Inteligentni nadzorni sistem za veterne elektrarne: Načrtovanje in izvajanje

1. Ozadje

Proizvodnja električne energije iz vetra pretvarja kinetično energijo veta v mehansko energijo, nato pa to mehansko energijo v električno energijo – to je proizvodnja električne energije iz vetra.
Princip proizvodnje električne energije iz vetra temelji na uporabi vetra za vrtenje lopatic vetrne turbine, ki potem poganjajo prenosnik z namenom povečanja hitrosti vrtenja, s čimer se poganja generator in proizvaja električna energija.

V okviru naraščajočih energetskih potreb Kitajske se proizvodnja električne energije iz vetra širja, in pospešuje se gradnja vetrnih parkov. Posamezna elektrarna lahko upravlja več vetrnih parkov, ki so pogosto razpršeni po različnih geografskih območjih. Poleg tega lahko posamezni vetrni parki vključujejo desetine do stotin vetrnih turbin, odvisno od njihove velikosti. Zaradi teh pogojev ima vsak vetrni park svoj sistem nadzora nad energijo. Vendar predstavlja centralizirano upravljanje več vetrnih parkov veliko izziv. Za reševanje tega problema prinaša ustanovitev centralnih kontrolnih centrov (Central Control Centers) učinkovito rešitev.

Tako omrežje in inteligenca v vetrnih parkih, ki izboljšata učinkovitost proizvodnje in upravljanja, ustvarjata tudi nove napadalne poti za zlonamerne akterje. V zadnjih letih se v sektorju električne energije pogosto dogajajo incidenti na področju kibernetske varnosti, kar izpostavlja industrijo električne energije naraščajočim varnostnim ogrom in izzivom.

2. Sistem nadzora vetrne turbine

Za delovanje in zaščito vetrnih turbin je potreben popolnoma avtomatski nadzorni sistem. Ta sistem mora biti sposoben samodejno zagnati turbinu, nadzirati mehanski mehanizem nastavitev lopatic in varno zaustaviti turbinu v normalnih in nenormalnih pogojih. Poleg nadzornih funkcij sistem opravlja tudi nadzorne naloge – zagotavlja informacije o stanju delovanja, hitrosti in smeri vetra.

Sistem nadzora vetrne turbine se sestoji iz treh glavnih komponent:

• Glavna nadzorna skrinja na osnovi stolpa

• Nadzorna skrinja gondole

• Nadzorna skrinja huja

Enota za nadzor vetrne energije (WPCU) služi kot jedro nadzornika za vsako turbinu in je razdeljena znotraj stolpa in gondole turbine.

2.1 Nadzorna postaja na osnovi stolpa

Nadzorna postaja na osnovi stolpa, tudi znana kot glavna nadzorna skrinja, je srce nadzora vetrne turbine, predvsem sestavljena iz nadzornika in I/O modulov. Nadzornik uporablja 32-bitni procesor, in sistem teče na močnem operacijskem sistemu v realnem času. Izvaja kompleksno logiko glavnega nadzora in v realnem času komunicira z nadzorno skrinjo gondole, sistemom nastavitev lopatic in pretvorbnim sistemom preko poljnega busa, z zagotavljanjem, da turbine delujejo v optimalnih pogojih.

Glavna skrinja na osnovi stolpa vključuje:

• Glavna PLC postaja

• RTU (Oddaljena terminalna enota)

• Industrijski Ethernet switch

• UPS struja

• Dotikalna plošča (za lokalni nadzor in delovanje)

• Gumbi, signalne lučke, mini preklopniki, releji

• Grelni elementi, ventilatori

• Terminalni bloki

2.2 Nadzorna postaja gondole

Nadzorna postaja gondole zbirata signale senzorjev iz turbine, vključno z temperaturo, tlakom, hitrostjo vrtenja in okoljskimi parametri. Komunicira z glavno nadzorno postajo preko poljnega busa. Glavni nadzornik uporablja nadzorno ramo gondole za upravljanje obrata in odvijanja kabla. Dodatno nadzira pomožne motorje, pumpo za olje in hladilne ventilatorje znotraj gondole, da bi vzdrževal optimalno delovanje turbine.

Nadzorna skrinja gondole se sestoji iz:

• PLC postaja gondole

• Modul za napajanje

• FASTBUS robovi modul

• CANBUS glavni modul

• Ethernet modul (za dostop do lokalnega PC za vzdrževanje)

• Digitalni in analogni I/O (DIO, AIO) moduli

• Preklopniki, releji, preklopniki

2.3 Sistem nastavitev lopatic

Večje vetrne turbine (nad 1 MW) običajno uporabljajo hidravlični ali električni sistemi nastavitev lopatic. Sistem nastavitev lopatic uporablja front-end nadzornik za reguliranje aktuatorjev nastavitev lopatic trih lopatic turbine. Kot izvršilna enota glavnega nadzornika komunicira preko CANopen za prilagoditev kotov lopatic za optimalno delovanje.

Sistem nastavitev lopatic vključuje rezervni vir napajanja in varnostno verigo, da zagotovi hitro zaustavitev v kritičnih pogojih.

Nadzorna skrinja huja vključuje:

• PLC postaja huja

• Servos pogonske enote

• Baterija za hitro nastavitev in enota za spremljanje

• Modul za hitro nastavitev

• Relaj za zaščito pred prekomerno hitrostjo

• Mini preklopniki, releji, terminalni bloki

• Gumbi, signalne lučke in vzdrževalni preklopniki

2.4 Rezervni sistem varnostne verige za hitro zaustavitev

Rezervni sistem varnostne verige za hitro zaustavitev je strokovni mehanizem za zaščito, neodvisen od računalniškega nadzornega sistema. Tudi, če nadzorni sistem odpade, ostane varnostna veriga funkcijska. Povezuje kritične napake, ki bi lahko povzročile katastrofalen poškodbe vetrne turbine, v eno zaporedno vezavo. Ko se aktivira, varnostna veriga začne hitro zaustavitev, odvezže turbine od omrežja, s čimer maksimalno zaščiti celoten sistem.

3. Arhitektura sistema in pregled funkcionalnosti

Sistem nadzora nad energijo v vetrnem parku se sestoji iz naslednjih ključnih komponent:

• Lokalne enote za nadzor vetrne turbine (WPCUs)

• Hitro redundantno kolobarjevo vlakno-optično omrežje Ethernet

• Oddaljeni operativni postaji višjega nivoja

Lokalna enota za nadzor vetrne turbine je jedro nadzornika za vsako turbinu, odgovorna za nadzor parametrov, avtomatski nadzor proizvodnje energije in zaščito opreme. Vsaka turbin je opremljena z lokalnim HMI (Človek-strojno vmesnikom) za lokalno delovanje, vpeljavo in vzdrževanje.

Hitro redundantno kolobarjevo vlakno-optično omrežje Ethernet služi kot cesta za podatke sistema, prenašajoča trenutne podatke turbine do nadzornega sistema višjega nivoja.

Operativna postaja višjega nivoja je operativni nadzorni center vetrnega parka. Nudijo celovit nadzor stanja turbine, alarme parametrov in trenutne/zgodovinske beleženje in prikaz podatkov. Operaterji lahko nadzirajo in upravljajo vse turbine iz centralne nadzorne sobe.

3.1 Sloj lokacijskega nadzora

Sloj lokacijskega nadzora se sestoji iz naslednjih ključnih komponent:

• Glavna nadzorna skrinja na osnovi stolpa

• Nadzorna skrinja gondole

• Sistem nastavitev lopatic

• Pretvorbeni sistem

• Lokalna HMI (Človek-strojno vmesnik) postaja

• Industrijski Ethernet switch

• Komunikacijsko omrežje poljnega busa

• UPS struja

• Rezervni sistem za hitro zaustavitev

Enota za nadzor vetrne turbine (WPCU) na lokacijskem nivoju služi kot jedro nadzornika za vsako vetrno turbinu. Odgovorna je za trenutni nadzor parametrov, avtomatski nadzor proizvodnje energije in zaščito opreme. Vsaka turbin je opremljena z lokalnim HMI vmesnikom, ki omogoča lokalno delovanje, vpeljavo, odpravljanje napak in vzdrževanje.

3.2 Centralni sloj nadzora

Centralni sloj nadzora je operativno srce vetrnega parka, ki ponuja celovit nadzor stanja turbine, alarme parametrov in trenutno/zgodovinsko beleženje in prikaz podatkov. Operaterji lahko nadzirajo in upravljajo vse turbine iz centralne nadzorne sobe.

Ta sloj omogoča tudi nadzor in nadzor ključnih podsistemu, vključno z:

• Hidravlični sistem

• Meteorološki sistem

• Električni sistem nastavitev lopatic

• Sistem prenosnika

• Sistem obrata in nadzor obrata

Skupna SCADA funkcionalnost centralnega sloja nadzora zagotavlja učinkovito, varno in zanesljivo delovanje celotnega vetrnega parka.