基于邊緣計算的沼氣發電效率優化系統 沼氣發電機組有功功率與沼氣濃度匹配，讓發電量最優
深圳市智物聯網絡有限公司，成立于2014年，是工業互聯網平臺、解決方案及大數據服務提供商。2016年全面布局工業物聯網解決方案，2017年發布工業大數據平臺，2018年發布MixIOT工業互聯網云平臺，入選2018年廣東省工業企業“上云上平臺“試點示范”供應商。
MixIOT工業互聯網云平臺，相當于工業互聯網的安卓，為各工業設備廠商、設備服務商、工業現場提供物聯網基礎底層平臺，包括物聯網數據接收、數據存儲，數據處理，以及數據應用接口。能夠拉低產業進入的門檻、降低研發的難度、減少項目部署的周期，幫助更多的企業加入工業互聯網產業中，構建起一個完善的生態鏈，讓產業更加發展壯大。
一、 項目概況
1. 項目背景
中油濟柴是我國最早生產柴油機的廠家之一，濟柴設備種類，一是外購的小型機，用于組裝；二是自研發電機，用在軍艦、沙漠打井等，用于定制化設備比較多，提供動力或電力資源。其對系統安全的要求非常嚴格，需采用具有高可靠性的產品和結構，希望把遍布世界的發電機組集中監控管理，但其生產數據采集與應用、產品遠程監測與技術服務無法滿足現有遠程監控、預測、大數據分析等業務應用要求。
2. 項目簡介
本方案沼氣發電效率優化Megeo（(Methane Generator Edge Optimizer)）主要由智物聯的邊緣計算控制器（APIECO）和工業互聯網平臺（MixIOT）組成，邊緣計算控制器工作在設備端，一方面采集設備運行相關參數，一方面用內部算法模型自動匹配不同的甲烷濃度對應的最佳功率值，并自動調節功率，讓機組發電效率達到最優。這些設備運行參數，以及通過優化后機組發電量的增量，邊緣計算控制器除了在界面進行展示之外，還將這些數據上報到MixIOT平臺。MixIOT一方面展示設備運行參數以及設備功率優化效果，另一方面對所有設備進行集中管理以及策略優化。
3. 項目目標
（1）實現設備安全運行
把原來雜亂的數據統計報表、功率、機組、發電量、達產率等數據統籌，實時統計并反饋在PC端、APP和大屏，實時了解所有機組及關聯設備的運行數據，保障機組穩定運行。
（2）實現發電機異常停機判斷與保護邊緣計算
發電機發生停機時，能夠準確的識別出異常停機并對其采取保護措施，使發電機完成正常停機過程，延長其使用壽命。
（3）沼氣發電機功率自動調整
系統根據沼氣（甲烷）濃度來實時計算出發電機組有功功率最優值，并下發調整，幫助客戶提升發電能效，提高發電收益。
二、項目實施概況
沼氣發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。沼氣發電機組能否穩定高效的運行，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，會造成發電機運行不穩定，母排并網電量不達標，并有可能導致意外停機。傳統的匹配方式一般都是由有經驗的人員手工對參數進行調節，但手工調節存在以下幾個關鍵痛點：人工效率低，優化效果差，試錯成本高，安全有隱患，增產無數據等。Megeo可以提高沼氣發電機組發電效率，對發電機組及其相關設備進行集中管理，減少因故障對電站帶來的損失，優化使用策略。
1. 項目總體架構和主要內容
（1） 項目總體技術方案
本方案Megeo的內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，通過自動調節功率值，讓機組發電效率達到最優。
圖1 項目總體技術方案
（2） 項目總體架構
本方案采用工業互聯網分層架構體系，分別是數據采集層、數據處理層和數據應用層。它向下通過可編程的適配器，可連接各種類型的工業設備和傳感器；中間MixIOT的核心層則對采集上來的各種數據進行路由、分類和存儲；向上則提供了標準的數據開放接口和適配典型行業場景的開發套件，可讓軟件開發商方便、專注的進行行業應用開發。同時MixIOT還提供了各種基礎的數據分析和邊緣計算的工具包，可幫助使用者進一步挖掘工業物聯網系統的客戶價值和數據價值。系統總體架構如圖所示：
圖2 項目總體架構
在整個MixIOT系統架構中，邊緣優化產品是其中的一部分，而沼氣發電效率優化產品Megeo又是邊緣優化產品中的一員。
如圖3是Megeo產品中邊緣控制器展示的界面，總共三部分數據，一部分是所有數據的實時狀態展示（圖中顯示不全，界面還可以下拉），一部分是重要參數甲烷濃度和有功功率設定值/優化值的實時和歷史數據展示，還有一部分是優化策略下的各個指數。
圖3：Megeo展示界面
詳細解釋：
Total AP：總功率，例如開啟3臺發電機組，每臺機組設置的有功功率800KW，總功率2400KW；
Balance：平衡度，表示一段時間內優化后值的平衡程度，100%為最平衡，往下是相對不平衡，表示優化對于機器是否起較穩定的作用，越不平衡表示優化的次數與幅度改變較多，屬于優化初始階段；
Optimized：可優化度，優化改變程度，一方面表示是否在優化，另一方面表示需要優化的大小程度，即該值越大，需要優化或者說能優化的力度越大；
Overlap：狀態重合率，表示機器優化前與優化后兩者的運行狀態的相似程度，100%為最相似越相似，說明優化前后機器耗損越一致，機器不會因為優化措施造成人為機器損耗；
Prod Gain：獲得率，表示優化后比優化前單位時間多發點的百分比；
Cumulative Gain：累積獲得量，表示優化后比優化前多獲得發電量；
Target：廠家原始設置的有功功率值；
Alternative：替換建議值，即優化方案值；
Detected CH4：甲烷濃度值；
在Megeo產品中，需要由邊緣計算控制器（APIECO）跟工業互聯網云平臺（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，同時也是一個數據采集器。
當作為數據采集器的時候，APIECO能采集的數據量達到2000個，如果對數據實時性要求不高的時候甚至可以更多，APIECO采集數據的功能可以讓用戶自己配置，對于不同數據上報到云端的策略都可以自己調整，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據采集。
當作為邊緣計算控制器，APIECO內部算法會定期監測一次設備運行狀況，比如5分鐘一次，10分鐘一次，15分鐘一次等等，用戶可以自行調節。在Megeo產品中，APIECO默認每五分鐘監測一次發電效率是否達到最優，如果沒有達到，就要通過調整機組功率到合適的值，從而提高設備的發電效率。APIECO同時會每5秒鐘監測一次設備關鍵數據，必要時再做出決策。
圖4硬件接口
在數據采集方面，APIECO物理接口支持232/485/LAN/CAN；在數據傳輸方面，APIECO支持2G/4G/WIFI/網口，不同的接口和網絡傳輸方式，都有對應的產品型號，用戶可以根據自己的應用場景進行挑選。
? APIECO優化原理
1）調整目標
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平均即可得到各臺發電機的最優發電功率，按機器最大發電能力換算可得到負載，例如，電機最大發電能力為 1000KW，需要設置的功率為 800KW，則負載為 80%。
實際上涉及到外界條件對發電機的影響，在滿負荷的情況下，發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電機保證約束條件滿足下調整上限不一致，各個發電機分配的有功功率不會一致。調整使用的是 5 分鐘一調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發電功率值，以此保證機臺不會因為大幅度頻繁調整而導致的設備損耗或者不穩定現象。
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發電功率。
2）監控機制
監控機制與調整策略不同，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。
工業互聯網云平臺（MixIOT）
MixIOT根據不同的功能需要扮演了幾個角色：
1.MixIOT相當于一個數據監控中心。將通過APIECO采集到的沼氣發電機組工作數據和優化結果、優化統計上報到MixIOT, 最終由MixIOT進行數據運算和呈現、統計。
2. MixIOT相當于一個云端的中控，可以下發各種策略給邊緣計算控制器，比如針對不同的設備，MixIOT可以根據客戶選擇、也可以通過歷史大數據分析決定該設備的優化策略是以安全優先，還是產量優先。如果是以安全優先，那么就要下發較為保守的策略；如果是產量優先，則可能會下發較為激進的策略給邊緣計算控制器。
3. MixIOT還提供了規則配置工具。當用戶要對邊緣端的采集數據進行調整，比如修改采集參數，修改參數上報策略等，無需進行任何代碼編寫，只需通過MixIOT的規則工具進行配置，然后下發到APIECO即可，極大的方便了客戶。
（3）與聯盟體系架構的對應關系
本解決方案與聯盟體系架構的對應關系主要作用于連接 7，即工廠云平臺（及管理軟件）與協作平臺。
2. 網絡架構方案和應用
本方案采用云平臺+本地部署的方式提供工業互聯網方案，將商業數據和設備原始數據分離存儲，既實現了系統對大數據的高效處理，又從根本上保護了用戶的數據安全。同時根據項目具體情況，支持本地化部署。
本方案通過適配器實現多源異構數據采集、遠程控制執行、集中智能控制、以及邊緣計算服務。針對發電機（組）設備使用場景及地域，本項目提供不同版本的適配器，包括APRUS II 和 APRUS III（第二代、第三代可編程工業互聯網適配器）、APIECO（可編程工業互聯網邊緣計算控制器）。APRUS II 和 APRUS III 適用于大多數工業設備，通過可編程方法，決定使用不同物理接口、使用不同數據交互協議、與不同平臺交互，可廣泛適配各自不同工業設備。APIECO 除了兼有 APRUS 系列的數據采集功能外，還可以實現邊緣計算，以及復雜裝置的聯動智能控制。數據傳輸支持2G、4G及wifi傳輸，保障客戶數據的實時獲取。
圖4系統連接示意圖
3. 安全及可靠性
智物聯的邊緣計算控制器當發生影響設備安全運行的參數變化時，可自動調整有功功率值，保證設備安全平穩運行。
MixIOT工業互聯網構架，從數據精確采集到傳輸、處理、展現，每個環節都通過不同加密方式進行數據加密，確保數據傳輸的安全性；企業運營數據及商業信息全部存儲在中石油濟柴本地服務器，商業數據于工業數據的有效分離讓企業管理“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，自動調節控制可保證準確性和及時性，省去了人工調節的人力資源和時間成本；
(2)各個設備穩定與否是難以預測的，各個設備應調節的功率值也因穩定性而定，原平均分配總功率的方式會造成異常風險發生的概率大，自動控制算法可實時檢測穩定性及合理分配，保證所有設備長時間正常運行。
三、下一步實施計劃
1. 計劃1
目前智物聯正在跟濟柴做深度合作，和濟柴發電機組專家對接，研究機理、預測故障的準確度。雖然發電機組的運作原理大同小異，但隨著我們深入研究發電機組，預測率、準確率不斷提高，未來將會提高整個行業的故障預測的準確度，推動整個行業的變革。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1）發電機組異常停機判斷與保護邊緣計算
沼氣發電機組在工作過程中，由于沼氣的燃燒速度很慢，所以對沼氣發動機有較高的要求。若發生異常停機，在高溫下熄火，可能直接導致在下次發電機啟動時，摩擦表面缺失潤滑油，加劇機械部件磨損，從而影響到發電機的使用壽命。本方案通過獲取的停機時段的關鍵參數數據，判斷是否是異常停機，若發生異常停機，則啟動該邊緣計算的保護機制，使發電機完成正常停機過程，對發電機起到保護作用，延長其使用壽命。
（2）沼氣發電機組功率自動調整
傳統的電站，是憑著工作人員的經驗來調整機組功率，比如，根據經驗某個電站的機組在某種沼氣濃度下設置800KW的功率比較合適。但是一方面經驗值是很難傳承的，換一個工作人員可能就會得出另外的經驗；另一方面人通常出于保守考慮會將經驗值放低，以防出現安全事故。這樣，無形當中都會降低了機組的發電效率。本方案通過自動匹配不同的甲烷濃度對應的最佳功率值，通過自動調節功率值，讓機組發電效率達到最優。
2. 實施效果
在成功采集濟柴沼氣發電機組設備運行數據后，智物聯MixIOT收集大量數據樣本，對此類數據樣本進行分析、處理、計算，同時與濟柴進行合作，建立符合實際生產場景的數學模型，并應用于中油濟柴的客戶膠州百川電廠的沼氣發電機組，在實際生產場景中，系統可以根據沼氣（甲烷）濃度來實時計算出發電機組有功功率最優值，幫助客戶提升發電能效，提高發電收益。
（1） 通過使用Megeo，提升百川電廠有效發電效率15%；
（2） 按每臺發電機原本一天發電18000度計算，實際每臺發電機提升收益 8-10萬/年；
（3） 合理掌控設備運行狀態和一線管理人員工作狀態；
聲明
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