Σύστημα Ευφυούς Επιτήρησης για Πάρκα Ανεμογεννήτριων: Σχεδίαση & Έκδοση

1. Φόντο

Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο μετατρέπει τη κινητική ενέργεια του ανέμου σε μηχανική ενέργεια, και στη συνέχεια, αυτή τη μηχανική ενέργεια μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια—αυτή είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο.
Το πρίγματικό πρίγμα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο είναι να χρησιμοποιηθεί ο άνεμος για να περιστρέψει τις πτέρυγες του ανεμογεννήτρια, οι οποίες στη συνέχεια οδηγούν έναν μετατροπέα ταχύτητας για να αυξήσει την ταχύτητα περιστροφής, έτσι διασφαλίζοντας τη λειτουργία του γεννήτρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Με την αυξανόμενη ζήτηση ενέργειας στην Κίνα, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον άνεμο συνεχίζει να επεκτείνεται, και η κατασκευή ανεμοπάρκων εντείνεται. Μια μόνη εταιρεία παροχής ενέργειας μπορεί να διαχειρίζεται πολλά ανεμοπάρκα, τα οποία συχνά είναι διανεμημένα σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές. Επιπλέον, ανάλογα με την κλίμακά τους, τα μεμονωμένα ανεμοπάρκα μπορεί να αποτελούνται από δεκάδες έως εκατοντάδες ανεμογεννήτριες. Λόγω αυτών των συνθηκών, κάθε ανεμοπάρκο είναι εξοπλισμένο με το δικό του σύστημα παρακολούθησης ενέργειας. Ωστόσο, η ενοποιημένη διαχείριση πολλών ανεμοπάρκων παρουσιάζει σημαντικές προκλήσεις. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το θέμα, η δημιουργία κεντρικών κέντρων ελέγχου (Central Control Centers) παρέχει μια αποτελεσματική λύση.

Ως αποτέλεσμα, ενώ η δικτύωση και η εξελιγμένη τεχνολογία στα ανεμοπάρκα βελτιώνουν την αποδοτικότητα παραγωγής και διαχείρισης, δημιουργούν επίσης νέες επιθετικές προσεγγίσεις για κακόβουλους παράγοντες. Τα τελευταία χρόνια, οι περιπτώσεις κυβερνοασφάλειας στον τομέα της ενέργειας έχουν συμβεί συχνά, αποκαλύπτοντας την ηλεκτροενεργειακή βιομηχανία σε αυξανόμενες απειλές και προκλήσεις ασφάλειας.

2. Σύστημα Έλεγχου Ανεμογεννήτριας

Είναι απαραίτητο ένα πλήρως αυτόματο σύστημα έλεγχου για τη λειτουργία και προστασία των ανεμογεννητριών. Αυτό το σύστημα πρέπει να είναι σε θέση να εκκινεί αυτόματα την ανεμογεννήτρια, να ελέγχει το μηχανικό μηχανισμό προσαρμογής των πτερύγων, και να απενεργοποιεί την ανεμογεννήτρια με ασφάλεια κάτω από και τις φυσιολογικές και τις παρανορμαλίες συνθήκες. Εκτός από τις λειτουργίες έλεγχου, το σύστημα εκτελεί επίσης καθήκοντα παρακολούθησης—παρέχοντας πληροφορίες όπως η κατάσταση λειτουργίας, η ταχύτητα του ανέμου, και η κατεύθυνση του ανέμου.

Το σύστημα έλεγχου της ανεμογεννήτριας αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία:

• Κύριο Πάνελ Ελέγχου στη Βάση της Πύργου

• Πάνελ Ελέγχου στη Νακέλ

• Πάνελ Ελέγχου στην Άξονα

Η Ενότητα Έλεγχου Ανεμογεννήτριας (WPCU) λειτουργεί ως το κύριο ελεγκτής για κάθε ανεμογεννήτρια και είναι διανεμημένη μέσα στην πύργο και τη νακέλ της ανεμογεννήτριας.

2.1 Σταθμός Ελέγχου στη Βάση της Πύργου

Ο σταθμός ελέγχου στη βάση της πύργου—επίσης γνωστός ως το κύριο πάνελ ελέγχου—είναι το κέντρο του ελέγχου της ανεμογεννήτριας, πρωταρχικά αποτελείται από έναν ελεγκτή και μονάδες I/O. Ο ελεγκτής χρησιμοποιεί έναν 32-bit επεξεργαστή, και το σύστημα λειτουργεί με ένα ισχυρό σύστημα πραγματικού χρόνου. Εκτελεί περίπλοκη κύρια λογική έλεγχου και επικοινωνεί σε πραγματικό χρόνο με το πάνελ ελέγχου στη νακέλ, το σύστημα προσαρμογής των πτερύγων, και το σύστημα μετατροπέα, διασφαλίζοντας ώστε η ανεμογεννήτρια να λειτουργεί υπό τις βέλτιστες συνθήκες.

Το κύριο πάνελ στη βάση της πύργου περιλαμβάνει:

• Κύρια σταθμίδα PLC

• RTU (Remote Terminal Unit)

• Βιομηχανικό τεράστιο switch Ethernet

• Πηγή τροφοδοσίας UPS

• Οθόνη έγγραφης επαφής (για τοπική παρακολούθηση και λειτουργία)

• Επιλογείς, δείκτες, μικροσχεδιασμένα σπαστά, ρελέ

• Θερμαντικά στοιχεία, ανεμιστήρες

• Τερματικοί πίνακες

2.2 Σταθμός Ελέγχου στη Νακέλ

Ο σταθμός ελέγχου στη νακέλ συλλέγει σήματα αισθητήρων από την ανεμογεννήτρια, συμπεριλαμβανομένων της θερμοκρασίας, της πίεσης, της ταχύτητας περιστροφής, και των περιβαλλοντικών παραμέτρων. Επικοινωνεί με τον κύριο σταθμό ελέγχου μέσω fieldbus. Ο κύριος ελεγκτής χρησιμοποιεί το πάνελ ελέγχου στη νακέλ για τη διαχείριση των λειτουργιών γιρίσματος και αποστροφής των καλωδίων. Επιπλέον, ελέγχει βοηθητικούς κινητήρες, λιπαντοστασικούς, και ανεμιστήρες στη νακέλ για τη διατήρηση της βέλτιστης απόδοσης της ανεμογεννήτριας.

Το πάνελ ελέγχου στη νακέλ περιλαμβάνει:

• Σταθμίδα PLC στη νακέλ

• Μονάδα πηγής τροφοδοσίας

• FASTBUS slave module

• CANBUS master module

• Ethernet module (for local PC maintenance access)

• Digital and analog I/O (DIO, AIO) modules

• Circuit breakers, relays, switches

2.3 Σύστημα Προσαρμογής των Πτερύγων

Οι μεγάλες ανεμογεννήτριες (πάνω από 1 MW) συνήθως χρησιμοποιούν είτε υδραυλικά είτε ηλεκτρικά συστήματα προσαρμογής των πτερύγων. Το σύστημα προσαρμογής χρησιμοποιεί έναν ελεγκτή προσωπικής επιφάνειας για την ρύθμιση των μηχανισμών προσαρμογής των τριών πτερύγων. Ως εκτελεστική μονάδα του κυρίου ελεγκτή, επικοινωνεί μέσω CANopen για την προσαρμογή των γωνιών πτερύγων για βέλτιστη απόδοση.

Το σύστημα προσαρμογής περιλαμβάνει μια εφεδρική πηγή τροφοδοσίας και μια ασφαλή αλυσίδα για να εξασφαλίσει την επείγουσα απενεργοποίηση σε κρίσιμες συνθήκες.

Το πάνελ ελέγχου στην άξονα περιλαμβάνει:

• Σταθμίδα PLC στην άξονα

• Μονάδες υπηρεσίας

• Εφεδρική μπαταρία προσαρμογής και μονάδα παρακολούθησης

• Εφεδρική μονάδα προσαρμογής

• Ρελέ προστασίας υπερταχύτητας

• Μικροσχεδιασμένα σπαστά, ρελέ, τερματικοί πίνακες

• Επιλογείς, δείκτες, και μετατροπείς συντήρησης

2.4 Σύστημα Εφεδρικής Ασφαλούς Αλυσίδας

Η εφεδρική ασφαλής αλυσίδα είναι ένα μηχανικό σύστημα προστασίας ανεξάρτητο από το σύστημα ηλεκτρονικού ελέγχου. Ακόμη και αν το σύστημα έλεγχου αποτύχει, η ασφαλής αλυσίδα παραμένει λειτουργική. Συνδέει κρίσιμες παρανορμαλίες—εκείνες που μπορούν να προκαλέσουν καταστροφικές ζημιές στην ανεμογεννήτρια—σε μία μοναδική σειριακή αλυσίδα. Όταν ενεργοποιείται, η ασφαλής αλυσίδα προκαλεί επείγουσα απενεργοποίηση, αποσυνδέοντας την ανεμογεννήτρια από το δίκτυο, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η μέγιστη προστασία του συνόλου του συστήματος.

3. Αρχιτεκτονική και Συνοπτική Περιγραφή Λειτουργιών του Συστήματος

Το σύστημα παρακολούθησης ενέργειας του ανεμοπάρκου αποτελείται από τα εξής βασικά στοιχεία:

• Τοπικές Μονάδες Έλεγχου Ανεμογεννήτριας (WPCUs)

• Υψηλόταχο επιμελητικό δακτυλικό δίκτυο fiber-optic Ethernet

• Απομακρυσμένες επίπεδες επιχειρησιακές σταθμίδες

Η τοπική μονάδα έλεγχου ανεμογεννήτριας είναι ο κύριος ελεγκτής για κάθε ανεμογεννήτρια, υπεύθυνη για την παρακολούθηση παραμέτρων, τον αυτόματο έλεγχο παραγωγής ενέργειας, και την προστασία της εξοπλισμού. Κάθε ανεμογεννήτρια είναι εξοπλισμένη με ένα τοπικό HMI (Human-Machine Interface) για τοπική λειτουργία, επιμέλεια, και συντήρηση.

Το υψηλόταχο επιμελητικό δακτυλικό δίκτυο fiber-optic Ethernet λειτουργεί ως η οδός μεταφοράς δεδομένων του συστήματος, μεταφέροντας πραγματικά δεδομένα της ανεμογεννήτριας στο επίπεδο επιχειρησιακής παρακολούθησης.

Η επίπεδος επιχειρησιακής σταθμίδα είναι το κέντρο επιχειρησιακής παρακολούθησης του ανεμοπάρκου. Παρέχει συνολική παρακολούθηση της κατάστασης της ανεμογεννήτριας, παραμετρικές ειδοποιήσεις, και πραγματική/ιστορική καταγραφή και εμφάνιση δεδομένων. Οι τεχνικοί μπορούν να παρακολουθούν και να ελέγχουν όλες τις ανεμογεννήτριες από το κεντρικό κέντρο ελέγχου.

3.1 Επίπεδο Ελέγχου Πεδίου

Το επίπεδο ελέγχου πεδίου αποτελείται από τα εξής βασικά στοιχεία:

• Κύριο πάνελ ελέγχου στη βάση της πύργου

• Πάνελ ελέγχου στη νακέλ

• <