Интелигентна система за мониторинг на ветропаркове: Проектиране и имплементация

Dyson

Поле: Електрични стандарти

China

1. Фон

Производството на електроенергия от вятър преобразува кинетичната енергия на вятъра в механична енергия, а след това тази механична енергия се преобразува в електрическа енергия - това е производството на електроенергия от вятър.
Принципът на производството на електроенергия от вятър включва използването на вятъра за въртене на лопатите на вятърната турбина, които след това привеждат в действие скоростната кутия, за да се увеличи скоростта на въртене, и така се привежда в действие генераторът, който произвежда електроенергия.

При растящите енергийни нужди на Китай, производството на електроенергия от вятър продължава да се разширява, а строителството на вятърни паркове се интензифицира. Една енергийна компания може да управлява няколко вятърни парка, които често са разпределени в различни географски области. Освен това, в зависимост от мащаба, отделни вятърни паркове могат да съдържат десетки до стотици вятърни турбини. В резултат на тези условия, всеки вятърен парк е оборудван със собствена система за мониторинг на електроенергията. Но централизираното управление на няколко вятърни парка представлява значителни предизвикателства. За справяне с този проблем, създаването на централизирано контролно центрове (Central Control Centers) предоставя ефективно решение.

В резултат, докато мрежовото и интелигентно управление на вятърните паркове подобрява ефективността на производството и управлението, те също създават нови вектори за нападения от злонамерени актьори. През последните години, инцидентите, свързани с киберсигурността в енергийния сектор, се случват често, излагайки електроенергийната индустрия на нарастващи сигурностни заплахи и предизвикателства.

2. Система за управление на вятърната турбина

За операцията и защитата на вятърните турбини е необходима пълноавтоматична система за управление. Тази система трябва да бъде способна автоматично да стартира турбината, да контролира механичната система за регулиране на ъгъла на лопатите и да извършва безопасно спиране на турбината както при нормални, така и при аномални условия. Освен функциите за управление, системата извършва и задачи за наблюдение - предоставяйки информация като оперативен статус, скорост на вятъра и посока на вятъра.

Системата за управление на вятърната турбина се състои от три основни компонента:

Основен контролен шкаф в основата на кула
Контролен шкаф в капсула
Контролен шкаф в хуба

Единицата за управление на вятърната енергия (WPCU) служи като основен контролер за всяка турбина и е разпределена в кулата и капсулата на турбината.

2.1 Контролна станция в основата на кулата

Контролната станция в основата на кулата, също известна като основен контролен шкаф, е ядрото на управлението на вятърната турбина, главно състоящо се от контролер и I/O модули. Контролерът използва 32-битов процесор, а системата работи с мощна реално времева операционна система. Тя изпълнява сложна основна логика за управление и комуникира в реално време с контролния шкаф в капсулата, системата за регулиране на ъгъла на лопатите и преобразувателната система чрез полеви автобус, осигурявайки оптимални условия за работа на турбината.

Основният шкаф в основата на кулата включва:

Главна PLC станция
RTU (Удалена терминална единица)
Промишлен Ethernet свич
UPS източник на ток
Тачскрин (за местно наблюдение и управление)
Бутони, индикаторни лампи, миниатюрни прекъсвачи, реле
Елементи за нагреване, вентилатори
Терминални блокове

2.2 Контролна станция в капсулата

Контролната станция в капсулата събира сигнали от сензори от турбината, включително температура, налягане, скорост на въртене и околни параметри. Комуницира с основната контролна станция чрез полеви автобус. Главният контролер използва контролената рама в капсулата за управление на повратите и развоя на кабела. Освен това, тя контролира допълнителни двигатели, маслени помпи и охладителни вентилатори в капсулата, за да поддържа оптималната производителност на турбината.

Контролният шкаф в капсулата се състои от:

PLC станция в капсулата
Модул за източник на ток
FASTBUS slave модул
CANBUS master модул
Ethernet модул (за местен достъп за поддръжка на PC)
Цифрови и аналогови I/O (DIO, AIO) модули
Прекъсвачи, реле, ключове

2.3 Система за регулиране на ъгъла на лопатите

Голямите вятърни турбини (над 1 MW) обикновено използват или хидравлически, или електрически системи за регулиране на ъгъла на лопатите. Системата за регулиране на ъгъла на лопатите използва фронтален контролер, за да регулира актьорите за регулиране на ъгъла на трите лопати на турбината. Като изпълнителна единица на главния контролер, тя комуникира чрез CANopen, за да регулира ъглите на лопатите за оптимална производителност.

Системата за регулиране на ъгъла на лопатите включва резервен източник на ток и безопасна верига, за да осигури спиране в случай на критични условия.

Контролният шкаф в хуба включва:

PLC станция в хуба
Серво приводни единици
Аварийна батерия за регулиране на ъгъла на лопатите и модул за мониторинг
Аварийен модул за регулиране на ъгъла на лопатите
Реле за защита от надмерна скорост
Миниатюрни прекъсвачи, реле, терминални блокове
Бутони, индикаторни лампи и ключове за поддръжка

2.4 Резервна аварийна безопасна верига

Резервната аварийна безопасна верига е хардуерна защитна система, независима от компютърната система за управление. Даже ако системата за управление се счупи, безопасната верига остава функционална. Тя свързва критични дефектни условия, които могат да причинят катастрофални повреди на вятърната турбина, в една серияна верига. Когато е активирана, безопасната верига инициира аварийно спиране, разединявайки турбината от мрежата, за да се максимизира защитата на цялата система.

3. Архитектура на системата и функционален преглед

Системата за мониторинг на електроенергията в вятърния парк се състои от следните ключови компоненти:

Локални единици за управление на вятърната турбина (WPCUs)
Високоскоростна избыточна кръгова оптическа мрежа с Ethernet
Дистанционни операторски станции на горен ниво

Локалната единица за управление на вятърната турбина е основният контролер за всяка турбина, отговарящ за мониторинг на параметри, автоматично управление на производството на електроенергия и защита на оборудването. Всяка турбина е оборудвана с локален HMI (интерфейс между човек и машина) за местна операция, пускане, тестове и поддръжка.

Високоскоростната избыточна кръгова оптическа мрежа с Ethernet служи като данните на системата, предавайки реално време данни от турбините към системата за мониторинг на горен ниво.

Операторската станция на горен ниво е оперативният център за мониторинг на вятърния парк. Тя предоставя комплексен мониторинг на състоянието на турбините, аларми за параметри и записване и показване на реално време/исторически данни. Операторите могат да наблюдават и управляват всички турбини от централната контролна зала.

3.1 Полеви контролен слой

Полевият контролен слой се състои от следните ключови компоненти:

Основен контролен шкаф в основата на кулата
Контролен шкаф в капсула
Система за регулиране на ъгъла на лопатите
Система за преобразуване
Локална HMI (интерфейс между човек и машина) станция
Промишлен Ethernet свич
Полеви автобус за комуникация
UPS източник на ток
Резервна система за аварийно спиране

Единицата за управление на вятърната турбина (WPCU) на полево ниво служи като основен контролер за всяка вятърна турбина. Отговаря за мониторинг на параметри в реално време, автоматично управление на производството на електроенергия и защита на оборудването. Всяка турбина е оборудвана с локален HMI интерфейс, който позволява местна операция, пускане, тестове и поддръжка.

3.2 Централен слой за мониторинг

Централният слой за мониторинг е оперативното ядро на вятърния парк, предоставяйки комплексен мониторинг на състоянието на турбините, аларми за параметри и записване и показване на реално време/исторически данни. Операторите могат да наблюдават и управляват всички турбини от централната контролна зала.

Този слой също позволява надзор и управление на ключови подсистеми, включително: