基于邊緣計算的沼氣發(fā)電效率優(yōu)化系統(tǒng) 沼氣發(fā)電機組有功功率與沼氣濃度匹配，讓發(fā)電量最優(yōu)
深圳市智物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有限公司，成立于2014年，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、解決方案及大數(shù)據(jù)服務提供商。2016年全面布局工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，2017年發(fā)布工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，2018年發(fā)布MixIOT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，入選2018年廣東省工業(yè)企業(yè)“上云上平臺“試點示范”供應商。
MixIOT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，相當于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安卓，為各工業(yè)設(shè)備廠商、設(shè)備服務商、工業(yè)現(xiàn)場提供物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)底層平臺，包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)應用接口。能夠拉低產(chǎn)業(yè)進入的門檻、降低研發(fā)的難度、減少項目部署的周期，幫助更多的企業(yè)加入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中，構(gòu)建起一個完善的生態(tài)鏈，讓產(chǎn)業(yè)更加發(fā)展壯大。
一、 項目概況
1. 項目背景
中油濟柴是我國最早生產(chǎn)柴油機的廠家之一，濟柴設(shè)備種類，一是外購的小型機，用于組裝；二是自研發(fā)電機，用在軍艦、沙漠打井等，用于定制化設(shè)備比較多，提供動力或電力資源。其對系統(tǒng)安全的要求非常嚴格，需采用具有高可靠性的產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)，希望把遍布世界的發(fā)電機組集中監(jiān)控管理，但其生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與應用、產(chǎn)品遠程監(jiān)測與技術(shù)服務無法滿足現(xiàn)有遠程監(jiān)控、預測、大數(shù)據(jù)分析等業(yè)務應用要求。
2. 項目簡介
本方案沼氣發(fā)電效率優(yōu)化Megeo（(Methane Generator Edge Optimizer)）主要由智物聯(lián)的邊緣計算控制器（APIECO）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺（MixIOT）組成，邊緣計算控制器工作在設(shè)備端，一方面采集設(shè)備運行相關(guān)參數(shù)，一方面用內(nèi)部算法模型自動匹配不同的甲烷濃度對應的最佳功率值，并自動調(diào)節(jié)功率，讓機組發(fā)電效率達到最優(yōu)。這些設(shè)備運行參數(shù)，以及通過優(yōu)化后機組發(fā)電量的增量，邊緣計算控制器除了在界面進行展示之外，還將這些數(shù)據(jù)上報到MixIOT平臺。MixIOT一方面展示設(shè)備運行參數(shù)以及設(shè)備功率優(yōu)化效果，另一方面對所有設(shè)備進行集中管理以及策略優(yōu)化。
3. 項目目標
（1）實現(xiàn)設(shè)備安全運行
把原來雜亂的數(shù)據(jù)統(tǒng)計報表、功率、機組、發(fā)電量、達產(chǎn)率等數(shù)據(jù)統(tǒng)籌，實時統(tǒng)計并反饋在PC端、APP和大屏，實時了解所有機組及關(guān)聯(lián)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，保障機組穩(wěn)定運行。
（2）實現(xiàn)發(fā)電機異常停機判斷與保護邊緣計算
發(fā)電機發(fā)生停機時，能夠準確的識別出異常停機并對其采取保護措施，使發(fā)電機完成正常停機過程，延長其使用壽命。
（3）沼氣發(fā)電機功率自動調(diào)整
系統(tǒng)根據(jù)沼氣（甲烷）濃度來實時計算出發(fā)電機組有功功率最優(yōu)值，并下發(fā)調(diào)整，幫助客戶提升發(fā)電能效，提高發(fā)電收益。
二、項目實施概況
沼氣發(fā)電站的所有機組的氣源來自沼氣，由預處理裝置對原有沼氣進行過濾、脫水、加壓等工藝過程后，分配沼氣到每一個機組，絕大多數(shù)預處理裝置并不具備沼氣提純，因而無法控制沼氣的甲烷濃度變化。沼氣發(fā)電機組能否穩(wěn)定高效的運行，母排能否輸出達標電量，取決于沼氣濃度和發(fā)電機組有功功率值的匹配：當沼氣濃度較高，而有功功率較低時，發(fā)電量低，會造成沼氣浪費；當沼氣濃度較低，而有功功率偏高時，會造成發(fā)電機運行不穩(wěn)定，母排并網(wǎng)電量不達標，并有可能導致意外停機。傳統(tǒng)的匹配方式一般都是由有經(jīng)驗的人員手工對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，但手工調(diào)節(jié)存在以下幾個關(guān)鍵痛點：人工效率低，優(yōu)化效果差，試錯成本高，安全有隱患，增產(chǎn)無數(shù)據(jù)等。Megeo可以提高沼氣發(fā)電機組發(fā)電效率，對發(fā)電機組及其相關(guān)設(shè)備進行集中管理，減少因故障對電站帶來的損失，優(yōu)化使用策略。
1. 項目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容
（1） 項目總體技術(shù)方案
本方案Megeo的內(nèi)部算法模型會自動匹配不同的甲烷濃度對應的最佳功率值，通過自動調(diào)節(jié)功率值，讓機組發(fā)電效率達到最優(yōu)。
圖1 項目總體技術(shù)方案
（2） 項目總體架構(gòu)
本方案采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)體系，分別是數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)應用層。它向下通過可編程的適配器，可連接各種類型的工業(yè)設(shè)備和傳感器；中間MixIOT的核心層則對采集上來的各種數(shù)據(jù)進行路由、分類和存儲；向上則提供了標準的數(shù)據(jù)開放接口和適配典型行業(yè)場景的開發(fā)套件，可讓軟件開發(fā)商方便、專注的進行行業(yè)應用開發(fā)。同時MixIOT還提供了各種基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析和邊緣計算的工具包，可幫助使用者進一步挖掘工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的客戶價值和數(shù)據(jù)價值。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖所示：
圖2 項目總體架構(gòu)
在整個MixIOT系統(tǒng)架構(gòu)中，邊緣優(yōu)化產(chǎn)品是其中的一部分，而沼氣發(fā)電效率優(yōu)化產(chǎn)品Megeo又是邊緣優(yōu)化產(chǎn)品中的一員。
如圖3是Megeo產(chǎn)品中邊緣控制器展示的界面，總共三部分數(shù)據(jù)，一部分是所有數(shù)據(jù)的實時狀態(tài)展示（圖中顯示不全，界面還可以下拉），一部分是重要參數(shù)甲烷濃度和有功功率設(shè)定值/優(yōu)化值的實時和歷史數(shù)據(jù)展示，還有一部分是優(yōu)化策略下的各個指數(shù)。
圖3：Megeo展示界面
詳細解釋：
Total AP：總功率，例如開啟3臺發(fā)電機組，每臺機組設(shè)置的有功功率800KW，總功率2400KW；
Balance：平衡度，表示一段時間內(nèi)優(yōu)化后值的平衡程度，100%為最平衡，往下是相對不平衡，表示優(yōu)化對于機器是否起較穩(wěn)定的作用，越不平衡表示優(yōu)化的次數(shù)與幅度改變較多，屬于優(yōu)化初始階段；
Optimized：可優(yōu)化度，優(yōu)化改變程度，一方面表示是否在優(yōu)化，另一方面表示需要優(yōu)化的大小程度，即該值越大，需要優(yōu)化或者說能優(yōu)化的力度越大；
Overlap：狀態(tài)重合率，表示機器優(yōu)化前與優(yōu)化后兩者的運行狀態(tài)的相似程度，100%為最相似越相似，說明優(yōu)化前后機器耗損越一致，機器不會因為優(yōu)化措施造成人為機器損耗；
Prod Gain：獲得率，表示優(yōu)化后比優(yōu)化前單位時間多發(fā)點的百分比；
Cumulative Gain：累積獲得量，表示優(yōu)化后比優(yōu)化前多獲得發(fā)電量；
Target：廠家原始設(shè)置的有功功率值；
Alternative：替換建議值，即優(yōu)化方案值；
Detected CH4：甲烷濃度值；
在Megeo產(chǎn)品中，需要由邊緣計算控制器（APIECO）跟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺（MixIOT）緊密配合。
? 邊緣計算控制器（APIECO）
APIECO是一個功能強大的邊緣計算控制器，同時也是一個數(shù)據(jù)采集器。
當作為數(shù)據(jù)采集器的時候，APIECO能采集的數(shù)據(jù)量達到2000個，如果對數(shù)據(jù)實時性要求不高的時候甚至可以更多，APIECO采集數(shù)據(jù)的功能可以讓用戶自己配置，對于不同數(shù)據(jù)上報到云端的策略都可以自己調(diào)整，比如5秒上報一次，10秒上報，20秒上報一次等等，本方案通過在web端做了配置工具供用戶使用，讓不懂編程的人也能通過簡單的配置完成數(shù)據(jù)采集。
當作為邊緣計算控制器，APIECO內(nèi)部算法會定期監(jiān)測一次設(shè)備運行狀況，比如5分鐘一次，10分鐘一次，15分鐘一次等等，用戶可以自行調(diào)節(jié)。在Megeo產(chǎn)品中，APIECO默認每五分鐘監(jiān)測一次發(fā)電效率是否達到最優(yōu)，如果沒有達到，就要通過調(diào)整機組功率到合適的值，從而提高設(shè)備的發(fā)電效率。APIECO同時會每5秒鐘監(jiān)測一次設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)，必要時再做出決策。
圖4硬件接口
在數(shù)據(jù)采集方面，APIECO物理接口支持232/485/LAN/CAN；在數(shù)據(jù)傳輸方面，APIECO支持2G/4G/WIFI/網(wǎng)口，不同的接口和網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，都有對應的產(chǎn)品型號，用戶可以根據(jù)自己的應用場景進行挑選。
? APIECO優(yōu)化原理
1）調(diào)整目標
在恒定的條件下，每一個甲烷濃度都會對應一個最佳發(fā)電總功率，總功率是所有機臺有功功率總和，理想情況下對總功率按機臺總數(shù)平均即可得到各臺發(fā)電機的最優(yōu)發(fā)電功率，按機器最大發(fā)電能力換算可得到負載，例如，電機最大發(fā)電能力為 1000KW，需要設(shè)置的功率為 800KW，則負載為 80%。
實際上涉及到外界條件對發(fā)電機的影響，在滿負荷的情況下，發(fā)電機的有功功率有可能不會同樣達到最佳功率，會受一些約束條件影響導致發(fā)電機保證約束條件滿足下調(diào)整上限不一致，各個發(fā)電機分配的有功功率不會一致。調(diào)整使用的是 5 分鐘一調(diào)的自動反向控制策略，以當前功率為基準，以 10KW 為最大步長靠近最優(yōu)發(fā)電功率值，以此保證機臺不會因為大幅度頻繁調(diào)整而導致的設(shè)備損耗或者不穩(wěn)定現(xiàn)象。
無論在滿負荷情況下還是正常情況下，都會有保證安全的約束條件，而這些約束都是上限值，也就是降載到一定程度就能保證滿足約束條件。同時要保證能靠近最優(yōu)發(fā)電功率。
2）監(jiān)控機制
監(jiān)控機制與調(diào)整策略不同，是以5秒鐘的間隔檢測，一旦檢測到不滿足約束條件則立即降載，直至滿足約束條件為止。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺（MixIOT）
MixIOT根據(jù)不同的功能需要扮演了幾個角色：
1.MixIOT相當于一個數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。將通過APIECO采集到的沼氣發(fā)電機組工作數(shù)據(jù)和優(yōu)化結(jié)果、優(yōu)化統(tǒng)計上報到MixIOT, 最終由MixIOT進行數(shù)據(jù)運算和呈現(xiàn)、統(tǒng)計。
2. MixIOT相當于一個云端的中控，可以下發(fā)各種策略給邊緣計算控制器，比如針對不同的設(shè)備，MixIOT可以根據(jù)客戶選擇、也可以通過歷史大數(shù)據(jù)分析決定該設(shè)備的優(yōu)化策略是以安全優(yōu)先，還是產(chǎn)量優(yōu)先。如果是以安全優(yōu)先，那么就要下發(fā)較為保守的策略；如果是產(chǎn)量優(yōu)先，則可能會下發(fā)較為激進的策略給邊緣計算控制器。
3. MixIOT還提供了規(guī)則配置工具。當用戶要對邊緣端的采集數(shù)據(jù)進行調(diào)整，比如修改采集參數(shù)，修改參數(shù)上報策略等，無需進行任何代碼編寫，只需通過MixIOT的規(guī)則工具進行配置，然后下發(fā)到APIECO即可，極大的方便了客戶。
（3）與聯(lián)盟體系架構(gòu)的對應關(guān)系
本解決方案與聯(lián)盟體系架構(gòu)的對應關(guān)系主要作用于連接 7，即工廠云平臺（及管理軟件）與協(xié)作平臺。
2. 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案和應用
本方案采用云平臺+本地部署的方式提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方案，將商業(yè)數(shù)據(jù)和設(shè)備原始數(shù)據(jù)分離存儲，既實現(xiàn)了系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)的高效處理，又從根本上保護了用戶的數(shù)據(jù)安全。同時根據(jù)項目具體情況，支持本地化部署。
本方案通過適配器實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、遠程控制執(zhí)行、集中智能控制、以及邊緣計算服務。針對發(fā)電機（組）設(shè)備使用場景及地域，本項目提供不同版本的適配器，包括APRUS II 和 APRUS III（第二代、第三代可編程工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)適配器）、APIECO（可編程工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算控制器）。APRUS II 和 APRUS III 適用于大多數(shù)工業(yè)設(shè)備，通過可編程方法，決定使用不同物理接口、使用不同數(shù)據(jù)交互協(xié)議、與不同平臺交互，可廣泛適配各自不同工業(yè)設(shè)備。APIECO 除了兼有 APRUS 系列的數(shù)據(jù)采集功能外，還可以實現(xiàn)邊緣計算，以及復雜裝置的聯(lián)動智能控制。數(shù)據(jù)傳輸支持2G、4G及wifi傳輸，保障客戶數(shù)據(jù)的實時獲取。
圖4系統(tǒng)連接示意圖
3. 安全及可靠性
智物聯(lián)的邊緣計算控制器當發(fā)生影響設(shè)備安全運行的參數(shù)變化時，可自動調(diào)整有功功率值，保證設(shè)備安全平穩(wěn)運行。
MixIOT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架，從數(shù)據(jù)精確采集到傳輸、處理、展現(xiàn)，每個環(huán)節(jié)都通過不同加密方式進行數(shù)據(jù)加密，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；企業(yè)運營數(shù)據(jù)及商業(yè)信息全部存儲在中石油濟柴本地服務器，商業(yè)數(shù)據(jù)于工業(yè)數(shù)據(jù)的有效分離讓企業(yè)管理“高枕無憂”。
4. 其他亮點
(1)人為操作多臺機器時存在不及時、主觀性強、失誤率高的情況，自動調(diào)節(jié)控制可保證準確性和及時性，省去了人工調(diào)節(jié)的人力資源和時間成本；
(2)各個設(shè)備穩(wěn)定與否是難以預測的，各個設(shè)備應調(diào)節(jié)的功率值也因穩(wěn)定性而定，原平均分配總功率的方式會造成異常風險發(fā)生的概率大，自動控制算法可實時檢測穩(wěn)定性及合理分配，保證所有設(shè)備長時間正常運行。
三、下一步實施計劃
1. 計劃1
目前智物聯(lián)正在跟濟柴做深度合作，和濟柴發(fā)電機組專家對接，研究機理、預測故障的準確度。雖然發(fā)電機組的運作原理大同小異，但隨著我們深入研究發(fā)電機組，預測率、準確率不斷提高，未來將會提高整個行業(yè)的故障預測的準確度，推動整個行業(yè)的變革。
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進性及創(chuàng)新點
（1）發(fā)電機組異常停機判斷與保護邊緣計算
沼氣發(fā)電機組在工作過程中，由于沼氣的燃燒速度很慢，所以對沼氣發(fā)動機有較高的要求。若發(fā)生異常停機，在高溫下熄火，可能直接導致在下次發(fā)電機啟動時，摩擦表面缺失潤滑油，加劇機械部件磨損，從而影響到發(fā)電機的使用壽命。本方案通過獲取的停機時段的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，判斷是否是異常停機，若發(fā)生異常停機，則啟動該邊緣計算的保護機制，使發(fā)電機完成正常停機過程，對發(fā)電機起到保護作用，延長其使用壽命。
（2）沼氣發(fā)電機組功率自動調(diào)整
傳統(tǒng)的電站，是憑著工作人員的經(jīng)驗來調(diào)整機組功率，比如，根據(jù)經(jīng)驗某個電站的機組在某種沼氣濃度下設(shè)置800KW的功率比較合適。但是一方面經(jīng)驗值是很難傳承的，換一個工作人員可能就會得出另外的經(jīng)驗；另一方面人通常出于保守考慮會將經(jīng)驗值放低，以防出現(xiàn)安全事故。這樣，無形當中都會降低了機組的發(fā)電效率。本方案通過自動匹配不同的甲烷濃度對應的最佳功率值，通過自動調(diào)節(jié)功率值，讓機組發(fā)電效率達到最優(yōu)。
2. 實施效果
在成功采集濟柴沼氣發(fā)電機組設(shè)備運行數(shù)據(jù)后，智物聯(lián)MixIOT收集大量數(shù)據(jù)樣本，對此類數(shù)據(jù)樣本進行分析、處理、計算，同時與濟柴進行合作，建立符合實際生產(chǎn)場景的數(shù)學模型，并應用于中油濟柴的客戶膠州百川電廠的沼氣發(fā)電機組，在實際生產(chǎn)場景中，系統(tǒng)可以根據(jù)沼氣（甲烷）濃度來實時計算出發(fā)電機組有功功率最優(yōu)值，幫助客戶提升發(fā)電能效，提高發(fā)電收益。
（1） 通過使用Megeo，提升百川電廠有效發(fā)電效率15%；
（2） 按每臺發(fā)電機原本一天發(fā)電18000度計算，實際每臺發(fā)電機提升收益 8-10萬/年；
（3） 合理掌控設(shè)備運行狀態(tài)和一線管理人員工作狀態(tài)；
聲明
本報告所載的材料和信息，包括但不限于文本、圖片、數(shù)據(jù)、觀點、建議，不構(gòu)成法律建議，也不應替代律師意見。本報告所有材料或內(nèi)容的知識產(chǎn)權(quán)歸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟所有（注明是引自其他方的內(nèi)容除外），并受法律保護。如需轉(zhuǎn)載，需聯(lián)系本聯(lián)盟并獲得授權(quán)許可。未經(jīng)授權(quán)許可，任何人不得將報告的全部或部分內(nèi)容以發(fā)布、轉(zhuǎn)載、匯編、轉(zhuǎn)讓、出售等方式使用，不得將報告的全部或部分內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)方式傳播，不得在任何公開場合使用報告內(nèi)相關(guān)描述及相關(guān)數(shù)據(jù)圖表。違反上述聲明者，本聯(lián)盟將追究其相關(guān)法律責任。
AII微信公眾號
AII頭條號