מערכת מוניטורינג חכמה עבור חוות רוח: תכנון והגשמה

1. רקע

ייצור חשמל מרוח ממיר את האנרגיה הקינטית של הרוח לאנרגיה מכנית, ולאחר מכן ממיר את האנרגיה המכנית לאנרגיה חשמלית - זהו ייצור חשמל מרוח.
העקרון של ייצור חשמל מרוח כולל שימוש ברוח כדי לסובב את להבי הטורבינה, שמתן למשתני תמסורת להגביר את מהירות הסיבוב, ובכך להניע את המנוע לייצור חשמל.

בהתאם לדרישות הגוברות של סין לאנרגיה, ייצור חשמל מרוח מתמשך להתפתח, והבנייה של חוות רוח מתגברת. חברה אחת לייצור חשמל יכולה להפעיל מספר חוות רוח, שהן לעתים קרובות מפוזרות באזורים גאוגרפיים שונים. בנוסף, בהתאם לגודלם, חוות רוח בודדות עשויות להכיל עשרות עד מאות טורבינות רוח. בשל מצבים אלו, כל חווה רוח מצוידת במערכת פיקוח על הכוח שלה. עם זאת, ניהול מרכזי של מספר חוות רוח מציג אתגרים משמעותיים. כדי להתמודד עם בעיה זו, הקמת מרכזי פיקוח מרכזיים (מרכז פיקוח מרכזי) מספקת פתרון יעיל.

כתוצאה מכך, בעוד שהרשת והאינטיליגנציה בחוות רוח משפרים את יעילות הייצור והניהול, הם גם יוצרים וקטורים התקפיים חדשים למתקיפים זדוניים. בשנים האחרונות, אירועים של אבטחת מידע בתעשיית החשמל מתרחשים לעיתים קרובות, ומגלים את התעשייה לחשמל לסיכונים ואתגרים גדולים יותר.

2. מערכת הבקרה של הטורבינה

נדרשת מערכת בקרה אוטומטית מלאה לפעילות והגנה של טורבינת הרוח. המערכת חייבת להיות מסוגלת להפעיל אוטומטית את הטורבינה, לשלוט במנגנון ההגבהה המכנית של להבי הטורבינה ולכבות בטיחותית את הטורבינה בתנאים נורמליים וחריגים. בנוסף לפונקציות הבקרה, המערכת מבצעת גם משימות פיקוח - מספקת מידע כגון מצב פעולה, מהירות רוח וכיוון הרוח.

מערכת הבקרה של הטורבינה מורכבת משלושה רכיבים עיקריים:

• ארון הבקרה הראשי בסיס הצריח

• ארון הבקרה בנאצל

• ארון הבקרה בהוב

יחידת הבקרה של כוח הרוח (WPCU) משמשת כבקר הליבה לכל טורבינה ונמצאת מפוזרת בציר והנאצל של הטורבינה.

2.1 תחנת הבקרה בסיס הצריח

תחנת הבקרה בסיס הצריח - הידועה גם כארון הבקרה הראשי - היא הליבה של בקרת טורבינת הרוח, והיא מורכבת בעיקר ממדבק ובמודולי I/O. המדבק משתמש במעבד 32 סיביות, והמערכת פועלת על מערכת הפעלה בזמן אמת חזקה. הוא מבצע לוגיקה ראשית מרובת תהליכים ומתקשר בזמן אמת עם ארון הבקרה בנאצל, מערכת ההגבהה ומערכת הממיר, תוך שמירה על פעילות הטורבינה בתנאים אופטימליים.

ארון בסיס הצריח כולל:

• תחנת PLC ראשית

• RTU (יחידת קצה מרוחקת)

• מחליף רשת תעשייתי

• מקור חשמל UPS

• מסך מגע (לפיקוח ופעולת מקומית)

• כפתורים, נורות מראה, מפסקים קטנים, רלאים

• אלמנטים חימום, מאווררים

• בלוקים סופיים

2.2 תחנת הבקרה בנאצל

תחנת הבקרה בנאצל אוספת אותות חיישנים מהטורבינה, כולל טמפרטורה, לחץ, מהירות סיבוב ופרמטרים סביבתיים. היא מדברת עם תחנת הבקרה הראשית דרך שדה באס. המבקר הראשי משתמש ברקע הבקרה בנאצל כדי לנהל את פונקציות היציאה והפרדת הכבלים. בנוסף, הוא מפעיל מנועים עזר, מ pomp oil וממקפים בנאצל כדי לשמור על ביצועים אופטימליים של הטורבינה.

ארון הבקרה בנאצל כולל:

• תחנת PLC בנאצל

• מודול מקור חשמל

• מודול עבד FASTBUS

• מודול אדון CANBUS

• מודול Ethernet (לגישה לתיקון מקומי באמצעות PC)

• מודולי I/O דיגיטליים אנלוגיים (DIO, AIO)

• מפסקים, רלאים, מקלידים

2.3 מערכת ההגבהה

טורבינות רוח גדולות (מעל 1 MW) בדרך כלל משתמשות במערכות הגבהה הידראוליות או חשמליות. מערכת ההגבהה משתמשת במבקר חזית כדי לפקח על מערכות ההגבהה של שלושת להבי הטורבינה. כיחידה ביצועית של המבקר הראשי, היא מדברת דרך CANopen כדי להתאים את הזוויות של להבי הטורבינה לביצועים אופטימליים.

מערכת ההגבהה כוללת מקור חשמל חירום ושרשרת בטיחות כדי להבטיח כיבוי חירום בתנאים קריטיים.

ארון הבקרה בהוב כולל:

• תחנת PLC בהוב

• יחידות הנעה סרוו

• סוללת הגבהה חירום ויחידה מוניטורינג

• מודול הגבהה חירום

• רלאי הגנה על מהירות יתר

• מפסקים קטנים, רלאים, בלוקים סופיים

• כפתורים, נורות מראה, ו燧石开关、指示灯和维护开关

2.4 备用紧急安全链系统

备用紧急安全链是一种独立于计算机控制系统的硬件保护机制。即使控制系统失效，安全链仍然可以发挥作用。它将可能导致风力发电机灾难性损坏的关键故障条件串联在一起。当触发时，安全链会启动紧急停机，使风力发电机与电网断开，从而最大限度地保护整个系统。

3. 系统架构和功能概述

风电场电力监控系统包括以下关键组件：

• 本地风力发电机控制单元（WPCU）

• 高速冗余环光纤以太网网络

• 远程上层操作站

本地风力发电机控制单元是每个风力发电机的核心控制器，负责参数监控、自动发电控制和设备保护。每台风力发电机都配备了一个本地人机界面（HMI），用于现场操作、调试和维护。

高速冗余环光纤以太网作为系统的数据高速公路，将实时风力发电机数据传输到上层监控系统。

上层操作站是风电场的操作监控中心，提供全面的风力发电机状态监控、参数报警以及实时/历史数据记录和显示。操作员可以从中央控制室监控和控制所有风力发电机。

3.1 现场控制层

现场控制层包括以下关键组件：

• 塔基主控制柜

• 机舱控制柜

• 变桨控制系统

• 转换系统

• 本地人机界面（HMI）站

• 工业以太网交换机

• 现场总线通信网络

• 不间断电源（UPS）

• 紧急停机备份系统

现场级别的风力发电机控制单元（WPCU）是每台风力发电机的核心控制器，负责实时参数监控、自动发电控制和设备保护。每台风力发电机都配备了一个本地人机界面，可进行现场操作、调试和维护。

3.2 中央监控层

中央监控层是风电场的操作核心，提供全面的风力发电机状态监控、参数报警以及实时/历史数据记录和显示。操作员可以从中央控制室监控和控制所有风力发电机。

这一层还能够监督和控制关键子系统，包括：

• 液压系统

• 气象系统

• 电动变桨控制系统

• 齿轮箱系统

• 偏航系统和偏航控制

通过集成SCADA功能，中央监控层确保整个风电场的高效、安全和可靠运行。

2.4 מערכת בטיחות חירום עזר

מערכת הבטיחות החירום העזר היא מנגנון הגנה חומרתי עצמאי מהמערכת הממוחשבת. אפילו אם מערכת הבקרה נכשלה, שרשרת הבטיחות נשארת פעילה. היא מחברת מצבים קריטיים של תקלה - שיכול לגרום לנזק קטסטרופלי לטורבינת הרוח - לקו טורי אחד. כאשר מופעלת, שרשרת הבטיחות מפעילה כיבוי חירום, מנתקת את הטורבינה מהרשת, ובכך מקסימה את ההגנה של כל המערכת.

3. מבנה המערכת והסקירה הפונקציונלית

מערכת פיקוח החשמל בחווה הרוח כוללת את המרכיבים העיקריים הבאים:

• יחידות בקרה מקומיות של טורבינת הרוח (WPCUs)

• רשת אינטרנט אופטית מהירה עם טבעת מיותרת

• תחנות מפעילים עליונות מרוחקות

יחידת הבקרה המקומית של טורבינת הרוח היא הבקר הליבה עבור כל טורבינה, אחראית לפיקוח פרמטרים, בקרה אוטומטית לייצור חשמל והגנה על הציוד. כל טורבינה מצוידת ב-HMI מקומי (ממשק אדם-מכונה) לשימוש בפעילות, הצבת טורבינה ותחזוקה במקום.

רשת האינטרנט האופטית המהירה עם הטבעת המיותרת משמשת ככביש הנתונים של המערכת, מעבירה נתונים בזמן אמת של הטורבינה למערכת הפיקוח העליונה.

תחנת המפעיל העליונה היא מרכז הפיקוח והפעולה של חווה הרוח. היא מספקת פיקוח מלא על מצב הטורבינות, אזעקות פרמטרים, ורשומות ותצוגות נתונים בזמן אמת/היסטורי. המפעילים יכולים לפקח ולשלוט בכל הטורבינות מהחדר הפיקוח המרכזי.

3.1 שכבה של בקרה בשדה

שכבת הבקרה בשדה כוללת את המרכיבים העיקריים הבאים:

• ארון הבקרה הראשי בסיס הצריח

• ארון הבקרה בנאצל

• מערכת ההגבהה

• מערכת הממיר

• תחנת HMI מקומית (ממשק אדם-מכונה)

• מחליף רשת תעשייתי

• רשת תקשורת שדה

• מקור חשמל UPS

• מערכת כיבוי חירום עזר

יחידת הבקרה של כוח הרוח (WPCU) בשכבת השדה היא הבקר הליבה לכל טורבינת הרוח. היא אחראית לפיקוח פרמטרים בזמן אמת, בקרה אוטומטית לייצור חשמל והגנה על הציוד. כל טורבינה מצוידת ב-HMI מקומי המאפשר פעולה, הצבת טורבינה, תצוגה ותחזוקה במקום.

3.2 שכבה של פיקוח מרכזי

שכבת הפיקוח המרכזית היא הליבה הפעילה של חווה הרוח, מספקת פיקוח כולל על מצב הטורבינות, אזעקות פרמטרים ורשומות ותצוגות נתונים בזמן אמת/היסטורי. המפעילים יכולים לפקח ולשלוט בכל הטורבינות מהחדר הפיקוח המרכזי.

שכבת זו מאפשרת גם פיקוח ובקרה על מערכות משנה מפתח, כולל:

• מערכת הידראולית

• מערכת מטאורולוגית

• מערכת בקרה חשמלית להגבהה

• מערכת תמסורת

• מערכת יציאה וכיוון

באמצעות פונקציונליות SCADA מאוחדת, שכבה של הפיקוח המרכזית מבטיחה פעילות יעילה, בטוחה ואמינה של כל חווה הרוח.