Sistema di Monitoraggio Intelligente per Parchi Eolici: Progettazione e Implementazione
1. Contesto
La generazione di energia eolica converte l'energia cinetica del vento in energia meccanica, e poi trasforma quest'ultima in energia elettrica - questo è il principio della generazione di energia eolica.
Il principio della generazione di energia eolica prevede l'utilizzo del vento per far ruotare le pale dell'aerogeneratore, che a loro volta azionano un riduttore per aumentare la velocità di rotazione, quindi facendo funzionare il generatore per produrre elettricità.
In risposta alle crescenti esigenze energetiche della Cina, la generazione di energia eolica continua ad espandersi e la costruzione di parchi eolici si intensifica. Un singolo fornitore di energia può gestire più parchi eolici, spesso distribuiti in diverse regioni geografiche. Inoltre, a seconda della loro scala, i singoli parchi eolici possono essere composti da decine o centinaia di aerogeneratori. A causa di queste condizioni, ogni parco eolico è dotato del proprio sistema di monitoraggio dell'energia. Tuttavia, la gestione centralizzata di più parchi eolici presenta significative sfide. Per affrontare questo problema, la creazione di centri di controllo centralizzati (Central Control Centers) offre una soluzione efficace.
Di conseguenza, mentre la rete e l'intelligenza nei parchi eolici migliorano l'efficienza della produzione e della gestione, creano anche nuovi vettori di attacco per gli attori malintenzionati. Negli ultimi anni, gli incidenti di cybersecurity nel settore dell'energia sono diventati frequenti, esponendo l'industria elettrica a minacce e sfide di sicurezza sempre maggiori.
2. Sistema di Controllo dell'Aerogeneratore
Per l'operazione e la protezione degli aerogeneratori è necessario un sistema di controllo completamente automatico. Questo sistema deve essere in grado di avviare automaticamente l'aerogeneratore, controllare il meccanismo di regolazione del passo delle pale e arrestare in sicurezza l'aerogeneratore sia in condizioni normali che anormali. Oltre alle funzioni di controllo, il sistema svolge anche compiti di monitoraggio - fornendo informazioni come lo stato operativo, la velocità del vento e la direzione del vento.
Il sistema di controllo dell'aerogeneratore è composto da tre componenti principali:
Armadio di Controllo Principale alla Base della Torre
Armadio di Controllo della Nacella
Armadio di Controllo dell'Albero
L'Unità di Controllo dell'Energia Eolica (WPCU) funge da controller centrale per ciascun aerogeneratore ed è distribuito all'interno della torre e della nacella dell'aerogeneratore.
2.1 Stazione di Controllo alla Base della Torre
La stazione di controllo alla base della torre, anche nota come armadio di controllo principale, è il cuore del controllo dell'aerogeneratore, costituito principalmente da un controller e moduli I/O. Il controller utilizza un processore a 32 bit e il sistema opera su un robusto sistema operativo in tempo reale. Esegue logiche di controllo complesse e comunica in tempo reale con l'armadio di controllo della nacella, il sistema di passo e il sistema di convertitore attraverso il bus di campo, assicurando che l'aerogeneratore operi nelle condizioni ottimali.
L'armadio alla base della torre include:
Stazione PLC principale
RTU (Remote Terminal Unit)
Switch Ethernet industriale
Alimentazione UPS
Schermo touch (per il monitoraggio e l'operazione locale)
Pulsanti, luci di segnalazione, interruttori a scatto, relè
Elementi riscaldanti, ventilatori
Blocco terminali
2.2 Stazione di Controllo della Nacella
La stazione di controllo della nacella raccoglie i segnali dei sensori dall'aerogeneratore, inclusa la temperatura, la pressione, la velocità di rotazione e i parametri ambientali. Comunica con la stazione di controllo principale attraverso il bus di campo. Il controller principale utilizza l'armadio di controllo della nacella per gestire le funzioni di orientamento e di sblocco dei cavi. Inoltre, controlla i motori ausiliari, le pompe d'olio e i ventilatori di raffreddamento all'interno della nacella per mantenere le prestazioni ottimali dell'aerogeneratore.
L'armadio di controllo della nacella è composto da:
Stazione PLC della nacella
Modulo di alimentazione
Modulo FASTBUS slave
Modulo CANBUS master
Modulo Ethernet (per l'accesso di manutenzione al PC locale)
Moduli I/O digitali e analogici (DIO, AIO)
Interruttori, relè, interruttori
2.3 Sistema di Controllo del Passo
Gli aerogeneratori di grande scala (superiori a 1 MW) utilizzano tipicamente sistemi di passo idraulici o elettrici. Il sistema di passo utilizza un controller front-end per regolare gli attuatori di passo delle tre pale dell'aerogeneratore. Come unità di esecuzione del controller principale, comunica tramite CANopen per regolare gli angoli del passo delle pale per ottenere le prestazioni ottimali.
Il sistema di passo include un'alimentazione di backup e una catena di sicurezza per garantire l'arresto di emergenza in condizioni critiche.
L'armadio di controllo dell'albero include:
Stazione PLC dell'albero
Unità di pilotaggio servo
Batteria di emergenza per il passo e unità di monitoraggio
Modulo di passo di emergenza
Relè di protezione contro l'iperfrequenza
Miniature, relè, blocchi terminali
Pulsanti, luci di segnalazione e interruttori di manutenzione
2.4 Sistema di Catena di Sicurezza di Backup di Emergenza
La catena di sicurezza di backup di emergenza è un meccanismo di protezione hardware indipendente dal sistema di controllo computerizzato. Anche se il sistema di controllo fallisce, la catena di sicurezza rimane funzionante. Collega le condizioni di errore critico, quelle che potrebbero causare danni catastrofici all'aerogeneratore, in un singolo circuito in serie. Quando viene attivata, la catena di sicurezza inizia un arresto di emergenza, disconnettendo l'aerogeneratore dalla rete, massimizzando così la protezione di tutto il sistema.
3. Architettura del Sistema e Panoramica delle Funzionalità
Il sistema di monitoraggio dell'energia del parco eolico è composto dai seguenti componenti chiave:
Unità di Controllo Locale dell'Aerogeneratore (WPCUs)
Rete Ethernet a fibra ottica ad anello ridondante ad alta velocità
Stazioni operatorie remote di livello superiore
L'unità di controllo locale dell'aerogeneratore è il controller centrale per ciascun aerogeneratore, responsabile del monitoraggio dei parametri, del controllo automatico della generazione di energia e della protezione delle apparecchiature. Ogni aerogeneratore è dotato di un HMI (Interfaccia Uomo-Macchina) locale per l'operazione, la messa in servizio e la manutenzione sul posto.
La rete Ethernet a fibra ottica ad anello ridondante ad alta velocità funge da autostrada dati del sistema, trasmettendo i dati in tempo reale dell'aerogeneratore al sistema di monitoraggio di livello superiore.
La stazione operativa di livello superiore è il centro di monitoraggio operativo del parco eolico. Fornisce un monitoraggio completo dello stato dell'aerogeneratore, allarmi sui parametri e registrazione e visualizzazione dei dati in tempo reale e storici. Gli operatori possono monitorare e controllare tutti gli aerogeneratori dalla sala di controllo centrale.
3.1 Livello di Controllo sul Campo
Il livello di controllo sul campo è composto dai seguenti componenti chiave:
Armadio di controllo principale alla base della torre
Armadio di controllo della nacella
Sistema di controllo del passo
Sistema di conversione
Stazione HMI (Interfaccia Uomo-Macchina) locale
Switch Ethernet industriale
Rete di comunicazione a bus di campo
Alimentazione UPS
Sistema di backup di arresto di emergenza
L'Unità di Controllo dell'Aerogeneratore (WPCU) a livello di campo funge da controller centrale per ciascun aerogeneratore. È responsabile del monitoraggio in tempo reale dei parametri, del controllo automatico della generazione di energia e della protezione delle apparecchiature. Ogni aerogeneratore è dotato di un'interfaccia HMI locale che consente l'operazione, la messa in servizio, il debug e la manutenzione sul posto.
3.2 Livello di Monitoraggio Centrale
Il livello di monitoraggio centrale è il cuore operativo del parco eolico, fornendo un monitoraggio completo dello stato dell'aerogeneratore, allarmi sui parametri e registrazione e visualizzazione dei dati in tempo reale e storici. Gli operatori possono monitorare e controllare tutti gli aerogeneratori dalla sala di controllo centrale.
Questo livello permette anche la supervisione e il controllo dei sottosistemi chiave, tra cui:
Sistema idraulico
Sistema meteorologico
Sistema di controllo del passo elettrico
Sistema di riduttore
Sistema di orientamento e controllo dell'orientamento
Attraverso la funzionalità SCADA integrata, il livello di monitoraggio centrale garantisce l'operatività efficiente, sicura e affidabile di tutto il parco eolico.
