为应对日本“氢能源基本战略”中提出的确保能源安全和削减CO₂排放量的课题，东芝集团开发并提供了一种利用可再生能源由来氢气的氢能系统。此外，为了使用户安全、稳定地使用该系统，东芝集团开发出一种具备状态监视和控制功能的数字服务以方便操作。该服务搭载在基于东芝IoT参考架构的云系统的通用平台上，可以提供通过IoT（Internet of Things）数据确认氢储量和太阳能发电量趋势等的仪表盘、故障发生时的电子邮件通知服务、以及远程维护等服务。

1、前言

日本将氢能定位为无碳能源的新选择之一，正在积极开发其相关技术。另外，还制定了氢能相关具体战略，例如，2017年12月经济产业省发布了“氢能源基本战略”¹，2018年10月氢能源部长级会议通过了《东京宣言》²，2019年9月氢能与燃料电池战略委员会制定了《氢能和燃料电池技术开发战略》³，这些都是具体化的推进措施。

在这样的背景下,为应对“氢能源基本战略”中提出的确保能源安全和削减CO₂排放量的课题，东芝集团推进了利用可再生能源由来氢气的解决方案，并开发了纯氢能燃料电池系统（H2Rex™）、独立型氢能源供给系统（H2One™）和将剩余电力转换为氢气的大规模设备（P2G）等^4-6。为使这些系统得到广泛普及并实现氢能社会，重要的是建立让客户安全且稳定使用的机制。

此前，东芝能源系统株式会社制造并销售的H2Rex™和H2One™上都搭载有远程监控运行状态的氢能管理系统H2EMS^TM，但是这个系统只能满足个别氢能系统的需求。

于是，东芝集团此次基于东芝IoT参考架构新构建出“运行与维护数字服务系统”，该系统是便于氢能系统运行的CPS（信息物理系统）解决方案，且作为具备状态监视和控制功能的系统，搭载在云系统的共通平台“氢IoT云”上。本文，将重点介绍所开发的运行与维护数字服务系统的优点和服务内容。

2、运行与维护数字服务系统的功能和特点

2.1 系统概要

图1示出此次开发的运行与维护数字服务系统的整体概念图。搭载在H2Rex™、H2One™和P2G上的H2EMS™会依次记录运行数据。运行与维护数字服务系统将这些运行数据收集到云系统中，这些收集的数据通过数据库（DB）按照目的进行管理，并作为运行历史显示在仪表盘上。根据需求也可以向顾客传输这些数据，并可以应用于维护服务计划。将每个待监视的系统和设备的各种工程信息系统化，并将其与收集到的运行数据相关联，由此可用于探究异常时的原因和分析设备改善等。

图1. 运行与维护数字服务系统的概念图

将从搭载于H2Rex™，H2One™和P2G各设备上的H2EMS™中收集的运行数据与设计信息整合后进行分析与评价，并执行运行和维护活动。

2.2 数据收集和分析与状态可视化功能

为在合适的时刻对各地引进和设置的H2Rex™、H2One™进行运行监视和维护管理，需要能够简便地获取云系统上汇集的运行数据并提取出合适的数据。东芝集团根据构成氢能系统的设备特性和系统整体应用的相关经验和知识，通过采用和运用独立的指标，实现了更高效率的分析和评价验证。

2.2.1 系统构成

作为汇总运行数据的环境，东芝集团在Microsoft Azure云服务上构建了数据分析平台（如图2）。数据分析平台使用Kubernetes，可有效管理搭载有各种应用的Docker容器。

图2. 运行与维护数字服务系统的结构

建立在云服务的Microsoft Azure上，以Meister Remotex™和数据分析平台为中心构成。

在数据分析平台上，通过REST API(Representational State Transfer Application Program Interface)从Meister Remotex™（由东芝集团面向设备制造商制造的资产IoT云服务）周期性获取必要的逐次运行数据，并储存在称为InfluxDB的时间序列数据用DB里。进行分析与评价验证的各种系统以存储的数据为基础进行处理，并将处理结果存储在分析平台上的DB和Microsoft Azure提供的Blob Storage等各种存储设备中。

存储的时间序列数据可以通过仪表盘工具的Grafana在存储设备上轻松获取。

2.2.2 应用案例

作为用于燃料电池数据分析功能中日常监控的典型图例，图3（a）示出用于确认一天运行情况的每日趋势图。对于H2Rex™的电池电流，为了能同时确认单电池电压的平均值、氢燃料流量、阳极鼓风机输出、燃料利用率等，将维护和监视所需要的数据组合起来输出多张相似的图表。另外，为了确认系统的长期变化，可以制作以累计发电时间为横轴的图表（图3(b)），或者按照运行时间的不同将评价指标间的相互关系制作成图（图4）。这些基本的图表作为报告随时输出，用于监视业务。另外，在故障发生时，可立即确认重要时刻和该时刻的测量值，能够尽早查明原因并进行修复。

图3. H2Rex™的时间序列测量数据示例图

将与氢燃料电池的燃料相关的各种测量数据按时间顺序显示的图表，作为报告每天定时生成，并且可以确认短期趋势。另外，也可以从以横轴为累计发电时间的图表中确认长期趋势。

图4. H2Rex™的测量项目之间的相关图例

可以确认氢燃料电池的测量项目之间的关系随着运行时间的推移如何变化。

3、利用运行与维护数字服务系统的服务概要

氢能系统H2Rex™与H2one™由氢能管理系统H2EMS™进行自动运行控制，不需要操作员和监视员。此外，为了让客户更放心地使用，东芝集团还利用此次安装的运行与维护数字服务系统，提供如图5所示的监视功能和远程维护服务。以下将对这些服务进行说明。

图5：运行和维护数字服务系统提供的服务

提供能够确认趋势数据的Web监视仪表盘、发生问题时的电子邮件通知服务以及利用远程维护的远程维护服务。

3.1 通过Web监控仪表盘实现可视化

在仪表盘画面中（图6），系统流程图上显示有设施的温度、压力信息等，还可以确认氢气的储量和太阳能发电量等。另外，还可显示白天的趋势数据，实现能源可视化。由于使用普通的web浏览器就可以阅览仪表盘，因此除了可以将仪表盘应用在移动终端外，也可以在氢能系统附近安装数字标牌，并通过显示仪表盘来宣传系统的效果。

图6. 仪表盘的画面例

可以确认氢气的储量和太阳能发电量等。

3.2 邮件通知服务

通过从系统发送定期报告系统运行状态的邮件，可以简化运营成员的日常监视业务。另外，当故障发生时，可以立即通过邮件通知故障信息和故障模式等，因此可以迅速进行故障通知和信息共享。邮件通知服务可根据客户的要求等级任意设定。

3.3 利用远程桌面连接的远程维护

可以通过远程桌面连接进行维护。在发生故障时，可以远程确认系统状态并改变和调整参数。通过这种方式，有助于迅速确定故障位置和恢复系统。

4、创造新附加价值的数字服务

4.1 实现各种数字服务的功能系统

H2EMS™具备使氢能系统应用于各种目的所需的预测功能、计划功能和控制功能。除了H2EMS™的功能、运行与维护数字服务系统的维护和监视功能以外，还对以下功能进行开发与安装：应对能源分散化的电力稳定功能、实现电力自由化的电力交易功能、以及评价系统运行业绩的分析支持功能等（图7）。另外，为了实现更高效的维护，维护和监视功能也会增加故障预兆诊断等功能。

图7. 氢能系统用数字服务处理流程

该图示出运用氢能系统所需的功能及其输入输出关系。时间限制较少的功能已经装载在氢IoT云中。

4.2 故障预兆诊断

氢能系统由执行氢的“制造”、“储存”、“使用”这一系列功能的组件和蓄电池系统、控制系统等设备组成，是由水、气体、电设施等组成的复杂系统。针对这些组件或设施，根据每个系统进行故障预兆诊断，提供整个系统的最佳维护时期。由此可以降低客户的维护成本，并延长运行时间。图8示出故障预兆诊断的实施例。已确认，利用正在开发的预兆诊断工具处理故障实际发生时的运行数据，可以在故障发生前诊断出故障。

如上所述，正在开发一种将各种组件和设施系统的数据结合起来以实现系统整体故障预兆诊断的技术。

图8：故障预兆诊断示例

可以确认，通过预兆诊断工具对实际发生了故障的动作数据进行处理，从而能够在故障发生之前捕获预兆，进行与运行控制相关的判断。

5、总结

氢气有望作为可再生能源的变动吸收和交通工具的燃料发挥作用，今后将在区域社区内得到广泛应用。另外，氢能不仅能实现以可再生能源为中心的电力供应，在铁路交通和通信等基础设施网络内也有望成为实现部门耦合的主体。在这些地域社区和基础设施网络中充分利用氢能时，通过数字服务可以提供更多的附加价值。东芝集团使用最先进的数字化技术，今后也将提供新的客户服务，为实现氢能社会做出贡献。

参考文献：

（1）可再生能源与氢能等相关部长级会议. 氢能源基本战略. 经济产业省，2017, 34p．<http://www.meti.go.jp/press/2017/12/20171226002/20171226002-1.pdf >，（参照 2020-01-10）．

（2）氢能源部长级会议．东京宣言．经济产业省，2018，3p.<https://www.meti.go.jp/press/2018/10/20181023011/20181023011-4.pdf >，（参照 2020-01-10）．

（3）氢与燃料电池委员会．氢能和燃料电池技术开发战略．经济产业省，2019，17p．<https://www.meti.go.jp/press/2019/09/20190918002/20190918002-1.pdf >，（参照 2020-01-10）．

（4）中岛良，山田正彦．推进氢气制造和燃料电池等氢能社会实现用技术．电气评论．2014，99，11，p.38‒42．

（5）吉野正人等．高效的氢电力储存系统．东芝评论．2015，70，5，p.8 ‒11.

（6）小野田裕之等．使用可再生能源的独立型氢能供给系统电气设备学会杂志．2016，36，4，p.234 ‒ 237.

（7）佐藤纯一等．氢能管理系统H2EMS™的开发．东芝评论．2016，71，5，p.51-55．<https://www.toshiba.co.jp/tech/review/2016/05/71_05pdf/b06.pdf >，（参照2020-01-10）．

大林组“氢能管理系统”的全貌

实现氢能系统状态监控的云数字服务