Sistema Intelixente de Monitorización para Parques Eólicos: Diseño e Implementación

1. Antecedentes

A xeración de enerxía eólica converte a enerxía cinética do vento en enerxía mecánica, e despois transforma esa enerxía mecánica en enerxía eléctrica—esta é a xeración de enerxía eólica.
O principio da xeración de enerxía eólica implica usar o vento para rotar as pás do aerxerador, que a seguir impulsan unha caxa de velocidades para aumentar a velocidade de rotación, polo que se consegue facer funcionar o xerador para producir electricidade.

Baixo a crecente demanda enerxética de China, a xeración de enerxía eólica continua expandíndose, e a construción de parques eólicos está intensificándose. Unha única empresa eléctrica pode operar múltiples parques eólicos, que adoitan estar distribuídos por diferentes rexións xeográficas. Ademais, dependendo da súa escala, cada parque eólico pode consistir en decenas a centos de aerxeradores. Debido a estas condicións, cada parque eólico está equipado co seu propio sistema de monitorización de enerxía. No entanto, a xestión centralizada de múltiples parques eólicos presenta grandes desafíos. Para abordar este problema, a creación de centros de control centralizados (Centros de Control Central) ofrece unha solución eficaz.

Como resultado, mentres que a conectividade e a intelixencia nos parques eólicos melloran a eficiencia de produción e xestión, tamén crean novas vías de ataque para actores maliciosos. Nos últimos anos, os incidentes de ciberseguridade no sector eléctrico teñan ocorrido con frecuencia, expoñendo a industria eléctrica a ameazas e desafíos de seguridade cada vez maiores.

2. Sistema de Control do Aerxerador Eólico

É necesario un sistema de control totalmente automático para a operación e protección dos aerxeradores eólicos. Este sistema debe ser capaz de iniciar automaticamente o aerxerador, controlar o mecanismo de axuste de paso das pás, e apagar o aerxerador de forma segura tanto en condicións normais como anormais. Ademais das funcións de control, o sistema tamén realiza tarefas de monitorización—proporcionando información como o estado de operación, a velocidade do vento e a dirección do vento.

O sistema de control do aerxerador eólico consta de tres componentes principais:

• Cubículo de Control Principal na Base da Torre

• Cubículo de Control na Nacele

• Cubículo de Control no Húbo

A Unidade de Control de Enerxía Eólica (WPCU) serve como o controlador central de cada aerxerador e está distribuída dentro da torre e a nacele do aerxerador.

2.1 Estación de Control na Base da Torre

A estación de control na base da torre—tamén coñecida como o cubículo de control principal—é o núcleo do control do aerxerador eólico, composto principalmente por un controlador e módulos I/O. O controlador usa un procesador de 32 bits, e o sistema corre nun robusto sistema operativo en tempo real. Executa lóxica de control principal complexa e comunica en tempo real co cubículo de control da nacele, o sistema de axuste de paso e o sistema de conversor, asegurando que o aerxerador opere baixo as condicións óptimas.

O cubículo de base da torre inclúe:

• Estación mestra PLC

• RTU (Unidade Terminal Remota)

• Comutador Ethernet industrial

• Fonte de alimentación UPS

• Pantalla táctil (para monitorización e operación local)

• Botóns, luzs indicadoras, interruptores automáticos miniatura, relés

• Elementos de calefacción, ventiladores

• Bloques de terminais

2.2 Estación de Control na Nacele

A estación de control na nacele recolle sinais de sensores do aerxerador, incluíndo temperatura, presión, velocidade de rotación e parámetros ambientais. Comunica coa estación de control principal a través do bus de campo. O controlador principal usa o rack de control da nacele para xestionar as funcións de orientación e desenrrollado de cabos. Ademais, controla motores auxiliares, bombas de aceite e ventiladores de refrigeración dentro da nacele para manter o rendemento óptimo do aerxerador.

O cubículo de control da nacele consta de:

• Estación PLC da nacele

• Módulo de fonte de alimentación

• Módulo esclavo FASTBUS

• Módulo mestre CANBUS

• Módulo Ethernet (para acceso de mantemento ao PC local)

• Módulos de E/S dixital e analóxico (DIO, AIO)

• Interruptores automáticos, relés, interruptores

2.3 Sistema de Control de Axuste de Paso

Os aerxeradores eólicos de gran escala (superiores a 1 MW) adoitan empregar sistemas de axuste de paso hidráulico ou eléctrico. O sistema de axuste de paso usa un controlador frontal para regular os actuadores de axuste de paso das tres pás do aerxerador. Como unidade de execución do controlador principal, comunica a través de CANopen para axustar os ángulos de paso das pás para un rendemento óptimo.

O sistema de axuste de paso inclúe unha fonte de alimentación de apoio e unha cadea de seguridade para asegurar o apagado de emergencia en condicións críticas.

O cubículo de control no húbo inclúe:

• Estación PLC no húbo

• Unidades de conducción servo

• Batería de axuste de paso de emergencia e unidade de monitorización

• Módulo de axuste de paso de emergencia

• Relé de protección contra sobrecarga

• Interruptores automáticos miniatura, relés, bloques de terminais

• Botóns, luzs indicadoras e interruptores de mantemento

2.4 Sistema de Cadea de Seguridade de Apoio de Emerxencia

A cadea de seguridade de apoio de emergencia é un mecanismo de protección baseado en hardware independente do sistema de control informático. Aínda que o sistema de control falle, a cadea de seguridade permanece funcional. Conecta condicións de fallo críticas—aquelas que poden causar danos catastróficos ao aerxerador eólico—en un único circuito en serie. Cando se activa, a cadea de seguridade inicia un apagado de emergencia, desconectando o aerxerador da rede, maximizando así a protección de todo o sistema.

3. Arquitectura do Sistema e Visión Xeral das Funcións

O sistema de monitorización de enerxía do parque eólico comprende os seguintes compoñentes clave:

• Unidades de Control Local de Aerxeradores Eólicos (WPCUs)

• Red de Ethernet de fibra óptica redundante de alta velocidade en anel

• Estacións superiores de operadores remotos

A unidade de control local de aerxeradores eólicos é o controlador central de cada aerxerador, responsable da monitorización de parámetros, do control automático da xeración de enerxía e da protección do equipo. Cada aerxerador está equipado cunha interface HMI (Human-Machine Interface) local para a operación, comisión e mantemento no lugar.

A rede de Ethernet de fibra óptica de alta velocidade en anel serve como a autopista de datos do sistema, transmitindo datos de aerxeradores en tempo real ao sistema de monitorización superior.

A estación superior de operadores é o centro de monitorización operacional do parque eólico. Proporciona unha monitorización comprehensiva do estado dos aerxeradores, alarmas de parámetros e rexistro e visualización de datos en tempo real/históricos. Os operadores poden monitorizar e controlar todos os aerxeradores desde a sala de control central.

3.1 Capa de Control de Campo

A capa de control de campo consta dos seguintes compoñentes clave:

• Cubículo de control principal na base da torre

• Cubículo de control na nacele

• Sistema de control de axuste de paso

• Sistema de conversor

• Estación HMI (Human-Machine Interface) local

• Comutador Ethernet industrial

• Red de comunicación de bus de campo

• Fonte de alimentación UPS

• Sistema de apoio de apagado de emergencia

A Unidade de Control de Aerxerador Eólico (WPCU) ao nivel de campo serve como o controlador central de cada aerxerador eólico. É responsable da monitorización de parámetros en tempo real, do control automático da xeración de enerxía e da protección do equipo. Cada aerxerador está equipado cunha interface HMI local que permite a operación, comisión, depuración e mantemento no lugar.

3.2 Capa de Monitorización Central

A capa de monitorización central é o núcleo operacional do parque eólico, proporcionando unha monitorización comprehensiva do estado dos aerxeradores, alarmas de parámetros e rexistro e visualización de datos en tempo real/históricos. Os operadores poden monitorizar e controlar todos os aerxeradores desde a sala de control central.

Esta capa tamén permite a supervisión e control de subsistemas clave, incluíndo:

• Sistema hidráulico

• Sistema meteorolóxico

• Sistema de control de axuste de paso eléctrico

• Sistema de caxa de velocidades

• Sistema de orientación e control de orientación

A través da funcionalidade integrada SCADA, a capa de monitorización central asegura a operación eficiente, segura e fiable de todo o parque eólico.