سیستم نظارت هوشمند برای مزارع بادی: طراحی و اجراء
1. پیش‌زمینه
تولید برق از انرژی بادی، انرژی جنبشی باد را به انرژی مکانیکی و سپس آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند—این همان تولید برق از انرژی بادی است.
اصول تولید برق از انرژی بادی شامل استفاده از باد برای چرخاندن پرهای توربین بادی است که سپس باعث چرخش گیربکس برای افزایش سرعت چرخش می‌شود و در نتیجه ژنراتور را برای تولید برق می‌راند.
با افزایش تقاضای انرژی در چین، تولید برق از انرژی بادی به طور مداوم در حال گسترش است و ساخت فارم‌های بادی شدت یافته است. یک شرکت توان ممکن است چندین فارم بادی را مدیریت کند که اغلب در مناطق جغرافیایی مختلف پخش شده‌اند. علاوه بر این، به دلیل مقیاس خود، هر فارم بادی ممکن است شامل ده‌ها تا صدها توربین بادی باشد. به دلیل این شرایط، هر فارم بادی با یک سیستم نظارت توان خود را مجهز می‌کند. با این حال، مدیریت متمرکز چندین فارم بادی چالش‌های قابل توجهی را ایجاد می‌کند. برای حل این مشکل، تأسیس مراکز کنترل مرکزی (مراکز کنترل مرکزی) راه حل مؤثری ارائه می‌دهد.
در نتیجه، در حالی که شبکه‌بندی و هوشمندسازی فارم‌های بادی کارایی تولید و مدیریت را افزایش می‌دهد، همچنین مسیرهای حمله جدیدی برای افراد خبیث ایجاد می‌کند. در سال‌های اخیر، حوادث امنیتی سایبری در بخش توان به طور مکرر رخ داده است که صنعت برق را در معرض تهدیدات و چالش‌های امنیتی بیشتری قرار داده است.
2. سیستم کنترل توربین بادی
برای عملیات و حفاظت توربین‌های بادی، یک سیستم کنترل کاملاً خودکار ضروری است. این سیستم باید قادر به شروع خودکار توربین، کنترل مکانیسم تنظیم زاویه پرهای توربین و خاموش کردن ایمن توربین در شرایط عادی و غیرعادی باشد. علاوه بر وظایف کنترلی، این سیستم همچنین وظایف نظارتی را انجام می‌دهد—اطلاعاتی مانند وضعیت عملیاتی، سرعت باد و جهت باد را ارائه می‌دهد.
سیستم کنترل توربین بادی از سه بخش اصلی تشکیل شده است:
کابین کنترل اصلی پایه برج
کابین کنترل ناکل
کابین کنترل هاب
واحد کنترل توان بادی (WPCU) به عنوان کنترلر اصلی هر توربین عمل می‌کند و در داخل برج و ناکل توربین توزیع شده است.
2.1 ایستگاه کنترل پایه برج
ایستگاه کنترل پایه برج—همچنین به عنوان کابین کنترل اصلی شناخته می‌شود—مرکز 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 روی یک سیستم عامل قوی زمان‌حقیقی اجرا می‌شود. این سیستم منطق کنترل اصلی پیچیده را اجرا می‌کند و از طریق فیلد‌بوس با کابین کنترل ناکل، سیستم تنظیم زاویه پرهای توربین و سیستم تبدیل‌کننده در زمان حقیقی ارتباط برقرار می‌کند تا توربین در شرایط بهینه عمل کند.
کابین پایه برج شامل موارد زیر است:
ایستگاه اصلی PLC
RTU (یکه پایانه دور)
سوئیچ اترنت صنعتی
منبع تغذیه UPS
صفحه لمسی (برای نظارت و عملیات محلی)
دکمه‌ها، چراغ‌های نشان‌دهنده، دیودهای مدار مدارکوچک، رله‌ها
عناصر گرمکن، موتورهای پنکه
بلوک‌های ترمینال
2.2 ایستگاه کنترل ناکل
ایستگاه کنترل ناکل سیگنال‌های سنسورهای توربین را، از جمله دما، فشار، سرعت چرخش و پارامترهای محیطی جمع‌آوری می‌کند. این ایستگاه از طریق فیلد‌بوس با ایستگاه کنترل اصلی ارتباط برقرار می‌کند. کنترلر اصلی از طریق رک ناکل کنترلری کنترل چرخش و جدا کردن کابل را انجام می‌دهد. علاوه بر این، موتورهای کمکی، پمپ‌های روغن و موتورهای پنکه خنک‌کننده درون ناکل را کنترل می‌کند تا عملکرد بهینه توربین حفظ شود.
کابین کنترل ناکل شامل موارد زیر است:
ایستگاه PLC ناکل
ماژول تغذیه
ماژول FASTBUS
ماژول CANBUS اصلی
ماژول اترنت (برای دسترسی نگهداری PC محلی)
ماژول‌های دیجیتال و آنالوگ I/O (DIO، AIO)
مدارکوچک‌ها، رله‌ها، کلیدها
2.3 سیستم تنظیم زاویه پرهای توربین
توربین‌های بادی بزرگ (بالای ۱ MW) معمولاً از سیستم‌های تنظیم زاویه پرهای توربین هیدرولیکی یا الکتریکی استفاده می‌کنند. سیستم تنظیم زاویه پرهای توربین از یک کنترلر فرانت‌اند برای تنظیم آکتشوارهای تنظیم زاویه سه پره توربین استفاده می‌کند. به عنوان واحد اجرایی کنترلر اصلی، این سیستم از طریق CANopen برای تنظیم زاویه پرهای توربین برای عملکرد بهینه ارتباط برقرار می‌کند.
سیستم تنظیم زاویه پرهای توربین شامل یک منبع تغذیه پشتیبان و یک زنجیره ایمنی برای تضمین خاموشی اضطراری در شرایط بحرانی است.
کابین کنترل هاب شامل موارد زیر است:
ایستگاه PLC هاب
واحد‌های محرک سروو
باتری و واحد نظارت اضطراری تنظیم زاویه پرهای توربین
ماژول تنظیم زاویه پرهای توربین اضطراری
رеле محافظ از سرعت زیاد
مدارکوچک‌ها، رله‌ها، بلوک‌های ترمینال
دکمه‌ها، چراغ‌های نشان‌دهنده و کلیدهای نگهداری
2.4 سیستم زنجیره ایمنی پشتیبان اضطراری
زنجیره ایمنی پشتیبان اضطراری یک مکانیسم حفاظتی سخت‌افزاری مستقل از سیستم کنترل کامپیوتری است. حتی اگر سیستم کنترل دچار خرابی شود، زنجیره ایمنی همچنان عملکرد دارد. این سیستم شرایط خطای بحرانی—که می‌توانند باعث آسیب‌های فاجعه‌بار به توربین بادی شوند—را در یک مدار سری متصل می‌کند. هنگامی که فعال شود، زنجیره ایمنی خاموشی اضطراری را ایجاد می‌کند، توربین را از شبکه جدا می‌کند و در نتیجه حفاظت بیشینه از کل سیستم را تضمین می‌کند.
3. معماری سیستم و مرور عملکرد
سیستم نظارت توان فارم بادی از مولفه‌های کلیدی زیر تشکیل شده است:
واحد‌های کنترل توربین بادی محلی (WPCUs)
شبکه اترنت فیبر نوری حلقه‌ای سریع و قابل اطمینان
ایستگاه‌های عملیاتی بالادستی دور
واحد کنترل توربین بادی محلی کنترلر اصلی هر توربین است که مسئول نظارت پارامتری، کنترل خودکار تولید توان و حفاظت تجهیزات است. هر توربین با یک HMI (رابط انسان-ماشین) محلی مجهز شده است که برای عملیات، راه‌اندازی و نگهداری محلی استفاده می‌شود.
شبکه اترنت فیبر نوری حلقه‌ای سریع و قابل اطمینان به عنوان بزرگراه داده سیستم عمل می‌کند و داده‌های زنده توربین را به سیستم نظارت بالادستی منتقل می‌کند.
ایستگاه عملیاتی بالادستی مرکز نظارت عملیاتی فارم بادی است. این ایستگاه نظارت جامع وضعیت توربین‌ها، هشدار پارامترها و ثبت و نمایش داده‌های زنده/تاریخچه 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 برج
کابین کنترل ناکل
سیستم تنظیم زاویه پرهای توربین
سیستم تبدیل‌کننده
ایستگاه HMI (رابط انسان-ماشین) محلی
سوئیچ اترنت صنعتی
شبکه ارتباطی فیلد‌بوس
منبع تغذیه UPS
سیستم پشتیبان اضطراری خاموشی
واحد کنترل توربین بادی (WPCU) در لایه میدانی به عنوان کنترلر اصلی هر توربین بادی عمل می‌کند. این واحد مسئول نظارت پارامتری زنده، کنترل خودکار تولید توان و حفاظت تجهیزات است. هر توربین با یک رابط HMI محلی مجهز شده است که امکان عملیات، راه‌اندازی، تست و نگهداری محلی را فراهم می‌کند.
3.2 لایه نظارت مرکزی
لایه نظارت مرکزی هسته عملیاتی فارم بادی است و نظارت جامع وضعیت توربین‌ها، هشدار پارامترها و ثبت و نمایش داده‌های زنده/تاریخچه را ارائه می‌دهد. اپراتورها می‌توانند تمام توربین‌ها را از اتاق کنترل مرکزی نظارت و کنترل کنند.
این لایه همچنین نظارت و کنترل سیستم‌های زیرسیستم‌های کلیدی را فراهم می‌کند، از جمله:
سیستم هیدرولیک
سیستم هواشناسی
سیستم تنظیم زاویه پرهای توربین الکتریکی
سیستم گیربکس
سیستم چرخش و کنترل چرخش
از طریق قابلیت‌های SCADA یکپارچه، لایه نظارت مرکزی عملکرد کارآمد، ایمن و قابل اعتماد کل فارم بادی را تضمین می‌کند.
