一种基于分布式的水电站信息数据监控系统

技术领域

本发明涉及数据监控技术领域，具体是一种基于分布式的水电站信息数据监控系统。

背景技术

水电站是将水能转换为电能的综合工程设施，又称水电厂，它包括为利用水能生产电能而兴建的一系列水电站建筑物及装设的各种水电站设备。水电站将高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路等将电能输入电网。水电站运行时，会受到不同河流之间补偿调节的影响，因此，除了需要注意电站的检修，对水电站进行监控也是确保水电站正常运行的一项重要手段。

对比文件CN114442543A“一种适用于水电站故障预警的计算机监测方法”本发明通过计算机监控系统实时监测水电站运行状态数据，能够根据运行状态数据诊断故障并对故障进行预警，从而提高了故障诊断的效率，继而提高了水电站运行的安全性及可靠性。

对比文件CN112817998A“水电站数据自动比对及同步的方法及系统”提高数据比对及同步水平和相关系统运行效率，确保相关系统数据的准确性和一致性，避免因数据不一致带来的报警不正确或数值显示不正确、控制令错位等问题，提高资源使用的有效性。

对于水电站机组设备运行的数据进行监控需要数据传输具有高效率和高精度性，现有水电站运行系统中普遍存在冗余度低、可靠性低，当主线路节点发生故障时，全系统就会瘫痪，同时数据监测精度不高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于分布式的水电站信息数据监控系统，包括监控中心，所述监控中心通信连接有节点分布规划模块、数据采集模块、数据存储模块、数据分析模块、心跳检测模块、容错自动切换模块和数据可视化模块；

所述节点分布规划模块用于获取水电站中各个位置的流程特性，根据所述流程特性在各个关键位置上设置若干数据监测点位，并将所述数据监测点位划分为一个主节点和若干冗余节点；

所述数据采集模块与数据监测点位之间通过5G网络进行分布式的无线通信，用于获取若干个主节点采集的数据并将其传输至数据分析模块；

所述数据存储模块用于存储各数据监测点位的历史数据；

所述数据分析模块用于根据各流程子序列的监测数据对各主节点的状态进行标记，生成关于异常状态的主节点的异常检测信息，并将所述异常检测信息发送至心跳检测模块；

所述心跳检测模块通过心跳响应检测对异常状态的主节点的是否发生故障或网络拥塞以及所述主节点所属的运行设备是否故障进行判断，并生成相应的故障信息发送至容错自动切换模块；

所述容错自动切换模块在接收到故障状态以及网络拥塞状态的主节点的故障信息后，对所述主节点以及相关的冗余节点的进行自动切换操作；

所述数据可视化模块用于构建水电站数据可视化模型，通过水电站数据可视化模型将各流程子序列的监测数据进行可视化显示。

进一步的，所述节点分布规划模块获取水电站中各个位置的流程特性的过程包括：

获取当前水电站各个位置的运行设备的功能特性，根据所述功能特性提取流程信息，根据所述流程信息将水电站运行过程进行拆分，划分为若干流程子序列。

进一步的，所述节点分布规划模块根据所述流程特性在各个关键位置上设置若干数据监测点位的过程包括：

根据各流程子序列中的各功能特性选取评价指标，并根据历史数据设置评价指标的指标权重，设置重要性评价等级以及预设重要性等级，通过模糊综合评价判断各流程子序列对于重要性评价等级的隶属度矩阵；

根据所述隶属度矩阵及指标权重获得模糊综合评价结果，根据所述模糊综合评价结果获取水电站各个流程子序列的重要性评价等级，通过流程子序列的重要性评价等级与预设重要性等级进行对比，将重要性评价等级大于预设重要性等级的流程子序列设置数据监测点位，并根据所述流程子序列的重要性评价等级和评价指标确定数据监测点位数量和数据监测点位的数据监测指标。

进一步的，所述节点分布规划模块根据历史数据设置评价指标的指标权重的过程包括：

从数据存储模块获取各流程子序列的评价指标的若干历史周期的历史数据监测结果以及对应的历史评价指标阈值范围，将历史数据监测结果与对应的历史评价指标阈值范围进行对比，获取历史数据监测结果不符合对应的历史评价指标阈值范围内的异常累积次数，根据所述异常累积次数确定评价指标的指标权重。

进一步的，所述数据分析模块根据各流程子序列的监测数据对各主节点的状态进行标记，生成关于异常状态的主节点的异常检测信息，并将所述异常检测信息发送至心跳检测模块的过程包括：

获取各个主节点的实时环境参数，从数据存储模块获取不同环境参数下的各个主节点的数据监测指标的阈值范围，将各个主节点的实时环境参数与同环境参数下的各个主节点的数据监测指标的阈值范围进行一致性匹配，选取与各个主节点的实时环境参数一致的数据监测指标的阈值范围；

获取各个主节点的监测指标数据，将监测指标数据与对应的数据监测指标的阈值范围进行对比；

若所述监测指标数据不在对应的数据监测指标的阈值范围内，则将所述监测指标数据所属的主节点标记为异常状态，并发送异常检测信息至心跳检测模块。

进一步的，所述心跳检测模块通过心跳响应检测对异常状态的主节点的是否发生故障或网络拥塞以及所述主节点所属的运行设备是否故障进行判断的过程包括：

设置心跳间隔时间和响应延迟阈值，所述心跳检测模块从接收到异常检测信息的时刻开始，每隔一个心跳间隔时间向异常状态的主节点发送心跳信号，所述主节点在接收到心跳信号后，则向心跳检测模块发送对应的心跳反馈信号；

所述心跳检测模块将心跳间隔时间与响应延迟阈值之和作为心跳检测窗口，并根据心跳检测窗口内是否成功接收到心跳反馈信号对主节点是否发生故障或网络拥塞进行判断。

进一步的，所述心跳检测模块根据心跳检测窗口内是否成功接收到心跳反馈信号对主节点是否发生故障或网络拥塞进行判断的过程包括：

设置心跳间隔时间和响应延迟阈值，所述心跳检测模块从接收到异常检测信息的时刻开始，每隔一个心跳间隔时间向异常状态的主节点发送心跳信号，所述主节点在接收到心跳信号后，则向心跳检测模块发送对应的心跳反馈信号；

所述心跳检测模块将心跳间隔时间与响应延迟阈值之和作为心跳检测窗口，并根据心跳检测窗口内是否成功接收到心跳反馈信号对主节点是否发生故障或网络拥塞进行判断；

设置心跳检测周期，所述心跳检测周期由若干个连续的心跳检测窗口组成，所述主节点向异常状态的主节点发送心跳信号后，若在心跳检测窗口内接收到对应的心跳反馈信号，则在所述心跳检测窗口上添加响应成功窗口标签；

若所述心跳检测模块在心跳检测周期内未检测到响应成功窗口标签，则将所述主节点标记为节点故障状态，并生成节点故障信息发送至容错自动切换模块；

若所述心跳检测模块在心跳检测周期内检测到响应成功窗口标签，则设置比例阈值，获取心跳检测周期内的响应成功窗口标签数量与心跳检测窗口数量的数值比例，将所述数值比例与比例阈值进行比较；

若所述数值比例大于等于比例阈值，则将所述主节点标记为正常状态，并将所述主节点所属的运行设备标记为设备故障状态；

若所述数值比例小于比例阈值，则将所述主节点标记为网络拥塞状态，并生成节点网络拥塞信息发送至容错自动切换模块。

进一步的，所述容错自动切换模块在接收到故障状态的主节点的故障信息后，对所述主节点以及相关的冗余节点的进行自动切换操作的过程包括：

当获取节点故障状态的主节点的节点故障信息时，基于节点故障信息获取节点故障状态的主节点的位置信息，并获取与所述节点故障状态的主节点的位置距离最近的冗余节点，对所述冗余节点进行心跳检测模块检测后，若所述冗余节点为正常状态，则将所述冗余节点标记为新的主节点；

若所述冗余节点为故障状态，则排除该冗余节点，并重复上述主节点选择操作。

进一步的，所述容错自动切换模块在接收到网络拥塞状态的主节点的故障信息后，对所述主节点以及相关的冗余节点的进行自动切换操作的过程包括：

当获取网络拥塞状态的主节点的节点网络拥塞信息时，基于节点网络拥塞信息获取网络拥塞状态的主节点的位置信息，并获取与所述网络拥塞状态的主节点的位置距离最近的冗余节点，对所述冗余节点进行心跳检测模块检测后，若所述冗余节点为正常状态，则将所述冗余节点标记为从节点，所述从节点用于分摊主节点的数据流量；

若所述冗余节点分摊主节点的数据流量后，所述主节点仍然保持网络拥塞状态，则重复上述从节点选择操作，直至主节点为正常状态。

进一步的，所述数据可视化模块构建水电站数据可视化模型，通过水电站数据可视化模型将各流程子序列的监测数据进行可视化显示的过程包括：

获取当前水电站物理空间中各个位置的运行设备的物理实体，获取当前水电站运行过程中各数据监测点位的多源异构数据，并进行数据格式预处理获得孪生数据集，将水电站运行设备的物理实体进行三维建模处理映射至数字空间，获取物理空间中物理实体的装配连接关系，根据物理空间中物理实体的装配连接关系在数字空间中将孪生数据与三维模型进行匹配获取数据孪生模型；

获取数据孪生模型中各流程子序列的不同孪生数据场景，并对所述孪生数据场景进行色彩赋值，并将色彩赋值后的孪生数据场景存储至数字空间，将数据孪生模型中的三维模型结合对应流程子序列当前孪生数据场景生成水电站数据可视化模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过将水电站信息数据监控功能分布在多个节点上，所述容错自动切换模块在接收到故障状态以及网络拥塞状态的主节点的故障信息后，对所述主节点以及相关的冗余节点的进行自动切换操作，所述分布式架构提高了系统的可靠性和可扩展性，即使某个节点发生故障，其他节点仍然可以正常工作，且相较于现有技术对于监测节点的转化需要人工介入，本发明的故障节点自动切换操作大大提高了水电站监测效率以及精确度。

2、通过水电站数据可视化模型将各流程子序列的监测数据进行可视化显示，帮助运维人员通过数据显示等功能对数据进行处理和管理，帮助运维人员及时掌握水电站的运行状态，提高了水电站信息数据监控的效率和精度。

附图说明

图1为本申请实施例的一种基于分布式的水电站信息数据监控系统的原理图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，一种基于分布式的水电站信息数据监控系统，包括监控中心，所述监控中心通信连接有节点分布规划模块、数据采集模块、数据存储模块、数据分析模块、心跳检测模块、容错自动切换模块和数据可视化模块；

所述节点分布规划模块用于获取水电站中各个位置的流程特性，根据所述流程特性在各个关键位置上设置若干数据监测点位，并将所述数据监测点位划分为一个主节点和若干冗余节点；

所述数据采集模块与数据监测点位之间通过5G网络进行分布式的无线通信，用于获取若干个主节点采集的数据并将其传输至数据分析模块；

所述数据存储模块用于存储各数据监测点位的历史数据；

所述数据分析模块用于根据各流程子序列的监测数据对各主节点的状态进行标记，生成关于异常状态的主节点的异常检测信息，并将所述异常检测信息发送至心跳检测模块；

所述心跳检测模块通过心跳响应检测对异常状态的主节点的是否发生故障或网络拥塞以及所述主节点所属的运行设备是否故障进行判断，并生成相应的故障信息发送至容错自动切换模块；

所述容错自动切换模块在接收到故障状态以及网络拥塞状态的主节点的故障信息后，对所述主节点以及相关的冗余节点的进行自动切换操作；

所述数据可视化模块用于构建水电站数据可视化模型，通过水电站数据可视化模型将各流程子序列的监测数据进行可视化显示。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述节点分布规划模块获取水电站中各个位置的流程特性的过程包括：

获取当前水电站各个位置的运行设备的功能特性，根据所述功能特性提取流程信息，根据所述流程信息将水电站运行过程进行拆分，划分为若干流程子序列。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述节点分布规划模块根据所述流程特性在各个关键位置上设置若干数据监测点位的过程包括：

根据各流程子序列中的各功能特性选取评价指标，并根据历史数据设置评价指标的指标权重，设置重要性评价等级以及预设重要性等级，通过模糊综合评价判断各流程子序列对于重要性评价等级的隶属度矩阵；

根据所述隶属度矩阵及指标权重获得模糊综合评价结果，根据所述模糊综合评价结果获取水电站各个流程子序列的重要性评价等级，通过流程子序列的重要性评价等级与预设重要性等级进行对比，将重要性评价等级大于预设重要性等级的流程子序列设置数据监测点位，并根据所述流程子序列的重要性评价等级和评价指标确定数据监测点位数量和数据监测点位的数据监测指标。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，水电站运行设备的功能特性包括：

水轮机和发电机，负责转换水能为机械能，驱动发电机产生电能；

断路器和开关：用于控制和保护发电设备及输电线路的电气设备。断路器用于隔离线路并切断电流，开关用于控制线路的通断；

变压器：用于将发电机产生的高电压转换为输电线路所需的高压电能，以便通过输电线路将电能输送到用户；

闸门和阀门：用于调节水流量和水位的控制设备，可以控制水的引导和导流，保证水能充分利用并协调供需平衡；

水泵：用于提升水位或增加水流量，以增强发电机组的发电能力。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，各个水电站运行设备的监测指标包括：水位、水压、流量、温度、振动等测量和监测水电站运行的各种参数，以提供实时数据用于运行管理和故障诊断。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，根据历史数据设置评价指标的指标权重的过程包括：

从数据存储模块获取各流程子序列的评价指标的若干历史周期的历史数据监测结果以及对应的历史评价指标阈值范围，将历史数据监测结果与对应的历史评价指标阈值范围进行对比，获取历史数据监测结果不符合对应的历史评价指标阈值范围内的异常累积次数SN

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，根据所述隶属度矩阵及指标权重获得模糊综合评价结果的过程包括：

通过如下公式融合所述流程子序列的各项指标数据的权重指标矩阵与隶属度矩阵以获得流程子序列的模糊综合评价结果矩阵，根据所述模糊综合评价结果矩阵获得模糊综合评价结果；

其中，所述公式为：

M＝αM

其中，M为所述流程子序列的模糊综合评价结果矩阵，M

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述数据分析模块根据各流程子序列的监测数据对各主节点的状态进行标记，生成关于异常状态的主节点的异常检测信息，并将所述异常检测信息发送至心跳检测模块的过程包括：

获取各个主节点的实时环境参数，从数据存储模块获取不同环境参数下的各个主节点的数据监测指标的阈值范围，将各个主节点的实时环境参数与同环境参数下的各个主节点的数据监测指标的阈值范围进行一致性匹配，选取与各个主节点的实时环境参数一致的数据监测指标的阈值范围；

获取各个主节点的监测指标数据，将监测指标数据与对应的数据监测指标的阈值范围进行对比获取；

若所述监测指标数据不在对应的数据监测指标的阈值范围内，则将所述监测指标数据所属的主节点标记为异常状态，并发送异常检测信息至心跳检测模块。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述心跳检测模块通过心跳响应检测对异常状态的主节点的是否发生故障或网络拥塞以及所述主节点所属的运行设备是否故障进行判断的过程包括：

设置心跳间隔时间和响应延迟阈值，所述心跳检测模块从接收到异常检测信息的时刻开始，每隔一个心跳间隔时间向异常状态的主节点发送心跳信号，所述主节点在接收到心跳信号后，则向心跳检测模块发送对应的心跳反馈信号；

所述心跳检测模块将心跳间隔时间与响应延迟阈值之和作为心跳检测窗口，并根据心跳检测窗口内是否成功接收到心跳反馈信号对主节点是否发生故障或网络拥塞进行判断。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述心跳检测模块根据心跳检测窗口内是否成功接收到心跳反馈信号对主节点是否发生故障或网络拥塞进行判断的过程包括：

设置心跳间隔时间和响应延迟阈值，所述心跳检测模块从接收到异常检测信息的时刻开始，每隔一个心跳间隔时间向异常状态的主节点发送心跳信号，所述主节点在接收到心跳信号后，则向心跳检测模块发送对应的心跳反馈信号；

所述心跳检测模块将心跳间隔时间与响应延迟阈值之和作为心跳检测窗口，并根据心跳检测窗口内是否成功接收到心跳反馈信号对主节点是否发生故障或网络拥塞进行判断；

设置心跳检测周期，所述心跳检测周期由若干个连续的心跳检测窗口组成，所述主节点向异常状态的主节点发送心跳信号后，若在心跳检测窗口内接收到对应的心跳反馈信号，则在所述心跳检测窗口上添加响应成功窗口标签；

若所述心跳检测模块在心跳检测周期内未检测到响应成功窗口标签，则将所述主节点标记为节点故障状态，并生成节点故障信息发送至容错自动切换模块；

若所述心跳检测模块在心跳检测周期内检测到响应成功窗口标签，则设置比例阈值，获取心跳检测周期内的响应成功窗口标签数量与心跳检测窗口数量的数值比例，将所述数值比例与比例阈值进行比较；

若所述数值比例大于等于比例阈值，则将所述主节点标记为正常状态，并将所述主节点所属的运行设备标记为设备故障状态；

若所述数值比例小于比例阈值，则将所述主节点标记为网络拥塞状态，并生成节点网络拥塞信息发送至容错自动切换模块。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述容错自动切换模块在接收到故障状态的主节点的故障信息后，对所述主节点以及相关的冗余节点的进行自动切换操作的过程包括：

当获取节点故障状态的主节点的节点故障信息时，基于节点故障信息获取节点故障状态的主节点的位置信息，并获取与所述节点故障状态的主节点的位置距离最近的冗余节点，对所述冗余节点进行心跳检测模块检测后，若所述冗余节点为正常状态，则将所述冗余节点标记为新的主节点；

若所述冗余节点为故障状态，则排除该冗余节点，并重复上述主节点选择操作。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述容错自动切换模块在接收到网络拥塞状态的主节点的故障信息后，对所述主节点以及相关的冗余节点的进行自动切换操作的过程包括：

当获取网络拥塞状态的主节点的节点网络拥塞信息时，基于节点网络拥塞信息获取网络拥塞状态的主节点的位置信息，并获取与所述网络拥塞状态的主节点的位置距离最近的冗余节点，对所述冗余节点进行心跳检测模块检测后，若所述冗余节点为正常状态，则将所述冗余节点标记为从节点，所述从节点用于分摊主节点的数据流量；

若所述冗余节点分摊主节点的数据流量后，所述主节点仍然保持网络拥塞状态，则重复上述从节点选择操作，直至主节点为正常状态。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述数据可视化模块构建水电站数据可视化模型，通过水电站数据可视化模型将各流程子序列的监测数据进行可视化显示的过程包括：

获取当前水电站物理空间中各个位置的运行设备的物理实体，获取当前水电站运行过程中各数据监测点位的多源异构数据，并进行数据格式预处理获得孪生数据集，将水电站运行设备的物理实体进行三维建模处理映射至数字空间，获取物理空间中物理实体的装配连接关系，根据物理空间中物理实体的装配连接关系在数字空间中将孪生数据与三维模型进行匹配获取数据孪生模型；

获取数据孪生模型中各流程子序列的不同孪生数据场景，并对所述孪生数据场景进行色彩赋值，并将色彩赋值后的孪生数据场景存储至数字空间，将数据孪生模型中的三维模型结合对应流程子序列当前孪生数据场景生成水电站数据可视化模型。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，各流程子序列的不同孪生数据场景包括：根据心跳检测模块将所述流程子序列所属的运行设备标记为故障状态的场景信息、根据容错自动切换模块将所述流程子序列的主节点以及冗余节点进行自动切换的场景信息。

需要进一步说明的是，在具体实施过程中，对所述孪生数据场景进行色彩赋值的过程包括：根据心跳检测模块将所述流程子序列所属的运行设备标记为故障状态的场景信息将所述孪生数据场景标记为红色，根据容错自动切换模块将所述流程子序列的主节点以及冗余节点进行自动切换的场景信息将所述孪生数据场景标记为橙色，根据所述流程子序列的主节点和从节点的数量信息将所述孪生数据场景标记为其它不同的颜色。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。