Système de Surveillance Intelligente pour les Parcs Éoliens : Conception et Mise en Œuvre
1.Contexte
La production d'énergie éolienne convertit l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique, puis transforme cette énergie mécanique en énergie électrique - c'est la production d'énergie éolienne.
Le principe de la production d'énergie éolienne consiste à utiliser le vent pour faire tourner les pales de l'éolienne, qui entraînent ensuite un boîtier de vitesse pour augmenter la vitesse de rotation, ce qui permet de faire fonctionner le générateur pour produire de l'électricité.
Face aux besoins croissants en énergie en Chine, la production d'énergie éolienne continue de s'étendre et la construction de parcs éoliens s'intensifie. Une seule entreprise d'électricité peut exploiter plusieurs parcs éoliens, souvent répartis dans différentes régions géographiques. De plus, en fonction de leur taille, les parcs éoliens individuels peuvent comprendre des dizaines à des centaines d'éoliennes. En raison de ces conditions, chaque parc éolien est équipé de son propre système de surveillance de l'énergie. Cependant, la gestion centralisée de plusieurs parcs éoliens présente des défis importants. Pour résoudre ce problème, la mise en place de centres de contrôle centralisés (Central Control Centers) offre une solution efficace.
Ainsi, tandis que la mise en réseau et l'intelligence dans les parcs éoliens améliorent l'efficacité de la production et de la gestion, elles créent également de nouveaux vecteurs d'attaque pour les acteurs malveillants. Ces dernières années, les incidents de cybersécurité dans le secteur de l'électricité se sont multipliés, exposant l'industrie de l'électricité à des menaces et des défis de sécurité croissants.
2. Système de Contrôle de l'Éolienne
Un système de contrôle entièrement automatique est nécessaire pour l'exploitation et la protection des éoliennes. Ce système doit être capable de démarrer automatiquement l'éolienne, de contrôler le mécanisme d'ajustement du pas des pales et d'arrêter en toute sécurité l'éolienne dans des conditions normales et anormales. En plus des fonctions de contrôle, le système effectue également des tâches de surveillance - fournissant des informations telles que l'état de fonctionnement, la vitesse du vent et la direction du vent.
Le système de contrôle de l'éolienne se compose de trois composants principaux :
Armoire de Contrôle Principale à la Base de la Tour
Armoire de Contrôle de la Nacelle
Armoire de Contrôle du Moyeu
L'Unité de Contrôle de l'Énergie Éolienne (WPCU) sert de contrôleur central pour chaque éolienne et est distribuée dans la tour et la nacelle de l'éolienne.
2.1 Station de Contrôle à la Base de la Tour
La station de contrôle à la base de la tour, également connue sous le nom d'armoire de contrôle principale, est le cœur du contrôle de l'éolienne, principalement composée d'un contrôleur et de modules E/S. Le contrôleur utilise un processeur 32 bits, et le système fonctionne sur un système d'exploitation temps réel puissant. Il exécute une logique de contrôle principale complexe et communique en temps réel avec l'armoire de contrôle de la nacelle, le système de pas et le système de convertisseur via un bus de terrain, assurant que l'éolienne fonctionne dans les meilleures conditions.
L'armoire de base de la tour comprend :
Station maître PLC
RTU (Remote Terminal Unit)
Commutateur Ethernet industriel
Alimentation UPS
Écran tactile (pour la surveillance et l'exploitation locale)
Boutons-poussoirs, voyants, disjoncteurs miniatures, relais
Éléments chauffants, ventilateurs
Borniers
2.2 Station de Contrôle de la Nacelle
La station de contrôle de la nacelle collecte les signaux des capteurs de l'éolienne, y compris la température, la pression, la vitesse de rotation et les paramètres environnementaux. Elle communique avec la station de contrôle principale via un bus de terrain. Le contrôleur principal utilise le rack de contrôle de la nacelle pour gérer les fonctions de braquage et de dévissage du câble. De plus, il contrôle les moteurs auxiliaires, les pompes à huile et les ventilateurs de refroidissement dans la nacelle pour maintenir les performances optimales de l'éolienne.
L'armoire de contrôle de la nacelle comprend :
Station PLC de la nacelle
Module d'alimentation
Module esclave FASTBUS
Module maître CANBUS
Module Ethernet (pour l'accès au PC local pour la maintenance)
Modules d'E/S numériques et analogiques (DIO, AIO)
Disjoncteurs, relais, interrupteurs
2.3 Système de Contrôle du Pas
Les grandes éoliennes (au-dessus de 1 MW) utilisent généralement des systèmes de pas hydrauliques ou électriques. Le système de pas utilise un contrôleur frontal pour réguler les actionneurs de pas des trois pales de l'éolienne. En tant qu'unité d'exécution du contrôleur principal, il communique via CANopen pour ajuster les angles de pas des pales pour une performance optimale.
Le système de pas comprend une alimentation de secours et une chaîne de sécurité pour assurer l'arrêt d'urgence en cas de conditions critiques.
L'armoire de contrôle du moyeu comprend :
Station PLC du moyeu
Ensembles de variateurs de vitesse
Batterie d'urgence pour le pas et unité de surveillance
Module de pas d'urgence
Relais de protection contre la suraccélération
Disjoncteurs miniatures, relais, borniers
Boutons-poussoirs, voyants, interrupteurs de maintenance
2.4 Système de Chaîne de Sécurité d'Urgence de Secours
La chaîne de sécurité d'urgence de secours est un mécanisme de protection matériel indépendant du système de contrôle informatique. Même en cas de panne du système de contrôle, la chaîne de sécurité reste opérationnelle. Elle relie les conditions de défaillance critiques, celles qui pourraient causer des dommages catastrophiques à l'éolienne, en une série unique. Lorsqu'elle est déclenchée, la chaîne de sécurité initie un arrêt d'urgence, déconnectant l'éolienne du réseau, maximisant ainsi la protection de l'ensemble du système.
3. Architecture du Système et Vue d'Ensemble Fonctionnelle
Le système de surveillance de l'énergie du parc éolien comprend les composants clés suivants :
Unités de Contrôle Locale des Éoliennes (WPCUs)
Réseau Ethernet à fibre optique redondant à haut débit en anneau
Postes d'opérateur supérieurs distants
L'unité de contrôle locale de l'éolienne est le contrôleur central de chaque éolienne, responsable de la surveillance des paramètres, du contrôle automatique de la production d'énergie et de la protection de l'équipement. Chaque éolienne est équipée d'une interface HMI (Human-Machine Interface) locale pour l'exploitation, la mise en service et la maintenance sur site.
Le réseau Ethernet à fibre optique redondant à haut débit en anneau sert de voie de données du système, transmettant les données en temps réel des éoliennes au système de surveillance supérieur.
Le poste d'opérateur supérieur est le centre de surveillance opérationnelle du parc éolien. Il fournit une surveillance complète de l'état des éoliennes, des alarmes de paramètres et de l'enregistrement et de l'affichage des données en temps réel/historiques. Les opérateurs peuvent surveiller et contrôler toutes les éoliennes depuis la salle de contrôle centrale.
3.1 Couche de Contrôle sur Site
La couche de contrôle sur site se compose des composants clés suivants :
Armoire de contrôle principale à la base de la tour
Armoire de contrôle de la nacelle
Système de contrôle du pas
Système de conversion
Station HMI (Human-Machine Interface) locale
Commutateur Ethernet industriel
Réseau de communication par bus de terrain
Alimentation UPS
Système de secours d'arrêt d'urgence
L'Unité de Contrôle de l'Énergie Éolienne (WPCU) au niveau du site sert de contrôleur central pour chaque éolienne. Elle est responsable de la surveillance en temps réel des paramètres, du contrôle automatique de la production d'énergie et de la protection de l'équipement. Chaque éolienne est équipée d'une interface HMI locale qui permet l'exploitation, la mise en service, le débogage et la maintenance sur site.
3.2 Couche de Surveillance Centrale
La couche de surveillance centrale est le cœur opérationnel du parc éolien, offrant une surveillance complète de l'état des éoliennes, des alarmes de paramètres et de l'enregistrement et de l'affichage des données en temps réel/historiques. Les opérateurs peuvent surveiller et contrôler toutes les éoliennes depuis la salle de contrôle centrale.
Cette couche permet également la supervision et le contrôle des sous-systèmes clés, y compris :
Système hydraulique
Système météorologique
Système de contrôle du pas électrique
Système de boîte de vitesses
Système de braquage et contrôle de braquage
Grâce à la fonctionnalité SCADA intégrée, la couche de surveillance centrale assure une exploitation efficace, sûre et fiable de l'ensemble du parc éolien.
