Pamaagi nga Paghimo og Smart Monitoring System para sa Wind Farms: Disenyo ug Implementasyon
1.Background
Ang paggawa sa kuryente gamit ang hangin nagsasama ng kinetikong enerhiya sa hangin at pinauunlad ito sa mekanikal na enerhiya, at pagkatapos ay inilipat ang mekanikal na enerhiyang ito sa elektrikal na enerhiya—ito ang paggawa ng kuryente mula sa hangin. Ang prinsipyong ito ng paggawa ng kuryente mula sa hangin ay naglalaman ng paggamit ng hangin upang i-rotate ang mga buntot ng turbin, na siyang nagpapabilis ng gearbox upang taasan ang bilis ng pag-ikot, at sa gayon ay nagpapagana ng generator upang makagawa ng kuryente.
Sa kasalukuyang lumalaking pangangailangan sa enerhiya ng Tsina, patuloy na lumalaki ang paggawa ng kuryente mula sa hangin, at patuloy na napapalakas ang pagtatayo ng mga wind farm. Ang isang kompanya ng kuryente maaaring mag-operate ng maraming wind farm, na kadalasang nahahati sa iba't ibang heograpikal na rehiyon. Bukod dito, depende sa sukat, ang bawat wind farm maaaring binubuo ng maraming hanggang sa daan-daang mga turbine. Dahil dito, bawat wind farm ay may sarili nitong sistema ng pagmomonito ng kuryente. Gayunpaman, ang sentralisadong pamamahala ng maraming wind farm ay nagbibigay ng malaking hamon. Upang tugunan ang problema na ito, ang pagtatatag ng sentralisadong control centers (Central Control Centers) ay nagbibigay ng epektibong solusyon.
Dahil dito, habang ang networking at intelligence sa mga wind farm ay nagpapabuti ng efisyensiya sa produksyon at pamamahala, ito rin ay nagbibigay ng bagong paraan ng atake para sa mga masamang aktor. Sa mga nakaraang taon, ang mga insidente sa cybersecurity sa sektor ng kuryente ay madalas nang nangyayari, na nagpapakita ng lumalaking banta at hamon sa industriya ng kuryente.
2. Wind Turbine Control System
Kinakailangan ng isang ganap na awtomatikong sistema ng kontrol para sa operasyon at proteksyon ng mga wind turbine. Ang sistemang ito ay dapat maaaring magsimula ng awtomatiko ang turbine, kontrolin ang mekanikal na pitch adjustment mechanism ng mga buntot, at ligtas na itigil ang turbine sa normal at abnormal na kondisyon. Kasama sa mga tungkulin ng kontrol, ang sistema din ay gumagawa ng mga gawain sa pagmomonito—na nagbibigay ng impormasyon tulad ng status ng operasyon, bilis ng hangin, at direksyon ng hangin.
Ang sistema ng kontrol ng wind turbine ay binubuo ng tatlong pangunahing bahagi:
Tower Base Main Control Cabinet
Nacelle Control Cabinet
Hub Control Cabinet
Ang Wind Power Control Unit (WPCU) ay nagsisilbing core controller para sa bawat turbine at ipinamamahagi sa loob ng tower at nacelle ng turbine.
2.1 Tower Base Control Station
Ang tower base control station—o kilala rin bilang main control cabinet—ay ang core ng kontrol ng wind turbine, na pangunahing binubuo ng controller at I/O modules. Ang controller ay gumagamit ng 32-bit processor, at ang sistema ay tumatakbo sa matibay na real-time operating system. Ito ay sumasagawa ng komplikadong main control logic at nagsasagawa ng real-time communication sa nacelle control cabinet, pitch system, at converter system sa pamamagitan ng fieldbus, na nagpapasiya na ang turbine ay gumagana sa pinakamahusay na kondisyon.
Ang tower base cabinet ay kinabibilangan ng:
PLC master station
RTU (Remote Terminal Unit)
Industrial Ethernet switch
UPS power supply
Touchscreen (para sa lokal na pagmomonito at operasyon)
Push buttons, indicator lights, miniature circuit breakers, relays
Heating elements, fans
Terminal blocks
2.2 Nacelle Control Station
Ang nacelle control station ay nagsasama ng mga signal ng sensor mula sa turbine, kasama ang temperatura, presyon, bilis ng pag-ikot, at environmental parameters. Ito ay nagsasagawa ng komunikasyon sa main control station sa pamamagitan ng fieldbus. Ang main controller ay gumagamit ng nacelle control rack upang ma-manage ang yawing at cable untwisting functions. Bukod dito, ito ay nagkontrol ng auxiliary motors, oil pumps, at cooling fans sa nacelle upang panatilihin ang optimal na performance ng turbine.
Ang nacelle control cabinet ay binubuo ng:
Nacelle PLC station
Power supply module
FASTBUS slave module
CANBUS master module
Ethernet module (para sa lokal na PC maintenance access)
Digital and analog I/O (DIO, AIO) modules
Circuit breakers, relays, switches
2.3 Pitch Control System
Ang malalaking wind turbines (higit sa 1 MW) karaniwang gumagamit ng hydraulic o electric pitch systems. Ang pitch system ay gumagamit ng front-end controller upang regulahan ang pitch actuators ng tatlong turbine blades. Bilang isang execution unit ng main controller, ito ay nagsasagawa ng komunikasyon sa pamamagitan ng CANopen upang ayusin ang mga angle ng pitch ng blade para sa optimal na performance.
Ang pitch system ay kasama ng backup power supply at safety chain upang siguruhin ang emergency shutdown sa critical conditions.
Ang hub control cabinet ay kinabibilangan ng:
Hub PLC station
Servo drive units
Emergency pitch battery and monitoring unit
Emergency pitch module
Overspeed protection relay
Miniature circuit breakers, relays, terminal blocks
Push buttons, indicator lights, and maintenance switches
2.4 Backup Emergency Safety Chain System
Ang backup emergency safety chain ay isang hardware-based na mekanismo ng proteksyon na independiyente sa computer control system. Kahit na ang control system ay bumagsak, ang safety chain ay nananatiling functional. Ito ay nagko-connect ng mga critical fault conditions—na maaaring sanhi ng catastrophic damage sa wind turbine—sa isang single series circuit. Kapag na-trigger, ang safety chain ay nagsisimula ng emergency shutdown, na nag-disconnect ng turbine mula sa grid, na nagpapataas ng proteksyon ng buong sistema.
3. System Architecture and Functional Overview
Ang wind farm power monitoring system ay binubuo ng mga sumusunod na pangunahing bahagi:
Local Wind Turbine Control Units (WPCUs)
High-speed redundant ring fiber-optic Ethernet network
Remote upper-level operator stations
Ang local wind turbine control unit ay ang core controller para sa bawat turbine, na responsable para sa parameter monitoring, automatic power generation control, at equipment protection. Bawat turbine ay may lokal na HMI (Human-Machine Interface) para sa on-site operation, commissioning, at maintenance.
Ang high-speed redundant ring fiber-optic Ethernet ay nagsisilbing data highway ng sistema, na nag-transmit ng real-time turbine data sa upper-level monitoring system.
Ang upper-level operator station ay ang operational monitoring center ng wind farm. Ito ay nagbibigay ng comprehensive turbine status monitoring, parameter alarms, at real-time/history data logging at display. Ang mga operator ay maaaring monitore at kontrolin ang lahat ng turbines mula sa central control room.
3.1 Field Control Layer
Ang field control layer ay binubuo ng mga sumusunod na pangunahing bahagi:
Tower base main control cabinet
Nacelle control cabinet
Pitch control system
Converter system
Local HMI (Human-Machine Interface) station
Industrial Ethernet switch
Fieldbus communication network
UPS power supply
Emergency shutdown backup system
Ang Wind Turbine Control Unit (WPCU) sa field level ay nagsisilbing core controller para sa bawat wind turbine. Ito ay responsable para sa real-time parameter monitoring, automatic power generation control, at equipment protection. Bawat turbine ay may lokal na HMI interface na nagbibigay ng on-site operation, commissioning, debugging, at maintenance.
3.2 Central Monitoring Layer
Ang central monitoring layer ay ang operational core ng wind farm, na nagbibigay ng comprehensive monitoring ng turbine status, parameter alarms, at real-time/history data logging at display. Ang mga operator ay maaaring monitore at kontrolin ang lahat ng turbines mula sa central control room.
Ang layer na ito ay nagbibigay rin ng supervision at kontrol ng mga key subsystems, kasama ang:
Hydraulic system
Meteorological system
Electric pitch control system
Gearbox system
Yaw system and yaw control
Sa pamamagitan ng integrated SCADA functionality, ang central monitoring layer ay nag-aangkop ng efficient, safe, at reliable na operasyon ng buong wind farm.
