Sistema de Monitoreo Inteligente para Parques Eólicos: Diseño e Implementación
1. Antecedentes
La generación de energía eólica convierte la energía cinética del viento en energía mecánica y luego transforma esa energía mecánica en energía eléctrica, esto es la generación de energía eólica.
El principio de la generación de energía eólica implica el uso del viento para rotar las palas del aerogenerador, que a su vez accionan un reductor para aumentar la velocidad de rotación, lo que conduce a la generación de electricidad por parte del generador.
Ante la creciente demanda energética de China, la generación de energía eólica continúa expandiéndose, y la construcción de parques eólicos se intensifica. Una sola empresa de energía puede operar múltiples parques eólicos, que a menudo están distribuidos en diferentes regiones geográficas. Además, dependiendo de su escala, cada parque eólico puede consistir en decenas a cientos de aerogeneradores. Debido a estas condiciones, cada parque eólico está equipado con su propio sistema de monitoreo de energía. Sin embargo, la gestión centralizada de múltiples parques eólicos presenta desafíos significativos. Para abordar este problema, la creación de centros de control centralizados (Central Control Centers) proporciona una solución efectiva.
Como resultado, mientras que la interconexión y la inteligencia en los parques eólicos mejoran la eficiencia de producción y gestión, también crean nuevos vectores de ataque para actores malintencionados. En los últimos años, los incidentes de ciberseguridad en el sector de la energía han ocurrido con frecuencia, exponiendo a la industria eléctrica a amenazas y desafíos de seguridad cada vez mayores.
2. Sistema de Control del Aerogenerador
Se requiere un sistema de control completamente automático para la operación y protección de los aerogeneradores. Este sistema debe ser capaz de iniciar automáticamente el aerogenerador, controlar el mecanismo de ajuste de paso de las palas y apagar de manera segura el aerogenerador tanto en condiciones normales como anormales. Además de las funciones de control, el sistema también realiza tareas de monitoreo, proporcionando información como el estado operativo, la velocidad del viento y la dirección del viento.
El sistema de control del aerogenerador consta de tres componentes principales:
Gabinete de Control Principal en la Base de la Torre
Gabinete de Control en la Nacele
Gabinete de Control en el HUB
La Unidad de Control de Energía Eólica (WPCU) sirve como el controlador central de cada aerogenerador y está distribuida dentro de la torre y la nacele del aerogenerador.
2.1 Estación de Control en la Base de la Torre
La estación de control en la base de la torre, también conocida como gabinete de control principal, es el núcleo del control del aerogenerador, compuesto principalmente por un controlador y módulos I/O. El controlador utiliza un procesador de 32 bits, y el sistema funciona con un robusto sistema operativo en tiempo real. Ejecuta lógica de control principal compleja y se comunica en tiempo real con el gabinete de control en la nacele, el sistema de paso y el sistema de conversión a través de fieldbus, asegurando que el aerogenerador opere bajo condiciones óptimas.
El gabinete de la base de la torre incluye:
Estación maestra PLC
RTU (Unidad Terminal Remota)
Conmutador Ethernet industrial
Fuente de alimentación UPS
Pantalla táctil (para monitoreo y operación local)
Botones de pulsación, luces indicadoras, interruptores automáticos, relés
Elementos de calefacción, ventiladores
Terminal de bloques
2.2 Estación de Control en la Nacele
La estación de control en la nacele recopila señales de sensores del aerogenerador, incluyendo temperatura, presión, velocidad de rotación y parámetros ambientales. Se comunica con la estación de control principal a través de fieldbus. El controlador principal utiliza el rack de control en la nacele para gestionar las funciones de orientación y desenroscado del cable. Además, controla los motores auxiliares, bombas de aceite y ventiladores de refrigeración dentro de la nacele para mantener el rendimiento óptimo del aerogenerador.
El gabinete de control en la nacele consta de:
Estación PLC en la nacele
Módulo de fuente de alimentación
Módulo esclavo FASTBUS
Módulo maestro CANBUS
Módulo Ethernet (para acceso de mantenimiento local desde PC)
Módulos de entrada/salida digital y analógica (DIO, AIO)
Interruptores, relés, interruptores
2.3 Sistema de Control de Paso
Los aerogeneradores de gran escala (superiores a 1 MW) generalmente utilizan sistemas de paso hidráulico o eléctrico. El sistema de paso utiliza un controlador frontal para regular los actuadores de paso de las tres palas del aerogenerador. Como unidad de ejecución del controlador principal, se comunica a través de CANopen para ajustar los ángulos de paso de las palas para un rendimiento óptimo.
El sistema de paso incluye una fuente de alimentación de respaldo y una cadena de seguridad para garantizar el apagado de emergencia en condiciones críticas.
El gabinete de control en el HUB incluye:
Estación PLC en el HUB
Unidades de accionamiento servo
Batería de paso de emergencia y unidad de monitoreo
Módulo de paso de emergencia
Relé de protección contra sobrespeed
Interruptores automáticos, relés, bloques terminales
Botones de pulsación, luces indicadoras y switches de mantenimiento
2.4 Sistema de Cadena de Seguridad de Respuesta de Emergencia
La cadena de seguridad de respaldo de emergencia es un mecanismo de protección basado en hardware independiente del sistema de control por computadora. Incluso si el sistema de control falla, la cadena de seguridad sigue funcionando. Conecta condiciones de fallo críticas, aquellas que podrían causar daños catastróficos al aerogenerador, en un solo circuito en serie. Cuando se activa, la cadena de seguridad inicia un apagado de emergencia, desconectando el aerogenerador de la red, maximizando así la protección de todo el sistema.
3. Arquitectura del Sistema y Visión General de las Funciones
El sistema de monitoreo de energía del parque eólico comprende los siguientes componentes clave:
Unidades de Control de Aerogeneradores Locales (WPCUs)
Red de fibra óptica Ethernet de anillo redundante de alta velocidad
Estaciones de operador superiores remotas
La unidad de control de aerogeneradores locales es el controlador central de cada aerogenerador, responsable del monitoreo de parámetros, el control automático de generación de energía y la protección de equipos. Cada aerogenerador está equipado con una interfaz HMI (Interfaz Hombre-Máquina) local para la operación, puesta en marcha y mantenimiento en sitio.
La red de fibra óptica Ethernet de anillo redundante de alta velocidad sirve como la autopista de datos del sistema, transmitiendo datos en tiempo real del aerogenerador al sistema de monitoreo superior.
La estación de operador superior es el centro de monitoreo operativo del parque eólico. Proporciona un monitoreo integral del estado del aerogenerador, alarmas de parámetros y registro y visualización de datos en tiempo real/históricos. Los operadores pueden monitorear y controlar todos los aerogeneradores desde la sala de control central.
3.1 Capa de Control de Campo
La capa de control de campo consta de los siguientes componentes clave:
Gabinete de control principal en la base de la torre
Gabinete de control en la nacele
Sistema de control de paso
Sistema de conversión
Estación HMI (Interfaz Hombre-Máquina) local
Conmutador Ethernet industrial
Red de comunicación fieldbus
Fuente de alimentación UPS
Sistema de respaldo de apagado de emergencia
La Unidad de Control de Aerogeneradores (WPCU) a nivel de campo sirve como el controlador central de cada aerogenerador. Es responsable del monitoreo de parámetros en tiempo real, el control automático de generación de energía y la protección de equipos. Cada aerogenerador está equipado con una interfaz HMI local que permite la operación, puesta en marcha, depuración y mantenimiento en sitio.
3.2 Capa de Monitoreo Central
La capa de monitoreo central es el núcleo operativo del parque eólico, proporcionando un monitoreo integral del estado del aerogenerador, alarmas de parámetros y registro y visualización de datos en tiempo real/históricos. Los operadores pueden monitorear y controlar todos los aerogeneradores desde la sala de control central.
Esta capa también permite la supervisión y control de subsistemas clave, incluyendo:
Sistema hidráulico
Sistema meteorológico
Sistema de control de paso eléctrico
Sistema de reductor
Sistema de orientación y control de orientación
A través de la funcionalidad integrada SCADA, la capa de monitoreo central asegura la operación eficiente, segura y confiable de todo el parque eólico.
