1.引言
1.1前言
本文档供该平台用户使用，主要阐述基于springboot的风电机组实时监控系统的功能及使用方法。
1.2项目背景
风能作为一种清洁的永续能源，逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。我国的风能开发更是飞速发展，已经成为全球最大的风电市场。2015年,中国风电装机量再创新高。全国(除台湾地区外)新增装机容量3075.3万千瓦,同比增长32.6%,新增安装风电机组16740台;累计装机容量达到14536.2万千瓦,同比增长26.8%,累计安装风电机组92981台。伴随着风能的快速发展和风电机组的广泛安装使用，风电机组的运行故障问题日益突出。风电机组的安全、稳定、无故障运转不仅可以提供稳定的电力供应，也可以大幅降低风电的成本，是整个产业链健康发展的关键环节。近年来，国内外风力发电机故障率最高的部件当数齿轮箱。我国的风场齿轮箱损坏率高达40～50％，极个别品牌机组齿轮箱更换率几乎达到100％。国外在对风力发电机各主要部件的故障统计中，齿轮箱的故障率也是居高不下，据西班牙纳瓦拉水电能源集团公司最近几年对风电机组主要部件的故障统计：由齿轮箱、发电机、叶片引起的故障是风电机组故障的主要原因，其中齿轮箱的故障发生率在逐年增高，故障百分比已超过60％，是机组中故障发生率最高的部件。我国已建成的风电场的风力机有相当部分是上世纪90年代中期由国外购进的，这些机组寿命为15、20年，保修期一般为2年，随着机组运行对间的加长，目前这些机组陆续出现了故障，（包括风轮叶片、电机、增速齿轮，及控制系统等等）导致机组停止运行，严重影响发电量，造成经济损失。风电机组的主要部件造价昂贵而且更换非常困难，如果合理采用状态监测和故障预警的技术，通过实时状态检测和智能故障预警技术可以有效地发现事故隐患并实现快速准确的系统维护,保障机组安全运行，做到防范于未然，必能大大地降低风机的故障率，有效地减少维修费用，必能提高风电的竞争能力，推动风能行业的跨越式发展。
近年来，国家大力发展风力发电，国内风电装机容量逐年增长，由于风电机组通常装机于环境恶劣、偏僻的山区以及沿海地区，这使得风电机组故障频发，运维费用昂贵，实时的检修变得十分困难。与此同时，风电机组在运行过程中监控系统产生了大量的运行数据，剧增的数据量中蕴含着风电机组的重要信息，这些数据被传感器采集过后需要迅速发送至服务器，因此大量机组中的数据同时发送服务器，不仅增加了服务器的负担，而且面对海量、异构、多源和高并发的检测运行数据。另外，通过实时检修能够及时发现和提前维修机组中潜在的故障，降低风电机组运行过程的故障发生率，降低维修成本，提高发风电机组运行的安全性和可靠性。
2.功能模块
2.1功能模块设计
系统的主要功能是通过几个功能模块来实现的。具体的设计过程如下：
1、系统登录：用户通过输入用户名、密码以及动态验证码进入风力发电机实时监测系统。
2、实时监测子系统：该系统的主要功能是对风力发电机进行实时监测，主要包括实时地图模块、电场数据模块、发电机电量模块、发电机信息模块、风力发电机现场模块以及齿轮箱温度警示模块。
（1）实时地图模块：该模块可以实时观测电场分布情况。
（2）电场数据模块：该模块可以实时监测到电场中电机的转速、振动频率以及最大峰值，同时还可以监测到电场风速以及户外温度，并对其定位进行精确查询。
（3）发电机电量模块：该模块可以实时监测电场中每个发电机的当天发电量，方便用户对发电量进行实时了解。
（4）发电机信息模块：该模块对电场中所有发电机的详细信息进行管理，其中包括发电机名称、发电机归属、发电机状态以及发电机频率范围。发电机归属可以明确知道某个发电机归属于哪个电场，用户还可以根据发电机状态对电场中的发电机的工作进行调整。
（5）风力发电机现场模块：该模块可以实时监测到风力发电机现场情景，用户可以远程看到发电机现场状况。
（6）齿轮箱温度警示模块：该模块可以对齿轮箱的温度进行实时监测并预警，当温度达到警示温度时，警示模块会发出一级、二级和三级警示，根据温度的不同，发出的警示级别也不同，用户可以采取实际措施对齿轮箱进行保护。
3、综合统计分析子系统：该系统的主要功能是统计并分析了发电机故障的类型以及次数等，主要包括齿轮箱案件趋势分析模块、发电机故障类型分析模块、故障类型次数分析模块以及齿轮箱分析模块。
（1）齿轮箱案件趋势分析模块：该模块可以对齿轮箱故障进行趋势分析，可以模糊查询某地区某年某月发生齿轮箱故障的次数，同时还可以查看近几个月或者一年的趋势。
（2）发电机故障类型分析模块：该模块可以清晰的查看某发电机故障的严重程度，其中统计分析的发电机故障有齿轮崩齿、叶片磨损、轴承外侧以及轴承内测，故障程度由高到低依次为极重、严重、一般和轻微。用户通过改模块可以了解到某故障 类型的严重程度，从而在实际中做好预防及补救工作。
（3）发电机故障类型次数分析模块：该模块包括故障类型以及发生此故障类型的次数，用户点击某个故障类型，可以在图中清楚的看到发生此故障类型的模糊比例，以便用户可以做好预防工作，其中故障类型包括轴承故障、齿轮故障、温度故障、老化故障以及其他故障。
（4）齿轮箱分析模块：该模块统计分析了发生最多和最少的故障类型，并且对发生故障类型的总次数进行了统计。
2.2 监控流程图
通过研究对风电机组SCADA数据和振动数据进行实时分析，实现风机故障的及时预警、故障类型的快速判定以及故障程度的在线评估等,这有助于风电机组故障的及时发现以及针对性修复等。研究能够帮助解决传统检修方式的故障发现不及时，排查问题缓慢等问题，对降低机组故障率和机组平均停机时间,提高风电机组运行的平稳可靠性，提高风场经济效益和社会效益都有重要的意义。
传统的风电机组故障诊断系统大都是基于离线数据做的一些风机故障相关的分析，无法实现风机健康状态的在线监控的要求，本文研究的基于数据流的风机故障诊断系统结合了离线数据和实时数据,通过对离线数据分析获取参考模型库，并根据相应的参考模型对实时数据进行在线分析，进而完成风机健康状况的在线监控。系统通过整合离线分析和在线分析，构建了一套完整的风机故障实时监测的解决方案。
2.3数据库设计
数据库技术是信息资源管理最有效的手段。数据库设计是建立数据库及其应用系统的核心和基础，它要求对于指定的应用环境，构造出较优的数据库模式，建立起数据库应用系统，并使系统能够有效地存储数据，在应用需求方面也能满足用户。数据库设计是项目开发中的系统设计中非常重要的一个关键环节，之所以强调数据库的重要性，是因为数据库设计就像在建设高楼大厦的根基一样，如果设计不好，在后来的系统维护、变更和功能扩充时，甚至在系统开发过程中，将会引起比较大的问题，会遇到非常大的困难，大量工作将会重新进行。
本系统基于SpringBoot 框架下有着完善的 MVC 设计模型支持，其在 SpringMVC4.x 基础上进行了简化操作，对于项目的配置工作采用自动化配置的方式，使得在 SpringBoot 环境下进行 MVC 模式的开发变得尤为简单。
SpringBoot 下 的 MVC 基 本 由 Controller + Thymeleaf + Model 组成，Controller 控制器 起 到 在View 和 Model 间 衔 接 作 用 ，Thymeleaf 是 View，Model 有专门的类与其对应，对于数据的操作则完全通过 Model 来完成。下面我们详细的介绍 MVC 各个组成部分。spring MVC，望文生义，主要分为Model层、View层、C层，这是一种大体的宏观的分层架构。
Model模型层，是指处理的业务逻辑模型，专注于数据的处理。
View层，指的是数据展示层，本质上展示的数据全部来自于Model层，通过Controller层获取后，直接或处理之后发送到View层进行数据展示。而View层的表现形式就可以千变万化，而不影响后台的代码逻辑。
Controller层，即控制层，负责对Http请求进行处理，接收到View层发送的HTTP请求后，调用业务逻辑层对Model进行操作，并将操作结果，返回给View层。
在本系统中所需要设计的数据库表如下表2.1所示。
表2.1系统相关数据表
序号 数据库表 数据库表存储内容
1 user 存储电场用户信息
2 farm 电场的详细信息
3 guzhang 发电机的故障详细信息
4 province 省份知识库信息
5 turbine 风力发电机的详细信息
6 warn 存储的电场警告信息
表2.2 用户基本信息表 user
序号 字段名 字段类型 说明 备注
1 id int(11) ID 主键，唯一，非空
2 username Varchar(20) 用户名称 非空
3 password Varchar(40) 密码
4 datetime Varchar(40) 创建时间
5 Image Varchar(40) 头像 非空
6 email Varchar(30) 电子邮箱 非空
7 number Varchar(11) 电话号码 非空
8 address Varchar(30) 住址 非空
表2.3 电场信息表 farm
序号 字段名 字段类型 说明 备注
1 Id int(11) 编号 主键，唯一，非空
2 fengsu Varchar(50) 实时风速
3 huwaiwendu Varchar(8) 户外温度
4 zhendongpinlv Varchar(8) 振动频率
5 zhendong Varchar(10) 振动描述
6 fengzhi Varchar(8) 最大峰值 非空
7 dingwei Varchar(20) 电场位置
8 Dainchang_id Varchar(20) 归属电场 外键，非空
表2.4 发电机故障表 guzhang
序号 字段名 字段类型 说明 备注
1 id Int(11) 编号 主键，唯一，非空
2 fadianchang Int(11) 电场编号 外键，非空
3 Leixing Varchar(50) 故障类型信息 非空
4 cishu Varchar(8) 故障次数
5 Dianji_id Int(11) 发电机 外键，非空
6 zhongyaoxing Varchar(10) 重要性描述
7 type Varchar(8) 故障类型知识库
表2.5 发电机信息表 turbine
序号 字段名 字段类型 说明 备注
1 id Int(11) 编号 主键，唯一，非空
2 bianhao Varchar(25) 发电机编号 非空
3 chilun Varchar(20) 齿轮信息 非空
4 chilunxiang Varchar(25) 齿轮箱描述
5 yepian Varchar(25) 发电机叶片信息 外键，非空
6 cishu Varchar(10) 故障次数
7 diqu Int(11) 所属地区 外键，非空
8 zhoucheng Varchar(25) 轴承信息
9 mosundu Varchar(25) 轴承磨损度
10 wendu Varchar(25) 温度信息
11 fadianliang Varchar(25) 发电量信息
12 guishu Varchar(25) 归属电场 外键，非空
表2.5 警告信息表 warn
序号 字段名 字段类型 说明 备注
1 id Int(11) 编号 主键，唯一，非空
2 warn Varchar(25) 警告信息 非空
3 range Varchar(20) 警告等级 非空
4 fengdianchang_id Int(11) 所属发电场
5 content Varchar(25) 警告详细内容 外键，非空
6 Type Varchar(10) 报警类型
7 Time datetime 警报时间
8 zhoucheng Varchar(25) 轴承信息
9 mosundu Varchar(25) 轴承磨损度
10 wendu Varchar(25) 温度信息
11 fadianliang Varchar(25) 发电量信息
12 fadianjibianhao Int(11) 发电机编号 外键，非空
mybatis配置SqlMapConfig.xml，此文件作为mybatis的全局配置文件，配置了mybatis的运行环境等信息。mapper.xml文件即sql映射文件，文件中配置了操作数据库的sql语句。此文件需要在SqlMapConfig.xml中加载。通过mybatis环境等配置信息构造SqlSessionFactory即会话工厂，由会话工厂创建sqlSession即会话，操作数据库需要通过sqlSession进行。Mapped Statement也是mybatis一个底层封装对象，它包装了mybatis配置信息及sql映射信息等。Executor通过 Mapped Statement在执行sql后将输出结果映射至java对象中，输出结果映射过程相当于jdbc编程中对结果的解析处理过程。工作原理如图2-2所示。
2.4用户登录模块
用户进入系统后，输入用户名和密码以及随机产生的验证码，点击首页的登录按钮，就可以进入到系统的主页面，该风电机组实时监控系统登录首页如图2-3所示。
图2-3用户登录界面
登录时把用户名记录在缓存里，如果下次登录时用户存在，就不用登录了，可直接进入。
2.5 系统管理模块
当用户输入正确的用户名和密码，成功登录后，就会进入系统的主界面，这时将会看到主界面上所显示的具体功能模块，主界面又可以分为两个子系统界面，包括实时监测和综合统计分析。该风力发电机实时监测系统的实时监测主界面如图2-4所示，综合统计分析的主界面如图2-5，2-6所示。
图2-4 实时监测主界面
图2-5 实时监测主界面
图2-6 综合统计分析主界面
2.6齿轮箱案件趋势分析模块
用户在该界面可以模糊查询某地区具体年份月份的齿轮箱故障次数，同时还可以在选择框中选择年份以及地区，查看某地区某年的趋势变化，当用户点击年份等时，系统会自动调用数据库中的信息。用户可以提前对齿轮箱故障进行了解，做好相关准备工作。齿轮箱案件趋势分析界面如图2-7所示:
图2-7 齿轮箱案件趋势分析界面
2.7 发电机故障类型分析模块
该模块主要分析了发电机发生某类故障的严重程度，其中发电机故障包括齿轮崩齿、叶片磨损、轴承外侧以及轴承内测，故障的严重程度由高到低依次为极重、严重、一般和轻微。从图中用户可以了解到发生此类故障的严重程度，进而提前做好预防工作。
发电机故障类型分析模块界面如图2-8所示:
图2-8 发电机故障类型分析模块界面
2.8 发电机故障类型次数分析模块
该模块为发电机故障类型分析模块，该模块综合统计分析了发生某类故障的次数，其中发电机故障包括轴承故障、齿轮故障、温度故障、老化故障以及其他故障，当用户电机某一故障时，在图中会相应显示发生发生此类故障的次数，同时用户可以从图中的面积得知发生哪类故障的频率高或低，以便于用户做好预防工作。发电机故障类型次数分析模块界面如图2-9所示。
2.9 齿轮箱分析模块
该模块综合分析了发生故障的总故障次数，以及最多发生事件和最少发生事件，最多和最少发生事件通过圆环来展示，圆环面积的大小表示发生故障次数的多少，通过实时监测，进而综合分析，最终做到减少故障的发生。齿轮箱分析模块界面如图2-10所示。
