Интеллектуальная система мониторинга для ветровых электростанций: проектирование и реализация

Dyson

Поле: Электрические стандарты

China

1. Введение

Генерация электроэнергии с использованием ветра преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию, а затем эту механическую энергию в электрическую энергию — это и есть генерация ветровой энергии.
Принцип генерации ветровой энергии заключается в использовании ветра для вращения лопастей ветрогенератора, которые затем приводят в движение редуктор, увеличивая скорость вращения, что, в свою очередь, приводит генератор к выработке электроэнергии.

В условиях растущего спроса на энергию в Китае, генерация ветровой энергии продолжает расширяться, и строительство ветропарков усиливается. Одна энергетическая компания может управлять несколькими ветропарками, которые часто расположены в разных географических регионах. Кроме того, в зависимости от их масштаба, отдельные ветропарки могут состоять из десятков до сотен ветрогенераторов. В связи с этими условиями каждый ветропарк оснащен собственной системой мониторинга мощности. Однако централизованное управление несколькими ветропарками представляет значительные вызовы. Для решения этой проблемы создание централизованных центров управления (Central Control Centers) предоставляет эффективное решение.

В результате, хотя сетевое взаимодействие и интеллектуализация ветропарков повышают эффективность производства и управления, они также создают новые векторы атак для злоумышленников. В последние годы киберинциденты в энергетическом секторе происходят все чаще, обнажая возрастающие угрозы и вызовы безопасности для электроэнергетической отрасли.

2. Система управления ветрогенератором

Для работы и защиты ветрогенераторов требуется полностью автоматизированная система управления. Эта система должна быть способна автоматически запускать турбину, контролировать механизм механической регулировки шага лопастей и безопасно останавливать турбину как в нормальных, так и в аварийных условиях. Помимо функций управления, система также выполняет задачи мониторинга — предоставляя информацию, такую как состояние работы, скорость и направление ветра.

Система управления ветрогенератором состоит из трех основных компонентов:

Главный шкаф управления у основания башни
Шкаф управления в гондоле
Шкаф управления в ступице

Блок управления ветровой энергией (WPCU) служит центральным контроллером для каждого ветрогенератора и располагается внутри башни и гондолы турбины.

2.1 Узел управления у основания башни

Узел управления у основания башни, также известный как главный шкаф управления, является сердцем системы управления ветрогенератором и в основном состоит из контроллера и модулей ввода-вывода. Контроллер использует 32-битный процессор, а система работает на мощной операционной системе реального времени. Он выполняет сложную основную логику управления и в режиме реального времени общается с шкафом управления в гондоле, системой регулировки шага и системой преобразования посредством полевого шины, обеспечивая оптимальные условия работы турбины.

Главный шкаф управления включает в себя:

Основная станция PLC
RTU (удаленная терминальная единица)
Промышленный Ethernet-коммутатор
Источник бесперебойного питания (UPS)
Сенсорный экран (для местного мониторинга и управления)
Кнопки, индикаторы, миниатюрные автоматические выключатели, реле
Нагревательные элементы, вентиляторы
Клеммные блоки

2.2 Узел управления в гондоле

Узел управления в гондоле собирает сигналы датчиков от турбины, включая температуру, давление, скорость вращения и параметры окружающей среды. Он общается с главным узлом управления посредством полевого шины. Основной контроллер использует шкаф управления в гондоле для управления поворотом и разворачиванием кабеля. Кроме того, он управляет вспомогательными двигателями, насосами и вентиляторами в гондоле, чтобы поддерживать оптимальную работу турбины.

Шкаф управления в гондоле состоит из:

Станция PLC в гондоле
Модуль питания
FASTBUS-ведомый модуль
CANBUS-ведущий модуль
Ethernet-модуль (для доступа к местному ПК для обслуживания)
Цифровые и аналоговые модули ввода-вывода (DIO, AIO)
Автоматические выключатели, реле, переключатели

2.3 Система регулировки шага

Большие ветрогенераторы (свыше 1 МВт) обычно используют гидравлические или электрические системы регулировки шага. Система регулировки шага использует фронтальный контроллер для управления исполнительными механизмами шага трех лопастей. Как исполнительный блок основного контроллера, она общается через CANopen для регулировки углов шага лопастей для оптимальной производительности.

Система регулировки шага включает резервный источник питания и защитную цепь для обеспечения аварийного отключения при критических условиях.

Шкаф управления в ступице включает в себя:

Станция PLC в ступице
Приводные устройства
Аварийная аккумуляторная батарея и блок мониторинга
Аварийный модуль регулировки шага
Реле защиты от перегрузки
Миниатюрные автоматические выключатели, реле, клеммные блоки
Кнопки, индикаторы, переключатели для обслуживания

2.4 Резервная аварийная защитная цепь

Резервная аварийная защитная цепь — это аппаратная система защиты, независимая от компьютерной системы управления. Даже если система управления выходит из строя, защитная цепь остается функциональной. Она объединяет критические условия неисправностей, которые могут вызвать катастрофическое повреждение ветрогенератора, в одну последовательную цепь. При срабатывании защитная цепь инициирует аварийное отключение, отсоединяя турбину от сети, тем самым максимизируя защиту всей системы.

3. Архитектура системы и обзор функционала

Система мониторинга мощности ветропарка включает следующие ключевые компоненты:

Локальные блоки управления ветрогенераторами (WPCU)
Высокоскоростная резервируемая оптоволоконная сеть Ethernet
Удаленные верхние рабочие станции операторов

Локальный блок управления ветрогенератором является центральным контроллером для каждой турбины, отвечая за мониторинг параметров, автоматическое управление генерацией мощности и защиту оборудования. Каждая турбина оснащена локальным интерфейсом человек-машина (HMI) для местного управления, пуско-наладочных работ и обслуживания.

Высокоскоростная резервируемая оптоволоконная сеть Ethernet служит информационной магистралью системы, передавая данные о работе турбин в верхний уровень системы мониторинга.

Верхняя рабочая станция оператора является центром операционного мониторинга ветропарка. Она предоставляет комплексный мониторинг состояния турбин, сигнализацию о параметрах, а также регистрацию и отображение данных в реальном времени и истории. Операторы могут мониторить и управлять всеми турбинами из центральной диспетчерской.

3.1 Полевой уровень управления

Полевой уровень управления состоит из следующих ключевых компонентов:

Главный шкаф управления у основания башни
Шкаф управления в гондоле
Система регулировки шага
Система преобразования
Локальная станция HMI (интерфейс человек-машина)
Промышленный Ethernet-коммутатор
Полевая шина связи
Источник бесперебойного питания (UPS)
Резервная система аварийного отключения

Блок управления ветрогенератором (WPCU) на полевом уровне является центральным контроллером для каждого ветрогенератора. Он отвечает за мониторинг параметров в реальном времени, автоматическое управление генерацией мощности и защиту оборудования. Каждая турбина оснащена локальным интерфейсом HMI, который позволяет выполнять местное управление, пуско-наладочные работы, отладку и обслуживание.

3.2 Центральный уровень мониторинга

Центральный уровень мониторинга является операционным ядром ветропарка, обеспечивая комплексный мониторинг состояния турбин, сигнализацию о параметрах, а также регистрацию и отображение данных в реальном времени и истории. Операторы могут мониторить и управлять всеми турбинами из центральной диспетчерской.

Этот уровень также позволяет осуществлять надзор и контроль ключевых подсистем, включая: