Sistema de Monitoramento Inteligente para Parques Eólicos: Design e Implementação
1. Contexto
A geração de energia eólica converte a energia cinética do vento em energia mecânica e, em seguida, transforma essa energia mecânica em energia elétrica - esta é a geração de energia eólica.
O princípio da geração de energia eólica envolve o uso do vento para girar as pás do aerogerador, que então acionam uma caixa de engrenagens para aumentar a velocidade de rotação, impulsionando assim o gerador para produzir eletricidade.
Diante das crescentes demandas energéticas da China, a geração de energia eólica continua a se expandir, e a construção de parques eólicos está intensificando-se. Uma única empresa de energia pode operar múltiplos parques eólicos, que frequentemente estão distribuídos em diferentes regiões geográficas. Além disso, dependendo de sua escala, um único parque eólico pode consistir de dezenas a centenas de aerogeradores. Devido a essas condições, cada parque eólico é equipado com seu próprio sistema de monitoramento de energia. No entanto, a gestão centralizada de múltiplos parques eólicos apresenta desafios significativos. Para resolver esse problema, a criação de centros de controle centralizados (Central Control Centers) oferece uma solução eficaz.
Consequentemente, enquanto a conectividade e a inteligência nos parques eólicos melhoram a eficiência de produção e gestão, também criam novos vetores de ataque para atores maliciosos. Nos últimos anos, incidentes de cibersegurança no setor de energia têm ocorrido com frequência, expondo a indústria elétrica a ameaças e desafios de segurança crescentes.
2. Sistema de Controle do Aerogerador
Um sistema de controle totalmente automático é necessário para a operação e proteção dos aerogeradores. Este sistema deve ser capaz de iniciar automaticamente o aerogerador, controlar o mecanismo de ajuste de passo das pás e desligar o aerogerador de forma segura tanto em condições normais quanto anormais. Além das funções de controle, o sistema também realiza tarefas de monitoramento - fornecendo informações como status operacional, velocidade do vento e direção do vento.
O sistema de controle do aerogerador consiste em três componentes principais:
Gabinete de Controle Principal na Base da Torre
Gabinete de Controle na Nacele
Gabinete de Controle no Hub
A Unidade de Controle de Energia Eólica (WPCU) serve como o controlador principal de cada aerogerador e está distribuída dentro da torre e nacele do aerogerador.
2.1 Estação de Controle na Base da Torre
A estação de controle na base da torre, também conhecida como gabinete de controle principal, é o núcleo do controle do aerogerador, composto principalmente por um controlador e módulos I/O. O controlador usa um processador de 32 bits, e o sistema opera em um robusto sistema operacional em tempo real. Ele executa lógica de controle principal complexa e comunica-se em tempo real com o gabinete de controle na nacele, o sistema de passo e o sistema de conversão via barramento de campo, garantindo que o aerogerador opere sob condições ótimas.
O gabinete na base da torre inclui:
Estação mestra PLC
RTU (Unidade Terminal Remota)
Switch Ethernet industrial
Fonte de alimentação UPS
Tela sensível ao toque (para monitoramento e operação local)
Botões de pressão, luzes indicadoras, disjuntores miniatura, relés
Elementos de aquecimento, ventiladores
Blocos terminais
2.2 Estação de Controle na Nacele
A estação de controle na nacele coleta sinais de sensores do aerogerador, incluindo temperatura, pressão, velocidade de rotação e parâmetros ambientais. Ela se comunica com a estação de controle principal via barramento de campo. O controlador principal usa o rack de controle na nacele para gerenciar as funções de guiamento e desenrolamento de cabos. Além disso, controla motores auxiliares, bombas de óleo e ventiladores de refrigeração dentro da nacele para manter o desempenho ideal do aerogerador.
O gabinete de controle na nacele consiste em:
Estação PLC na nacele
Módulo de fonte de alimentação
Módulo escravo FASTBUS
Módulo mestre CANBUS
Módulo Ethernet (para acesso de manutenção local via PC)
Módulos de I/O digital e analógico (DIO, AIO)
Disjuntores, relés, interruptores
2.3 Sistema de Controle de Passo
Aerogeradores de grande escala (acima de 1 MW) geralmente empregam sistemas de passo hidráulicos ou elétricos. O sistema de passo usa um controlador frontal para regular os atuadores de passo das três pás do aerogerador. Como unidade de execução do controlador principal, ele se comunica via CANopen para ajustar os ângulos de passo das pás para otimizar o desempenho.
O sistema de passo inclui uma fonte de alimentação de backup e uma cadeia de segurança para garantir o desligamento de emergência em condições críticas.
O gabinete de controle no hub inclui:
Estação PLC no hub
Unidades de acionamento servo
Bateria de passo de emergência e unidade de monitoramento
Módulo de passo de emergência
Relé de proteção contra excesso de velocidade
Disjuntores miniatura, relés, blocos terminais
Botões de pressão, luzes indicadoras e interruptores de manutenção
2.4 Sistema de Cadeia de Segurança de Backup de Emergência
A cadeia de segurança de backup de emergência é um mecanismo de proteção baseado em hardware, independente do sistema de controle por computador. Mesmo que o sistema de controle falhe, a cadeia de segurança permanece funcional. Ela conecta condições de falha críticas - aquelas que podem causar danos catastróficos ao aerogerador - em uma única série. Quando acionada, a cadeia de segurança inicia um desligamento de emergência, desconectando o aerogerador da rede, maximizando assim a proteção do sistema inteiro.
3. Arquitetura do Sistema e Visão Geral das Funcionalidades
O sistema de monitoramento de energia do parque eólico compreende os seguintes componentes-chave:
Unidades de Controle Local de Aerogeradores (WPCUs)
Rede de fibra ótica Ethernet de anel redundante de alta velocidade
Estações de operador remoto de nível superior
A unidade de controle local de aerogeradores é o controlador principal de cada aerogerador, responsável pelo monitoramento de parâmetros, controle automático de geração de energia e proteção de equipamentos. Cada aerogerador é equipado com uma HMI (Interface Homem-Máquina) local para operação, comissionamento e manutenção no local.
A rede de fibra ótica Ethernet de anel redundante de alta velocidade serve como a rodovia de dados do sistema, transmitindo dados em tempo real do aerogerador para o sistema de monitoramento de nível superior.
A estação de operador de nível superior é o centro de monitoramento operacional do parque eólico. Ela fornece monitoramento abrangente do status do aerogerador, alarmes de parâmetros e registro e exibição de dados em tempo real/históricos. Os operadores podem monitorar e controlar todos os aerogeradores a partir da sala de controle central.
3.1 Camada de Controle de Campo
A camada de controle de campo consiste nos seguintes componentes-chave:
Gabinete de controle principal na base da torre
Gabinete de controle na nacele
Sistema de controle de passo
Sistema de conversão
Estação HMI (Interface Homem-Máquina) local
Switch Ethernet industrial
Rede de comunicação de barramento de campo
Fonte de alimentação UPS
Sistema de backup de desligamento de emergência
A Unidade de Controle de Aerogerador (WPCU) no nível de campo serve como o controlador principal de cada aerogerador. É responsável pelo monitoramento de parâmetros em tempo real, controle automático de geração de energia e proteção de equipamentos. Cada aerogerador é equipado com uma interface HMI local que permite operação, comissionamento, depuração e manutenção no local.
3.2 Camada de Monitoramento Central
A camada de monitoramento central é o núcleo operacional do parque eólico, fornecendo monitoramento abrangente do status do aerogerador, alarmes de parâmetros e registro e exibição de dados em tempo real/históricos. Os operadores podem monitorar e controlar todos os aerogeradores a partir da sala de controle central.
Esta camada também permite a supervisão e controle de subsistemas-chave, incluindo:
Sistema hidráulico
Sistema meteorológico
Sistema de controle de passo elétrico
Sistema de câmbio
Sistema de guiamento e controle de guiamento
Através da funcionalidade integrada SCADA, a camada de monitoramento central garante a operação eficiente, segura e confiável de todo o parque eólico.
