Sistema de Monitoratge Intel·ligent per a Parcs Eòlics: Disseny i Implementació
1. Antecedents
La generació d'energia eòlica converteix l'energia cinètica del vent en energia mecànica i, a continuació, transforma aquesta energia mecànica en energia elèctrica—això és la generació d'energia eòlica.
El principi de la generació d'energia eòlica implica utilitzar el vent per fer girar les paletes del aerogenerador, que llavors activen una cixa de canvis per augmentar la velocitat de rotació, així com un generador per produir electricitat.
En resposta a la creixent demanda energètica de la Xina, la generació d'energia eòlica continua expandint-se, i la construcció de parcs eòlics s'intensifica. Una única companyia elèctrica pot operar múltiples parcs eòlics, que sovint estan distribuïts en diferents regions geogràfiques. A més, depenent de la seva escala, cada parc eòlic pot constar de dezenes a centenars de turbinas eòliques. A causa d'aquestes condicions, cada parc eòlic disposa del seu propi sistema de monitoratge d'energia. No obstant això, la gestió centralitzada de diversos parcs eòlics presenta grans reptes. Per abordar aquest problema, l'establiment de centres de control centralitzats (Central Control Centers) ofereix una solució eficaç.
Com a resultat, mentre que la xarxa i la intel·ligència en els parcs eòlics milloren l'eficiència de la producció i la gestió, també creen nous vectors d'atac per als actors maliciosos. En els últims anys, els incidents de ciberseguretat en el sector elèctric han ocorregut amb freqüència, exposant la indústria elèctrica a amenaçes i reptes de seguretat creixents.
2. Sistema de Control de Turbines Eòliques
Es requereix un sistema de control totalment automàtic per a l'operació i protecció de les turbines eòliques. Aquest sistema ha de ser capaç de iniciar automàticament la turbina, controlar el mecanisme d'ajust de pas de les paletes i aturar la turbina de manera segura tant en condicions normals com anormals. A més de les funcions de control, el sistema també realitza tasques de monitoratge—proporcionant informació com l'estat operatiu, la velocitat del vent i la direcció del vent.
El sistema de control de la turbina eòlica consta de tres components principals:
Cabinet de Control Principal a la Base de la Torre
Cabinet de Control de la Nacelle
Cabinet de Control del Hub
La Unitat de Control d'Energia Eòlica (WPCU) serveix com a controlador central per a cada turbina i està distribuïda dins de la torre i la nacelle de la turbina.
2.1 Estació de Control a la Base de la Torre
L'estació de control a la base de la torre—també coneguda com a cabinet de control principal—és el nucli del control de la turbina eòlica, compost principalment per un controlador i mòduls I/O. El controlador utilitza un processador de 32 bits, i el sistema funciona amb un sistema operatiu en temps real potent. Executa lògica de control principal complexa i comunica en temps real amb el cabinet de control de la nacelle, el sistema de pitch i el sistema de conversió, assegurant que la turbina opera en condicions òptimes.
El cabinet de la base de la torre inclou:
Estació maestra PLC
RTU (Unitat Terminal Remota)
Commutador industrial d'Ethernet
Font d'alimentació UPS
Pantalla tàctil (per al monitoratge i operació local)
Botons, indicadors lumínics, disjuntors miniatures, relès
Elements de càlida, ventiladors
Bloques de terminals
2.2 Estació de Control de la Nacelle
L'estació de control de la nacelle recopila senyals dels sensors de la turbina, inclosos la temperatura, la pressió, la velocitat de rotació i els paràmetres ambientals. Comunica amb l'estació de control principal a través de fieldbus. El controlador principal utilitza la rack de control de la nacelle per gestionar les funcions de guiament i desenrotllament del cable. A més, controla els motors auxiliars, les bombes d'oli i els ventiladors de refrigeració dins de la nacelle per mantenir un rendiment òptim de la turbina.
El cabinet de control de la nacelle consta de:
Estació PLC de la nacelle
Mòdul d'alimentació
Mòdul esclau FASTBUS
Mòdul maestre CANBUS
Mòdul Ethernet (per accedir a la mantenedora local del PC)
Mòduls I/O digital i analògic (DIO, AIO)
Disjuntors, relès, interruptors
2.3 Sistema de Control de Pitch
Les turbines eòliques de gran escala (superior a 1 MW) normalment utilitzen sistemes de pitch hidràulics o elèctrics. El sistema de pitch utilitza un controlador frontal per regular els actuadors de pitch de les tres paletes de la turbina. Com a unitat d'execució del controlador principal, comunica via CANopen per ajustar els angles de pitch de les paletes per a un rendiment òptim.
El sistema de pitch inclou una font d'alimentació de reserva i una cadena de seguretat per assegurar l'aturada d'emergència en condicions crítiques.
El cabinet de control del hub inclou:
Estació PLC del hub
Unitats de conducció servo
Bateria d'emergència de pitch i unitat de monitoratge
Mòdul de pitch d'emergència
Relè de protecció contra excessos de velocitat
Disjuntors miniatures, relès, bloques de terminals
Botons, indicadors lumínics i interruptors de manteniment
2.4 Sistema de Cadena de Seguretat de Reserva d'Emergència
La cadena de seguretat de reserva d'emergència és un mecanisme de protecció basat en hardware independent del sistema de control informàtic. Inclus si el sistema de control falla, la cadena de seguretat roman funcional. Connecta les condicions de fallo crítiques—aquelles que podrien causar danys catastròfics a la turbina eòlica—en una sola sèrie de circuit. Quan s'activa, la cadena de seguretat inicia una aturada d'emergència, desconnectant la turbina de la xarxa, així maximitzant la protecció de tot el sistema.
3. Arquitectura del Sistema i Visió General de les Funcions
El sistema de monitoratge d'energia del parc eòlic inclou els següents components clau:
Unitats de Control de Turbines Eòliques Locals (WPCUs)
Xarxa d'Ethernet de fibra òptica redundant de alta velocitat
Estacions d'operador superior remot
La unitat de control de turbines eòliques locals és el controlador central per a cada turbina, responsable del monitoratge de paràmetres, el control automàtic de generació d'energia i la protecció de l'equipament. Cada turbina està equipada amb una interfície HMI (Human-Machine Interface) local per a l'operació, la puesta en marcha i el manteniment in situ.
La xarxa d'Ethernet de fibra òptica redundant de alta velocitat serveix com a autopista de dades del sistema, transmetent dades de les turbines en temps real al sistema de monitoratge superior.
L'estació d'operador superior és el centre de monitoratge operatiu del parc eòlic. Proporciona un monitoratge exhaustiu de l'estat de les turbines, alarms de paràmetres i registre i visualització de dades en temps real/històriques. Els operadors poden monitorar i controlar totes les turbines des de la sala de control central.
3.1 Capa de Control de Camp
La capa de control de camp consta dels següents components clau:
Cabinet de control principal a la base de la torre
Cabinet de control de la nacelle
Sistema de control de pitch
Sistema de conversió
Estació HMI (Human-Machine Interface) local
Commutador industrial d'Ethernet
Xarxa de comunicació fieldbus
Font d'alimentació UPS
Sistema de backup d'aturada d'emergència
La Unitat de Control de Turbines Eòliques (WPCU) a nivell de camp serveix com a controlador central per a cada turbina eòlica. És responsable del monitoratge de paràmetres en temps real, el control automàtic de generació d'energia i la protecció de l'equipament. Cada turbina està equipada amb una interfície HMI local que permet l'operació, la puesta en marcha, la depuració i el manteniment in situ.
3.2 Capa de Monitoratge Central
La capa de monitoratge central és el nucli operatiu del parc eòlic, proporcionant un monitoratge exhaustiu de l'estat de les turbines, alarms de paràmetres i registre i visualització de dades en temps real/històriques. Els operadors poden monitorar i controlar totes les turbines des de la sala de control central.
Aquesta capa també permet la supervisió i control de subsistemes clau, inclosos:
Sistema hidràulic
Sistema meteorològic
Sistema de control de pitch elèctric
Sistema de cixa de canvis
Sistema de guiament i control de guiament
A través de la funcionalitat integrada SCADA, la capa de monitoratge central assegura una operació eficient, segura i fiable de tot el parc eòlic.
