基于邊緣計算的沼氣發(fā)電效率優(yōu)化系統(tǒng)

1、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)設備廠商、設備服務商、工業(yè)現(xiàn)場提供物聯(lián)網(wǎng)基礎底層平臺，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，

2、幫助更多的企業(yè)加入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中，構建起一個完善的生態(tài)鏈，讓產(chǎn)業(yè)更加發(fā)展壯大。 PAGE 9 | 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)先進應用案例集一、項目概況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)品和結構，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。項目簡介 本方案沼氣發(fā)電效率優(yōu)化 Megeo（(Methane Generator Edge O

3、ptimizer)）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備端，一方面采集設備運行相關參數(shù)，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(jié)功率，讓機組發(fā)電效率達到最優(yōu)。這些設備運行參數(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 一方面展示設備運行參數(shù)以及設備功率優(yōu)化效果，另一方面對所有設備進行集中管理以及策略優(yōu)化。項目目標實現(xiàn)設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

4、端、APP 和大屏，實時了解所有機組及關聯(lián)設備的運行數(shù)據(jù)，保障機組穩(wěn)定運行。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。沼氣發(fā)電機功率自動調整系統(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，

5、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)進行調節(jié)，但手工調節(jié)存在以下幾個關鍵痛點：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)電機組及其相關設備進行集中管理，減少因故障對電站帶來的損失，優(yōu)化使用策略。項目總體架構和主要內容 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

6、節(jié)功率值，讓機組發(fā)電效率達到最優(yōu)。項目總體架構圖 1項目總體技術方案本方案采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分層架構體系，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)總體架構如圖所示：圖 2項目總體架構在整個 MixIOT 系統(tǒng)架構中，邊緣優(yōu)化產(chǎn)品是其中的一

7、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，每臺機組設置的有功功率 800KW，總功率 2400KW；Balance：平衡度，表示一段時間內優(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

8、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：廠家原始設置的有功功率值； Alternative：替換建議值，即優(yōu)化方案值； Detec

9、ted 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

10、緣計算控制器，APIECO 內部算法會定期監(jiān)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(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，就要通過調整機組功率到合適的值，從而提高設備的發(fā)電效率。APIECO 同時會每 5 秒鐘監(jiān)測一次設備關鍵數(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。A

11、PIECO 優(yōu)化原理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(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整上限不一致，各個發(fā)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

12、優(yōu)發(fā)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(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。監(jiān)控機制監(jiān)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(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：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)化結果、優(yōu)化統(tǒng)計上報到 MixIOT, 最終由 MixIOT 進行數(shù)據(jù)運算和

13、呈現(xiàn)、統(tǒng)計。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。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。與聯(lián)盟體系架構的對應關系本解決方案與聯(lián)盟體系架構的對應關系主要作

14、用于連接 7，即工廠云平臺（及管理軟件）與協(xié)作平臺。網(wǎng)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(yè)互聯(lián)網(wǎng)方案，將商 業(yè)數(shù)據(jù)和設備原始數(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， PAGE 13 | 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)先進應用案例集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 II（I 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）。APRU

15、S II 和 APRUS III 適用于大多數(shù)工業(yè)設備，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)生影響設備安全運行的參數(shù)變化時，可自動調整有功功率值，保證設備安全平穩(wěn)運行。MixIOT 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構架，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?/p>

16、； 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”。其他亮點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(jié)控制可保證準確性和及時性，省去了人工調節(jié)的人力資源和 時間成本；各個設備穩(wěn)定與否是難以預測的，各個設備應調節(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

17、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)新點和實施效果項目先進性及創(chuàng)新點發(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。沼氣發(fā)電機組功率自動調整傳統(tǒng)的電站，是憑著工作人員的經(jīng)驗來調整機組功率，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，通過自動調節(jié)功率值，讓機