Älykäs valvontajärjestelmä tuulivoimaloille: Suunnittelu ja toteutus

1. Tausta

Tuulivoiman tuotanto muuttaa tuulen kineettisen energian mekaaniseksi energiaksi ja sitten tämän mekaanisen energian sähköiseksi energiaksi – tämä on tuulivoiman tuotanto.
Tuulivoiman tuotannon periaate perustuu tuulen käyttöön tuuliturbiinien sirujen pyörittämiseen, mikä sitten ajaa vaihteistoja lisäämään pyörimisnopeutta, jolloin se kuljettavat generaattoria tuottamaan sähköä.

Kiinan kasvavan energiantarpeen myötä tuulivoiman tuotanto jatkaa laajentumista, ja tuulipuistojen rakentaminen on tiivistymässä. Yksi energiayhtiö voi toimittaa useita tuulipuistoja, jotka ovat usein levitetty eri maantieteellisiin alueisiin. Lisäksi yksittäiset tuulipuistot voivat koostua kymmenistä satoihin tuuliturbiineista sen mukaan, kuinka suuret ne ovat. Tällaisissa olosuhteissa jokainen tuulipuisto on varustettu omalla sähköntarkkailujärjestelmällään. Kuitenkin useiden tuulipuistojen keskitetty hallinta asettaa huomattavia haasteita. Tätä ongelmaa varten keskitettyjen valvontakeskusten (Central Control Centers) perustaminen tarjoaa tehokkaan ratkaisun.

Tämän seurauksena tuulipuistojen verkostoituminen ja älykkäisyys parantavat tuotanto- ja hallintatehokkuutta, mutta ne luovat myös uusia hyökkäyksen mahdollisuuksia pahoille aikeille. Viime vuosina sähköalan tietoturvaincidentit ovat tapahtuneet yhä useammin, altistamalla sähköalan kasvaville turvauhkatteille ja -haasteille.

2. Tuuliturbiinin ohjausjärjestelmä

Tuuliturbiinien toiminnan ja suojan vaatii täysin automaattinen ohjausjärjestelmä. Tämän järjestelmän on oltava kykenevä käynnistämään turbiini automaattisesti, ohjaamaan sirujen mekaanista kulmapystyjärjestelmää ja turvallisesti sammuttamaan turbiini sekä normaalissa että poikkeuksellisissa olosuhteissa. Ohjaustoiminnoista lisäksi järjestelmä suorittaa myös valvontatehtäviä – tarjoamalla tietoja kuten toimintatila, tuuli nopeus ja tuulen suunta.

Tuuliturbiinin ohjausjärjestelmä koostuu kolmesta pääkomponentista:

• Pohjan pääkonttori

• Nacelle-konttori

• Sirukonttori

Tuulivoiman ohjausyksikkö (WPCU) toimii jokaisen turbiinin ytimenä ja on levitetty turbiinin torniin ja nacelleen.

2.1 Pohjan konttoriasema

Pohjan konttoriasema – tunnetaan myös nimellä pääkonttori – on tuuliturbiinin ohjausjärjestelmän ydin, joka koostuu pääasiassa ohjaimesta ja I/O-moduuleista. Ohjain käyttää 32-bittistä prosessoria, ja järjestelmä toimii vahvalla reaaliaikaisella käyttöjärjestelmällä. Se suorittaa monimutkaisia pääohjausloogisia ja kommunikoi reaaliaikaisesti nacelle-konttorin, kulmapystyjärjestelmän ja muuntimen kanssa kenttäbusilla, taaten turbiinin toimivan optimaalisissa olosuhteissa.

Pohjan konttori sisältää:

• PLC-pääasema

• RTU (Remote Terminal Unit)

• Teollinen Ethernet-vaihto

• UPS-sähkölähdettä

• Näytöntikkuna (paikallista valvontaa ja toimintaa varten)

• Painikkeet, ilmaisinvalot, pienimuotoiset sähkökytkimet, releitä

• Lämmityselementit, tuuletin

• Klemmit

2.2 Nacelle-konttoriasema

Nacelle-konttoriasema kerää sensorisignaalit turbiinilta, mukaan lukien lämpötila, paine, pyörähdysnopeus ja ympäristöparametrit. Se kommunikoi pääkonttorin kanssa kenttäbusilla. Pääohjain käyttää nacelle-konttorirakennetta hallitsemaan kiertämistä ja kaapelien purkautumista. Lisäksi se ohjaa apumotoroja, öljypumppuja ja jäähdyttäjiä nacellen sisällä ylläpitääkseen optimaalisen turbiinin toiminnan.

Nacelle-konttori koostuu:

• Nacelle PLC-asema

• Sähkölähdemoduuli

• FASTBUS-orjaluuluku

• CANBUS-pääluuluku

• Ethernet-moduuli (paikallisen PC:n huoltoon pääsyä varten)

• Digitaaliset ja analogiset I/O (DIO, AIO) moduulit

• Sähkökytkimet, releit, kytkimet

2.3 Kulmapystyjärjestelmä

Isojen tuuliturbiinien (yli 1 MW) käytetään yleensä joko hydraulista tai sähköistä kulmapystyjärjestelmää. Kulmapystyjärjestelmä käyttää etuosa-ohjainta säätämään kolmen turbiinisirun kulmapystyaktuatorit. Pääohjaimen suoritusyksikkönä se kommunikoi CANopenin kautta säätääkseen sirujen kulmakulmia optimaaliseksi toimintaan.

Kulmapystyjärjestelmä sisältää varausvaraston ja turvaketjun, jotta voidaan varmistaa hätäsammutus kriittisissä tilanteissa.

Sirukonttori sisältää:

• Siru PLC-asema

• Servoajurit

• Hätäkulmapystyakun ja valvontaunit

• Hätäkulmapystymoduuli

• Yliviteensuojarele

• Pienimuotoiset sähkökytkimet, releit, klemmit

• Painikkeet, ilmaisinvalot ja huoltokytkimet

2.4 Varausvaraston hätäturvajärjestelmä

Varausvaraston hätäturvajärjestelmä on riippumaton tietokoneohjausjärjestelmästä oleva laitteistoperusteinen suoja. Vaikka ohjausjärjestelmä epäonnistuisi, turvajärjestelmä pysyy toiminnassa. Se yhdistää kriittiset vikatilat – jotka voivat aiheuttaa katastrofaalista vahinkoa tuuliturbiinille – yhdeksi sarjasekvenssiksi. Kun se aktivoituu, turvajärjestelmä aloittaa hätäsammutuksen, katkaisee turbiinin verkon yhteyden, ja siten maksimoi koko järjestelmän suojan.

3. Järjestelmän rakenne ja toimintojen yleiskatsaus

Tuulipuiston sähköntarkkailujärjestelmä koostuu seuraavista avainkomponenteista:

• Paikalliset tuuliturbiinin ohjausyksiköt (WPCU)

• Nopea päällekkäinen fibre-optinen Ethernet-verkko

• Etäylijärjestelmän operaattori-asemat

Paikallinen tuuliturbiinin ohjausyksikkö on jokaisen turbiinin ytimenä, vastuussa parametreiden valvonnasta, automaattisesta sähköntuotannon ohjauksesta ja laitteistonsuojauksesta. Jokainen turbiini on varustettu paikallisen HMI (Human-Machine Interface) -rajapinnalla paikan päällä toimimista, komissionointia ja huoltoa varten.

Nopea päällekkäinen fibre-optinen Ethernet-toimii järjestelmän datatievana, siirtäen reaaliaikaiset turbiinitiedot ylijärjestelmään.

Etäylijärjestelmän operaattori-asema on tuulipuiston toiminnan valvontakeskus. Se tarjoaa kattavan turbiinitilan valvonnan, parametrihälytykset ja reaaliaikaisten/historiallisten tiedon lokit ja näyttö. Operaattorit voivat valvoa ja ohjata kaikkia turbiineja keskusvalvontahuoneesta.

3.1 Kenttäohjauskerroin

Kenttäohjauskerroin koostuu seuraavista avainkomponenteista:

• Pohjan pääkonttori

• Nacelle-konttori

• Kulmapystyjärjestelmä

• Muuntinjärjestelmä

• Paikallinen HMI (Human-Machine Interface) -asema

• Teollinen Ethernet-vaihto

• Kenttäbussiviestintäverkko

• UPS-sähkölähdettä

• Hätäsammutusvarausjärjestelmä

Kenttäohjauskerron tuuliturbiinin ohjausyksikkö (WPCU) toimii jokaisen tuuliturbiinin ytimenä. Se vastaa reaaliaikaisesta parametreivalvonnasta, automaattisesta sähköntuotannon ohjauksesta ja laitteistonsuojauksesta. Jokainen turbiini on varustettu paikallisen HMI-rajapinnalla, joka mahdollistaa paikan päällä toimimisen, komissionoinnin, virityksen ja huollon.

3.2 Keskitetty valvontakerros

Keskitetty valvontakerros on tuulipuiston toiminnan ydin, tarjoten kattavan valvonnan turbiinitiloista, parametrihälytyksistä ja reaaliaikaisten/historiallisten tiedon lokit ja näyttö. Operaattorit voivat valvoa ja ohjata kaikkia turbiineja keskusvalvontahuoneesta.

Tämä kerros mahdollistaa myös avainalajärjestelmien valvonnan ja ohjaamisen, mukaan lukien:

• Hydraulijärjestelmä

• Meteorologinen järjestelmä

• Sähköinen kulmapystyjärjestelmä

• Vaihteisto

• Kiertämisjärjestelmä ja kiertämisen ohjaus

Integroitu SCADA-toiminnallisuuden avulla keskitetty valvontakerros varmistaa koko tuulipuiston tehokkaan, turvallisen ja luotettavan toiminnan.