Smart overvågningssystem til vindparker: Design & Implementering

1. Baggrund

Vindkraft omdanner vindens kinetiske energi til mekanisk energi, og derefter omdanner den mekaniske energi til elektrisk energi – dette er vindkraft.
Princippet bag vindkraft indebærer at bruge vind til at rotere vindmølleblade, hvilket derefter drev en gearboks for at øge rotationshastigheden, og dermed drev generator for at producere strøm.

Under Kinas voksende energibehov fortsætter vindkraft med at udvide sig, og konstruktionen af vindparker intensiveres. En enkelt energiselskab kan operere flere vindparker, som ofte er fordelt på forskellige geografiske regioner. Desuden kan individuelle vindparker bestå af flere ti til hundreder vindmøller, afhængigt af deres størrelse. På grund af disse forhold er hver vindpark udstyret med sit eget strømovervågningssystem. Dog præsenterer centraliseret administration af flere vindparker betydelige udfordringer. For at løse dette problem yder oprettelsen af centraliserede kontrolcentre (Central Control Centers) en effektiv løsning.

Som følge heraf, mens netværk og intelligens i vindparker forbedrer produktions- og administrationseffektiviteten, skaber de også nye angrebssporet for ondsindede aktører. I de seneste år har cybersikkerhedshændelser inden for energisektoren forekommet hyppigt, hvilket udsætter el-sektoren for stigende sikkerhedstrusler og udfordringer.

2. Vindmøllekontrolsystem

Der kræves et fuldt automatisk kontrolsystem for drift og beskyttelse af vindmøller. Dette system skal være i stand til automatisk at starte møllen, kontrollere bladernes mekaniske pitchjustering, og sikkert lukke ned på møllen både under normale og anormale forhold. Ud over kontrolfunktioner udfører systemet også overvågningsopgaver – det leverer information som driftsstatus, vindhastighed og vindretning.

Vindmøllekontrolsystemet består af tre hovedkomponenter:

• Tårnbaseret hovedkontrolskab

• Nacellekontrolskab

• Hubkontrolskab

Wind Power Control Unit (WPCU) fungerer som kernen i kontrolleren for hver mølle og er fordelt inden for tårnet og nacellen af møllen.

2.1 Tårnbaseret kontrolstation

Tårnbaseret kontrolstation – også kendt som hovedkontrolskab – er kernen i vindmøllekontrol, primært bestående af en kontroller og I/O-moduler. Kontrolleren anvender en 32-bit processor, og systemet kører på et stærkt realtid-operativsystem. Det udfører kompleks hovedkontrolllogik og kommunikerer i realtid med nacellekontrolskabet, pitch-systemet og omformer-systemet via feltbus, hvilket sikrer at møllen fungerer under optimale forhold.

Tårnbaseret skab inkluderer:

• PLC-hovedstation

• RTU (Remote Terminal Unit)

• Industriel Ethernet-switch

• UPS-strømforsyning

• Touchscreen (til lokal overvågning og drift)

• Trykknapper, indikatorlys, miniaturbrydere, relæer

• Opvarmningskomponenter, ventilatorer

• Terminalblokke

2.2 Nacellekontrolstation

Nacellekontrolstationen samler sensor signaler fra møllen, herunder temperatur, tryk, rotationshastighed og miljøparametre. Den kommunikerer med hovedkontrolstationen via feltbus. Hovedkontrolleren bruger nacellekontrolrack til at administrere yawing og kabelfri functions. Desuden kontrollerer den hjælpemotorer, oliepumper og køleventilatorer i nacellen for at opretholde optimal mølleperformance.

Nacellekontrolskabet består af:

• Nacelle PLC-station

• Strømforsyningmodul

• FASTBUS-slavemodul

• CANBUS-mastermodul

• Ethernet-modul (til lokal PC vedligeholdelsesadgang)

• Digitale og analoge I/O (DIO, AIO) moduler

• Brydere, relæer, skalter

2.3 Pitchkontrolsystem

Store vindmøller (over 1 MW) anvender typisk enten hydraulisk eller elektrisk pitchsystem. Pitchsystemet bruger en front-end-kontroller til at regulere pitchaktuatorerne for de tre mølleblade. Som eksekveringsenhed for hovedkontrolleren kommunikerer den via CANopen for at justere bladpitchvinkler for optimal performance.

Pitchsystemet inkluderer en backup-strømforsyning og en sikkerhedskæde for at sikre nødstop under kritiske forhold.

Hubkontrolskabet inkluderer:

• Hub PLC-station

• Servostyringsenheder

• Nødpitchbatteri og overvågningseenhed

• Nødpitchmodul

• Overspeedbeskyttelsesrelæ

• Miniaturbrydere, relæer, terminalblokke

• Trykknapper, indikatorlys og vedligeholdelsesskalder

2.4 Backup-nødsikkerhedskædesystem

Backup-nødsikkerhedskæden er en hardware-baseret beskyttelsesmekanisme, der er uafhængig af computerkontrollsystemet. Selv hvis kontrolsystemet mislykkes, fungerer sikkerhedskæden stadig. Den forbinder kritiske fejltilstande – dem, der kunne forårsage katastrofale skader på vindmøllen – i en enkelt seriekredsløb. Når den udløses, initierer sikkerhedskæden en nødstop, der afbryder forbindelsen mellem møllen og nettet, og dermed maksimerer beskyttelsen af hele systemet.

3. Systemarkitektur og funktionsoversigt

Vindparkens strømovervågningssystem består af følgende nøglekomponenter:

• Lokale vindmøllekontrolenheder (WPCUs)

• Højhastigheds redundant ring fiber-optisk Ethernet-netværk

• Fjerne overlevelsesoperatorstations

Den lokale vindmøllekontrolenhed er kernen i kontrolleren for hver mølle, ansvarlig for parameterovervågning, automatisk strømproduktionkontrol og udstyrbeskyttelse. Hver mølle er udstyret med en lokal HMI (Human-Machine Interface) til stedets drift, kommissionering og vedligeholdelse.

Det højhastigheds redundante ringfiber-optiske Ethernet-netværk fungerer som systemets datahovedvej, der transmitterer realtidsmølledata til det øverste overvågningssystem.

Den øverste operatorstation er driftsmonitoringscentret for vindparken. Den giver en omfattende overvågning af møllestatus, parameteralarmer og realtid/historisk datalogging og visning. Operatorer kan overvåge og kontrollere alle møller fra det centrale kontrolrum.

3.1 Feltkontrolniveau

Feltkontrolniveauet består af følgende nøglekomponenter:

• Tårnbaseret hovedkontrolskab

• Nacellekontrolskab

• Pitchkontrolsystem

• Omformer system

• Lokal HMI (Human-Machine Interface) station

• Industriel Ethernet-switch

• Feltbuskommunikationsnetværk

• UPS-strømforsyning

• Nødstopbackupsystem

Wind Turbine Control Unit (WPCU) på felt niveau fungerer som kernen i kontrolleren for hver vindmølle. Den er ansvarlig for realtidparameterovervågning, automatisk strømproduktionkontrol og udstyrbeskyttelse. Hver mølle er udstyret med en lokal HMI-grænseflade, der gør det muligt at drive, kommissionere, debugge og vedligeholde på stedet.

3.2 Central overvågningsniveau

Det centrale overvågningsniveau er driftsområdet for vindparken, der giver en omfattende overvågning af møllestatus, parameteralarmer og realtid/historisk datalogging og visning. Operatorer kan overvåge og kontrollere alle møller fra det centrale kontrolrum.

Dette niveau gør det også muligt at overvåge og kontrollere nøglesubsystemer, herunder:

• Hydraulisk system

• Meteorologisk system

• Elektrisk pitchkontrolsystem

• Gearboks system

• Yaw system og yaw kontrol

Gennem integreret SCADA-funktionalitet sikrer det centrale overvågningsniveau en effektiv, sikker og pålidelig drift af hele vindparken.