نظام الرصد الذكي للمزارع الرياحية: التصميم والتنفيذ

1. الخلفية

تقوم توليد الطاقة من الرياح بتحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة ميكانيكية، ومن ثم تحويل تلك الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية - وهذا هو توليد الطاقة من الرياح.
يعتمد مبدأ توليد الطاقة من الرياح على استخدام الرياح لتدوير شفرات التوربين، والتي بدورها تدفع صندوق التروس لزيادة سرعة الدوران، مما يؤدي إلى تشغيل المولد لإنتاج الكهرباء.

بشكل متزايد تحت ضغط الطلب المتزايد على الطاقة في الصين، يستمر توسع توليد الطاقة من الرياح، ويزداد بناء المزارع الريحية. قد يدير شركة كهرباء واحدة عدة مزارع ريحية، والتي غالباً ما تكون موزعة في مناطق جغرافية مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، اعتماداً على حجمها، يمكن أن تتكون كل مزرعة رياح من عشرات إلى مئات التوربينات الريحية. بسبب هذه الظروف، يتم تجهيز كل مزرعة رياح بنظام مراقبة الطاقة الخاص بها. ومع ذلك، فإن الإدارة المركزية لمجموعة من المزارع الريحية تمثل تحدياً كبيراً. لتلبية هذا التحدي، توفر إنشاء مراكز التحكم المركزية (مراكز التحكم المركزية) حلًا فعالًا.

وبالتالي، بينما تساهم الشبكات والذكاء في المزارع الريحية في تحسين كفاءة الإنتاج والإدارة، فإنها أيضاً تخلق مسارات هجوم جديدة للممثلين الضارين. في السنوات الأخيرة، حدثت حوادث الأمن السيبراني في قطاع الطاقة بشكل متكرر، مما عرض صناعة الكهرباء لتهديدات وأخطار أمنية متزايدة.

2. نظام تحكم التوربين الريحي

يحتاج تشغيل وتوفير الحماية للتوربينات الريحية إلى نظام تحكم آلي بالكامل. يجب أن يكون هذا النظام قادراً على بدء تشغيل التوربين تلقائياً، وتحكم في آلية تعديل زاوية الشفرات الميكانيكية، وإيقاف التوربين بأمان تحت ظروف طبيعية وغير طبيعية. بالإضافة إلى الوظائف التحكمية، يقوم النظام أيضاً بمهمات المراقبة - حيث يوفر معلومات مثل حالة التشغيل، سرعة الرياح، واتجاه الرياح.

يتكون نظام تحكم التوربين الريحي من ثلاثة مكونات رئيسية:

• صندوق التحكم الرئيسي عند قاعدة البرج

• صندوق التحكم في النقطة

• صندوق التحكم في المحور

يعد وحدة تحكم الطاقة الريحية (WPCU) بمثابة المسيطر الرئيسي لكل توربين وتوزع داخل البرج والنقطة للتوربين.

2.1 محطة التحكم عند قاعدة البرج

تعتبر محطة التحكم عند قاعدة البرج - المعروفة أيضاً باسم الصندوق الرئيسي للتحكم - هي القلب الرئيسي لتحكم التوربين الريحي، وتتكون أساساً من متحكم وإضافة الوحدات I/O. يستخدم المتحكم معالج 32 بت، ويقوم النظام بالعمل على نظام تشغيل الوقت الحقيقي القوي. ينفذ المنطق الرئيسي المعقد ويقوم بالتواصل في الوقت الحقيقي مع صندوق التحكم في النقطة ونظام تعديل الزاوية ونظام التحويل عبر الشبكة المحلية، مما يضمن تشغيل التوربين في أفضل الظروف.

يشمل صندوق قاعدة البرج:

• محطة PLC الرئيسية

• RTU (وحدة الطرف البعيد)

• مفتاح الشبكة الصناعية

• مصدر الطاقة UPS

• شاشة اللمس (للرصد والتشغيل المحلي)

• أزرار دفع، مؤشرات ضوئية، مفاتيح دائرة صغيرة، معاودات

• عناصر تسخين، مراوح

• كتل المحطات

2.2 محطة التحكم في النقطة

تحصّل محطة التحكم في النقطة على إشارات المستشعرات من التوربين، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط وسرعة الدوران والمعالم البيئية. تقوم بالتواصل مع محطة التحكم الرئيسية عبر الشبكة المحلية. يستخدم المتحكم الرئيسي رف التحكم في النقطة لإدارة وظائف التحويل والتخلص من التواء الكابل. بالإضافة إلى ذلك، يتحكم في المحركات المساعدة ومضخات الزيت والمراوح داخل النقطة للحفاظ على أداء التوربين الأمثل.

يتكون صندوق التحكم في النقطة من:

• محطة PLC في النقطة

• وحدة مصدر الطاقة

• وحدة FASTBUS العميل

• وحدة CANBUS الرئيسية

• وحدة Ethernet (للحصول على صيانة الكمبيوتر المحلي)

• وحدات الإدخال والإخراج الرقمية وال аналогية (DIO، AIO)

• مفاتيح دائرة، معاودات، مفاتيح

2.3 نظام تعديل الزاوية

تستخدم التوربينات الريحية الكبيرة (أكبر من 1 ميجاواط) عادةً أنظمة تعديل الزاوية الهيدروليكية أو الكهربائية. يستخدم نظام تعديل الزاوية متحكم أمامي لتنظيم أجهزة تنفيذ تعديل الزاوية الثلاثة للشفرات. كوحدة تنفيذ للمتحكم الرئيسي، يتواصل عبر CANopen لتعديل زوايا الشفرات لأداء مثالي.

يشمل نظام تعديل الزاوية مصدر طاقة احتياطي وسلسلة الأمان للتأكد من إيقاف الطوارئ في حالات حرجة.

يشمل صندوق التحكم في المحور:

• محطة PLC في المحور

• وحدات القيادة الخادمة

• بطارية تعديل الزاوية الطارئة ووحدة المراقبة

• وحدة تعديل الزاوية الطارئة

• موصل حماية السرعة الزائدة

• مفاتيح دائرة صغيرة، معاودات، كتل المحطات

• أزرار دفع، مؤشرات ضوئية، ومفاتيح الصيانة

2.4 نظام السلسلة الاحتياطية للأمان الطارئ

يعد نظام السلسلة الاحتياطية للأمان الطارئ هو آلية حماية مستقلة عن نظام التحكم بالحاسوب. حتى في حالة فشل نظام التحكم، لا يزال نظام السلسلة يعمل. يربط الشروط الحرجة التي قد تسبب أضراراً كارثية للتوربين الريحي في دائرة واحدة متسلسلة. عند تشغيله، يقوم نظام السلسلة بإطلاق إيقاف الطوارئ، مما يفصل التوربين عن الشبكة، وبالتالي يوفر الحماية القصوى للنظام بأكمله.

3. البنية الأساسية والنظرة العامة على الوظائف

يتكون نظام مراقبة الطاقة في المزرعة الريحية من المكونات الرئيسية التالية:

• وحدات التحكم المحلية في التوربينات الريحية (WPCUs)

• شبكة إيثرنت الألياف الضوئية ذات الحلقة المكررة عالية السرعة

• محطات التشغيل العليا البعيدة

تعتبر وحدة التحكم المحلية في التوربين الريحي هي المسيطر الرئيسي لكل توربين، وهي مسؤولة عن مراقبة المعلمات، والتحكم الآلي في توليد الطاقة، وحماية المعدات. يتم تجهيز كل توربين بواجهة HMI محلية للتشغيل والتجهيز والصيانة على الموقع.

تعمل شبكة إيثرنت الألياف الضوئية ذات الحلقة المكررة عالية السرعة كطريق البيانات لنظام، ناقلة بيانات التوربينات في الوقت الحقيقي إلى نظام المراقبة العلوي.

تعتبر محطة التشغيل العلوية هي مركز التشغيل والمراقبة للمزرعة الريحية. توفر مراقبة شاملة لحالة التوربينات، وإشعارات المعلمات، وتسجيل وعرض البيانات الفعلية والتاريخية. يمكن للمشغلين مراقبة وتحكم جميع التوربينات من غرفة التحكم المركزية.

3.1 الطبقة الميدانية للتحكم

تتكون الطبقة الميدانية للتحكم من المكونات الرئيسية التالية:

• صندوق التحكم الرئيسي عند قاعدة البرج

• صندوق التحكم في النقطة

• نظام تعديل الزاوية

• نظام التحويل

• محطة HMI (واجهة الإنسان والآلة) المحلية

• مفتاح الشبكة الصناعية

• شبكة الاتصالات المحلية

• مصدر الطاقة UPS

• نظام إيقاف الطوارئ الاحتياطي

تعتبر وحدة تحكم التوربين الريحي (WPCU) في المستوى الميداني هي المسيطر الرئيسي لكل توربين رياح. وهي مسؤولة عن مراقبة المعلمات في الوقت الحقيقي، والتحكم الآلي في توليد الطاقة، وحماية المعدات. يتم تجهيز كل توربين بواجهة HMI محلية تتيح التشغيل والتجهيز والاختبار والصيانة على الموقع.

3.2 الطبقة المركزية للمراقبة

تعتبر الطبقة المركزية للمراقبة هي القلب التشغيلي للمزرعة الريحية، وتقدم مراقبة شاملة لحالة التوربينات، وإشعارات المعلمات، وتسجيل وعرض البيانات الفعلية والتاريخية. يمكن للمشغلين مراقبة وتحكم جميع التوربينات من غرفة التحكم المركزية.

توفر هذه الطبقة أيضاً الإشراف والتحكم في الأنظمة الفرعية الرئيسية، بما في ذلك:

• النظام الهيدروليكي

• النظام الجوي

• نظام تعديل الزاوية الكهربائي

• نظام الصندوق التروس

• نظام التحويل والتحكم في التحويل

من خلال وظائف SCADA المتكاملة، تضمن الطبقة المركزية للمراقبة تشغيل المزرعة الريحية بكفاءة وأمان وموثوقية.