풍력 발전단지용 스마트 모니터링 시스템: 설계 및 구현

Dyson

필드: 전기 표준

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1. 배경

풍력 발전은 바람의 운동 에너지를 기계 에너지로 변환하고, 그 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정입니다. 풍력 발전의 원리는 바람을 이용하여 터빈 날개를 회전시키고, 이를 통해 기어박스를 작동시켜 회전 속도를 증가시키고, 이로 인해 발전기를 구동하여 전기를 생산합니다.

중국의 늘어나는 에너지 수요에 따라 풍력 발전은 계속 확장되고 있으며, 풍력 발전소 건설이 가속화되고 있습니다. 한 전력 회사는 여러 개의 풍력 발전소를 운영할 수 있으며, 이러한 발전소들은 종종 다른 지리적 지역에 분산되어 있습니다. 또한, 각각의 발전소 규모에 따라 수십에서 수백 대의 풍력 터빈으로 구성될 수 있습니다. 이러한 조건 하에서 각 풍력 발전소는 자체적인 전력 모니터링 시스템을 갖추고 있지만, 여러 발전소의 중앙 집중 관리는 상당한 도전과제를 제기합니다. 이 문제를 해결하기 위해 중앙 제어 센터(Central Control Centers)의 설립이 효과적인 해결책을 제공합니다.

결과적으로, 풍력 발전소의 네트워킹과 지능화는 생산 및 관리 효율성을 향상시키지만, 악의적인 행위자에게 새로운 공격 벡터를 제공하기도 합니다. 최근 몇 년 동안 전력 부문에서 사이버 보안 사고가 빈번하게 발생하면서 전력 산업은 점점 더 많은 보안 위협과 도전에 직면하고 있습니다.

2. 풍력 터빈 제어 시스템

풍력 터빈의 운전 및 보호를 위해서는 완전 자동화된 제어 시스템이 필요합니다. 이 시스템은 터빈의 자동 시작, 날개의 기계적 피치 조정 메커니즘 제어, 정상 및 비정상 상태에서 안전한 터빈 정지를 수행할 수 있어야 합니다. 제어 기능 외에도 시스템은 운전 상태, 풍속, 풍향 등의 정보를 제공하는 모니터링 작업을 수행합니다.

풍력 터빈 제어 시스템은 다음 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다:

탑 기반 주 제어 캐비닛
네클 제어 캐비닛
허브 제어 캐비닛

풍력 제어 유닛(WPCU)은 각 터빈의 핵심 제어기로서, 타워와 네클 내부에 분산되어 있습니다.

2.1 탑 기반 제어 스테이션

탑 기반 제어 스테이션, 또는 주 제어 캐비닛은 풍력 터빈 제어의 핵심이며, 주로 컨트롤러와 I/O 모듈로 구성됩니다. 컨트롤러는 32비트 프로세서를 사용하며, 시스템은 강력한 실시간 운영 체제를 실행합니다. 복잡한 주 제어 로직을 실행하고 필드버스를 통해 네클 제어 캐비닛, 피치 시스템, 변환기 시스템과 실시간 통신하여 터빈이 최적의 조건에서 작동하도록 합니다.

탑 기반 캐비닛에는 다음과 같은 구성 요소가 포함됩니다:

PLC 주 스테이션
RTU (Remote Terminal Unit)
산업용 이더넷 스위치
UPS 전원 공급 장치
터치스크린(현지 모니터링 및 운영용)
프시 버튼, 표시등, 미니 서킷 브레이커, 릴레이
히팅 엘리먼트, 팬
단자대

2.2 네클 제어 스테이션

네클 제어 스테이션은 터빈에서 온도, 압력, 회전 속도, 환경 매개변수 등 센서 신호를 수집합니다. 필드버스를 통해 주 제어 스테이션과 통신합니다. 주 제어기는 네클 제어 랙을 사용하여 양방향 회전 및 케이블 해체 기능을 관리합니다. 또한, 네클 내부의 보조 모터, 오일 펌프, 냉각 팬 등을 제어하여 터빈의 최적 성능을 유지합니다.

네클 제어 캐비닛은 다음과 같은 구성 요소로 구성됩니다:

네클 PLC 스테이션
전원 공급 모듈
FASTBUS 슬레이브 모듈
CANBUS 마스터 모듈
이더넷 모듈(현지 PC 유지 관리 접근용)
디지털 및 아날로그 I/O(DIO, AIO) 모듈
서킷 브레이커, 릴레이, 스위치

2.3 피치 제어 시스템

대형 풍력 터빈(1 MW 이상)은 일반적으로 유압식 또는 전기식 피치 시스템을 사용합니다. 피치 시스템은 프론트 엔드 컨트롤러를 사용하여 세 개의 터빈 날개의 피치 액추에이터를 제어합니다. 주 제어기의 실행 단위로서 CANopen을 통해 날개 피치 각도를 조정하여 최적의 성능을 달성합니다.

피치 시스템은 백업 전원 공급 장치와 안전 체인을 포함하여 긴급 상황에서 긴급 정지를 보장합니다.

허브 제어 캐비닛에는 다음과 같은 구성 요소가 포함됩니다:

허브 PLC 스테이션
서보 드라이브 유닛
긴급 피치 배터리 및 모니터링 유닛
긴급 피치 모듈
과속 보호 릴레이
미니 서킷 브레이커, 릴레이, 단자대
프시 버튼, 표시등, 유지 관리 스위치

2.4 백업 긴급 안전 체인 시스템

백업 긴급 안전 체인은 컴퓨터 제어 시스템과 독립적인 하드웨어 기반 보호 메커니즘입니다. 제어 시스템이 실패하더라도 안전 체인은 작동합니다. 이는 풍력 터빈에 치명적인 손상을 초래할 수 있는 중요한 고장 조건을 단일 시리즈 회로로 연결합니다. 트리거되면 안전 체인은 긴급 정지를 시작하여 터빈을 그리드에서 분리하여 전체 시스템의 최대 보호를 제공합니다.

3. 시스템 아키텍처 및 기능 개요

풍력 발전소 전력 모니터링 시스템은 다음과 같은 주요 구성 요소로 구성됩니다: