Sistem Pemantauan Cerdas untuk Tumbuhan Angin: Reka Bentuk & Pelaksanaan

1. Latar Belakang

Pembangkit tenaga angin mengubah energi kinetik angin menjadi energi mekanik, dan kemudian mengubah energi mekanik tersebut menjadi energi listrik—ini adalah pembangkitan tenaga angin.
Prinsip pembangkitan 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, pembangkitan tenaga angin terus berkembang, dan pembangunan taman angin semakin intensif. Sebuah perusahaan listrik mungkin mengoperasikan beberapa taman angin, yang sering tersebar di berbagai wilayah geografis. Selain itu, tergantung pada skalanya, taman angin individu mungkin terdiri dari puluhan hingga ratusan turbin angin. Karena kondisi ini, setiap taman angin dilengkapi dengan sistem pemantauan daya sendiri. Namun, manajemen terpusat dari beberapa taman angin menimbulkan tantangan signifikan. Untuk mengatasi masalah ini, pendirian pusat kendali terpusat (Central Control Centers) memberikan solusi yang efektif.

Akibatnya, sementara jaringan dan kecerdasan di taman 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, mengungkapkan 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 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 di 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 mencakup:

• PLC stasiun utama

• RTU (Remote Terminal Unit)

• Switch Ethernet industri

• Pasokan 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. 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 pasokan daya

• Modul FASTBUS slave

• Modul CANBUS master

• 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 hidraulik atau listrik. Sistem pitch menggunakan pengontrol front-end untuk mengatur aktuator pitch dari tiga bilah turbin. Sebagai unit eksekusi dari pengontrol utama, berkomunikasi melalui CANopen untuk menyesuaikan sudut pitch bilah untuk kinerja optimal.

Sistem pitch mencakup pasokan daya cadangan dan rantai keselamatan untuk memastikan shutdown darurat dalam kondisi kritis.

Kabinet kontrol hub mencakup:

• 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 Keselamatan Darurat Cadangan

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

3. Arsitektur Sistem dan Tinjauan Fungsional

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

• Unit Kontrol Turbin Angin Lokal (WPCUs)

• Jaringan Ethernet fiber 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 daya otomatis, dan perlindungan peralatan. Setiap turbin dilengkapi dengan HMI (Human-Machine Interface) lokal untuk operasi, komisioning, dan pemeliharaan di tempat.

Jaringan Ethernet fiber 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 taman angin. Memberikan pemantauan status turbin yang komprehensif, alarm parameter, dan pencatatan serta tampilan data real-time/sejarah. Operator dapat memantau dan mengendalikan 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

• Pasokan 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 daya 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 taman angin, memberikan pemantauan status turbin yang komprehensif, alarm parameter, dan pencatatan serta tampilan data real-time/sejarah. Operator dapat memantau dan mengendalikan semua turbin dari ruang kontrol pusat.

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

• Sistem hidrolik

• Sistem meteorologi

• Sistem kontrol pitch listrik

• Sistem gearbox

• Sistem yaw dan kontrol yaw

Melalui fungsionalitas SCADA terintegrasi, lapisan pemantauan pusat memastikan operasi taman angin yang efisien, aman, dan andal.