Okos Monitorozási Rendszer Szélparkokhoz: Tervezés és Végrehajtás

1. Háttér

A szélerőmű-energia termelés a szél kinetikus energiáját mécanikai energiává alakítja, majd ezt az elektromos energiává—ez a szélerőmű-energiatermelés.
A szélerőmű-energiatermelés elve a szélhasználaton alapul, amely forgatja a szélerőmű-lépeket, amelyek továbbra is hajtják a sebességváltót, növelve a fordulatszámot, és így hajtják a generátort, ami elektromos áramot termel.

Kína növekvő energiaigénye közepette a szélerőmű-energiatermelés folyamatosan bővül, és a szélparkok építése intenzívebbé válik. Egyetlen energiaszolgáltató több szélparkot is működtethet, amelyek gyakran különböző földrajzi régiókban helyezkednek el. Különböző méretük miatt egyes szélparkok több tucatnyi vagy akár száznyi szélerőműt is tartalmazhatnak. Ezért minden szélpark rendelkezik saját energiamonitoring rendszerrel. Azonban a több szélpark közötti központosított kezelés jelentős kihívást jelent. Ehhez a problémához a központi irányítóközpontok (Central Control Centers) létrehozása hatékony megoldást nyújt.

Ezért, habár a hálózatosság és intelligencia a szélparkokban javítja a termelési és menedzsmenti hatékonyságot, ugyanakkor új támadási vektorokat teremt a rosszindulatú szereplők számára. Az elmúlt években a villamosenergia-szektorban gyakran történtek cibersérvizeti incidensek, amelyek a villamosenergia-ipart növekvő biztonsági fenyegetésekkel és kihívásokkal állították szembe.

2. Szélerőmű-irányító rendszer

A szélerőműk működtetéséhez és védelméhez teljesen automatikus irányító rendszer szükséges. Ez a rendszer képes legyen automatikusan elindítani a gépet, irányítani a léc mechanikus ütközőjelezési mechanizmusát, és biztonságosan leállítani a gépet normál és nem normál viszonyok között. Az irányítási funkciók mellett a rendszer monitorozási feladatokat is ellát—információt szolgáltatva a működési állapot, a szélsebesség és a szélirányról.

A szélerőmű-irányító rendszer három fő komponensből áll:

• Toronyalap főirányító doboz

• Nacelle-irányító doboz

• Hub-irányító doboz

A Szélerőmű-irányító egység (WPCU) mindegyik gép magirányítója, és a torony és a nacelle-ben van elosztva.

2.1 Toronyalap-irányító állomás

A toronyalap-irányító állomás—más néven a főirányító doboz—a szélerőmű-irányítás központja, főleg irányítóegységből és I/O modulokból áll. Az irányítóegység 32 bites processzort használ, és a rendszer erős valós idejű operációs rendszeren fut. Komplex főirányítási logikát hajt végre, és valós idejű kommunikációt tart fenn a nacelle-irányító dobozzal, ütközőjelezési rendszerrel és konverter rendszerrel mezőbuszon keresztül, hogy a gép optimális feltételek mellett működjön.

A toronyalap doboz tartalmazza:

• PLC főállomás

• RTU (távoli terminál egység)

• Ipari Ethernet switch

• UPS energiaellátás

• Érintőképernyő (helyi figyelés és művelet)

• Nyomógombok, jelzőfények, mini vezetékivágók, relék

• Fűtőelemek, ventilátorok

• Végpontdobozok

2.2 Nacelle-irányító állomás

A nacelle-irányító állomás a géptől származó szenzorsignálokat gyűjti, beleértve a hőmérséklet, nyomás, fordulatszám és környezeti paramétereket. Mezőbuszon keresztül kommunikál a főirányító állomással. A főirányító egység a nacelle-irányító rack segítségével kezeli a rácsolást és a kábel kanyarodását. Továbbá vezérel az auxiliáris motorkit, olajszivattyúkat és hűtőventilátorokat a nacelle-ben, hogy a gép optimális teljesítményt nyújtson.

A nacelle-irányító doboz a következőkből áll:

• Nacelle PLC állomás

• Tápegység modul

• FASTBUS slave modul

• CANBUS master modul

• Ethernet modul (helyi PC karbantartási hozzáféréshez)

• Digitális és analóg I/O (DIO, AIO) modulok

• Vezetékivágók, relék, kapcsolók

2.3 Ütközőjelezési rendszer

A nagy méretű szélerőművek (1 MW felett) általában hidraulikus vagy elektrikus ütközőjelezési rendszert használnak. Az ütközőjelezési rendszer előtér-irányítóegységet használ a három gépléc ütközőjelezési aktuátorának szabályozására. A főirányító egység végrehajtó egységeként CANopen-on keresztül kommunikál, hogy a lécütköző szögeket optimalizálja.

Az ütközőjelezési rendszer tartalmaz biztonsági láncot és holtáramot, hogy kritikus körülmények között vészhelyzeti leállást biztosítsa.

A hub-irányító doboz a következőkből áll:

• Hub PLC állomás

• Szervó-hajtómű egységek

• Vészhelyzeti ütközőjelezési akkumulátor és figyelőegység

• Vészhelyzeti ütközőjelezési modul

• Túlfordulásvédő relé

• Mini vezetékivágók, relék, végpontdobozok

• Nyomógombok, jelzőfények és karbantartási kapcsolók

2.4 Biztonsági lánc és holtáramszerkesztés

A biztonsági lánc és holtáramszerkesztés egy a számítógépes irányítórendszertől független hardveres védelmi mechanizmus. Még ha a szoftveres irányítórendszer meghibásodna, a biztonsági lánc továbbra is működik. Összeköti a kritikus hibafeltételeket, amelyek katasztrofális kárt okozhatnak a szélerőműre, egyetlen sorozatkapcsolóba. Ha aktiválódik, a biztonsági lánc vészhelyzeti leállást indít, leválasztva a gépet a hálózattól, így maximalizálva a rendszer védelmét.

3. Rendszerarchitektúra és funkcionális áttekintés

A szélpark-energiamonitoring rendszer a következő kulcsfontosságú komponensekből áll:

• Helyi Szélerőmű-irányító egységek (WPCU-k)

• Gyors, redundáns gyűrűs optikai Ethernet hálózat

• Távoli felső szintű operátor állomások

A helyi szélerőmű-irányító egység mindegyik gép magirányítója, amely felelős a paraméterek figyeléséért, az automatikus energia-termelés-irányításért és a berendezések védelméért. Minden gép helyi HMI (ember-mgép felülettel) rendelkezik a helyi műveletek, beüzemelés és karbantartás számára.

A gyors, redundáns gyűrűs optikai Ethernet a rendszer adatútja, amely valós időben továbbítja a gépadatokat a felső szintű monitoring rendszerhez.

A felső szintű operátor állomás a szélpark működési monitorozási központja. Teljes körű gépállapot-monitorozást, paraméter-alarmokat, valós időbeli/történeti adatnaplózást és megjelenítést nyújt. Az operátorok a központi irányítóteremből monitorozhatják és irányíthatják az összes gépet.

3.1 Mezői irányítási réteg

A mezői irányítási réteg a következő kulcsfontosságú komponensekből áll:

• Toronyalap főirányító doboz

• Nacelle-irányító doboz

• Ütközőjelezési rendszer

• Konverter rendszer

• Helyi HMI (ember-mgép felület) állomás

• Ipari Ethernet switch

• Mezőbusz kommunikációs hálózat

• UPS energiaellátás

• Vészhelyzeti leállítási biztonsági rendszer

A Szélerőmű-irányító egység (WPCU) a mezői szinten mindegyik szélerőmű magirányítója. Felelős a valós időben történő paraméterfigyelésért, az automatikus energia-termelés-irányításért és a berendezések védelméért. Minden gép helyi HMI felülettel rendelkezik, amely lehetővé teszi a helyi műveleteket, beüzemelést, hibaelhárítást és karbantartást.

3.2 Központi monitorozási réteg

A központi monitorozási réteg a szélpark működési központja, amely teljes körű monitorozást nyújt a gépállapotokról, paraméter-alarmokról, valós időbeli/történeti adatnaplózásról és megjelenítésről. Az operátorok a központi irányítóteremből monitorozhatják és irányíthatják az összes gépet.

Ez a réteg lehetővé teszi a fontos részrendszerek felügyeletét és irányítását, beleértve:

• Hidraulikus rendszer

• Meteorológiai rendszer

• Elektromos ütközőjelezési rendszer

• Sebességváltó rendszer

• Rácsolási rendszer és rácsolási irányítás

A központi monitorozási réteg integrált SCADA funkciókkal biztosítja a szélpark hatékony, biztonságos és megbízható működését.