Sistema tal-Monitoraġġ Smart għal Wind Farms: Dizajn u Implementazzjoni

1. Kontext

Il-ġenerazzjoni ta’ energija tal-ħalijiet tibdil l-enerġija kinetika tal-ħalijiet f’enerġija mekanika, u wara ttrasforma din l-enerġija mekanika f’enerġija elettrika—dan huwa l-proċess ta’ ġenerazzjoni ta’ energija tal-ħalijiet.
Il-prinċipju tal-ġenerazzjoni ta’ energija tal-ħalijiet involvja l-użu tal-ħalijiet biex jiġu rotati l-blades tal-turbina tal-ħalijiet, li wara jidhrivu gearbox biex jiżżidu s-silġ tad-dawl, b’dan mod iddriv il-ġenerator biex jagħmel elektarità.

Fl-aħħar tas-silġ mill-inġannar mhux miftuħ tal-enerġija fi Ċina, il-ġenerazzjoni ta’ energija tal-ħalijiet segwi tisallam, u l-konstruzzjoni ta’ fermi tal-ħalijiet qed tissallim. Kompagnija waħda tal-enerġija tista’ topera diversi fermi tal-ħalijiet, li sovent huma distribwiti fit-toroq geografiku differenti. Fittieha, skont it-tagħlim tagħhom, ferm indiġenti tal-ħalijiet jistgħu jkunu meħtieġa minn dossin għal miżjun turbines tal-ħalijiet. Għal dawn il-kondizzjonijiet, kull ferm tal-ħalijiet huwa imħallef b’sistema ta’ monitoraġġ tal-enerġija tiegħu. Imma l-gestjoni sentralizzata ta’ fermi tal-ħalijiet multipli tinsab b’problemi konsiderevoli. Biex naffrontaw dan il-problema, l-istabbiliment ta’ centers ta’ kontroll sentrali (Central Control Centers) jagħti soluzzjoni effettiva.

Bħal result, fl-istess żmien li l-networking u l-intelligenza fil-fermi tal-ħalijiet jilqudu l-effiċjenza tal-prodotti u tal-gestjoni, huma wkoll jiktbu vetturi ġdida ta’ attakk għal aktar malizi. Fl-aħħar snin, l-inċidenti ta’ sitwar fis-settur tal-enerġija kienu frequenti, li qattgħu l-industrija tal-elettricità lejn minazzli u sfidi ta’ sigurtà sew.

2. Sistema ta’ Kontroll tal-Turbina tal-Ħalijiet

Sistema ta’ kontroll awtomatiku komplet huwa meħtieġ għall-operazzjoni u protezzjoni tal-turbines tal-ħalijiet. Din is-sistema għandha tkun taqsima biex tibda awtomatikament it-turbina, tikkontrolla s-sistema ta’ regolazzjoni mekanika tal-blades, u tassigura l-istopp ta’ turbina s-safietta taħt kondizzjonijiet normali u abnormali. A parte minn funzjonijiet ta’ kontroll, is-sistema wkoll tħaseb tas-servizz ta’ monitoraġġ—li tgħaddi informazzjoni dwar l-istatus operattiv, s-silġ tal-ħalijiet, u t-telħita.

Is-sistema ta’ kontroll tal-turbina tal-ħalijiet tiġi milli parti tre prinċipali:

• Kabinet ta’ Kontroll Prinċipali tal-Bażi tal-Tower

• Kabinet ta’ Kontroll tal-Nacelle

• Kabinet ta’ Kontroll tal-Hub

L-Wind Power Control Unit (WPCU) serġi bħala kontroljar kożi għal kull turbina u huwa distribwut fil-tower u n-nacelle tal-turbina.

2.1 Stazzjon ta’ Kontroll tal-Bażi tal-Tower

Il-stazzjon ta’ kontroll tal-bażi tal-tower—ukoll magħruf bħala kabinet ta’ kontroll prinċipali—huwa l-qalb tas-sistema ta’ kontroll tal-turbina tal-ħalijiet, u huwa kompost primarjament minn kontroljar u moduli I/O. Il-kontroljar uża protsessur 32-bit, u is-sistema tirraġġel fuq sistema operattiv real-time robust. Huwa iġġegġibu logika prinċipali komplikata u jkomunikka real-time mal-kabinet ta’ kontroll tal-nacelle, sistema ta’ pitch, u sistema ta’ konvertitur, assicurant li tturbina topera taħt kondizzjonijiet ottimali.

Il-kabinet tal-bażi tal-tower jinkludi:

• Master station PLC

• RTU (Remote Terminal Unit)

• Switch ta’ Ethernet industriju

• Sors ta’ enerġija UPS

• Touchscreen (għal monitoraġġ u operazzjoni lokali)

• Buttuni, spjegoli, circuit breakers miniaturizzati, relays

• Elementi ta’ scaldatura, ventilatori

• Terminal blocks

2.2 Stazzjon ta’ Kontroll tal-Nacelle

Il-stazzjon ta’ kontroll tal-nacelle ikkolekta segnali sensuri mit-turbina, inkluż temperatura, pressjoni, silġ tad-dawl, u parametri ambientali. Huwa jkomunikka mal-kabinet ta’ kontroll prinċipali permezz ta’ fieldbus. Il-kontroljar prinċipali uża l-rack ta’ kontroll tal-nacelle biex jadimin funzjonijiet ta’ yawing u untwisting ta’ kavetti. Fuq il-loġiki, huwa jikkontrolla motors ausiliarji, oil pumps, u ventilatori tal-raħeb biex jissostni l-prestazzjoni ottimali tal-turbina.

Il-kabinet ta’ kontroll tal-nacelle jinkludi:

• Station PLC tal-Nacelle

• Modulu ta’ sors ta’ enerġija

• Modulu slave FASTBUS

• Modulu master CANBUS

• Modulu Ethernet (għal aċċess ta’ manutenzjoni PC lokali)

• Moduli DIO, AIO (Digital and Analog I/O)

• Circuit breakers, relays, switches

2.3 Sistema ta’ Pitch Control

It-turbines tal-ħalijiet kbir (fuq 1 MW) tipikalment jempiegaw sistemi ta’ pitch hidrawliku jew elektriku. Is-sistema ta’ pitch uża kontroljar front-end biex jregola l-aktuatori ta’ pitch ta’ l-ħames turbines blades. Bħala unità ta’ eksekuzzjoni tal-kontroljar prinċipali, huwa jkomunikka permezz ta’ CANopen biex jmodifika l-angoli ta’ pitch tal-blades għal prestazzjoni ottimali.

Is-sistema ta’ pitch inkludiv sors ta’ enerġija backup u chain ta’ sigurtà biex issigura l-istopp ta’ emergenza taħt kondizzjonijiet kritika.

Il-kabinet ta’ kontroll tal-hub jinkludi:

• Station PLC tal-Hub

• Unitajiet ta’ drive servo

• Battery ta’ pitch ta’ emergenza u unità ta’ monitoraġġ

• Modulu ta’ pitch ta’ emergenza

• Relay ta’ protezzjoni ta’ overspeed

• Circuit breakers miniaturizzati, relays, terminal blocks

• Buttuni, spjegoli, u switches ta’ manutenzjoni

2.4 Sistema ta’ Sigurtà ta’ Chain ta’ Emergenza ta’ Backup

Is-sistema ta’ chain ta’ sigurtà ta’ backup huwa mekanism ta’ protezzjoni basat fuq hardwa rkontra ghall-sistema ta’ kontroll tal-komputer. Anki jekk is-sistema ta’ kontroll tfalla, is-sistema ta’ sigurtà tbqa’ funzjonanti. Huwa jikkonektja statijiet ta’ erġa kbira—li jistgħu jiċċaġġin dannu katastrofiċu lit-turbina tal-ħalijiet—f’circuit singolu ta’ serie. Meta jit-trigger, is-sistema ta’ sigurtà tibda istopp ta’ emergenza, tiskonta l-turbina mill-grid, bil-mod li timmassima l-protezzjoni ta’ l-intera sistema.

3. Arkitettura tas-Sistema u Panoramika ta’ Funzjonijiet

Is-sistema ta’ monitoraġġ tal-enerġija tal-ferm tal-ħalijiet tiġi milli parti segwenti importanti:

• Units ta’ Kontroll Lokali tal-Turbina tal-Ħalijiet (WPCUs)

• Network ta’ Ethernet fibra optika redundanti ad alta veloċità

• Stazzjonijiet ta’ operatori superiors remoti

Il-unit ta’ kontroll lokali tal-turbina tal-ħalijiet huwa l-kontroljar kożi għal kull turbina, responsabbli għal monitoraġġ ta’ parametri, kontroll awtomatiku ta’ ġenerazzjoni tal-enerġija, u protezzjoni tal-apparat. Kull turbina hi imħallefa b’middleware HMI (Human-Machine Interface) għal operazzjoni, commissioning, u manutenzjoni lokali.

Inetwork ta’ Ethernet fibra optika redundanti ad alta veloċità serve bħala data highway tas-sistema, transmetti data real-time tal-turbina għas-sistema ta’ monitoraġġ superiore.

Il-stazzjon ta’ operatori superiors huwa l-centru ta’ monitoraġġ operattiv tal-ferm tal-ħalijiet. Huwa jipprovdi monitoraġġ komprensiv ta’ status tal-turbina, allarmi ta’ parametri, u logging u display ta’ data real-time/storici. L-operatori jistgħu jmonitorjaw u jkontrolljaw l-ktieb turbines mill-camera ta’ kontroll sentrali.

3.1 Stratum ta’ Kontroll tal-Fidd

Il-stratum ta’ kontroll tal-fidd huwa kompost milli parti segwenti importanti:

• Kabinet ta’ kontroll prinċipali tal-bażi tal-tower

• Kabinet ta’ kontroll tal-nacelle

• Sistema ta’ pitch control

• Sistema ta’ konvertitur

• Stazzjon HMI (Human-Machine Interface) lokali

• Switch ta’ Ethernet industriju

• Network ta’ komunikazzjoni fieldbus

• Sors ta’ enerġija UPS

• Sistema ta’ backup ta’ istopp ta’ emergenza

Il-Wind Turbine Control Unit (WPCU) fis-stratum tal-fidd serġi bħala kontroljar kożi għal kull turbina tal-ħalijiet. Huwa responsabbli għal monitoraġġ ta’ parametri real-time, kontroll awtomatiku ta’ ġenerazzjoni tal-enerġija, u protezzjoni tal-apparat. Kull turbina hi imħallefa b’interfaccja HMI lokali li tħalli l-operazzjoni, commissioning, debugging, u manutenzjoni lokali.

3.2 Stratum ta’ Monitoraġġ Sentrali

Il-stratum ta’ monitoraġġ sentrali huwa l-operazzjoni kożi tal-ferm tal-ħalijiet, li jipprovdi monitoraġġ komprensiv ta’ status tal-turbina, allarmi ta’ parametri, u logging u display ta’ data real-time/storici. L-operatori jistgħu jmonitorjaw u jkontrolljaw l-ktieb turbines mill-camera ta’ kontroll sentrali.

Dan is-stratum wkoll jippermetti is-superviżjoni u l-kontroll ta’ subsistemi importanti, inkluż:

• Sistema hidrawliku

• Sistema meteoroloġiku

• Sistema ta’ pitch control elettriku

• Sistema ta’ gearbox

• Sistema ta’ yaw u kontrol ta’ yaw

Tra l-funzionalità integrata SCADA, il-stratum ta’ monitoraġġ sentrali jassegura l-operazzjoni efficient, sigura, u affidabbli tal-intera ferm tal-ħalijiet.