Sistema ng Maalamin na Pagsusuri para sa mga Wind Farms: disenyo at pagpapatupad
1. Background
Ang paggawa ng enerhiya mula sa hangin ay nagsasalin ng kinetikong enerhiya ng hangin sa mekanikal na enerhiya, at pagkatapos ay inaangkop ang mekanikal na enerhiyang ito sa elektrikal na enerhiya—ito ang tinatawag na paggawa ng enerhiya mula sa hangin.
Ang prinsipyo ng paggawa ng enerhiya mula sa hangin ay kumakailangan ng hangin upang i-rotate ang mga blade ng turbine, na pagkatapos ay nagpapabilis ng gearbox para mapabilis ang bilis ng pagsisiklot, na siyang nagpapatakbo ng generator upang makalikha ng kuryente.
Sa patuloy na pagtaas ng pangangailangan sa enerhiya sa Tsina, ang paggawa ng enerhiya mula sa hangin ay patuloy na lumalago, at ang konstruksyon ng mga wind farm ay mas naging malakas. Ang isang kompanya ng kuryente maaaring mag-operate ng maraming wind farms, na kadalasang nahahati sa iba't ibang heograpikal na rehiyon. Bukod dito, depende sa sukat, ang bawat wind farm maaaring binubuo ng puluhan hanggang daang-tatlóng wind turbines. Dahil dito, bawat wind farm ay mayroon sariling sistema ng monitoring ng kuryente. Gayunpaman, ang sentralisadong pamamahala ng maraming wind farms ay nagbibigay ng malaking hamon. Upang tugunan ito, ang pagtatatag ng mga sentralisadong control centers (Central Control Centers) ay nagbibigay ng epektibong solusyon.
Bilang resulta, habang ang networking at intelligence sa mga wind farm ay nagpapabuti ng efisyensiya sa produksyon at pamamahala, ito rin ay naglalagay ng bagong mga attack vector para sa mga masamang aktor. Sa nakaraang mga taon, ang cybersecurity incidents sa sektor ng kuryente ay madalas nangyayari, na nagpapakita ng lumalaking seguridad na banta at hamon sa industriya ng kuryente.
2. Wind Turbine Control System
Kinakailangan ng isang fully automatic control system para sa operasyon at proteksyon ng mga wind turbine. Ang sistemang ito ay dapat na may kakayahang awtomatikong simulan ang turbine, kontrolin ang mechanical pitch adjustment mechanism ng mga blades, at ligtas na isara ang turbine sa normal at abnormal na kondisyon. Kasama sa mga tungkulin ng kontrol, ang sistema din ay gumagampan ng mga gawain sa pag-monitor—na nagbibigay ng impormasyon tulad ng operational status, bilis ng hangin, at direksyon ng hangin.
Ang wind turbine control system ay binubuo ng tatlong pangunahing bahagi:
Tower Base Main Control Cabinet
Nacelle Control Cabinet
Hub Control Cabinet
Ang Wind Power Control Unit (WPCU) ay ginagamit bilang core controller para sa bawat turbine at nakadistribuyo sa loob ng tower at nacelle ng turbine.
2.1 Tower Base Control Station
Ang tower base control station—na kilala rin bilang main control cabinet—ay ang pinakamahalagang bahagi ng kontrol ng wind turbine, na pangunahing binubuo ng isang controller at I/O modules. Ang controller ay gumagamit ng 32-bit processor, at ang sistema ay tumatakbo sa isang malakas na real-time operating system. Ito ay nag-eexecute ng mahiwag-komplikadong main control logic at nagsasagawa ng real-time communication sa nacelle control cabinet, pitch system, at converter system gamit ang fieldbus, na nag-aalis ng optimal na kondisyon para sa operasyon ng turbine.
Ang tower base cabinet kasama ang mga sumusunod:
PLC master station
RTU (Remote Terminal Unit)
Industrial Ethernet switch
UPS power supply
Touchscreen (para sa local monitoring at operation)
Push buttons, indicator lights, miniature circuit breakers, relays
Heating elements, fans
Terminal blocks
2.2 Nacelle Control Station
Ang nacelle control station ay nagsasama ng mga signal mula sa mga sensor ng turbine, kasama ang temperatura, presyon, bilis ng pagsisiklot, at environmental parameters. Ito ay nagsasagawa ng komunikasyon sa main control station gamit ang fieldbus. Ang pangunahing controller ay gumagamit ng nacelle control rack upang pamahalaan ang yawing at cable untwisting functions. Bukod dito, ito ay kontrolin ang auxiliary motors, oil pumps, at cooling fans sa loob ng nacelle upang panatilihin ang optimal na performance ng turbine.
Ang nacelle control cabinet kasama ang mga sumusunod:
Nacelle PLC station
Power supply module
FASTBUS slave module
CANBUS master module
Ethernet module (para sa local PC maintenance access)
Digital and analog I/O (DIO, AIO) modules
Circuit breakers, relays, switches
2.3 Pitch Control System
Ang mga malalaking wind turbines (higit sa 1 MW) karaniwang gumagamit ng hydraulic o electric pitch systems. Ang pitch system ay gumagamit ng front-end controller upang regulahan ang pitch actuators ng tatlong blades ng turbine. Bilang isang execution unit ng main controller, ito ay nagsasagawa ng komunikasyon gamit ang CANopen upang ayusin ang angle ng mga blades para sa optimal na performance.
Ang pitch system kasama ang backup power supply at safety chain upang tiyakin ang emergency shutdown sa critical conditions.
Ang hub control cabinet kasama ang mga sumusunod:
Hub PLC station
Servo drive units
Emergency pitch battery and monitoring unit
Emergency pitch module
Overspeed protection relay
Miniature circuit breakers, relays, terminal blocks
Push buttons, indicator lights, and maintenance switches
2.4 Backup Emergency Safety Chain System
Ang backup emergency safety chain ay isang hardware-based na mekanismo ng proteksyon na independiyente sa computer control system. Kahit ang control system ay mabigo, ang safety chain ay nananatiling functional. Ito ay konektado sa mga critical fault conditions—na maaaring magdulot ng catastrophic damage sa wind turbine—sa isang single series circuit. Kapag natrigger, ang safety chain ay nagsisimula ng emergency shutdown, na nagdi-disconnect ng turbine mula sa grid, na siyang nagbibigay ng maximum na proteksyon sa buong sistema.
3. System Architecture and Functional Overview
Ang wind farm power monitoring system ay binubuo ng mga sumusunod na pangunahing bahagi:
Local Wind Turbine Control Units (WPCUs)
High-speed redundant ring fiber-optic Ethernet network
Remote upper-level operator stations
Ang local wind turbine control unit ay ang core controller para sa bawat turbine, responsable sa parameter monitoring, automatic power generation control, at equipment protection. Bawat turbine ay may lokal na HMI (Human-Machine Interface) para sa on-site operation, commissioning, at maintenance.
Ang high-speed redundant ring fiber-optic Ethernet ay ginagamit bilang data highway ng sistema, na nagpapadala ng real-time turbine data sa upper-level monitoring system.
Ang upper-level operator station ay ang operational monitoring center ng wind farm. Ito ay nagbibigay ng comprehensive na monitoring ng status ng turbine, parameter alarms, at real-time/history data logging at display. Ang mga operator ay maaaring monitor at kontrolin ang lahat ng turbines mula sa central control room.
3.1 Field Control Layer
Ang field control layer ay binubuo ng mga sumusunod na pangunahing bahagi:
Tower base main control cabinet
Nacelle control cabinet
Pitch control system
Converter system
Local HMI (Human-Machine Interface) station
Industrial Ethernet switch
Fieldbus communication network
UPS power supply
Emergency shutdown backup system
Ang Wind Turbine Control Unit (WPCU) sa field level ay ginagamit bilang core controller para sa bawat wind turbine. Ito ay responsable sa real-time parameter monitoring, automatic power generation control, at equipment protection. Bawat turbine ay may lokal na HMI interface na nagbibigay ng on-site operation, commissioning, debugging, at maintenance.
3.2 Central Monitoring Layer
Ang central monitoring layer ay ang operational core ng wind farm, na nagbibigay ng comprehensive na monitoring ng status ng turbine, parameter alarms, at real-time/history data logging at display. Ang mga operator ay maaaring monitor at kontrolin ang lahat ng turbines mula sa central control room.
Ang layer na ito ay nagbibigay rin ng supervision at kontrol sa mga key subsystems, kasama ang mga sumusunod:
Hydraulic system
Meteorological system
Electric pitch control system
Gearbox system
Yaw system and yaw control
Sa pamamagitan ng integrated SCADA functionality, ang central monitoring layer ay nag-aalis ng efficient, safe, at reliable na operasyon ng buong wind farm.
