Smart overvåkingssystem for vindparker: Design og implementering

1.Bakgrunn

Vindkraftgenerering konverterer vindens kinetiske energi til mekanisk energi, og deretter transformerer denne mekaniske energien til elektrisk energi—dette er vindkraftgenerering.
Prinsippet for vindkraftgenerering involverer bruk av vind for å rotere vindturbinblad, som deretter driver en gearboks for å øke rotasjonshastigheten, og derved drive generator for å produsere strøm.

Med Kinas voksende energibehov fortsetter vindkraftgenerering å utvides, og byggingen av vindparker intensiveres. En enkelt kraftselskap kan drive flere vindparker, som ofte er fordelt over ulike geografiske regioner. I tillegg kan individuelle vindparker bestå av ti til hundre vindturbiner, avhengig av deres størrelse. På grunn av disse forholdene er hver vindpark utstyrt med sitt eget strømovervåkingssystem. Imidlertid presenterer sentralisert administrasjon av flere vindparker betydelige utfordringer. For å løse dette problemet gir opprettelsen av sentrale kontrollsentre (Central Control Centers) en effektiv løsning.

Som et resultat av nettvirkning og intelligens i vindparker, blir produksjon og administrasjon mer effektiv, men det skaper også nye angrepsvektorer for ondsinnet aktører. I de senere årene har cybersikkerhetsincidenter i kraftsektoren forekommet hyppig, noe som eksponerer kraftindustrien for økte sikkerhetstrusler og utfordringer.

2. Vindturbin-kontrollsystem

En fullautomatisk kontrollsystem er nødvendig for drift og beskyttelse av vindturbiner. Dette systemet må være i stand til automatisk å starte turbinen, styre mekaniske pitchjusteringsmekanismer for bladene, og sikkert stoppe turbinen både under normale og anormale forhold. I tillegg til kontrollfunksjoner utfører systemet også overvåkningstasker—det gir informasjon som driftsstatus, vindhastighet og vindretning.

Vindturbin-kontrollsystemet består av tre hovedkomponenter:

• Tårnbasert hovedkontrollskap

• Nacellekontrollskap

• Hubkontrollskap

Vindkraftkontrollenheter (WPCU) fungerer som kjernekontroller for hver turbin og er distribuert innenfor tårnet og nacellen til turbinen.

2.1 Tårnbasert kontrollstasjon

Tårnbasert kontrollstasjon—også kjent som hovedkontrollskap—er kjernen i vindturbin-kontroll, primært bestående av en kontroller og I/O-moduler. Kontrolleren bruker en 32-bit prosessor, og systemet kjører på et robust sanntidsoperativsystem. Det utfører komplekse hovedkontrolllogikker og kommuniserer sanntid med nacellekontrollskap, pitchsystem og omslagsystem via feltbus, for å sikre at turbinen opererer under optimale forhold.

Tårnbasert skap inkluderer:

• PLC-hovedstasjon

• RTU (Remote Terminal Unit)

• Industriell Ethernet-switch

• UPS-strømforsyning

• Pekeflate (for lokal overvåking og operasjon)

• Trykkknapper, indikatorlykter, miniatyrsikringer, reléer

• Oppvarmningskomponenter, ventilatorer

• Klemmekasser

2.2 Nacellekontrollstasjon

Nacellekontrollstasjonen samler sensor-signaler fra turbinen, inkludert temperatur, trykk, rotasjonshastighet og miljøparametre. Den kommuniserer med hovedkontrollstasjonen via feltbus. Hovedkontrolleren bruker nacellekontrollrakken for å administrere yawing og kabel-oppløsning. I tillegg styrer den hjelpemotorer, olje-pumper og kjølevifter i nacellen for å opprettholde optimal turbinestyring.

Nacellekontrollskapet består av:

• Nacelle PLC-stasjon

• Strømforsyningmodul

• FASTBUS-slavemodul

• CANBUS-hovedmodul

• Ethernet-modul (for lokal PC-maintenancetilgang)

• Digitale og analoge I/O (DIO, AIO) moduler

• Sikringer, reléer, skruer

2.3 Pitchkontrollsystem

Storskala vindturbiner (over 1 MW) bruker vanligvis enten hydraulisk eller elektrisk pitchsystem. Pitchsystemet bruker en front-end kontroller for å regulere pitchaktuatorer for de tre turbintebladene. Som en eksekveringsenhet for hovedkontrolleren kommuniserer den via CANopen for å justere bladpitchvinkler for optimal ytelse.

Pitchsystemet inkluderer en backup strømforsyning og en sikkerhetskjede for å sikre nødstopp under kritiske forhold.

Hubkontrollskapet inkluderer:

• Hub PLC-stasjon

• Servostyring enheter

• Nødpitchbatteri og overvåkingsenhet

• Nødpitchmodul

• Overspeedbeskyttelsesrelé

• Miniatyrsikringer, reléer, klemmekasser

• Trykkknapper, indikatorlykter, og vedlikeholds-skruer

2.4 Backup-nødsikkerhetskjede-system

Backup-nødsikkerhetskjeden er en hardwarespesifikk beskyttelsesmekanisme uavhengig av datamaskin-kontrollsystemet. Selv om kontrollsystemet mislykkes, fungerer sikkerhetskjeden fortsatt. Den kobler kritiske feilkondisjoner—som kan forårsake katastrofale skader på vindturbinen—inn i en enkelt seriekrets. Når den utløses, initierer sikkerhetskjeden et nødstopp, koble turbinen fra nettet, og maksimerer dermed beskyttelsen av hele systemet.

3. Systemarkitektur og funksjonsoversikt

Vindparkens strømovervåkingssystem består av følgende nøkkelenheter:

• Lokale vindturbin-kontrolleenheter (WPCUs)

• Høyhastighets redundante ring fiber-optisk Ethernet-nettverk

• Fjerne overlevelse operatorstasjoner

Den lokale vindturbin-kontrolleenheten er kjernekontrolleren for hver turbin, ansvarlig for parameterovervåking, automatisk strømproduksjonskontroll, og utstyrbeskyttelse. Hver turbin er utstyrt med en lokal HMI (Human-Machine Interface) for lokal operasjon, kommisjonering, og vedlikehold.

Det høyhastighets redundante ring fiber-optiske Ethernet-nettverket fungerer som systemets datahovedvei, overfører sanntids turbindata til det overordnede overvåkingssystemet.

Operatorens overordnede stasjon er drifts- og overvåkings-senteret for vindparken. Den gir omfattende overvåking av turbinestatus, parameteralarmer, og sanntids/historisk datalogging og visning. Operatører kan overvåke og kontrollere alle turbiner fra sentral kontrollrom.

3.1 Feltkontrolllag

Feltkontrolllaget består av følgende nøkkelenheter:

• Tårnbasert hovedkontrollskap

• Nacellekontrollskap

• Pitchkontrollsystem

• Omslagsystem

• Lokal HMI (Human-Machine Interface) stasjon

• Industriell Ethernet-switch

• Feltbus kommunikasjonsnettverk

• UPS-strømforsyning

• Nødstopp-backup system

Vindturbin-kontrolleenheten (WPCU) på feltlaget fungerer som kjernekontroller for hver vindturbin. Den er ansvarlig for sanntids-parameterovervåking, automatisk strømproduksjonskontroll, og utstyrbeskyttelse. Hver turbin er utstyrt med en lokal HMI-grensesnitt som muliggjør lokal operasjon, kommisjonering, feilsøking, og vedlikehold.

3.2 Sentral overvåkningslag

Sentral overvåkningslag er drifts-kjernen i vindparken, som gir omfattende overvåking av turbinestatus, parameteralarmer, og sanntids/historisk datalogging og visning. Operatører kan overvåke og kontrollere alle turbiner fra sentral kontrollrom.

Dette laget muliggjør også overvåking og kontroll av nøkkelunderenheter, inkludert:

• Hydraulisk system

• Meteorologisk system

• Elektrisk pitchkontrollsystem

• Gearboks system

• Yaw system og yaw kontroll

Gjennom integrert SCADA-funksjonalitet, sikrer sentral overvåkningslag effektiv, sikker, og pålitelig drift av hele vindparken.