管理问题。该云边协同远程运维系统采用lora通信技术与4g/5g通信技术相结合，可保证各项监测数据
近端与远端同步，故障解决方案控制层与动作层相互协调，更快、更精准、更有效、更智能的实现光伏系统的远程运维。
[0096]
本发明可以克服偏远地区较为复杂的环境条件，因缺乏专业运维人员而导致的光伏无法正常工作的问题。由于偏远地区光伏具有分布较散、数量较多的特点，本发明根据lora技术低功耗、低成本、广覆盖、组网灵活、接收灵敏度高、抗干扰能力强、网关支持多信道多数据并行处理，非常适合低功耗、远距离、大量连接的优点，与适合远距离宽带传输的4g或者5g无线通讯方式相结合，大大保障了发明的云边协同远程运维系统可以使各设备就地实现故障诊断和恢复的同时，也可以在远方的运维控制中心可同时对多区域设备统一监测，统一科学管理，并进行远程运维操作，大大提高了设备的自愈能力以及故障处理效率，降低事故发生率，尽量减少现场设备故障处理对专业运维人员的需求，大幅提高当地扶贫光伏使用寿命和发电效率。本发明可保证各项监测数据近端与远端同步，故障解决方案控制层与动作层相互协调，更快、更精准、更有效、更便捷的实现光伏系统的远程运维。
[0097]
本发明将一种适用于偏远地区分布式光伏的云边协同远程运维系统分为远侧端(即偏远地区各个扶贫光伏区域)、近侧端。如图1所示，本发明近侧端包含显示控制模块、云端计算模块；远端侧包括设备模块、数据监测模块、边端计算模块、数据传输模块、监控互动模块、控制模块。
[0098]
在系统安装并开始运行时，各数据监测模块监测各个区域的光伏阵列、蓄电池组实时运行状态以及对环境情况进行实时监测，将各监测模块监测到的实时数据汇集后，将数据传输至各边端计算模块。
[0099]
如图2和图5所示，边端计算模块对这些监测数据进行主动预警和快速抑制，在发现故障后立即向控制模块发出故障操作指令切除故障，并生成故障信息报表信息后，通过各lora数据传输单元将信息发送至数据传输模块。
[0100]
若网络时延低，则实时将各数据以及故障报表传输至数据传输模块，由数据传输模块发送至近端的云计算模块以及发故障警报至运维人员的手机终端，及时提醒远端的运维人员去检查相应故障点。
[0101]
若网络时延较高，则先进行本地运算和故障诊断并将控制命令传输至控制模块，然后再由数据储存单元将需传输数据以及故障报表储存，待网络恢复正常后及时按照低时延网络环境下工作程序正常工作。
[0102]
云端计算模块在接收到数据和故障信息报表后，对数据储存后分类判别，记录故障信息并综合所有数据信息进行深度计算分析和学习培训，对各区域的所有设备进行故障风险预估、故障诊断处理、设备健康预测，最后将运维指令通过数据传输模块回传至控制模块对设备进行运维操作，将运维参数修正信息、实时运维策略通过数据传输模块发送至边端计算模块，同时实时数据、经过处理的信息结果和部分运维请求指令发送至显示操作模块。
[0103]
显示操作模块处于运维中心的远程运维控制室中，显示操作模块将云端计算模块接收到云端计算模块发送的数据信息，对其进行数据整合，将其可视化后显示在运维展示单元上，运维中心专业运维人员可通过操作单元进行多区域远程统一管理和运维，同时互动监控模块也会将远端的设备画面和音频传输至运维展示单元上，运维中心专业运维人员也可根据画面语音实时与远端处的运维工作人员进行运维指导交流，并且通过操作单元，
人工操作指令通过运维管理数据发送单元发送至数据传输模块，数据传输模块再将运维管理数据回传至控制模块中对设备进行运维管理，也可将对云端计算模块和边端计算模块的升级程序、优化算法、漏洞修复信息发送至云端计算模块，由云端计算模块自动处理，同时运维人员可通过手机端的app访问云端计算模块查看设备实时运行状态以及运维处理进度和结果。
[0104]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0105]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。