Chytrý systém monitorování pro větrné farmy: Návrh a implementace

1. Pozadí

Výroba elektřiny z větru převádí kinetickou energii větru na mechanickou energii a poté tuto mechanickou energii transformuje na elektrickou energii – toto je výroba elektřiny z větru.
Princip výroby elektřiny z větru spočívá v použití větru k otáčení lopatek větrného turbíny, které pak pohánějí převodovku pro zvýšení otáček, což vedlo k pohonu generátoru a výrobě elektrické energie.

Vzhledem k rostoucím energetickým požadavkům Číny se výroba elektřiny z větru neustále rozšiřuje a intenzifikuje se stavba větrných farm. Jedna elektrárna může provozovat několik větrných farm, které jsou často rozprostřeny v různých geografických oblastech. Kromě toho mohou jednotlivé větrné farmy v závislosti na svém rozsahu obsahovat desítky až stovky větrných turbín. V důsledku těchto podmínek je každá větrná farma vybavena vlastním systémem sledování energie. Nicméně, centralizované řízení více větrných farm představuje významné výzvy. Pro řešení tohoto problému poskytuje zavedení centralizovaných ovládacích center (Central Control Centers) efektivní řešení.

V důsledku toho, zatímco síťování a inteligence v větrných farmách zlepšují efektivitu produkce a správy, vytvářejí také nové útoky pro škodlivé aktéry. V nedávných letech se v energetickém sektoru často vyskytují incidenty kybernetické bezpečnosti, což způsobuje, že průmysl elektrické energie je vystaven stále rostoucím bezpečnostním hrozbám a výzvám.

2. Ovládací systém větrné turbíny

Pro provoz a ochranu větrných turbín je potřeba úplně automatického ovládacího systému. Tento systém musí být schopen automaticky spouštět turbínu, řídit mechanismus pro mechanickou nastavovací lopatku a bezpečně vypínat turbínu jak za normálních, tak za neobvyklých podmínek. Kromě ovládacích funkcí tento systém také plní monitorovací úkoly – poskytuje informace jako jsou operační stav, rychlost větru a směr větru.

Ovládací systém větrné turbíny se skládá ze tří hlavních komponent:

• Hlavní ovládací skříň v základně věže

• Ovládací skříň nádrže

• Ovládací skříň hubu

Jednotka řízení větrné energie (WPCU) slouží jako jádrové řídící zařízení pro každou turbínu a je distribuována uvnitř věže a nádrže turbíny.

2.1 Ovládací stanice v základně věže

Ovládací stanice v základně věže, také známá jako hlavní ovládací skříň, je jádrem řízení větrné turbíny, především se skládá z řadiče a modulů I/O. Řadič používá 32bitový procesor a systém běží na silném reálně časovém operačním systému. Provádí složitou hlavní logiku řízení a komunikuje v reálném čase s ovládací skříní nádrže, systémem nastavovací lopatky a systémem převodníku prostřednictvím polovodičové sběrnice, zajišťuje, aby turbína fungovala v optimálních podmínkách.

Hlavní skříň v základně věže zahrnuje:

• Hlavní stanice PLC

• RTU (Vzdálená terminálová jednotka)

• Průmyslový ethernetový switch

• Zdroj UPS

• Dotykací obrazovka (pro místní monitorování a operaci)

• Tlačítka, indikátorové světlo, miniáturní pojistky, relé

• Ohřívací prvky, ventily

• Konektorové bloky

2.2 Ovládací stanice nádrže

Ovládací stanice nádrže shromažďuje signály senzorů z turbíny, včetně teploty, tlaku, otáček a environmentálních parametrů. Komunikuje s hlavní ovládací stanicí prostřednictvím polovodičové sběrnice. Hlavní řadič používá ovládací rámeček nádrže k řízení funkce otočení a odvíjení kabelu. Kromě toho řídí pomocné motory, olejové čerpadlo a chladicí ventily uvnitř nádrže, aby udržel optimální výkon turbíny.

Ovládací skříň nádrže se skládá z:

• Stanice PLC nádrže

• Modul zdroje napájení

• FASTBUS modul otroka

• CANBUS modul hlavní stanice

• Ethernetový modul (pro místní přístup k údržbě PC)

• Digitální a analogové I/O (DIO, AIO) moduly

• Pojistky, relé, přepínače

2.3 Systém nastavovací lopatky

Velké větrné turbíny (nad 1 MW) obvykle používají hydraulické nebo elektrické systémy nastavovací lopatky. Systém nastavovací lopatky používá front-end řadič k regulaci aktuatorů nastavovací lopatky tří lopatek turbíny. Jako výkonná jednotka hlavního řadiče komunikuje prostřednictvím CANopen k úpravě úhlů nastavovací lopatky pro optimální výkon.

Systém nastavovací lopatky zahrnuje záložní zdroj napájení a bezpečnostní řetězec, aby zajistil nouzové vypnutí za kritických podmínek.

Ovládací skříň hubu zahrnuje:

• Stanice PLC hubu

• Servomotorové jednotky

• Nouzová baterie nastavovací lopatky a jednotka sledování

• Nouzový modul nastavovací lopatky

• Relé proti přetáčení

• Miniaturní pojistky, relé, konektorové bloky

• Tlačítka, indikátorové světlo a přepínače pro údržbu

2.4 Záložní nouzový bezpečnostní řetězec

Záložní nouzový bezpečnostní řetězec je hardwarově založený ochranný mechanismus nezávislý na počítačovém ovládacím systému. I když selže ovládací systém, bezpečnostní řetězec zůstává funkční. Spojuje kritické poruchy, které by mohly způsobit katastrofální poškození větrné turbíny, do jednoho sériového obvodu. Když je aktivován, bezpečnostní řetězec inicioval nouzové vypnutí, odpojí turbínu od sítě a tím maximalizuje ochranu celého systému.

3. Architektura systému a funkční přehled

Systém sledování energie větrné farmy se skládá z následujících klíčových komponent:

• Místní jednotky řízení větrných turbín (WPCUs)

• Rychlá redundantní okruhová optická Ethernet síť

• Vzdálené horní operační stanice

Místní jednotka řízení větrné turbíny je jádrem řízení pro každou turbínu, odpovědná za sledování parametrů, automatické řízení výroby energie a ochranu zařízení. Každá turbína je vybavena místním HMI (Human-Machine Interface) pro místní operaci, iniciační nastavení a údržbu.

Rychlá redundantní okruhová optická Ethernet síť slouží jako datová magistrála systému, přenášející data v reálném čase z turbín do horního monitorovacího systému.

Horní operační stanice je operačním monitorovacím centrem větrné farmy. Poskytuje komplexní sledování stavu turbín, upozornění parametrů a záznam a zobrazení dat v reálném čase a historických dat. Operátoři mohou sledovat a kontrolovat všechny turbíny z centrální ovládací místnosti.

3.1 Pole ovládací vrstvy

Pole ovládací vrstvy se skládá z následujících klíčových komponent:

• Hlavní ovládací skříň v základně věže

• Ovládací skříň nádrže

• Systém nastavovací lopatky

• Systém převodníku

• Místní stanice HMI (Human-Machine Interface)

• Průmyslový ethernetový switch

• Komunikační síť polovodičové sběrnice

• Zdroj UPS

• Záložní systém nouzového vypnutí

Jednotka řízení větrné turbíny (WPCU) na polovodičové vrstvě slouží jako jádrové řídící zařízení pro každou větrnou turbínu. Je odpovědná za sledování parametrů v reálném čase, automatické řízení výroby energie a ochranu zařízení. Každá turbína je vybavena místním rozhraním HMI, které umožňuje místní operaci, iniciační nastavení, ladění a údržbu.

3.2 Centrální monitorovací vrstva

Centrální monitorovací vrstva je operačním jádrem větrné farmy, poskytující komplexní sledování stavu turbín, upozornění parametrů a záznam a zobrazení dat v reálném čase a historických dat. Operátoři mohou sledovat a kontrolovat všechny turbíny z centrální ovládací místnosti.

Tato vrstva také umožňuje dohled a kontrolu klíčových subsystémů, včetně:

• Hydraulický systém

• Meteorologický systém

• Elektrický systém nastavovací lopatky

• Systém převodovky

• Systém otočení a řízení otočení

Prostřednictvím integrované SCADA funkcionality zajišťuje centrální monitorovací vrstva efektivní, bezpečnou a spolehlivou operaci celé větrné farmy.