Система интеллектуального мониторинга для ветропарков: проектирование и реализация

1. زمینه

تولید برق از باد انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی و سپس آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند—این فرآیند تولید برق از باد است.
اصطلاح تولید برق از باد شامل استفاده از باد برای چرخاندن پرهای توربین، که سپس باعث چرخش گیربکس برای افزایش سرعت چرخش می‌شود، بنابراین ژنراتور را برای تولید برق می‌راند.

با افزایش نیازهای انرژی در چین، تولید برق از باد به طور مداوم در حال گسترش است و ساخت تاسیسات بادی نیز شدت می‌یابد. یک شرکت تولید برق ممکن است چندین تاسیسات بادی را اداره کند که اغلب در مناطق جغرافیایی مختلف پراکنده هستند. علاوه بر این، بسته به مقیاس، هر تاسیسات بادی ممکن است شامل ده‌ها تا صد‌ها توربین بادی باشد. به دلیل این شرایط، هر تاسیسات بادی با سیستم نظارتی خود مجهز می‌شود. با این حال، مدیریت متمرکز چندین تاسیسات بادی چالش‌های قابل توجهی ایجاد می‌کند. برای حل این مشکل، ایجاد مراکز کنترل مرکزی (مراکز کنترل مرکزی) راه‌حل مؤثری ارائه می‌دهد.

بنابراین، در حالی که شبکه‌بندی و هوشمندسازی در تاسیسات بادی بهبود کارایی تولید و مدیریت را ایجاد می‌کنند، آن‌ها همچنین مسیرهای حمله جدیدی برای افراد خرابکار ایجاد می‌کنند. در سال‌های اخیر، حوادث امنیت سایبری در بخش برق به طور مکرر رخ داده‌اند که صنعت برق را در معرض تهدیدها و چالش‌های امنیتی بیشتری قرار داده است.

2. سیستم کنترل توربین بادی

برای عملیات و محافظت از توربین‌های بادی نیاز به یک سیستم کنترل کاملاً خودکار است. این سیستم باید قادر به شروع خودکار توربین، کنترل مکانیسم تنظیم مکانیکی پره‌ها و خاموش کردن ایمن توربین در شرایط عادی و غیرعادی باشد. علاوه بر عملکردهای کنترلی، این سیستم همچنین وظایف نظارتی انجام می‌دهد—اطلاعاتی مانند وضعیت عملیاتی، سرعت باد و جهت باد را ارائه می‌دهد.

سیستم کنترل توربین بادی از سه مولفه اصلی تشکیل شده است:

• کابین کنترل اصلی پایه دکلمان

• کابین کنترل ناکسل

• کابین کنترل هاب

واحد کنترل برق بادی (WPCU) به عنوان کنترلر اصلی هر توربین عمل می‌کند و در داخل دکلمان و ناکسل توربین توزیع شده است.

2.1 ایستگاه کنترل پایه دکلمان

ایستگاه کنترل پایه دکلمان—که به عنوان کابین کنترل اصلی نیز شناخته می‌شود—هسته کنترل توربین بادی است و عمدتاً از یک کنترلر و ماژول‌های I/O تشکیل شده است. کنترلر از پردازنده ۳۲ بیتی استفاده می‌کند و سیستم بر روی یک سیستم عامل زمان‌بندی قوی اجرا می‌شود. این سیستم منطق کنترلی اصلی پیچیده را اجرا می‌کند و به طور زنده با کابین کنترل ناکسل، سیستم تنظیم پره و سیستم تبدیل‌کننده ارتباط برقرار می‌کند تا توربین در شرایط بهینه عمل کند.

کابین پایه دکلمان شامل موارد زیر است:

• ایستگاه اصلی PLC

• RTU (واحد ترمینال دور)

• سوئیچ اترنت صنعتی

• منبع تغذیه UPS

• صفحه لمسی (برای نظارت و عملیات محلی)

• دکمه‌ها، نماهای نشان‌دهنده، کلیدهای مدارکوچک، رله‌ها

• عناصر گرمکن، موتورهای پنکه

• بلوک‌های ترمینال

2.2 ایستگاه کنترل ناکسل

ایستگاه کنترل ناکسل سیگنال‌های حسگر از توربین را جمع‌آوری می‌کند، از جمله دما، فشار، سرعت چرخش و پارامترهای محیطی. این ایستگاه از طریق فیلدبوس با ایستگاه کنترل اصلی ارتباط برقرار می‌کند. کنترلر اصلی از رک ناکسل کنترلی برای مدیریت عملیات چرخش و بازکردن کابل استفاده می‌کند. علاوه بر این، این کنترلر موتورهای کمکی، پمپ‌های روغن و موتورهای پنکه خنک‌کننده در ناکسل را کنترل می‌کند تا عملکرد بهینه توربین حفظ شود.

کابین کنترل ناکسل شامل موارد زیر است:

• ایستگاه PLC ناکسل

• ماژول تغذیه

• ماژول FASTBUS

• ماژول CANBUS اصلی

• ماژول اترنت (برای دسترسی به نگهداری PC محلی)

• ماژول‌های ورودی/خروجی دیجیتال و آنالوگ (DIO, AIO)

• کلیدهای مدارکوچک، رله‌ها، کلیدها

2.3 سیستم تنظیم پره

توربین‌های بادی بزرگ (بالای ۱ MW) معمولاً از سیستم‌های تنظیم پره هیدرولیکی یا الکتریکی استفاده می‌کنند. سیستم تنظیم پره از یک کنترلر جلویی برای تنظیم مکانیسم‌های تنظیم پره سه توربین استفاده می‌کند. به عنوان واحد اجرایی کنترلر اصلی، این سیستم از طریق CANopen با تنظیم زاویه پره‌ها برای عملکرد بهینه ارتباط برقرار می‌کند.

سیستم تنظیم پره شامل یک منبع تغذیه پشتیبان و یک زنجیر ایمنی برای تضمین خاموشی اضطراری در شرایط بحرانی است.

کابین کنترل هاب شامل موارد زیر است:

• ایستگاه PLC هاب

• واحد‌های محرک سروو

• باتری تنظیم پره اضطراری و واحد نظارتی

• ماژول تنظیم پره اضطراری

• رله محافظ از سرعت زیاد

• کلیدهای مدارکوچک، رله‌ها، بلوک‌های ترمینال

• دکمه‌ها، نماهای نشان‌دهنده و کلیدهای نگهداری

2.4 سیستم زنجیر ایمنی پشتیبان اضطراری

زنجیر ایمنی پشتیبان اضطراری یک مکانیزم حفاظتی مبتنی بر سخت‌افزار است که مستقل از سیستم کنترل کامپیوتری است. حتی اگر سیستم کنترل شکست بخورد، زنجیر ایمنی همچنان عملکرد دارد. این زنجیر ایمنی شرایط خطای بحرانی—که می‌تواند به آسیب‌های ویرانگر برای توربین بادی منجر شود—را به یک مدار سری متصل می‌کند. وقتی که فعال شود، زنجیر ایمنی خاموشی اضطراری را شروع می‌کند، توربین را از شبکه جدا می‌کند و بدین ترتیب حفاظت کامل سیستم را تضمین می‌کند.

3. معماری سیستم و مرور کلی عملکرد

سیستم نظارت بر برق تاسیسات بادی شامل مولفه‌های کلیدی زیر است:

• واحد‌های کنترل توربین بادی محلی (WPCUs)

• شبکه اترنت فیبر نوری حلقه‌ای مازاد با سرعت بالا

• ایستگاه‌های عملیاتی سطح بالا دور

واحد کنترل توربین بادی محلی کنترلر اصلی هر توربین است که مسئول نظارت بر پارامترها، کنترل خودکار تولید برق و محافظت از تجهیزات است. هر توربین با یک رابط انسان-ماشین (HMI) محلی مجهز شده است که برای عملیات محلی، راه‌اندازی و نگهداری استفاده می‌شود.

شبکه اترنت فیبر نوری حلقه‌ای مازاد با سرعت بالا به عنوان آزادراه داده سیستم عمل می‌کند و داده‌های زنده توربین را به سیستم نظارت سطح بالا منتقل می‌کند.

ایستگاه عملیاتی سطح بالا مرکز نظارت عملیاتی تاسیسات بادی است. این ایستگاه نظارت جامع بر وضعیت توربین‌ها، هشدارهای پارامتری و ثبت و نمایش داده‌های زنده/تاریخی را ارائه می‌دهد. اپراتورها می‌توانند تمام توربین‌ها را از اتاق کنترل مرکزی نظارت و کنترل کنند.

3.1 لایه کنترل میدانی

لایه کنترل میدانی از مولفه‌های کلیدی زیر تشکیل شده است:

• کابین کنترل اصلی پایه دکلمان

• کابین کنترل ناکسل

• سیستم تنظیم پره

• سیستم تبدیل‌کننده

• ایستگاه HMI (رابط انسان-ماشین) محلی

• سوئیچ اترنت صنعتی

• شبکه ارتباطی فیلدبوس

• منبع تغذیه UPS

• سیستم پشتیبان خاموشی اضطراری

واحد کنترل توربین بادی (WPCU) در سطح میدانی کنترلر اصلی هر توربین بادی است. این واحد مسئول نظارت زنده بر پارامترها، کنترل خودکار تولید برق و محافظت از تجهیزات است. هر توربین با یک رابط HMI محلی مجهز شده است که امکان عملیات محلی، راه‌اندازی، تست و نگهداری را فراهم می‌کند.

3.2 لایه نظارت مرکزی

لایه نظارت مرکزی هسته عملیاتی تاسیسات بادی است که نظارت جامع بر وضعیت توربین‌ها، هشدارهای پارامتری و ثبت و نمایش داده‌های زنده/تاریخی را ارائه می‌دهد. اپراتورها می‌توانند تمام توربین‌ها را از اتاق کنترل مرکزی نظارت و کنترل کنند.

این لایه همچنین نظارت و کنترل زیرسیستم‌های کلیدی را فراهم می‌کند، از جمله:

• سیستم هیدرولیک

• سیستم هواشناسی

• سیستم تنظیم پره الکتریکی

• سیستم گیربکس

• سیستم چرخش و کنترل چرخش

از طریق قابلیت‌های یکپارچه SCADA، لایه نظارت مرکزی تضمین می‌کند که عملیات کل تاسیسات بادی به صورت کارآمد، ایمن و قابل اعتماد انجام شود.