Slimme Monitoring Systeem voor Windparken: Ontwerp & Implementatie

1. Achtergrond

Windenergie omzet de kinetische energie van de wind in mechanische energie en vervolgens die mechanische energie in elektrische energie—dit is windenergieopwekking.
De principes van windenergieopwekking houden in dat de wind wordt gebruikt om de rotorbladen van een windturbine te laten draaien, waardoor een versnellingsbak wordt aangedreven om de rotatiesnelheid te verhogen, wat vervolgens de generator activeert om elektriciteit op te wekken.

Onder Chinas groeiende energiebehoeften blijft de windenergieopwekking zich uitbreiden en neemt de bouw van windparken toe. Een enkele energiemaatschappij kan meerdere windparken beheren, die vaak verspreid zijn over verschillende geografische regio's. Bovendien kunnen individuele windparken, afhankelijk van hun schaal, bestaan uit tientallen tot honderden windturbines. Omdat elk windpark zijn eigen energiebeheersysteem heeft, vormt het centrale beheer van meerdere windparken een significante uitdaging. Het opzetten van centrale controlecentra (Central Control Centers) biedt hier een effectieve oplossing voor.

Terwijl netwerking en intelligentie in windparken de productie- en beheerefficiëntie verbeteren, creëren ze ook nieuwe aanvalsvector voor kwaadwillenden. In recente jaren komen cyberveiligheidsincidenten in de energiesector frequent voor, wat de elektriciteitsindustrie blootstelt aan toenemende veiligheidsbedreigingen en uitdagingen.

2. Windturbine Controlesysteem

Voor het bedrijf en de bescherming van windturbines is een volledig automatisch controlesysteem vereist. Dit systeem moet in staat zijn om de turbine automatisch te starten, het mechanische pitch-regelsysteem van de bladen te controleren en de turbine veilig af te sluiten, zowel onder normale als abnormale omstandigheden. Naast de controlefuncties voert het systeem ook bewakingstaken uit—zoals het verstrekken van informatie over de werkingstoestand, windsnelheid en windrichting.

Het controlesysteem van de windturbine bestaat uit drie hoofdcomponenten:

• Hoofdcontrolekast basis toren

• Controlekast nacelle

• Controlekast hub

De Wind Power Control Unit (WPCU) fungeert als de kerncontroller voor elke turbine en is verdeeld over de toren en de nacelle van de turbine.

2.1 Basis Controlestation

Het controlestation bij de basis van de toren, ook bekend als de hoofdcontrolekast, is het hart van de windturbinecontrole en bestaat voornamelijk uit een controller en I/O-modules. De controller maakt gebruik van een 32-bits processor, en het systeem draait op een krachtig real-time operatie-systeem. Het voert complexe hoofdcontrolelogica uit en communiceert in real-time met de controlekast in de nacelle, het pitchsysteem en het convertersysteem via fieldbus, waarmee wordt gezorgd dat de turbine optimaal functioneert.

De basis kast bevat:

• PLC-hoofdstation

• RTU (Remote Terminal Unit)

• Industriële Ethernet-switch

• UPS-stroomvoorziening

• Touchscreen (voor lokale monitoring en bediening)

• Drukknoppen, indicatielampjes, kleine circuitbrekers, relais

• Verwarmingselementen, ventilatoren

• Klemblokken

2.2 Nacelle Controlestation

Het controlestation in de nacelle verzamelt sensortechnische signalen van de turbine, waaronder temperatuur, druk, rotatiesnelheid en milieuparameters. Het communiceert met het hoofdcontrolestation via fieldbus. De hoofdcontroller gebruikt de controlekast in de nacelle om de yawing en kabelontwaringsfuncties te beheren. Daarnaast controleert het hulpmotoren, oliepompen en koelventilatoren binnen de nacelle om optimale turbineprestaties te waarborgen.

De controlekast in de nacelle bestaat uit:

• Nacelle PLC-station

• Voedingmodule

• FASTBUS-slavemodule

• CANBUS-meestermodule

• Ethernet-module (voor lokale PC-onderhoudstoegang)

• Digitale en analoge I/O (DIO, AIO)-modules

• Circuitbrekers, relais, schakelaars

2.3 Pitch Systeem

Grote windturbines (boven 1 MW) maken doorgaans gebruik van hydraulische of elektrische pitchsystemen. Het pitchsysteem gebruikt een front-end-controller om de pitchactuatoren van de drie turbinebladen te regelen. Als uitvoerende eenheid van de hoofdcontroller communiceert het via CANopen om de blade pitch hoeken te optimaliseren.

Het pitchsysteem bevat een back-up stroomvoorziening en een veiligheidsketen om in noodsituaties een noodstop mogelijk te maken.

De controlekast in de hub bevat:

• Hub PLC-station

• Servostuurunits

• Noodpitch batterij en monitorunit

• Noodpitch module

• Overspeed beschermingsrelais

• Miniature circuitbrekers, relais, klemblokken

• Drukknoppen, indicatielampjes en onderhoudsschakelaars

2.4 Back-up Noodveiligheidsketen Systeem

De back-up noodveiligheidsketen is een hardware-gebaseerde beschermingsmechanisme onafhankelijk van het computercontrolesysteem. Zelfs als het controlesysteem faalt, blijft de veiligheidsketen functioneel. Het verbindt kritieke fouttoestanden—die catastrofale schade aan de windturbine kunnen veroorzaken—in een enkele serie schakeling. Wanneer deze wordt geactiveerd, initieert de veiligheidsketen een noodstop, waardoor de turbine van het net wordt losgekoppeld, waardoor de bescherming van het gehele systeem maximaal wordt gewaarborgd.

3. Systeemarchitectuur en Functionele Overzicht

Het energiebewakingssysteem van het windpark bestaat uit de volgende belangrijke componenten:

• Lokale Wind Turbine Control Units (WPCUs)

• High-speed redundante ringvormige vezeloptische Ethernet-netwerk

• Verre bovenliggende operatorstations

De lokale windturbinecontrole-eenheid is de kerncontroller voor elke turbine, verantwoordelijk voor parametermonitoring, automatische stroomopwekking en apparatuurbescherming. Elke turbine is uitgerust met een lokale HMI (Human-Machine Interface) voor ter plaatse bediening, inbedrijfstelling en onderhoud.

Het high-speed redundante ringvormige vezeloptische Ethernet dient als de datahighway van het systeem, waarmee real-time turbinedata naar het bovenliggende bewakingssysteem worden overgebracht.

Het bovenliggende operatorstation is het operationele bewakingscentrum van het windpark. Het biedt een alomvattende toestandsmonitoring van turbines, parameteralarmen en real-time/historische datalogging en -weergave. Operators kunnen alle turbines vanuit de centrale controlekamer bewaken en bedienen.

3.1 Veldcontrolelaag

De veldcontrolelaag bestaat uit de volgende belangrijke componenten:

• Hoofdcontrolekast basis toren

• Controlekast nacelle

• Pitch controle systeem

• Convertersysteem

• Lokale HMI (Human-Machine Interface) station

• Industriële Ethernet-switch

• Fieldbus communicatienetwerk

• UPS-stroomvoorziening

• Back-up noodstop systeem

De Wind Turbine Control Unit (WPCU) op veldniveau fungeert als de kerncontroller voor elke windturbine. Het is verantwoordelijk voor real-time parametermonitoring, automatische stroomopwekking en apparatuurbescherming. Elke turbine is uitgerust met een lokale HMI-interface die ter plaatse bediening, inbedrijfstelling, debugging en onderhoud mogelijk maakt.

3.2 Centrale Bewakingslaag

De centrale bewakingslaag is het operationele hart van het windpark, dat een alomvattende toestandsmonitoring van turbines, parameteralarmen en real-time/historische datalogging en -weergave biedt. Operators kunnen alle turbines vanuit de centrale controlekamer bewaken en bedienen.

Deze laag stelt ook toezicht en controle op belangrijke subsystemen in, waaronder:

• Hydraulisch systeem

• Meteorologisch systeem

• Elektrisch pitch controle systeem

• Versnellingsbak systeem

• Yaw systeem en yaw controle

Door geïntegreerde SCADA-functionaliteit zorgt de centrale bewakingslaag voor efficiënte, veilige en betrouwbare werking van het hele windpark.