Inteligentna nadzorna sistema za vetroparkovi: Dizajn i implementacija

1. Позадина

Генерирањето на електрична енергија од ветер претвара кинетичката енергија на ветрот во механичка енергија, а потоа таа механичка енергија се претвора во електрична енергија - ова е генерирање на електрична енергија од ветер.
Принципот на генерирање на електрична енергија од ветер вклучува користење на ветер за ротирање на лопатите на ветроагрегатот, кои потоа стимулираат гредарникот за зголемување на брзината на ротација, со тоа што стимулираат генераторот да произведе електричество.

Под влијание на растечкиот попис на енергетски потреби во Кина, производството на електрична енергија од ветер неуско се расширува, а интензитетот на изградба на ветропаркови се зголемува. Една енергетска компанија може да управува со повеќе ветропаркови, кои често се распределени по различни географски региони. Поради тоа, секој ветропарк е опремен со свој систем за мониторинг на електричната енергија. Меѓутоа, централизираната управа на повеќе ветропаркови претставува значителен предизвик. За да се реши овој проблем, основањето на централизирани контролни центри (Central Control Centers) нуди ефективно решение.

Како резултат, додека мрежувањето и интелигенцијата во ветропарковите подобруваат ефикасноста на производството и управата, тие исто така создаваат нови нападни вектори за злоумишљачите. Во последните години, инцидентите со кибернетска безбедност во енергетскиот сектор се случуваат често, што го изложува електротехничкиот индустријален сектор на растечки безбедносни претходи и предизвици.

2. Систем за контрола на ветроагрегатите

Потребен е целосно автоматски систем за контрола за работата и заштитата на ветроагрегатите. Овој систем мора да биде способен да автоматски погоди агрегатот, да контролира механизмот за механичко правење лопатите и да ја изгаси агрегатот сигурно како под нормални, така и под ненормални услови. Поради дополнителните функции на контрола, системот исто така извршува задачи за мониторинг - доставува информации како што се оперативниот статус, брзината на ветер и правецот на ветер.

Системот за контрола на ветроагрегатите се состои од три главни компоненти:

• Главна контролна шкафа на основата на кула

• Контролна шкафа на накел

• Контролна шкафа на хубот

Единицата за контрола на електричната енергија од ветер (WPCU) служи како главен контролер за секој агрегат и е распределена во кулата и накелот на агрегатот.

2.1 Контролна станција на основата на кула

Контролната станција на основата на кула - позната и како главна контролна шкафа - е срцевината на контролата на ветроагрегатите, првенствено состојаща се од контролер и I/O модули. Контролерот користи 32-битен процесор, а системот работи на силна реална времетрајна оперативна система. Извршува комплексна главна контролна логика и комуницира во реално време со контролната шкафа на накел, системот за правење и конвертерскиот систем преку полевска автобусна мрежа, осигурувајќи оптимални услови за работа на агрегатот.

Главната шкафа на основата на кула вклучува:

• Главна станција PLC

• RTU (Удалена терминална единица)

• Индустријски Ethernet свич

• Напојувач на UPS

• Тачкаст дисплеј (за локален мониторинг и управа)

• Пушкници, индикаторни светилки, миниатюрни предавници, релеи

• Загреващи елементи, вентилатори

• Блокови на крајници

2.2 Контролна станција на накел

Контролната станција на накел собира сигналите од сензорите на агрегатот, вклучувајќи температура, притисок, брзина на ротација и екологиски параметри. Комуницира со главната контролна станција преку полевска автобусна мрежа. Главниот контролер користи контролната рама на накел за управување со функциите за правење и отплитување на каблите. Поради тоа, тој контролира помошните мотори, маслени насоси и хладење вентилатори во накела за одржување на оптималната перформанса на агрегатот.

Контролната шкафа на накел се состои од:

• Станција PLC на накел

• Модул за напојување

• FASTBUS слуга модул

• CANBUS господар модул

• Ethernet модул (за локален пристап на одржувачки PC)

• Цифрен и аналоген I/O (DIO, AIO) модули

• Предавници, релеи, превключувачи

2.3 Систем за правење

Великите ветроагрегати (над 1 MW) обично користат или хидравлички или електрички системи за правење. Системот за правење користи фронтален контролер за регулирање на актуаторите за правење на трите лопати на агрегатот. Како извршна единица на главниот контролер, тој комуницира преку CANopen за прилагодување на аглите на правење на лопатите за оптимална перформанса.

Системот за правење вклучува резервна напојување и безбедносна верига за осигурување на емергентно изгасување во критични услови.

Контролната шкафа на хубот вклучува:

• Станција PLC на хубот

• Единици за серво управување

• Резервна батерија за емергентно правење и единица за мониторинг

• Емергентен модул за правење

• Реле за заштита од прекомерна брзина

• Миниатюрни предавници, релеи, блокови на крајници

• Пушкници, индикаторни светилки и превключувачи за одржување

2.4 Резервна емергентна безбедносна верига

Резервната емергентна безбедносна верига е хардверска заштитна механизма независна од компјутерскиот систем за контрола. Дури и да се повреди системот за контрола, безбедносната верига продолжува да функционира. Таа поврзува критични услови на повреда - она што можат да предизвика катастрофални повреди на ветроагрегатот - во една серијска верига. Кога е активирана, безбедносната верига започнува емергентно изгасување, одделувајќи го агрегатот од мрежата, со тоа максимално го заштитува целостниот систем.

3. Архитектура на системот и преглед на функциите

Системот за мониторинг на електричната енергија во ветропаркот се состои од следниве клучни компоненти:

• Локални единици за контрола на ветроагрегатите (WPCUs)

• Високоскоростна редундантна прстенова оптичка етернет мрежа

• Операторски станции на надворешно ниво

Локалната единица за контрола на ветроагрегатите е главниот контролер за секој агрегат, одговорен за мониторинг на параметрите, автоматско контролирање на производството на електрична енергија и заштита на опремата. Секој агрегат е опремен со локален HMI (Human-Machine Interface) интерфејс за локална работа, употреба и одржување.

Високоскоростната редундантна прстенова оптичка етернет мрежа служи како пат на податоци на системот, преносејќи реално времетрајни податоци за агрегатот до надворешниот систем за мониторинг.

Операторската станција на надворешно ниво е оперативниот центар за мониторинг на ветропаркот. Тоа нуди комплетен мониторинг на статусот на агрегатите, аларми за параметри и запис и приказ на реално времетрајни/историски податоци. Операторите можат да мониторираат и контролираат сите агрегати од централната контролна соба.

3.1 Полевски контролен слој

Полевскиот контролен слој се состои од следниве клучни компоненти:

• Главна контролна шкафа на основата на кула

• Контролна шкафа на накел

• Систем за правење

• Конвертерски систем

• Локална HMI (Human-Machine Interface) станција

• Индустријски Ethernet свич

• Полевска автобусна комуникациска мрежа

• Напојувач на UPS

• Резервна систем за емергентно изгасување

Единицата за контрола на ветроагрегатите (WPCU) на полевско ниво служи како главен контролер за секој ветроагрегат. Таа е одговорна за реално времетрајен мониторинг на параметрите, автоматско контролирање на производството на електрична енергија и заштита на опремата. Секој агрегат е опремен со локален HMI интерфејс што овозможува локална работа, употреба, отстранување на грешки и одржување.

3.2 Централен контролен слој

Централниот контролен слој е оперативната срцевина на ветропаркот, што нуди комплетен мониторинг на статусот на агрегатите, аларми за параметри и запис и приказ на реално времетрајни/историски податоци. Операторите можат да мониторираат и контролираат сите агрегати од централната контролна соба.

Овој слој исто така овозможува надзор и контрола на клучни подсистеми, вклучувајќи:

• Хидравлички систем

• Метеоролошки систем

• Електричен систем за правење

• Систем за гредарник

• Систем за правење и контрола на правење

Чрез интегрирана SCADA функционалност, централниот контролен слој гарантира ефикасна, сигурна и надежна работа на целокупниот ветропарк.