Intelligentes Überwachungssystem für Windparks: Design und Implementierung
1. Hintergrund
Die Windkraft nutzt die kinetische Energie des Winds, um mechanische Energie zu erzeugen, und transformiert diese dann in elektrische Energie – dies ist die Windkraftgewinnung.
Das Prinzip der Windkraft besteht darin, den Wind dazu zu nutzen, die Rotorblätter einer Windturbine zu drehen, die dann ein Getriebe antreiben, um die Drehzahl zu erhöhen und damit einen Generator zur Erzeugung von Elektrizität anzutreiben.
Angesichts des wachsenden Energiebedarfs Chinas erweitert sich die Windkraftgewinnung ständig, und der Bau von Windparks intensiviert sich. Ein einzelnes Energieunternehmen kann mehrere Windparks betreiben, die oft in verschiedenen geografischen Regionen verteilt sind. Darüber hinaus können einzelne Windparks je nach ihrer Größe aus Dutzenden bis Hunderten von Windturbinen bestehen. Aufgrund dieser Bedingungen verfügt jeder Windpark über sein eigenes Stromüberwachungssystem. Allerdings stellt die zentrale Verwaltung mehrerer Windparks eine erhebliche Herausforderung dar. Um dieses Problem zu lösen, bieten zentrale Steuerzentralen (Central Control Centers) eine effektive Lösung.
Durch die Vernetzung und Intelligenz in Windparks verbessern sich zwar die Produktions- und Verwaltungseffizienz, es entstehen jedoch auch neue Angriffsvektoren für böswillige Akteure. In den letzten Jahren kamen in der Energiesektor häufig Cyber-Sicherheitsvorfälle vor, was die Elektrizitätsindustrie zunehmend Sicherheitsbedrohungen und -herausforderungen aussetzt.
2. Windturbinensteuerungssystem
Für den Betrieb und Schutz von Windturbinen ist ein vollautomatisches Steuerungssystem erforderlich. Dieses System muss in der Lage sein, die Turbine automatisch zu starten, das mechanische Blattverstellungssystem zu steuern und die Turbine sowohl unter normalen als auch unter außergewöhnlichen Bedingungen sicher herunterzufahren. Neben den Steuerfunktionen führt das System auch Überwachungsaufgaben durch – es liefert Informationen wie Betriebsstatus, Windgeschwindigkeit und Windrichtung.
Das Windturbinensteuerungssystem besteht aus drei Hauptkomponenten:
Hauptsteuerungsschrank am Turmsockel
Gondelsteuerungsschrank
Hubsteuerungsschrank
Die Windkraftsteuerungseinheit (WPCU) fungiert als Kernsteuergerät für jede Turbine und ist im Turm und in der Gondel der Turbine verteilt.
2.1 Steuerstation am Turmsockel
Die Steuerstation am Turmsockel, auch bekannt als Hauptsteuerungsschrank, ist das Herzstück der Windturbinensteuerung und besteht hauptsächlich aus einem Controller und I/O-Modulen. Der Controller verwendet einen 32-Bit-Prozessor, und das System läuft auf einem robusten Echtzeit-Betriebssystem. Es führt komplexe Hauptsteuerlogik aus und kommuniziert in Echtzeit mit dem Gondelsteuerungsschrank, dem Blattverstellungssystem und dem Umrichtersystem über Feldbus, um sicherzustellen, dass die Turbine unter optimalen Bedingungen arbeitet.
Der Turmsockelschrank enthält:
PLC-Hauptstation
RTU (Remote Terminal Unit)
Industrieller Ethernet-Switch
UPS-Stromversorgung
Touchscreen (für lokale Überwachung und Steuerung)
Tasten, Leuchtdioden, Miniatur-Leistungsschalter, Relais
Heizelemente, Lüfter
Klemmenleisten
2.2 Gondelsteuerstation
Die Gondelsteuerstation sammelt Sensordaten der Turbine, einschließlich Temperatur, Druck, Drehzahl und Umgebungsparameter. Sie kommuniziert mit der Hauptsteuerstation über Feldbus. Der Hauptcontroller verwendet den Gondelsteuerungsrahmen, um die Yaw-Funktion und das Entdrehen des Kabels zu steuern. Darüber hinaus steuert er Hilfsmotoren, Ölpumpen und Kühlgebläse in der Gondel, um die optimale Turbinenleistung aufrechtzuerhalten.
Der Gondelsteuerungsschrank besteht aus:
Gondel-PLC-Station
Stromversorgungsmodul
FASTBUS-Sklavenmodul
CANBUS-Mastermodul
Ethernet-Modul (für lokalen PC-Wartungszugriff)
Digitale und analoge I/O (DIO, AIO)-Module
Leistungsschalter, Relais, Schalter
2.3 Blattverstellungssystem
Große Windturbinen (über 1 MW) verwenden in der Regel hydraulische oder elektrische Blattverstellungssysteme. Das Blattverstellungssystem verwendet einen Frontend-Controller, um die Blattverstellungskomponenten der drei Turbinenblätter zu steuern. Als Ausführungsunit des Hauptcontrollers kommuniziert es über CANopen, um die Blattverstellwinkel für eine optimale Leistung anzupassen.
Das Blattverstellungssystem enthält eine Notstromversorgung und eine Sicherheitskette, um bei kritischen Bedingungen eine Notabschaltung zu gewährleisten.
Der Hubsteuerungsschrank enthält:
Hub-PLC-Station
Servoantriebseinheiten
Notstrombatterie für die Blattverstellung und Überwachungseinheit
Notfall-Blattverstellungsmodule
Überdrehungsschutzrelais
Miniatur-Leistungsschalter, Relais, Klemmenleisten
Tasten, Leuchtdioden und Wartungsschalter
2.4 Notfall-Sicherheitsketten-System
Die Notfall-Sicherheitskette ist ein hardwarebasiertes Schutzmechanismus, der unabhängig vom Computersteuerungssystem ist. Selbst wenn das Steuerungssystem versagt, bleibt die Sicherheitskette funktionsfähig. Sie verbindet kritische Fehlerbedingungen, die katastrophale Schäden an der Windturbine verursachen könnten, in eine einzige Reihenschaltung. Wenn sie ausgelöst wird, initiiert die Sicherheitskette eine Notabschaltung, trennt die Turbine vom Netzwerk ab und maximiert somit den Schutz des gesamten Systems.
3. Systemarchitektur und Funktionsübersicht
Das Stromüberwachungssystem des Windparks besteht aus den folgenden Schlüsselkomponenten:
Lokale Windturbinensteuerungseinheiten (WPCUs)
Hochgeschwindigkeitsredundanter Ring-Faseroptik-Ethernet-Netzwerk
Fern-Operatorstationen höherer Ebene
Die lokale Windturbinensteuerungseinheit ist der Kernsteuerer für jede Turbine, verantwortlich für die Parameterüberwachung, die automatische Stromerzeugungssteuerung und den Geräteschutz. Jede Turbine ist mit einer lokalen HMI (Human-Machine Interface) ausgestattet, die die Ortsoperation, Inbetriebnahme und Wartung ermöglicht.
Das hochgeschwindigkeitsredundante Ring-Faseroptik-Ethernet dient als Datenautobahn des Systems, um Echtzeit-Turbinendaten an das Überwachungssystem höherer Ebene zu übertragen.
Die Operatorstation höherer Ebene ist das operative Überwachungszentrum des Windparks. Sie bietet umfassende Turbinenstatusüberwachung, Parameteralarme und Echtzeit-/Historiendatenerfassung und -anzeige. Die Betreiber können alle Turbinen aus dem zentralen Kontrollraum überwachen und steuern.
3.1 Feldsteuerungsebene
Die Feldsteuerungsebene besteht aus den folgenden Schlüsselkomponenten:
Hauptsteuerungsschrank am Turmsockel
Gondelsteuerungsschrank
Blattverstellungssystem
Umrichtersystem
Lokale HMI (Human-Machine Interface)-Station
Industrieller Ethernet-Switch
Feldbus-Kommunikationsnetzwerk
UPS-Stromversorgung
Notabschalt-Reservesystem
Die Windturbinensteuerungseinheit (WPCU) auf Feldniveau dient als Kernsteuergerät für jede Windturbine. Sie ist verantwortlich für die Echtzeit-Parameterüberwachung, die automatische Stromerzeugungssteuerung und den Geräteschutz. Jede Turbine ist mit einer lokalen HMI-Schnittstelle ausgestattet, die die Ortsoperation, Inbetriebnahme, Debugging und Wartung ermöglicht.
3.2 Zentrale Überwachungsebene
Die zentrale Überwachungsebene ist das operative Herzstück des Windparks und bietet umfassende Überwachung des Turbinenstatus, Parameteralarme und Echtzeit-/Historiendatenerfassung und -anzeige. Die Betreiber können alle Turbinen aus dem zentralen Kontrollraum überwachen und steuern.
Diese Ebene ermöglicht auch die Überwachung und Steuerung von Schlüssel-Subsystemen, einschließlich:
Hydraulisches System
Meteorologisches System
Elektrisches Blattverstellungssystem
Getriebesystem
Yaw-System und Yaw-Steuerung
Durch integrierte SCADA-Funktionalität sorgt die zentrale Überwachungsebene für eine effiziente, sichere und zuverlässige Betriebsführung des gesamten Windparks.
