Inteligentny System Monitorowania dla Farm Wiatrowych: Projektowanie i Implementacja
1.Tło
Wytwarzanie energii wiatrowej polega na przekształcaniu kinetycznej energii wiatru w energię mechaniczną, a następnie tej energii mechanicznej w energię elektryczną – to jest wytwarzanie energii wiatrowej.
Zasada wytwarzania energii wiatrowej polega na użyciu wiatru do obracania łopat turbiny wiatrowej, które następnie napędzają skrzynię biegów zwiększającą prędkość obrotową, co prowadzi do napędzenia generatora i wytworzenia energii elektrycznej.
W związku z rosnącym popytem Chin na energię, wytwarzanie energii wiatrowej ciągle się rozszerza, a budowa farm wiatrowych intensyfikuje się. Jedna firma energetyczna może zarządzać wieloma farmami wiatrowymi, które często są rozmieszczone w różnych regionach geograficznych. Ponadto, w zależności od ich skali, pojedyncze farmy wiatrowe mogą składać się z kilkudziesięciu do setek turbin wiatrowych. Ze względu na te warunki, każda farma wiatrowa jest wyposażona w własny system monitorowania mocy. Jednak centralizowane zarządzanie wieloma farmami wiatrowymi stanowi znaczne wyzwanie. Aby rozwiązać ten problem, powstają centra sterowania centralnego (Central Control Centers), które zapewniają efektywne rozwiązanie.
W rezultacie, podczas gdy sieciowanie i inteligentność farm wiatrowych poprawiają efektywność produkcji i zarządzania, tworzą one również nowe wektory ataków dla złych aktorów. W ostatnich latach incydenty cyberbezpieczeństwa w sektorze energetycznym występują często, narażając branżę energetyczną na rosnące zagrożenia i wyzwania bezpieczeństwa.
2. System sterowania turbiną wiatrową
Do działania i ochrony turbiny wiatrowej wymagany jest kompleksowy system sterowania automatycznego. Ten system musi być w stanie automatycznie uruchamiać turbinę, kontrolować mechanizm regulacji nachylenia łopat oraz bezpiecznie wyłączać turbinę zarówno w normalnych, jak i nieprawidłowych warunkach. Oprócz funkcji sterujących, system wykonuje również zadania monitorowania – dostarczając informacje takie jak status pracy, prędkość i kierunek wiatru.
System sterowania turbiną wiatrową składa się z trzech głównych komponentów:
Główna szafa sterująca u podstawy wieży
Szafa sterująca w gondoli
Szafa sterująca w hubie
Jednostka Sterowania Energią Wiatrową (WPCU) pełni rolę głównego kontrolera każdej turbiny i jest rozmieszczona w wieży i gondoli turbiny.
2.1 Stacja sterująca u podstawy wieży
Stacja sterująca u podstawy wieży, zwana również główną szafą sterującą, jest rdzeniem sterowania turbiną wiatrową, głównie składającym się z kontrolera i modułów wejścia/wyjścia. Kontroler używa 32-bitowego procesora, a system działa na silnym systemie operacyjnym czasu rzeczywistego. Wykonuje on skomplikowaną logikę głównego sterowania i komunikuje się w czasie rzeczywistym ze szafą sterującą w gondoli, systemem regulacji nachylenia i systemem konwertera za pomocą fieldbusu, zapewniając, że turbina działa w optymalnych warunkach.
Główna szafa u podstawy wieży zawiera:
Główna stacja PLC
RTU (Jednostka Terminalowa Zdalna)
Przemysłowy przełącznik Ethernet
Zasilacz UPS
Ekran dotykowy (do lokalnego monitorowania i obsługi)
Przyciski, lampki sygnalizacyjne, mikroprzerzutniki, relaje
Elementy grzewcze, wentylatory
Bloki końcowe
2.2 Stacja sterująca w gondoli
Stacja sterująca w gondoli zbiera sygnały czujników z turbiny, w tym temperaturę, ciśnienie, prędkość obrotową i parametry środowiskowe. Komunikuje się z główną stacją sterującą za pomocą fieldbusu. Główny kontroler używa szafy sterującej w gondoli do zarządzania obrotami i rozplątywaniem kabla. Dodatkowo kontroluje pomocnicze silniki, pompy olejowe i wentylatory w gondoli, aby utrzymać optymalną wydajność turbiny.
Szafa sterująca w gondoli składa się z:
Stacja PLC w gondoli
Moduł zasilania
Moduł niewolnika FASTBUS
Moduł master CANBUS
Moduł Ethernet (do lokalnego dostępu do obsługi PC)
Cyfrowe i analogowe moduły wejścia/wyjścia (DIO, AIO)
Przekaźniki, przełączniki, wyłączniki
2.3 System regulacji nachylenia
Duże turbiny wiatrowe (powyżej 1 MW) zazwyczaj wykorzystują systemy regulacji nachylenia hydrauliczne lub elektryczne. System regulacji nachylenia używa front-endowego kontrolera do regulacji aktuatorów nachylenia trzech łopat turbiny. Jako jednostka wykonawcza głównego kontrolera, komunikuje się za pomocą CANopen, aby dostosować kąty nachylenia łopat do optymalnej wydajności.
System regulacji nachylenia obejmuje zasilacz awaryjny i łańcuch bezpieczeństwa, aby zapewnić awaryjne wyłączenie w krytycznych warunkach.
Szafa sterująca w hubie zawiera:
Stacja PLC w hubie
Jednostki napędowe serwo
Bateria awaryjna i jednostka monitoringu nachylenia
Moduł awaryjnej regulacji nachylenia
Relaj przeciwprzeciążeniowy
Mikroprzerzutniki, relaje, bloki końcowe
Przyciski, lampki sygnalizacyjne i przełączniki konserwacyjne
2.4 System awaryjnego łańcucha bezpieczeństwa
Awaryjny łańcuch bezpieczeństwa to niezależny od systemu komputerowego mechanizm ochrony sprzętowej. Nawet jeśli system sterujący ulegnie awarii, łańcuch bezpieczeństwa nadal będzie funkcjonował. Łączy on krytyczne warunki uszkodzeń, które mogłyby spowodować katastrofalne uszkodzenia turbiny wiatrowej, w jeden szereg połączonych obwodów. Gdy zostanie wyzwolony, łańcuch bezpieczeństwa inicjuje awaryjne wyłączenie, odłączając turbinę od sieci, co maksymalizuje ochronę całego systemu.
3. Architektura systemu i ogólne omówienie funkcji
System monitorowania mocy farmy wiatrowej składa się z następujących kluczowych komponentów:
Lokalne Jednostki Sterujące Turbinami Wiatrowymi (WPCU)
Wysokoszybkościowa redundantna sieć fiberoptyczna Ethernet
Zdalne stanowiska operatora górnej warstwy
Lokalna jednostka sterująca turbiną wiatrową jest głównym kontrolerem każdej turbiny, odpowiedzialnym za monitorowanie parametrów, automatyczne sterowanie generacją mocy i ochronę sprzętu. Każda turbina jest wyposażona w lokalny interfejs człowiek-maszyna (HMI) do lokalnej obsługi, komisjonowania i konserwacji.
Wysokoszybkościowa redundantna sieć fiberoptyczna Ethernet służy jako autostrada danych systemu, transmitując dane z turbin w czasie rzeczywistym do systemu monitorowania górnej warstwy.
Stanowisko operatora górnej warstwy to centrum operacyjnego monitorowania farmy wiatrowej. Zapewnia kompleksowe monitorowanie statusu turbin, alarmy parametryczne i rejestrowanie/dysplayowanie danych w czasie rzeczywistym i historycznych. Operatorzy mogą monitorować i sterować wszystkimi turbinami z centralnego pomieszczenia sterowniczego.
3.1 Warstwa sterowania polowego
Warstwa sterowania polowego składa się z następujących kluczowych komponentów:
Główna szafa sterująca u podstawy wieży
Szafa sterująca w gondoli
System regulacji nachylenia
System konwertera
Lokalne stanowisko HMI (Interfejs Człowiek-Maszyna)
Przemysłowy przełącznik Ethernet
Sieć komunikacyjna fieldbus
Zasilacz UPS
System awaryjnego wyłączenia zapasowego
Jednostka Sterująca Turbiną Wiatrową (WPCU) na poziomie polowym pełni rolę głównego kontrolera każdej turbiny wiatrowej. Jest odpowiedzialna za monitorowanie parametrów w czasie rzeczywistym, automatyczne sterowanie generacją mocy i ochronę sprzętu. Każda turbina jest wyposażona w lokalny interfejs HMI, który umożliwia lokalne operacje, komisjonowanie, testowanie i konserwację.
3.2 Centralna warstwa monitorowania
Centralna warstwa monitorowania to operacyjne jądro farmy wiatrowej, zapewniające kompleksowe monitorowanie statusu turbin, alarmy parametryczne i rejestrowanie/dysplayowanie danych w czasie rzeczywistym i historycznych. Operatorzy mogą monitorować i sterować wszystkimi turbinami z centralnego pomieszczenia sterowniczego.
Ta warstwa umożliwia również nadzór i sterowanie kluczowymi podsystemami, w tym:
System hydrauliczny
System meteorologiczny
Elektryczny system regulacji nachylenia
System skrzyni biegów
System obrotu i sterowanie obrotami
Poprzez zintegrowaną funkcjonalność SCADA, centralna warstwa monitorowania zapewnia efektywne, bezpieczne i niezawodne działanie całej farmy wiatrowej.
