風力発電所向けスマートモニタリングシステム：設計と実装
1.背景
風力発電は、風の運動エネルギーを機械エネルギーに変換し、その機械エネルギーを電気エネルギーに変換する過程です。風力発電の原理は、風で風車のブレードを回転させ、ギアボックスを駆動して回転速度を上げ、発電機を駆動して電力を生成します。
中国のエネルギー需要が増加するにつれて、風力発電も拡大し、風力発電所の建設も加速しています。単一の電力会社が複数の風力発電所を運営することが多く、それらは異なる地理的地域に分散していることがあります。また、規模によっては、個々の風力発電所には数十から数百もの風車があります。これらの条件により、各風力発電所には独自の電力監視システムが設置されていますが、複数の風力発電所の集中管理には大きな課題があります。この問題に対処するために、集中制御センター（Central Control Centers）の設立が効果的な解決策となります。
結果として、風力発電所におけるネットワーキングとインテリジェンスが生産および管理効率を向上させる一方で、悪意のある攻撃者にとって新たな攻撃ベクトルを作り出しています。近年、電力セクターでのサイバーセキュリティ事件が頻繁に発生しており、電力業界はますます多くのセキュリティ脅威と課題に直面しています。
2. 風車制御システム
風車の運転と保護には完全自動制御システムが必要です。このシステムは、風車の自動起動、ブレードの機械ピッチ調整機構の制御、通常時および異常時の安全なシャットダウンを行う能力を持つ必要があります。制御機能に加えて、システムはモニタリングタスクも実行し、運転状態、風速、風向などの情報を提供します。
風車制御システムは以下の3つの主要なコンポーネントで構成されています：
塔基底部主制御盤
ナセル制御盤
ハブ制御盤
風力発電制御ユニット（WPCU）は、各風車のコアコントローラーとして機能し、塔内およびナセル内に分散されています。
2.1 塔基底部制御ステーション
塔基底部制御ステーション（または主制御盤とも呼ばれます）は、風車制御のコアであり、主にコントローラーとI/Oモジュールで構成されています。コントローラーは32ビットプロセッサを使用し、強力なリアルタイムオペレーティングシステム上で動作します。複雑な主要制御ロジックを実行し、フィールドバスを通じてナセル制御盤、ピッチシステム、コンバーターシステムとのリアルタイム通信を行い、風車が最適な条件下で動作するようにします。
塔基底部盤には以下が含まれています：
PLCマスターステーション
RTU（リモート端末装置）
産業用イーサネットスイッチ
UPS電源
タッチスクリーン（現地監視および操作用）
プッシュボタン、表示灯、ミニチュア回路ブレーカー、リレー
ヒーター要素、ファン
端子台
2.2 ナセル制御ステーション
ナセル制御ステーションは、風車からのセンサ信号（温度、圧力、回転速度、環境パラメータなど）を収集し、フィールドバスを通じて主制御ステーションと通信します。主コントローラーは、ナセル制御ラックを使用してヨーイングとケーブルアンツイスト機能を管理します。さらに、ナセル内の補助モーター、油ポンプ、冷却ファンを制御して、風車の最適な性能を維持します。
ナセル制御盤は以下の部分で構成されています：
ナセルPLCステーション
電源モジュール
FASTBUSスレーブモジュール
CANBUSマスターモジュール
イーサネットモジュール（現地PCメンテナンスアクセス用）
デジタルおよびアナログI/O（DIO、AIO）モジュール
回路ブレーカー、リレー、スイッチ
2.3 ピッチ制御システム
大規模な風車（1MW以上）は通常、油圧式または電気式ピッチシステムを使用します。ピッチシステムは、フロントエンドコントローラーを使用して3つの風車ブレードのピッチアクチュエータを制御します。主コントローラーの実行ユニットとして、CANopenを介してブレードのピッチ角度を調整して最適な性能を達成します。
ピッチシステムにはバックアップ電源と安全チェーンが含まれており、緊急時に風車の緊急停止を確保します。
ハブ制御盤には以下が含まれています：
ハブPLCステーション
サーボドライブユニット
緊急ピッチバッテリーおよび監視ユニット
緊急ピッチモジュール
オーバースピード保護リレー
ミニチュア回路ブレーカー、リレー、端子台
プッシュボタン、表示灯、メンテナンススイッチ
2.4 バックアップ緊急安全チェーンシステム
バックアップ緊急安全チェーンは、コンピュータ制御システムとは独立したハードウェアベースの保護メカニズムです。制御システムが故障しても、安全チェーンは機能します。これは、風車に重大な損傷を与える可能性のある重要な故障条件を単一のシリーズ回路に接続します。トリガーされると、安全チェーンは緊急停止を開始し、風車を電力網から切り離し、システム全体の最大限の保護を確保します。
3. システムアーキテクチャと機能概要
風力発電所の電力監視システムは以下の主要なコンポーネントで構成されています：
局所風車制御ユニット（WPCU）
高速冗長リング光ファイバーイーサネットネットワーク
遠隔上位オペレータステーション
局所風車制御ユニットは、各風車のコアコントローラーであり、パラメータ監視、自動発電制御、設備保護を担当します。各風車には、現場での操作、試運転、メンテナンス用の局所HMI（人間機械インターフェース）が装備されています。
高速冗長リング光ファイバーイーサネットは、システムのデータハイウェイとして機能し、リアルタイムの風車データを上位監視システムに送信します。
上位オペレータステーションは、風力発電所の運用監視センターです。これにより、風車の状態監視、パラメータ警報、リアルタイム/履歴データの記録と表示が可能になります。オペレータは中央制御室からすべての風車を監視および制御できます。
3.1 現場制御層
現場制御層は以下の主要なコンポーネントで構成されています：
塔基底部主制御盤
ナセル制御盤
ピッチ制御システム
コンバーターシステム
局所HMI（人間機械インターフェース）ステーション
産業用イーサネットスイッチ
フィールドバス通信ネットワーク
UPS電源
緊急停止バックアップシステム
現場レベルの風車制御ユニット（WPCU）は、各風車のコアコントローラーとして機能し、リアルタイムパラメータ監視、自動発電制御、設備保護を担当します。各風車には、現場での操作、試運転、デバッグ、メンテナンス用の局所HMIインターフェースが装備されています。
3.2 中央監視層
中央監視層は、風力発電所の運用の中心であり、風車の状態監視、パラメータ警報、リアルタイム/履歴データの記録と表示を包括的に提供します。オペレータは中央制御室からすべての風車を監視および制御できます。
この層では、以下の主要なサブシステムの監視および制御も可能です：
油圧システム
気象システム
電気ピッチ制御システム
ギアボックスシステム
ヨースシステムおよびヨース制御
統合SCADA機能を通じて、中央監視層は風力発電所全体の効率的、安全かつ信頼性の高い運用を確保します。
