1、小型和虛擬為中心的革命

嵌入式數字設備為核工業帶來了許多優勢，但也存在潛在風險(圖源：Michael Dziedzic，Unsplash)

對于核工業界來說，登上頭條的新技術往往是關于重大的新發展和重大的技術進步。

例如出現一種新的反應堆設計，英國核管理辦公室認證的三個反應堆設計，或者小型模塊化反應堆。

同樣的說法也適用于其他電力部門，例如海上風電的快速擴大。盡管整個電力行業的頭條新聞往往是關于新形式的大型發電，但在表面之下，該行業經歷了一場不同的革命——一場以小型和虛擬為中心的革命。

與制造業和運輸業等其他行業一樣，能源行業也受益于一些主要的全球發展趨勢，如大幅降低成本，大量使用傳感器等小型電子設備。

這些固態設備可以嵌入到系統和網絡中，在這些系統中，它們的重要性在不斷提高。

隨著公司轉向“云”存儲，存儲大量數據的成本和靈活性密切相關。

對于能源行業來說，這也意味著數百家新的小型和專業方的積極參與——從貿易商和資產管理公司，到分布式發電業主。

這些都是機會，但也存在潛在的風險。

2、數據反饋回路

傳感器等嵌入式設備正變得無處不在。

在2019年的制造趨勢回顧中，微軟指出，運動傳感器的成本，已從2004年的每臺1.30美元下降到2018年的每臺0.44美元。目前成本仍在下降，微軟預計，到2021將有超過360億臺聯網設備。

計量公司Landis和Gyr研究了傳感器在配電網絡中的使用，也發現成本在持續下降，傳感器價格從2010年的每臺0.66美元降至2020年的每臺0.29美元，并預測此類傳感器的市場將從2021的23億美元同時增至2026年的38億美元。

這些數十億的嵌入式電子設備(EDD)，同時提供了大量的數據。

在過去，這并不是個好事，因為數據存儲和處理能力不足，根本無法處理過量數據。傳感器的成本下降了，數據存儲和處理的成本和選項也在發生了變化。

區別在于所謂的“云”存儲。

以前，安裝基于單個公司的大型數據存儲，代表著高資本成本，因此，充分利用EDD數據十分困難。

但“云”服務是靈活的，前期成本相對較低。隨著人們克服對數據安全性和可靠性的最初擔憂，電力部門的公司越來越多地使用云服務。

云服務和“存儲即服務”或“軟件即服務”模型的出現，導致了一個反饋回路，從而消除了使用EDD數據的障礙，使EDD的安裝和使用更有可能。

由于對數據安全的擔憂，能源行業最初采用云存儲的速度較慢。

但這些擔憂已經消退，云服務現在被能源行業以及向能源公司提供軟件或中央服務(如結算)的公司例行使用。

3、仍然存在的擔憂?

實際上，“云”的名字是錯誤的。這是一套基于地面的數據存儲設施，主要依靠三家供應商：亞馬遜網絡服務、微軟和谷歌。

英國金融服務業監管機構認為，只有三家供應商令人擔憂。

據英國《金融時報》報道，監管機構和英格蘭銀行在最近的一次會議上討論了這一問題，會議記錄顯示，“關鍵第三方提供的服務越來越關鍵，加上集中在少數供應商，在缺乏更大的直接監管的情況下，對金融穩定構成威脅。”

4、電力行業的嵌入式設備

監管機構是否會對云存儲提供商采取任何行動還有待觀察。與此同時，能源行業正在采用小型嵌入式設備和大數據功能。

這是核工業以前走過的一條路——例如，它在使用振動監測器等早期設備方面處于領先地位。

在核工業中，大部分無法接近的部件，以及檢查或維修的高停機時間成本，讓遠程監測和狀態維護優勢凸顯。

如今，新一代設備的低成本、高性能更具有吸引力。

在電力行業，新一代設備變得越來越常見，提供了越來越精細的數據，幫助發現和管理網絡中斷，并管理單個資產和電網本身的電力負荷。

嵌入式設備正在我們經濟發展系統中普及。Landis+Gyr列出了大量用例，例如智能城市。

為什么這些對核工業很重要?

核能不是電力或能源領域的孤島，在系統方面，無論是物理上還是電氣上都緊密相連，不再依賴于缺乏相關性(所謂的“氣隙”)來保持安全。嵌入式數字設備通常配有軟件和通信能力，可能會產生意想不到的后果。

美國核管理委員會(NRC)在2021的一份報告中提到了這種情況，該報告為嵌入式數字設備和新興技術開發了技術基礎，作為其工作的一部分，旨在制定美國商業核電站中EDD安全使用指南。

該報告列出了EDD中意外或定義不清的活動，可能對核操作員造成意外后果的十幾種情況。

例如，報告引用了在英國塞拉菲爾德燃料循環工廠安裝無紙圖表記錄儀的一個例子。在安裝后，錄像機開始出現故障，大部分是“進入睡眠”或需要不斷重新啟動。

“錄像機用相同的備件更換，退回制造商，并在大約18個月的時間內重新配置，但可靠性沒有真正提高。”

原因是什么?

“圖表記錄器包含一個名為Cave Fly的游戲，該游戲基于電影《追捕紅色十月》(Hunt for Red October)，該游戲無法從固件中刪除;只能從運營商那里鎖定。

在游戲鎖定后，可靠性似乎有所提高，但故障從未完全消除。塞拉菲爾德決定將記錄器換成另一個版本。”

更重要的是，隨著設備變得更具通信性，現場和非現場發生障礙更具滲透性，安全相關系統和非安全相關系統之間的障礙也更具滲透性。

由于“現成”設備具有內置功能，用戶對設備行為和交互方式的控制變得不那么確定。

由于在整個經濟體中，使用這些設備在成本上具有吸引力，因此控制這些設備的物理部署能力變得更加困難。

5、NRC報告

NRC在去年的報告中指出，EDD可以“通過在組件和系統級別造成新的危險、漏洞、故障模式、觸發機制和其他潛在安全問題”來影響安全，它列出了可能包含EDD的18種組件。

一些問題主要圍繞首次用于核工業的產品的風險，例如市場上的新供應商不熟悉與核電工業相關的質量要求，尤其是安全相關應用的質量要求。

其他人則不那么直截了當。

其中之一是設備中可能存在未聲明的數字內容(如上文塞拉菲爾德的示例)——這一問題可能會擴展到表面上熟悉的組件，因為現在用數字版本替換模擬子組件具有成本效益。

對于制造商來說，數字化的改變提供了更多的選擇，并通過允許使用更少的零件進行更多配置，降低了制造成本。

商用現成設備中的數字組件，可能包含用戶或評估人員未知的嵌入式軟件，NRC警告，“由于設備功能保持不變，因此可能不會修改設備的產品說明書和零件號”。

因此，新的數字版本沒有進行適當的質量評估，可能有新的故障機制和模式。

圍繞低成本頻繁使用EDD和其他技術的發展，核電站運營商必須考慮的幾個問題之一就是組件中未檢測到的變化。

NRC表示，“新的故障模式，可能會增加故障或失效的后果，或產生與之前評估的任何不同的事故類型的可能性”。

這可能發生在售后零件、特殊制造、維修或新建、等效、逆向工程或設計變更的情況下。

“如果不被發現，未申報的數字內容可能會進入該工廠的許可基礎，并成為該工廠許可基礎上的事實變化。”

6、共因失效與安全漏洞

NRC考慮了EDD是否會增加核電站對共因失效(CCF)的脆弱性。

它得出結論，EDD具有這種潛在風險，解決方案可能并不簡單。通常通過具有不同的通道來避免共因失效。

然而，如果有像閥門控制器這樣的通用組件都具有相同的EDD和相同的軟件觸發器，可能會引起共因失效問題。

但是，由于其物理位置，將不同閥門的閥門控制器放置在機架上可能會導致共因失效。“因此，雖然一個問題可能得到解決，但解決方案可能會產生其他問題。”

NRC在其報告中指出，供應鏈代表著“數字資產和系統的重大網絡攻擊途徑”，通常情況下，EDD的使用越來越多，越來越可能來自核工業以外的供應商，這將增加網絡安全漏洞和擔憂。

無線技術“大大提高了EDD能力”并超越了其模擬對手，但同時引發了網絡安全問題和電磁干擾問題。

網絡安全自然是核工業和整個能源工業關注的首要問題。風險管理和質量保證提供商DNV發布的新研究表明，該行業并沒有變得自滿。

NRC指出，核工業對EDD的使用仍持謹慎態度，其評論認為“數字系統和組件中存在新的潛在未知故障模式，與過程工業相比，將數字系統納入核電站的速度較慢”，這無疑將同樣適用于其他新的數字技術。

NRC也認為，軟件故障將是可靠性的主要威脅。它建議，如果更改會增加復雜性，那么應該非常仔細地考慮更改，即使這些更改是有用的功能，例如自動自測試。

它說：“自診斷可以通過識別錯誤和偏離性能來增加很多優勢;然而，自診斷增加了復雜性，可能有未經測試的步驟，并且可能會錯誤地增加設備的信心。”

然而，美國監管機構強調了EDD和相關技術帶來的機遇。例如：

如果沒有車載電子設備提供的高速數據采集和處理能力以及儀表和控制(I&C)系統和組件的進步，嵌入式數字能力將使新型組件成為可能。

自動控制的新興應用，允許在極端環境下運行的反應堆部件——NRC的例子是用磁性軸承取代機械軸承，使泵能夠由可在650°C以上運行的材料制成。

允許從集中式控制架構轉移，該架構需要操作員掌握發電廠特殊知識，并且涉及操作和安全系統的成本高昂且復雜的設計。NRC表示：“通過使用EDD進行局部控制，可以簡化設計，簡化復雜系統的操作，同時提高模塊化程度，類似于面向對象的控制架構。”

總的來說，機會在于為未來提供更好裝備的核工業和電力工業。

提供數據存儲和分析等功能的“即服務”新嵌入式技術，以及專注于這些技術的新各方，可以幫助核工業降低成本并改進其產品，只要它們被仔細整合。

7、對網絡安全的擔憂日益增加

美國NRC確定了18種可能包含數字內容的EDD組件，他們是：

圖表(數據)記錄器;

優先級邏輯模塊;

斷路器;

泵;

柴油發電機;

輻射監測器;

流量計;

繼電器，延時繼電器;

氣體分析儀;

溫度變送器;

液位計;

不間斷電源;

電機控制中心;

閥門執行器;

電源;

閥門;

壓力變送器;

電壓調節器。

DNV最近發布了網絡優先權，這是一項研究調查，旨在探討人們對能源行業網絡安全狀況的態度。

在該測試和驗證中，公司與世界各地從事電力、可再生能源和石油天然氣行業的940多名能源專業人士進行了交談。

報告顯示，大多數人認為網絡攻擊是一個主要漏洞。受訪者認為，在未來兩年內，對該行業的網絡攻擊可能導致運營關閉(85%)、能源資產和關鍵基礎設施損壞(84%)、環境損害(74%)或生命損失(57%)。

DNV表示，俄烏戰爭爆發后，人們對這些威脅的擔憂加劇，67%的受訪者表示，最近針對該行業的網絡攻擊促使他們對其安全策略和系統進行了重大更改。

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