鄭 瑛,胡如樂,王曉敏,張建中,張繼英

(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510663)

0 引言

區(qū)塊鏈?zhǔn)?種新的應(yīng)用方式,具備分布式數(shù)據(jù)存儲、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識機(jī)制、加密算法等功能。風(fēng)力發(fā)電是目前新能源發(fā)電的重要方法之一,能夠在保證電網(wǎng)正常運(yùn)作的前提下降低煤炭燃燒給大氣環(huán)境造成的影響。風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電的主要裝置。風(fēng)電機(jī)組可以先把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)電機(jī)組以風(fēng)輪的葉片為動力,通過渦輪增壓來提高轉(zhuǎn)速,從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電[1-3]。受到風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境以及運(yùn)行時長等因素的影響,風(fēng)電機(jī)組可能存在運(yùn)行故障和異常。為了保證風(fēng)電機(jī)組的工作狀態(tài)、延長使用壽命,需要研究風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控方法。

方燁[4]研究了基于Teamcenter平臺的發(fā)電機(jī)生產(chǎn)工時評估方法。該方法采用Teamcenter協(xié)同設(shè)計平臺,根據(jù)發(fā)電機(jī)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)規(guī)劃生產(chǎn)工時,以提升生產(chǎn)規(guī)劃和管理能力。陳波等[5]提出了1種制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)在風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)中的應(yīng)用。MES控制制造信息,快速響應(yīng)車間生產(chǎn)實(shí)時事件,從而獲取生產(chǎn)活動的重要信息,以提升制造車間生產(chǎn)效率。喬福宇等[6]分析功率曲線的特性后,利用離散度分析法篩選數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系統(tǒng)數(shù)據(jù),通過隨機(jī)森林法簡化模型結(jié)構(gòu),并采用非參數(shù)估計法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測。黃玲玲等[7]分析了影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的因素,對常用的維護(hù)方法進(jìn)行歸納,并總結(jié)機(jī)組中仍存在的問題,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組全生命周期的溯源管控。蘇連成等[8]在采集的監(jiān)控數(shù)據(jù)中提取風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部位參數(shù),利用殘差法建立非線性狀態(tài)估計模型,對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行管控。但在實(shí)際風(fēng)電機(jī)組管控中,上述方法的應(yīng)用效果較差。

本文將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控方法的設(shè)計工作中,從而確保風(fēng)電機(jī)組的管控效果,進(jìn)而延長風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。

1 風(fēng)電機(jī)組溯源管控方法設(shè)計

本文設(shè)計了風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控方法。該方法的基本原理是利用區(qū)塊鏈技術(shù)對風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)與運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,從而針對風(fēng)電機(jī)組的各環(huán)節(jié)進(jìn)行管控。該方法能夠在風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障時及時確定故障源頭,進(jìn)而得出更有針對性的管控方案。

1.1 區(qū)塊鏈存儲生產(chǎn)與運(yùn)行數(shù)據(jù)

為了實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)與運(yùn)行數(shù)據(jù)的分區(qū)存儲,本文構(gòu)建存儲區(qū)塊鏈,以便風(fēng)電機(jī)組的溯源查詢。區(qū)塊鏈由區(qū)塊和鏈這2個部分組成。其中:區(qū)塊是數(shù)據(jù)的存儲單元;鏈?zhǔn)?種存儲結(jié)構(gòu)。在風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控過程中,所有的交易信息都被存儲在1個區(qū)塊中,并以鏈路結(jié)構(gòu)連接。這樣就可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的溯源且數(shù)據(jù)不會被篡改。從組成結(jié)構(gòu)上看,區(qū)塊可以分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體這2個部分。區(qū)塊頭是區(qū)塊的核心,是唯一的標(biāo)識區(qū)塊,同時也是溯源的主要依據(jù)。區(qū)塊頭包括先前區(qū)塊的散列值、版本號、時間戳、難度目標(biāo)、Merkle根值等。區(qū)塊體主要用于記錄所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)以MerkleTree的格式存儲。

風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)存儲區(qū)塊基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中,Merkle根值是基于1種特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MerkleTree進(jìn)行的。MerkleTree是從底部往上構(gòu)造的。其葉子節(jié)點(diǎn)是1組事務(wù)信息或者單位數(shù)據(jù)的散列值。在創(chuàng)建新區(qū)塊之后,按時間先后次序?qū)?chuàng)建的區(qū)塊連接在一起,從而構(gòu)成了1個鏈狀的存儲結(jié)構(gòu)即區(qū)塊鏈。本文從風(fēng)電機(jī)組各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的基本數(shù)據(jù)中抽取出重要的數(shù)據(jù),并將其存儲到區(qū)塊鏈中[9]。

圖1 風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)存儲區(qū)塊基本結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈技術(shù)下,風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)存儲模式如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)存儲模式

為了實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈中風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)的動態(tài)存儲,需設(shè)定智能合約作為支持。智能合約由所有共識節(jié)點(diǎn)執(zhí)行,并且對執(zhí)行結(jié)果協(xié)商一致,從而對區(qū)塊鏈作相應(yīng)更新。當(dāng)接收到1條信息時,合同的編碼就會被執(zhí)行。當(dāng)共識節(jié)點(diǎn)執(zhí)行編碼時,智能合約可以讀寫存儲文件。在智能合約的支持下,風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)的存儲X與更新X′可以量化表示為:

(1)

按照上述方法,可以得出風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)與運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲區(qū)塊鏈的建立結(jié)果。

1.2 界定風(fēng)電機(jī)組全生命周期

風(fēng)電機(jī)組全生命周期如圖3所示。

圖3 風(fēng)電機(jī)組全生命周期示意圖

由圖3可知,風(fēng)電機(jī)組整個生命周期可以分為采購設(shè)計、生產(chǎn)和運(yùn)營這3個階段。采購設(shè)計和生產(chǎn)階段的劃分標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計方案的生成時刻;生產(chǎn)與運(yùn)營階段則根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的第一次啟動時間劃分。

采購設(shè)計階段的主要工作是確定風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)以及材質(zhì)。生產(chǎn)階段的工作內(nèi)容是制備風(fēng)電機(jī)組中的各組成元件,并按照設(shè)計方案實(shí)現(xiàn)組成元件的安裝,以得出風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)結(jié)果[10]。

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能,運(yùn)營階段可以進(jìn)一步分為發(fā)展期、穩(wěn)定期與衰落期。發(fā)展期是將風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)成品應(yīng)用到實(shí)際發(fā)電工作中,并逐漸適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)電工作的過程。穩(wěn)定期狀態(tài)下的風(fēng)電機(jī)組能夠穩(wěn)定地完成發(fā)電任務(wù),并且期間的工作效率與輸出功率等參數(shù)的浮動范圍較小[11]。而在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營階段的衰落期,風(fēng)電機(jī)組受內(nèi)部設(shè)備老化、外界環(huán)境影響,工作效率明顯降低,且工作效率與輸出功率逐漸趨近于0。運(yùn)營階段內(nèi)風(fēng)電機(jī)組生命周期的劃分情況表示為:

(2)

式中:η和η0分別為風(fēng)電機(jī)組的工作效率及其閾值;F為風(fēng)電機(jī)組;Ud、Us和Ue分別為發(fā)展期、穩(wěn)定期與衰落期;Δη為工作效率變化率,%。

(3)

式中:ηt2和ηt1分別為t2和t1時刻風(fēng)電機(jī)組的工作效率,%。

1.3 構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源鏈

風(fēng)電機(jī)組由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和鐵塔這3個部分組成。風(fēng)輪是將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵元件,包括2個葉片。在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的氣流推動葉片旋轉(zhuǎn)。鐵塔是支撐風(fēng)輪、尾舵和發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)的功能是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的恒定速度傳遞給發(fā)電裝置,從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。將風(fēng)電機(jī)組全生命周期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲到區(qū)塊鏈中,可以生成溯源鏈。

風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源鏈如圖4所示。

圖4 風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源鏈?zhǔn)疽鈭D

根據(jù)統(tǒng)一的編碼機(jī)制,風(fēng)電機(jī)組元件具有獨(dú)特的標(biāo)識。利用區(qū)塊鏈技術(shù)跟蹤記錄產(chǎn)品流通,可以將產(chǎn)品的訂單、采購、產(chǎn)品質(zhì)量、物流、檢測、包裝等信息錄入?yún)^(qū)塊鏈。錄入?yún)^(qū)塊鏈中的產(chǎn)品信息向各節(jié)點(diǎn)開放,使得廠商、檢驗站、物流商、銷售商和使用者都能獲得完整的產(chǎn)品信息和追溯信息。風(fēng)電機(jī)組全生命周期追溯鏈中的1個新節(jié)點(diǎn)與電網(wǎng)相連,并在連接時選取新的節(jié)點(diǎn)同步數(shù)據(jù)。

新節(jié)點(diǎn)同步數(shù)據(jù)選取步驟如下。

①節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接至清單中的節(jié)點(diǎn)地址。如果連接時的響應(yīng)時間超出正常值,則持續(xù)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的請求。

②當(dāng)1個節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)同步時,可以獲取其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的區(qū)塊鏈高度,并將其與該節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊高度進(jìn)行對比。如果高度超過該節(jié)點(diǎn)區(qū)塊高度,則要求對方發(fā)送區(qū)塊鏈數(shù)據(jù),并將該區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)確認(rèn)接收到的數(shù)據(jù)是正確的,就會選擇最優(yōu)路徑與原數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。

在這個過程中,新節(jié)點(diǎn)會隨機(jī)向完全節(jié)點(diǎn)請求隨機(jī)區(qū)塊的完整信息,從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源鏈的動態(tài)更新。

1.4 求解風(fēng)電機(jī)組源頭數(shù)據(jù)

在構(gòu)建的風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源鏈中,通過逆轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn)對上一層數(shù)據(jù)的讀取。經(jīng)過多次讀取可以得到風(fēng)電機(jī)組原始輸入路徑,從而獲取風(fēng)電機(jī)組源頭數(shù)據(jù)[12-13]。數(shù)據(jù)的逆轉(zhuǎn)換包括屬性逆轉(zhuǎn)換、逆映射、投影、派生等多種形式。屬性逆轉(zhuǎn)換與逆映射的工作原理如下。

(4)

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組全生命周期推動過程中數(shù)據(jù)存儲區(qū)塊鏈之間的關(guān)系,可以確定ft、fm、kt和km的具體取值。

在實(shí)際風(fēng)電機(jī)組源頭數(shù)據(jù)求解過程中,當(dāng)前時刻的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)為初始值。因此,可以按照上述逆向求解方式,確定初始數(shù)據(jù)在風(fēng)電機(jī)組全生命周期的產(chǎn)生與變化過程。當(dāng)ft和fm的取值均為1時,對應(yīng)的數(shù)據(jù)即為風(fēng)電機(jī)組源頭數(shù)據(jù)的求解結(jié)果。

1.5 實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組全生命周期的數(shù)據(jù)溯源結(jié)果,風(fēng)電機(jī)組執(zhí)行生產(chǎn)、維修以及退役管控工作。若溯源得出風(fēng)電機(jī)組在采購設(shè)計階段存在異常,則需要對其設(shè)計結(jié)構(gòu)以及材料屬性進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計結(jié)構(gòu)的調(diào)整控制量Δγ為:

Δγ=|lt-li|+|kt-ki|+|ht-hi|

(5)

式中:lt和li、kt和ki、ht和hi分別為風(fēng)電機(jī)組組成元件的長度、寬度和厚度的設(shè)計目標(biāo)值和當(dāng)前值,mm。

2 效果測試試驗分析

為了測試區(qū)塊鏈技術(shù)下風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控方法的效果,本文將文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法作為試驗的對比方法,以驗證本文方法的管控效果。

2.1 選擇風(fēng)電機(jī)組研究對象

試驗選擇某發(fā)電廠的多個風(fēng)電機(jī)組作為研究對象。該風(fēng)電機(jī)組包括:1個WT1500-D82型號的發(fā)電機(jī);2個V112-3MKW型號的發(fā)電機(jī);卷邊式離心風(fēng)輪;三角鋼鐵塔。WT1500-D82型號和V112-3MKW型號發(fā)電機(jī)的切入速度分別為3.5 m/s和3 m/s,額定風(fēng)速分別為12 m/s和12.5 m/s,風(fēng)機(jī)等級均為IECS。風(fēng)電機(jī)組中風(fēng)輪直徑為82 m,額定轉(zhuǎn)速和輪轂高度分別為18.23 r/min和70 m。鐵塔高度為800 m。通過對風(fēng)電機(jī)組各材料屬性的分析與理論計算,發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪和鐵塔的使用壽命分別確定為20年、30年和30年。試驗將風(fēng)電機(jī)組的組成元件按照設(shè)計方案進(jìn)行連接,得出風(fēng)電機(jī)組研究對象的制備結(jié)果,并對多個風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行編號處理。

2.2 部署區(qū)塊鏈運(yùn)行環(huán)境

由于設(shè)計的風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控方法應(yīng)用了區(qū)塊鏈技術(shù),為保證溯源管控方法的有效實(shí)現(xiàn),需要對運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行部署。試驗在Ubuntu平臺上構(gòu)建了Ubuntu的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),并以聯(lián)盟鏈的方式構(gòu)建了Ubuntu的體系結(jié)構(gòu)。HyperledgerFabric的Chaincode是由Go語言編寫的。因為Chaincode在Dockor容器中運(yùn)行,所以還需要安裝GoLand編譯器和Docker容器,并通過github下載開源區(qū)塊鏈平臺(Hyperledger Fabric)的相關(guān)文件。為便于用戶之間的互動,試驗通過Windows平臺,利用SSH框架、Tomcat服務(wù)器將追溯數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上,試驗引入了基于供應(yīng)鏈的超鏈接模型,構(gòu)建了1個基于海洋資源溯源過程真實(shí)需求的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò),并在此基礎(chǔ)上嵌入Solo算法,以保證區(qū)塊鏈的完整性。

2.3 設(shè)置溯源管控方法量化測試指標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控效果的量化測試,試驗設(shè)置風(fēng)電機(jī)組磨損量、故障發(fā)生頻率這2個測試指標(biāo)。風(fēng)電機(jī)組磨損量Ψ和故障發(fā)生頻率μ為:

(6)

式中:la、wa和ha分別為風(fēng)電機(jī)組磨損位置的長度、寬度和厚度,mm;n為單位時間Δτ內(nèi)發(fā)生故障的次數(shù),次。

所計算出的風(fēng)電機(jī)組磨損量越小、故障發(fā)生頻率越低,則風(fēng)電機(jī)組使用壽命越長、管控效果越好。

2.4 試驗過程與結(jié)果分析

試驗按照風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控方法的設(shè)計結(jié)構(gòu),生成風(fēng)電機(jī)組區(qū)塊鏈。在此基礎(chǔ)上,試驗獲取風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)與運(yùn)行數(shù)據(jù),經(jīng)過全生命周期劃分、源頭數(shù)據(jù)求解等步驟,完成風(fēng)電機(jī)組的溯源與管控。

在風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控任務(wù)執(zhí)行完成后,試驗收集風(fēng)電機(jī)組1個月內(nèi)的所有運(yùn)行數(shù)據(jù),得出風(fēng)電機(jī)組磨損量、故障發(fā)生次數(shù)的測試結(jié)果。

風(fēng)電機(jī)組磨損量測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組磨損量測試數(shù)據(jù)

將表1中的數(shù)據(jù)代入式(6),計算得出:文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法風(fēng)電機(jī)組磨損量的測試結(jié)果分別為18.35 m3和19.08 m3;本文方法風(fēng)電機(jī)組磨損量的測試結(jié)果為0.06 m3,比文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法分別降低了18.29 m3和19.02 m3。

風(fēng)電機(jī)組故障次數(shù)測試結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)電機(jī)組故障次數(shù)測試結(jié)果

由表2可知,在不同的管控方法下,風(fēng)電機(jī)組的平均故障發(fā)生頻率分別為18.5次/月、15.5次/月和13.5次/月。因此,在區(qū)塊鏈技術(shù)的支持下,本文方法能夠得到較好的管控效果。

3 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電在我國屬于新興行業(yè)。為了提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率和使用壽命,必須對其進(jìn)行管控。本文提出了區(qū)塊鏈技術(shù)下風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控方法。該方法通過分析風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)存儲區(qū)塊結(jié)構(gòu),建立區(qū)塊鏈生產(chǎn)與運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲模式。將風(fēng)電機(jī)組的全生命周期分為采購設(shè)計、生產(chǎn)、運(yùn)營這3個階段,以此構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源鏈。通過對風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源鏈的上層數(shù)據(jù)的逆轉(zhuǎn)換和多次讀取,可以獲取風(fēng)電機(jī)組源頭數(shù)據(jù)。根據(jù)溯源結(jié)果執(zhí)行管控工作,可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組全生命周期溯源管控。由試驗結(jié)果可知,本文方法在管控方面具有明顯優(yōu)勢,對于提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能具有積極意義。