Pametni sustav nadzora za vjetroelektrane: Dizajn i implementacija

1. Pozadina

Generiranje struje iz vjetra pretvara kinetičku energiju vjetra u mehaničku energiju, a zatim tu mehaničku energiju u električnu energiju – to je generiranje struje iz vjetra.
Princip generiranja struje iz vjetra temelji se na korištenju vjetra za rotaciju lopatica vjetroelektrane, koje zatim pokreću mjenjač kako bi povećale brzinu rotacije, čime se pokreće generator za proizvodnju struje.

U skladu s rastućim potrebama Kine za energijom, proizvodnja struje iz vjetra se stalno širi, a građenje vjetroelektrana se intenzivira. Jedna energetska tvrtka može upravljati više vjetroelektrana, koji su često raspoređeni u različitim geografskim regijama. Također, ovisno o veličini, pojedine vjetroelektrane mogu se sastojati od desetaka do stotina vjetrogeneratora. Uz te uvjete, svaka vjetroelektrana opremljena je sopstvenim sustavom nadzora nad snabdevanjem strujom. Međutim, centralizirano upravljanje više vjetroelektrana predstavlja značajne izazove. Rješenje toga problema pruža uspostava centralnih kontrolnih centara (Central Control Centers).

Kao rezultat, dok mrežnost i inteligentnost vjetroelektrana poboljšavaju učinkovitost proizvodnje i upravljanja, one također stvaraju nove vektore napada za zlonamjerne entitete. U posljednjih godina, incidenata kibernetičke sigurnosti u sektoru struje su se česte, što izlagaju industriju struje rastućim sigurnosnim prijetnjama i izazovima.

2. Sustav upravljanja vjetrogeneratorom

Za rad i zaštitu vjetrogeneratora potreban je potpuno automatizirani sustav upravljanja. Taj sustav mora biti sposoban automatski pokrenuti generator, upravljati mehaničkim uređajem za podešavanje kutova lopatica, te sigurno isključiti generator pod normalnim i nepravilnim uvjetima. Osim funkcija upravljanja, sustav obavlja i zadatke nadzora – pruža informacije poput stanja rada, brzine vjetra i smjera vjetra.

Sustav upravljanja vjetrogeneratorom sastoji se od tri glavna komponenta:

• Glavni kontrolni ormarić u osnovi tornja

• Kontrolni ormarić u naceli

• Kontrolni ormarić u hubu

Jedinica za upravljanje vjetroelektranom (WPCU) služi kao glavni kontroler svakog generatora i raspoređena je unutar tornja i nacela generatora.

2.1 Kontrolna postaja u osnovi tornja

Kontrolna postaja u osnovi tornja, također poznata kao glavni kontrolni ormar, je srce upravljanja vjetrogeneratorom, glavno sastoji se od kontrolera i I/O modula. Kontroler koristi 32-bitni procesor, a sustav radi na moćnom realnom operativnom sistemu. Izvršava složenu logiku glavnog upravljanja i komunicira u stvarnom vremenu s kontrolnim ormarićem u naceli, sustavom podešavanja kutova lopatica i pretvorbnim sustavom preko poljske mreže, osiguravajući optimalne uvjete rada generatora.

Glavni kontrolni ormar uključuje:

• Glavna stanica PLC-a

• RTU (udaljeni terminalni uređaj)

• Industrijski Ethernet switch

• UPS napajanje

• Taktilni zaslon (za lokalni nadzor i upravljanje)

• Tipke, indikatorske svjetiljke, mini prekidače, releje

• Grijalice, ventilatori

• Terminalni blokovi

2.2 Kontrolna postaja u naceli

Kontrolna postaja u naceli prikuplja signale senzora s generatora, uključujući temperaturu, tlak, brzinu rotacije i parametre okruženja. Komunicira s glavnim kontrolnim postajama preko poljske mreže. Glavni kontroler koristi kontrolni ormar u naceli za upravljanje yawingom i dekodiranjem kabla. Također upravlja pomoćnim motorima, pumpama za ulje i hladnjacima unutar nacela kako bi održao optimalnu performansu generatora.

Kontrolni ormar u naceli sastoji se od:

• Stanica PLC-a u naceli

• Modul napajanja

• FASTBUS slave modul

• CANBUS master modul

• Ethernet modul (za lokalni pristup održavanju PC-a)

• Digitalni i analogni I/O (DIO, AIO) moduli

• Prekidači, releje, prekidači

2.3 Sustav za podešavanje kutova lopatica

Veličanstvene vjetroelektrane (preko 1 MW) obično koriste hidraulički ili električki sustav za podešavanje kutova lopatica. Sustav za podešavanje kutova lopatica koristi front-end kontroler za regulaciju aktuatora za podešavanje kutova tri lopatica generatora. Kao izvršna jedinica glavnog kontrolera, komunicira preko CANopena za podešavanje kutova lopatica za optimalnu performansu.

Sustav za podešavanje kutova lopatica uključuje rezervno napajanje i sigurnosnu lanac za osiguranje hitne isključenja u kritičnim uvjetima.

Kontrolni ormar u hubu uključuje:

• Stanica PLC-a u hubu

• Servo pogonske jedinice

• Hitna baterija za podešavanje kutova lopatica i jedinica za nadzor

• Modul za hitno podešavanje kutova lopatica

• Relé za zaštitu od prekomjernog brzinovanja

• Mini prekidači, releje, terminalni blokovi

• Tipke, indikatorske svjetiljke i održavajuće prekidače

2.4 Rezervni hitni sigurnosni lanac

Rezervni hitni sigurnosni lanac je hardverski mehanizam za zaštitu neovisan o računalnom sustavu upravljanja. Čak i ako sustav upravljanja ne radi, sigurnosni lanac ostaje funkcionalan. Povezuje ključne greške, one koje bi mogle uzrokovati katastrofalan oštećenje vjetrogeneratora, u jednu seriju. Kada se aktivira, sigurnosni lanac inicira hitno isključenje, odspajajući generator od mreže, time maksimalno zaštitivši cijeli sustav.

3. Arhitektura sustava i pregled funkcionalnosti

Sustav nadzora nad snabdevanjem strujom vjetroelektrane sastoji se od sljedećih ključnih komponenti:

• Lokalne jedinice za upravljanje vjetrogeneratorom (WPCU)

• Visokobrzinska redundantna ring fiber-optička Ethernet mreža

• Udaljene gornje operatorne postaje

Lokalna jedinica za upravljanje vjetrogeneratorom je glavni kontroler za svaki generator, odgovoran za nadzor parametara, automatsko upravljanje proizvodnjom struje i zaštitu opreme. Svaki generator opremljen je lokalnim HMI (Human-Machine Interface) za lokalnu operaciju, testiranje i održavanje.

Visokobrzinska redundantna ring fiber-optička Ethernet mreža služi kao prometna magistrala sustava, prenosući u stvarnom vremenu podatke o generatoru na gornji sustav nadzora.

Gornja operatorska postaja je operativni nadzorni centar vjetroelektrane. Pruža kompleksni nadzor stanja generatora, alarme parametara i zapisivanje i prikaz stvarnih/povijesnih podataka. Operatori mogu nadgledati i upravljati svim generatorima iz centralne kontrolne sobe.

3.1 Poljski sloj upravljanja

Poljski sloj upravljanja sastoji se od sljedećih ključnih komponenti:

• Glavni kontrolni ormar u osnovi tornja

• Kontrolni ormar u naceli

• Sustav za podešavanje kutova lopatica

• Pretvorbeni sustav

• Lokalna HMI (Human-Machine Interface) postaja

• Industrijski Ethernet switch

• Komunikacijska mreža poljske mreže

• UPS napajanje

• Rezervni sustav za hitno isključenje

Jedinica za upravljanje vjetrogeneratorom (WPCU) na poljskom nivou služi kao glavni kontroler svakog vjetrogeneratora. Odgovorna je za stvarni vremenski nadzor parametara, automatsko upravljanje proizvodnjom struje i zaštitu opreme. Svaki generator opremljen je lokalnim HMI sučeljem koje omogućuje lokalnu operaciju, testiranje, kalibraciju i održavanje.

3.2 Centralni sloj nadzora

Centralni sloj nadzora je operativno srce vjetroelektrane, pružajući kompleksni nadzor stanja generatora, alarme parametara i zapisivanje i prikaz stvarnih/povijesnih podataka. Operatori mogu nadgledati i upravljati svim generatorima iz centralne kontrolne sobe.

Ovaj sloj omogućuje nadzor i upravljanje ključnim podsustavima, uključujući:

• Hidraulički sustav

• Meteorološki sustav

• Električni sustav za podešavanje kutova lopatica

• Sustav mjenjača

• Sustav yaw i upravljanje yawom

Kroz integriranu SCADA funkcionalnost, centralni sloj nadzora osigurava učinkovitu, sigurnu i pouzdanu operaciju cijele vjetroelektrane.