Sistem Pemantauan Cerdas untuk Taman Angin: Desain & Implementasi

Bidang: Standar Listrik

China

1. Latar Belakang

Pembangkit listrik tenaga angin mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik, dan kemudian mengubah energi mekanik tersebut menjadi energi listrik—ini adalah pembangkit listrik tenaga angin.
Prinsip pembangkit listrik tenaga angin melibatkan penggunaan angin untuk memutar bilah turbin angin, yang kemudian mendorong gearbox untuk meningkatkan kecepatan rotasi, sehingga menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.

Dengan permintaan energi yang terus meningkat di China, pembangkit listrik tenaga angin terus berkembang, dan pembangunan lahan angin semakin intensif. Satu perusahaan listrik mungkin mengoperasikan beberapa lahan angin, yang sering tersebar di berbagai wilayah geografis. Selain itu, tergantung pada skalanya, lahan angin individu mungkin terdiri dari puluhan hingga ratusan turbin angin. Karena kondisi ini, setiap lahan angin dilengkapi dengan sistem pemantauan daya sendiri. Namun, manajemen terpusat dari beberapa lahan angin menimbulkan tantangan signifikan. Untuk mengatasi masalah ini, pendirian pusat kendali terpusat (Central Control Centers) memberikan solusi yang efektif.

Sebagai hasilnya, sementara jaringan dan kecerdasan dalam lahan angin meningkatkan efisiensi produksi dan manajemen, hal ini juga menciptakan vektor serangan baru bagi pelaku jahat. Dalam beberapa tahun terakhir, insiden keamanan siber di sektor listrik terjadi dengan frekuensi yang tinggi, mengekspos industri listrik terhadap ancaman dan tantangan keamanan yang semakin meningkat.

2. Sistem Kontrol Turbin Angin

Sistem kontrol otomatis penuh diperlukan untuk operasi dan perlindungan turbin angin. Sistem ini harus mampu secara otomatis memulai turbin, mengontrol mekanisme penyesuaian pitch bilah, dan mematikan turbin dengan aman baik dalam kondisi normal maupun abnormal. Selain fungsi kontrol, sistem juga melakukan tugas pemantauan—memberikan informasi seperti status operasional, kecepatan angin, dan arah angin.

Sistem kontrol turbin angin terdiri dari tiga komponen utama:

Kabinet Kontrol Utama Dasar Menara
Kabinet Kontrol Nacelle
Kabinet Kontrol Hub

Unit Kontrol Tenaga Angin (WPCU) berfungsi sebagai pengontrol inti untuk setiap turbin dan didistribusikan di dalam menara dan nacelle turbin.

2.1 Stasiun Kontrol Dasar Menara

Stasiun kontrol dasar menara—juga dikenal sebagai kabinet kontrol utama—adalah inti dari kontrol turbin angin, terutama terdiri dari pengontrol dan modul I/O. Pengontrol menggunakan prosesor 32-bit, dan sistem berjalan pada sistem operasi real-time yang kuat. Ini menjalankan logika kontrol utama yang kompleks dan berkomunikasi secara real-time dengan kabinet kontrol nacelle, sistem pitch, dan sistem konverter melalui fieldbus, memastikan turbin beroperasi dalam kondisi optimal.

Kabinet dasar menara termasuk:

PLC stasiun utama
RTU (Remote Terminal Unit)
Switch Ethernet industri
Sumber daya UPS
Layar sentuh (untuk pemantauan dan operasi lokal)
Tombol push, lampu indikator, pemutus sirkuit miniatur, relai
Elemen pemanas, kipas
Terminal blok

2.2 Stasiun Kontrol Nacelle

Stasiun kontrol nacelle mengumpulkan sinyal sensor dari turbin, termasuk suhu, tekanan, kecepatan rotasi, dan parameter lingkungan. Ini berkomunikasi dengan stasiun kontrol utama melalui fieldbus. Pengontrol utama menggunakan rak kontrol nacelle untuk mengelola fungsi yawing dan penguraian kabel. Selain itu, ia mengontrol motor bantu, pompa oli, dan kipas pendingin di dalam nacelle untuk mempertahankan kinerja optimal turbin.

Kabinet kontrol nacelle terdiri dari:

Stasiun PLC nacelle
Modul sumber daya
Modul FASTBUS slave
Modul master CANBUS
Modul Ethernet (untuk akses pemeliharaan PC lokal)
Modul I/O digital dan analog (DIO, AIO)
Pemutus sirkuit, relai, saklar

2.3 Sistem Kontrol Pitch

Turbin angin skala besar (di atas 1 MW) biasanya menggunakan sistem pitch hidrolik atau listrik. Sistem pitch menggunakan pengontrol front-end untuk mengatur aktuator pitch dari tiga bilah turbin. Sebagai unit eksekusi dari pengontrol utama, ia berkomunikasi melalui CANopen untuk menyesuaikan sudut pitch bilah untuk kinerja optimal.

Sistem pitch termasuk sumber daya cadangan dan rantai keamanan untuk memastikan shutdown darurat dalam kondisi kritis.

Kabinet kontrol hub termasuk:

Stasiun PLC hub
Unit drive servo
Baterai pitch darurat dan unit pemantauan
Modul pitch darurat
Relay perlindungan kelebihan kecepatan
Pemutus sirkuit miniatur, relai, terminal blok
Tombol push, lampu indikator, dan saklar pemeliharaan

2.4 Sistem Rantai Keamanan Cadangan Darurat

Rantai keamanan cadangan darurat adalah mekanisme perlindungan berbasis hardware yang independen dari sistem kontrol komputer. Bahkan jika sistem kontrol gagal, rantai keamanan tetap berfungsi. Ini menghubungkan kondisi gagal kritis—yang dapat menyebabkan kerusakan kritis pada turbin angin—dalam satu rangkaian seri. Ketika dipicu, rantai keamanan memulai shutdown darurat, memutuskan turbin dari jaringan, sehingga memaksimalkan perlindungan seluruh sistem.

3. Arsitektur Sistem dan Tinjauan Fungsional

Sistem pemantauan daya lahan angin terdiri dari komponen-komponen kunci berikut:

Unit Kontrol Turbin Angin Lokal (WPCUs)
Jaringan Ethernet serat optik cincin redundan berkecepatan tinggi
Stasiun operator jarak jauh tingkat atas

Unit kontrol turbin angin lokal adalah pengontrol inti untuk setiap turbin, bertanggung jawab atas pemantauan parameter, kontrol pembangkitan listrik otomatis, dan perlindungan peralatan. Setiap turbin dilengkapi dengan HMI (Human-Machine Interface) lokal untuk operasi, komisioning, dan pemeliharaan di tempat.

Jaringan Ethernet serat optik cincin redundan berkecepatan tinggi berfungsi sebagai jalan data sistem, mentransmisikan data turbin real-time ke sistem pemantauan tingkat atas.

Stasiun operator tingkat atas adalah pusat pemantauan operasional lahan angin. Ini menyediakan pemantauan status turbin yang komprehensif, alarm parameter, dan pencatatan serta tampilan data real-time/sejarah. Operator dapat memantau dan mengontrol semua turbin dari ruang kontrol pusat.

3.1 Lapisan Kontrol Lapangan

Lapisan kontrol lapangan terdiri dari komponen-komponen kunci berikut:

Kabinet kontrol utama dasar menara
Kabinet kontrol nacelle
Sistem kontrol pitch
Sistem konverter
Stasiun HMI (Human-Machine Interface) lokal
Switch Ethernet industri
Jaringan komunikasi fieldbus
Sumber daya UPS
Sistem backup shutdown darurat

Unit Kontrol Turbin Angin (WPCU) di lapisan lapangan berfungsi sebagai pengontrol inti untuk setiap turbin angin. Bertanggung jawab atas pemantauan parameter real-time, kontrol pembangkitan listrik otomatis, dan perlindungan peralatan. Setiap turbin dilengkapi dengan antarmuka HMI lokal yang memungkinkan operasi, komisioning, debugging, dan pemeliharaan di tempat.

3.2 Lapisan Pemantauan Pusat

Lapisan pemantauan pusat adalah inti operasional lahan angin, menyediakan pemantauan komprehensif status turbin, alarm parameter, dan pencatatan serta tampilan data real-time/sejarah. Operator dapat memantau dan mengontrol semua turbin dari ruang kontrol pusat.

Lapisan ini juga memungkinkan supervisi dan kontrol subsistem kunci, termasuk: