विंड फार्म के लिए स्मार्ट मॉनिटोरिंग सिस्टम: डिज़ाइन और लागू

1. पृष्ठभूमि

पवन ऊर्जा उत्पादन में पवन की गतिज ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदला जाता है, और फिर उस यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदल दिया जाता है—यह पवन ऊर्जा उत्पादन है।
पवन ऊर्जा उत्पादन के सिद्धांत में पवन का उपयोग किया जाता है ताकि पवन टरबाइन के ब्लेड को घूमाया जा सके, जो फिर गियरबॉक्स को घूमाता है और घूर्णन गति को बढ़ाता है, जिससे जनित्र को चलाने के लिए विद्युत उत्पन्न की जाती है।

चीन की बढ़ती ऊर्जा की मांग के तहत, पवन ऊर्जा उत्पादन लगातार विस्तारित हो रहा है, और पवन फार्मों का निर्माण तीव्र हो रहा है। एक एकल विद्युत कंपनी अनेक पवन फार्मों का संचालन कर सकती है, जो अक्सर विभिन्न भौगोलिक क्षेत्रों में वितरित होते हैं। इसके अलावा, अपने पैमाने के आधार पर, व्यक्तिगत पवन फार्मों में दहाई से सैकड़ों टरबाइन हो सकते हैं। इन परिस्थितियों के कारण, प्रत्येक पवन फार्म में अपना शक्ति निगरानी प्रणाली सुसज्जित होती है। हालाँकि, अनेक पवन फार्मों के लिए केंद्रीय प्रबंधन एक महत्वपूर्ण चुनौती प्रस्तुत करता है। इस समस्या को हल करने के लिए, केंद्रीय नियंत्रण केंद्रों (Central Control Centers) की स्थापना एक प्रभावी समाधान प्रदान करती है।

इस परिणामस्वरूप, पवन फार्मों में नेटवर्किंग और स्मार्ट टेक्नोलॉजी उत्पादन और प्रबंधन की दक्षता में सुधार करते हुए, दुष्ट व्यक्तियों के लिए नए हमले के वेक्टर भी बनाते हैं। हाल के वर्षों में, विद्युत क्षेत्र में साइबर सुरक्षा घटनाओं की बार-बार घटना हो रही है, जिससे विद्युत उद्योग को बढ़ती सुरक्षा खतरों और चुनौतियों का सामना करना पड़ रहा है।

2. पवन टरबाइन नियंत्रण प्रणाली

पवन टरबाइनों के संचालन और सुरक्षा के लिए पूरी तरह से स्वचालित नियंत्रण प्रणाली की आवश्यकता होती है। यह प्रणाली टरबाइन को स्वचालित रूप से चलाने, ब्लेडों के यांत्रिक पिच समायोजन तंत्र को नियंत्रित करने, और नॉर्मल और अनॉर्मल स्थितियों में टरबाइन को सुरक्षित रूप से बंद करने में सक्षम होनी चाहिए। नियंत्रण कार्यों के अलावा, प्रणाली निगरानी के कार्य भी करती है—संचालन स्थिति, पवन गति, और पवन दिशा जैसी जानकारी प्रदान करती है।

पवन टरबाइन नियंत्रण प्रणाली तीन मुख्य घटकों से गठित है:

• टावर बेस मुख्य नियंत्रण केबिनेट

• नेसल नियंत्रण केबिनेट

• हब नियंत्रण केबिनेट

पवन ऊर्जा नियंत्रण यूनिट (WPCU) प्रत्येक टरबाइन के लिए मुख्य नियंत्रक के रूप में कार्य करता है और टावर और नेसल में वितरित होता है।

2.1 टावर बेस नियंत्रण स्टेशन

टावर बेस नियंत्रण स्टेशन—जिसे मुख्य नियंत्रण केबिनेट भी कहा जाता है—पवन टरबाइन नियंत्रण का केंद्र है, जो मुख्य रूप से एक नियंत्रक और I/O मॉड्यूल से गठित है। नियंत्रक 32-बिट प्रोसेसर का उपयोग करता है, और प्रणाली एक मजबूत वास्तविक समय ऑपरेटिंग सिस्टम पर चलती है। यह जटिल मुख्य नियंत्रण तर्क को निष्पादित करता है और नेसल नियंत्रण केबिनेट, पिच सिस्टम, और कन्वर्टर सिस्टम के साथ वास्तविक समय में संचार करता है, जिससे टरबाइन इष्टतम स्थितियों में संचालित होता है।

टावर बेस केबिनेट में शामिल है:

• PLC मुख्य स्टेशन

• RTU (रिमोट टर्मिनल यूनिट)

• औद्योगिक इथरनेट स्विच

• UPS विद्युत सप्लाय

• टचस्क्रीन (स्थानीय निगरानी और संचालन के लिए)

• पुश बटन, इंडिकेटर लाइट, मिनीट्यूअर सर्किट ब्रेकर, रिले

• हीटिंग इलेमेंट, फैन

• टर्मिनल ब्लॉक

2.2 नेसल नियंत्रण स्टेशन

नेसल नियंत्रण स्टेशन टरबाइन से सेंसर सिग्नल संग्रहित करता है, जिसमें तापमान, दबाव, घूर्णन गति, और पर्यावरणीय पैरामीटर शामिल हैं। यह मुख्य नियंत्रण स्टेशन के साथ फील्डबस के माध्यम से संचार करता है। मुख्य नियंत्रक नेसल नियंत्रण रैक का उपयोग करके याविंग और केबल अनट्विस्टिंग कार्यों का प्रबंधन करता है। इसके अलावा, यह नेसल में अस्थायी मोटर, ऑयल पंप, और कूलिंग फैन को नियंत्रित करता है ताकि टरबाइन का इष्टतम प्रदर्शन बना रहे।

नेसल नियंत्रण केबिनेट में शामिल है:

• नेसल PLC स्टेशन

• पावर सप्लाय मॉड्यूल

• FASTBUS स्लेव मॉड्यूल

• CANBUS मास्टर मॉड्यूल

• इथरनेट मॉड्यूल (स्थानीय PC रखरखाव पहुंच के लिए)

• डिजिटल और एनालॉग I/O (DIO, AIO) मॉड्यूल

• सर्किट ब्रेकर, रिले, स्विच

2.3 पिच नियंत्रण प्रणाली

बड़े पैमाने पर पवन टरबाइन (1 MW से अधिक) आमतौर पर हाइड्रॉलिक या विद्युत पिच सिस्टम का उपयोग करते हैं। पिच सिस्टम फ्रंट-एंड नियंत्रक का उपयोग करके तीन टरबाइन ब्लेडों के पिच एक्चुएटरों को नियंत्रित करता है। मुख्य नियंत्रक के एक निष्पादन इकाई के रूप में, यह CANopen के माध्यम से संचार करता है और ब्लेड पिच को इष्टतम प्रदर्शन के लिए समायोजित करता है।

पिच सिस्टम में एक बैकअप पावर सप्लाई और एक सुरक्षा चेन शामिल है जो आपात स्थितियों में आपातकालीन बंदी को सुनिश्चित करता है।

हब नियंत्रण केबिनेट में शामिल है:

• हब PLC स्टेशन

• सर्वो ड्राइव यूनिट्स

• आपातकालीन पिच बैटरी और मॉनिटरिंग यूनिट

• आपातकालीन पिच मॉड्यूल

• ओवरस्पीड सुरक्षा रिले

• मिनीट्यूअर सर्किट ब्रेकर, रिले, टर्मिनल ब्लॉक

• पुश बटन, इंडिकेटर लाइट, और रखरखाव स्विच

2.4 बैकअप आपातकालीन सुरक्षा चेन प्रणाली

बैकअप आपातकालीन सुरक्षा चेन एक कंप्यूटर नियंत्रण प्रणाली से स्वतंत्र एक हार्डवेयर-आधारित सुरक्षा तंत्र है। भले ही नियंत्रण प्रणाली विफल हो जाए, सुरक्षा चेन कार्य करता रहता है। यह महत्वपूर्ण दोष स्थितियों—जो पवन टरबाइन को विनाशकारी क्षति पहुंचा सकती हैं—को एक श्रृंखला परिपथ में जोड़ता है। जब ट्रिगर होता है, तो सुरक्षा चेन आपातकालीन बंदी शुरू करता है, टरबाइन को ग्रिड से अलग कर देता है, जिससे पूरी प्रणाली की अधिकतम सुरक्षा होती है।

3. प्रणाली आर्किटेक्चर और कार्यात्मक दृष्टिकोण

पवन फार्म शक्ति निगरानी प्रणाली निम्नलिखित महत्वपूर्ण घटकों से गठित है:

• स्थानीय पवन टरबाइन नियंत्रण यूनिट (WPCUs)

• उच्च-गति गैर-संक्रमणीय रिंग फाइबर-ऑप्टिक इथरनेट नेटवर्क

• दूरस्थ ऊपरी स्तर के ऑपरेटर स्टेशन

स्थानीय पवन टरबाइन नियंत्रण यूनिट प्रत्येक टरबाइन के लिए मुख्य नियंत्रक है, जो पैरामीटर निगरानी, स्वचालित शक्ति उत्पादन नियंत्रण, और उपकरण सुरक्षा के लिए जिम्मेदार है। प्रत्येक टरबाइन में स्थानीय HMI (Human-Machine Interface) यूनिट सुविधित है, जो स्थानीय संचालन, आयोजन, और रखरखाव के लिए प्रदान की जाती है।

उच्च-गति गैर-संक्रमणीय रिंग फाइबर-ऑप्टिक इथरनेट प्रणाली का डेटा हाइवे के रूप में कार्य करता है, जो वास्तविक समय में टरबाइन डेटा को ऊपरी स्तर की निगरानी प्रणाली तक प्रसारित करता है।

ऊपरी स्तर का ऑपरेटर स्टेशन पवन फार्म का संचालन निगरानी केंद्र है। यह टरबाइन की समग्र स्थिति निगरानी, पैरामीटर अलार्म, और वास्तविक समय/इतिहास डेटा लॉगिंग और प्रदर्शन प्रदान करता है। ऑपरेटर यहां से केंद्रीय नियंत्रण कक्ष से सभी टरबाइनों का निगरानी और नियंत्रण कर सकते हैं।

3.1 क्षेत्रीय नियंत्रण स्तर

क्षेत्रीय नियंत्रण स्तर निम्नलिखित महत्वपूर्ण घटकों से गठित है:

• टावर बेस मुख्य नियंत्रण केबिनेट

• नेसल नियंत्रण केबिनेट

• पिच नियंत्रण प्रणाली

• कन्वर्टर प्रणाली

• स्थानीय HMI (Human-Machine Interface) स्टेशन

• औद्योगिक इथरनेट स्विच

• फील्डबस संचार नेटवर्क

• UPS विद्युत सप्लाय

• आपातकालीन बंदी बैकअप प्रणाली

क्षेत्रीय स्तर पर, पवन टरबाइन नियंत्रण यूनिट (WPCU) प्रत्येक पवन टरबाइन के लिए मुख्य नियंत्रक के रूप में कार्य करता है। यह वास्तविक समय में पैरामीटर निगरानी, स्वचालित शक्ति उत्पादन नियंत्रण, और उपकरण सुरक्षा के लिए जिम्मेदार है। प्रत्येक टरबाइन में स्थानीय HMI इंटरफेस शामिल है, जो स्थानीय संचालन, आयोजन, ट्रबलशूटिंग, और रखरखाव की सुविधा प्रदान करता है।

3.2 केंद्रीय निगरानी स्तर