劉誠浩 葛明濤

摘 要：【目的】風光發(fā)電數(shù)據(jù)的采集是為了記錄和分析風光發(fā)電設備的各種相關(guān)數(shù)據(jù)，以幫助監(jiān)測和優(yōu)化風光發(fā)電系統(tǒng)的運行。【方法】以Qt框架為基礎，利用開發(fā)工具，設計了一款風光發(fā)電數(shù)據(jù)采集軟件，該軟件可實現(xiàn)利用TCP通信獲取設備采集的信息、使用MySql數(shù)據(jù)庫存儲和管理歷史數(shù)據(jù)以及設備的相關(guān)參數(shù)調(diào)試、與天氣相關(guān)性的查看和數(shù)據(jù)導出分析等功能。【結(jié)果】經(jīng)過測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，圖形界面交互性好，功能可拓展性高，可以高效地通過數(shù)字、曲線等可視化方式，將數(shù)據(jù)以直觀的形式展示給用戶?！窘Y(jié)論】在實際應用中，風光發(fā)電采集系統(tǒng)在風力發(fā)電和光伏發(fā)電中起著至關(guān)重要的作用，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的實時監(jiān)測、遠程控制、故障診斷和性能優(yōu)化，提高了風光發(fā)電設備的可靠性、高效性和可持續(xù)發(fā)展能力。

關(guān)鍵詞：風光發(fā)電；Qt；MySql；TCP通信

中圖分類號：TP311.1? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）06-0006-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.001

Design of Wind and Solar Power Generation Data Acquisition Software Based on Qt

LIU Chenghao GE Mingtao

（Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）

Abstract：[Purposes] Wind power generation data acquisition is to record and analyze various data related to wind power generation equipment， which helps monitor and optimize the operation of wind power generation system. [Methods] Based on the Qt framework， a wind and solar power generation data acquisition software is designed by using development tools， which can realize TCP communication to obtain information collected by equipment， use MySql database to store and manage historical data， debug relevant parameters， view equipment and weather correlation， and export and analysis of data. [Findings] After testing， the system runs stably and reliably， has good graphical interface interaction， high function scalability， and can efficiently display data to users in an intuitive form through visual methods such as numbers and curves. [Conclusions] In practical applications， wind and solar power generation acquisition system plays a vital role in wind power generation and photovoltaic power generation system， which can realize real-time monitoring， remote control， fault diagnosis and performance optimization of the system， and improve the reliability， efficiency and sustainable development of wind and solar power generation equipment.

Keywords： wind and solar power generation; Qt; MySql; TCP communication

0 引言

隨著全球能源危機和環(huán)境問題的日益突出，可再生能源的開發(fā)和利用成了全球關(guān)注的焦點。中國是全球最大的風力和光伏發(fā)電國家，擁有豐富的風能資源和充足的太陽能資源，具備大規(guī)模的風力、光伏發(fā)電裝機容量。中國的風光發(fā)電行業(yè)保持著快速增長的態(tài)勢，2022年，全國風力、光伏發(fā)電新增裝機突破1.2億千瓦，連續(xù)三年突破1億千瓦，再創(chuàng)歷史新高；發(fā)電量首次突破1萬億千瓦時，達到1.19萬億千瓦時，同比增長21%，占全社會用電量的13.8%，接近全國城鄉(xiāng)居民生活用電量［1］。風光發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為減少碳排放、應對氣候變化做出了積極貢獻，推動了中國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級。然而風光發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測和管理依然面臨著許多挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)采集、存儲和分析等方面仍存在一定的困難。因此，設計一款高效的風光發(fā)電數(shù)據(jù)采集軟件具有重要的研究意義。

本研究設計的采集系統(tǒng)可以用于監(jiān)測和管理風力發(fā)電和光伏發(fā)電，旨在實現(xiàn)對風光混合發(fā)電設備運行狀態(tài)、發(fā)電效率和發(fā)電量等關(guān)鍵指標的實時監(jiān)測和分析。該系統(tǒng)的應用可以涵蓋以下4個方面。

①發(fā)電設備狀態(tài)監(jiān)測：監(jiān)測風力發(fā)電機組和光伏電池組的運行狀態(tài)，包括設備的工作狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、溫度、功率等參數(shù)。通過實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并處理設備故障和異常情況，提高設備的可靠性和運行效率。

②發(fā)電效率分析：通過對風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析，評估發(fā)電設備的效率和性能。

③發(fā)電量統(tǒng)計和分析：實時記錄和統(tǒng)計風力發(fā)電和光伏發(fā)電的發(fā)電量，并進行數(shù)據(jù)分析和報表生成。

④數(shù)據(jù)可視化：將采集到的數(shù)據(jù)以圖表、曲線和地圖等形式進行可視化展示。

綜上所述，本研究設計的基于Qt的風光發(fā)電數(shù)據(jù)采集軟件對風光發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測管理、能源轉(zhuǎn)型、環(huán)境保護及可持續(xù)發(fā)展等方面都具有重要參考價值。

1 總體設計

1.1 上位機設計

采集系統(tǒng)的上位機軟件是基于Qt Creator軟件開發(fā)環(huán)境并在window11操作系統(tǒng)上運行。Qt Creator是一個利用Qt開發(fā)的輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境，因其良好的封裝機制和豐富的API函數(shù)而廣泛使用。Qt是一款跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架，基于類庫本身，用戶可通過自定義或內(nèi)建對話框的方式去構(gòu)建操作面板和顯示面板，可以為用戶提供良好的人機交互界面。同時通過采用Qt Creator 4.10.1集成開發(fā)環(huán)境，能夠使開發(fā)人員更加快速完成開發(fā)任務。上位機的設計流程如圖1所示。

1.2 總體功能設計

風光發(fā)電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體功能設計如圖2所示，主要功能為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、TCP調(diào)試及天氣信息展示。

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取。通過TCP網(wǎng)絡編程技術(shù)與服務器建立連接并獲取風光發(fā)電設備發(fā)送至服務器的實時數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理算法對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，提取關(guān)鍵指標和信息。

1.2.2 數(shù)據(jù)解析。 解析服務器反饋數(shù)據(jù)，實時更新數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)顯示模塊。

1.2.3 數(shù)據(jù)顯示。通過設計直觀、易懂的用戶界面，提升用戶體驗，提高操作效率。界面包括數(shù)據(jù)變化曲線、實時數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)查看等功能，以便用戶能夠直觀地瀏覽和操作系統(tǒng)，滿足用戶需求。

1.2.4 數(shù)據(jù)存儲。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化存儲和管理，使用MySql數(shù)據(jù)庫來儲存采集到的數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)的長期保存和快速檢索，保證數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

1.2.5 TCP調(diào)試。通過TCP建立與服務器的連接，確保能夠?qū)崟r獲取和發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.2.6 天氣信息展示。通過解析天氣API提供的關(guān)于城市的JSON文件內(nèi)容，進行天氣顯示。

2 軟件設計

2.1 數(shù)據(jù)獲取和TCP調(diào)試設計

選擇本機作為服務端，獲取本機IP地址。首先通過QHostInfo類的localHostName（）函數(shù)獲取本機的主機名；其次使用fromName（）函數(shù)將主機名轉(zhuǎn)換為IP地址；最后使用QHostAddress類的toString（）函數(shù)將IP地址轉(zhuǎn)換為字符串形式。選定端口號，聲明tcpServer作為QTcpServer對象，用于監(jiān)聽和接收服務器作為客戶端發(fā)來的連接請求。調(diào)用tcpServer的listen（）函數(shù)，并將其綁定到指定的IP地址和端口號上，開始監(jiān)聽連接請求。使用QTcpServer的newConnection信號連接到一個槽函數(shù)，當有新的連接請求時觸發(fā)。在槽函數(shù)中，使用tcpServer的nextPendingConnection（）函數(shù)獲取新的QTcpSocket對象，用來表示與客戶端的連接。使用連接的QTcpSocket對象來讀取和處理客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)［2］。其TCP通信如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)解析設計

數(shù)據(jù)解析是處理TCP連接中的數(shù)據(jù)的關(guān)鍵步驟。當服務器與本機建立的TCP通信中存在可讀數(shù)據(jù)時，需要對獲取的數(shù)據(jù)進行解析，并提取出關(guān)鍵字符對應的數(shù)據(jù)內(nèi)容，然后進行回調(diào)顯示。

在數(shù)據(jù)解析過程中，可以使用字符串處理技術(shù)來提取所需的數(shù)據(jù)內(nèi)容。通過查找特定的關(guān)鍵字符或者使用正則表達式來定位和提取數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)被提取出來，立即將其傳遞給回調(diào)函數(shù)進行顯示或進一步處理。

數(shù)據(jù)解析的目的是從原始數(shù)據(jù)中提取有用的信息，以便進行后續(xù)的操作和展示。通過合適的解析方法，可以將數(shù)據(jù)內(nèi)容從復雜的字符串中提取出來，使其更易于理解和處理。其代碼流程如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)顯示設計

數(shù)據(jù)顯示主要包含4個界面，在注冊和登錄界面可以通過用戶信息寫入、驗證用戶ID及驗證身份密鑰等方式進行身份識別。

數(shù)據(jù)庫管理界面通過創(chuàng)建QSqlDatabase來連接MySql數(shù)據(jù)庫，采用基礎的Sql語句及搜索條件進行索引數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，從而顯示數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)。

主顯示界面中包含TCP的連接和調(diào)試及天氣信息概況，并以狀態(tài)圖的形式顯示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與服務器的實時連接狀態(tài)。主界面還包含了不同界面之間的跳轉(zhuǎn)功能，通過按鍵的方式實現(xiàn)界面的切換，保證并行操作的執(zhí)行，使每個子界面的運行均可完成獨立且不同的功能，并采用信號與槽的工作機制，確保界面之間的數(shù)據(jù)互通性。

數(shù)據(jù)顯示界面包括發(fā)電量信息、累計收益信息、檢測數(shù)據(jù)等。其中數(shù)據(jù)曲線通過創(chuàng)建QChart對象和相應的QLineSeries對象將其關(guān)聯(lián)，并設置x軸和y軸的范圍與刻度。通過定時器和信號槽機制，定時調(diào)用刷新函數(shù)，將新數(shù)據(jù)添加到圖表中，并更新x軸的范圍，使其顯示最近的一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在QGraphicsView實時顯示數(shù)據(jù)曲線變化的功能［3］。數(shù)據(jù)顯示模塊主要功能如圖5所示。

2.4 數(shù)據(jù)存儲設計

數(shù)據(jù)存儲主要使用兩種方式。一種方式使用MySql存儲，使數(shù)據(jù)采集信息可以長久地記錄。在代碼中通過創(chuàng)建一個QSqlQuery對象query用于執(zhí)行SQL查詢操作，使用query.addBindValue（）函數(shù)將需要插入的數(shù)據(jù)綁定到預處理的SQL語句中，從而將傳入的數(shù)據(jù)值更新到數(shù)據(jù)庫，并查詢和顯示數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)。該方式通過將傳入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)類型，并調(diào)用相應的數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的插入和查詢［4］。數(shù)據(jù)庫管理界面如圖6所示。

另一種方式使用QXlsx保存采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)智能分析等處理。首先使用QXlsx的Document類創(chuàng)建一個XLS文件對象；其次將XLS文件的列名作為表頭寫入文件；最后使用Document類的saveAs函數(shù)將XLS文件保存到指定的文件路徑。

2.5 天氣信息設計

首先創(chuàng)建網(wǎng)絡訪問管理器，并連接finished（）信號和處理HTTP服務返回的數(shù)據(jù)槽函數(shù)；其次根據(jù)城市名稱獲取城市編碼，構(gòu)建天氣查詢的URL，并通過網(wǎng)絡訪問管理器發(fā)送GET請求；再次進行解析JSON數(shù)據(jù)，提取日期、城市、天氣情況、溫度、風力等信息；最后繪制溫度曲線，創(chuàng)建一個QPainter對象，將其綁定到對應的標簽上。通過獲取x軸坐標，即日期標簽的位置，并根據(jù)溫度和平均溫度的差值來確定y軸坐標。繪制溫度點和溫度文字，則分別使用drawEllipse（）函數(shù)和drawText（）函數(shù)繪制。天氣詳情如圖7所示。

3 軟件測試

在實際測試中，通過采集設備、服務器、軟件程序三者聯(lián)動，在不同環(huán)境的不同時間均可實時顯示外部設備所采集的數(shù)據(jù)信息。主界面和子界面的切換友好，TCP連接與調(diào)試均可實時顯示連接狀態(tài)和接受字符串；數(shù)據(jù)顯示可以完整且準確地將服務器發(fā)送的參數(shù)進行曲線顯示；天氣信息可以確切地展示當天及未來四天的情況；數(shù)據(jù)庫顯示界面可以實時查看保存的信息，實現(xiàn)多客戶端聯(lián)動監(jiān)控［5］，保證數(shù)據(jù)準確性。經(jīng)測試，軟件運行穩(wěn)定，交互方式友好，信息顯示清晰完整。軟件數(shù)據(jù)顯示測試如圖8所示。

4 結(jié)語

本研究設計了一款基于Qt框架的風光發(fā)電數(shù)據(jù)采集軟件，實現(xiàn)了系統(tǒng)高效、穩(wěn)定且交互性良好的運行。該軟件可以實時監(jiān)測風力和光伏發(fā)電設備狀態(tài)，深入分析發(fā)電效率和發(fā)電量，為系統(tǒng)優(yōu)化管理提供技術(shù)支持。通過Qt Creator構(gòu)建跨平臺集成開發(fā)環(huán)境，設計直觀用戶界面，提高操作便捷性。利用TCP通信技術(shù)建立數(shù)據(jù)連接，MySql數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，QXlsx進行數(shù)據(jù)顯示。使用QChart和QLineSeries技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，展示數(shù)據(jù)趨勢，提升用戶體驗和分析便利。該軟件穩(wěn)定可靠，可以實時顯示數(shù)據(jù)信息。

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