Inteligentni sistem nadzora za vetroelektrane: Dizajn i implementacija

1. Pozadina

Generisanje električne energije iz vjetra pretvara kinetičku energiju vjetra u mehaničku energiju, a zatim tu mehaničku energiju u električnu energiju - to je generisanje električne energije iz vjetra.
Princip generisanja električne energije iz vjetra uključuje korišćenje vjetra za rotaciju lopatica vjetrogeneratora, koje zatim pokreću mjenjač kako bi se povećala brzina rotacije, time pokrećući generator da proizvede struju.

U skladu sa rastućim potrebama Kine za energijom, generisanje električne energije iz vjetra nastavlja se širiti, a konstrukcija vjetroelektrana se intenzivira. Jedna elektrana može upravljati više vjetroelektrana, koji su često raspoređeni na različitim geografskim lokacijama. Također, ovisno o veličini, pojedina vjetroelektrana može imati desetke do stotine vjetrogeneratorskih jedinica. U skladu s tim, svaka vjetroelektrana je opremljena sopstvenim sistemom nadzora snage. Međutim, centralizovano upravljanje više vjetroelektrana predstavlja značajnu izazov. Da bi se rešila ta problema, osnivanje centralnih kontrolnih centara (Central Control Centers) pruža efikasno rešenje.

Kao rezultat, dok mrežnost i inteligencija vjetroelektrana unapređuju efikasnost proizvodnje i upravljanja, one isto tako stvaraju nove napadačke vektore za zlonamjerne aktere. U poslednjih nekoliko godina, incidenti u vezi s kibernetskom sigurnošću u energetskom sektoru se često dešavaju, što elektroprivredi otvara sve veće sigurnosne pretnje i izazove.

2. Kontrolni sistem vjetrogeneratora

Za rad i zaštitu vjetrogeneratora potreban je potpuno automatizovan kontrolni sistem. Ovaj sistem mora biti sposoban da automatski pokrene generator, kontrolise mehanički mehanizam za podešavanje kutne pozicije lopatica i bezbedno isključi generator pod normalnim i anormalnim uslovima. Pored kontrolnih funkcija, sistem obavlja i zadatke nadzora - pruža informacije poput stanja rada, brzine vjetra i smjera vjetra.

Kontrolni sistem vjetrogeneratora sastoji se od tri glavne komponente:

• Glavni kontrolni ormarić na bazi stuba

• Kontrolni ormarić naseka

• Kontrolni ormarić hrbala

Jedinica za kontrolu vjetra (WPCU) služi kao centralni kontroler za svaki generator i raspoređena je unutar stuba i naseka generatora.

2.1 Kontrolna stanica na bazi stuba

Kontrolna stanica na bazi stuba, također poznata kao glavni kontrolni ormar, predstavlja jezgra kontrolnog sistema vjetrogeneratora, sastavljena uglavnom od kontrolera i I/O modula. Kontroler koristi 32-bitni procesor, a sistem radi na jakoj operativnoj sistemu u stvarnom vremenu. Izvršava složenu logiku glavnog kontrole i komunicira u stvarnom vremenu sa kontrolnim ormarićem naseka, sustavom za podešavanje kutne pozicije i sustavom pretvorbe putem poljske mreže, osiguravajući optimalne uslove rada generatora.

Glavni kontrolni ormar uključuje:

• Glavna PLC stanica

• RTU (udaljeni terminalni uređaj)

• Industrijski Ethernet switch

• UPS napajanje

• Taktilni ekran (za lokalni nadzor i upravljanje)

• Tipke, indikatorske svjetiljke, male prekidače, releji

• Grejaci elementi, ventilatori

• Terminalni blokovi

2.2 Kontrolna stanica naseka

Kontrolna stanica naseka prikuplja signale senzora sa generatora, uključujući temperaturu, pritisak, brzinu rotacije i parametre okruženja. Komunicira sa glavnim kontrolnim stanicom putem poljske mreže. Glavni kontroler koristi kontrolni ormarić naseka za upravljanje rotacijom i odmotavanjem kabela. Također upravlja pomoćnim motorima, pumpama za ulje i hladilnim ventilatorima unutar naseka kako bi se održavala optimalna performansa generatora.

Kontrolni ormarić naseka sastoji se od:

• Nasečna PLC stanica

• Modul napajanja

• FASTBUS slave modul

• CANBUS master modul

• Ethernet modul (za lokalni pristup održavanju PC-a)

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

• Prekidači, releji, prekidači

2.3 Sustav za podešavanje kutne pozicije

Veliki vjetrogeneratori (iznad 1 MW) tipično koriste hidraulički ili električni sustav za podešavanje kutne pozicije. Sustav za podešavanje kutne pozicije koristi front-end kontroler za regulaciju aktuatora za podešavanje kutne pozicije tri lopatica generatora. Kao izvršna jedinica glavnog kontrolera, komunicira putem CANopena za podešavanje kutnih pozicija lopatica radi optimalne performanse.

Sustav za podešavanje kutne pozicije uključuje rezervni izvor napajanja i sigurnosni lanac kako bi se osiguralo hitno isključenje u kritičnim situacijama.

Kontrolni ormarić hrbala uključuje:

• PLC stanica hrbala

• Servo pogonske jedinice

• Baterija za hitno isključenje i jedinica za nadzor

• Hitni modul za podešavanje kutne pozicije

• Relé za zaštitu od preopterećenja

• Male prekidače, releji, terminalni blokovi

• Tipke, indikatorske svjetiljke i prekidači za održavanje

2.4 Rezervni sigurnosni lanac za hitno isključenje

Rezervni sigurnosni lanac za hitno isključenje predstavlja hardverski mehanizam zaštite nezavisno od računalnog kontrolnog sistema. Čak i ako kontrolni sistem ne radi, sigurnosni lanac ostaje funkcionalan. Spaja ključne greške - one koje bi mogle uzrokovati katastrofalan oštećenje vjetrogeneratora - u jednu seriju. Kada se aktivira, sigurnosni lanac pokreće hitno isključenje, odspajajući generator od mreže, time maksimalno zaštitivši cijeli sistem.

3. Arhitektura sistema i pregled funkcija

Sistem nadzora snage vjetroelektrane sastoji se od sljedećih ključnih komponenti:

• Lokalne jedinice za kontrolu vjetrogeneratora (WPCU)

• Visokobrzinska redundanta ringasta optička mreža Ethernet

• Daljinske operatorske stanice višeg nivoa

Lokalna jedinica za kontrolu vjetrogeneratora predstavlja centralni kontroler za svaki generator, odgovoran za nadzor parametara, automatsko upravljanje proizvodnjom električne energije i zaštitu opreme. Svaki generator je opremljen lokalnim HMI (Human-Machine Interface) za lokalnu operaciju, komisioniranje i održavanje.

Visokobrzinska redundanta ringasta optička mreža Ethernet služi kao autocesta podataka sistema, prenositi stvarne podatke o generatoru na sistem nadzora višeg nivoa.

Operatorska stanica višeg nivoa predstavlja operativni nadzorni centar vjetroelektrane. Pruža kompleksni nadzor stanja generatora, alarmanse parametara i stvarno/historijsko beleženje i prikaz podataka. Operateri mogu nadgledati i upravljati svim generatorima iz centralne kontrolne sobe.

3.1 Sloj poljske kontrole

Sloj poljske kontrole sastoji se od sljedećih ključnih komponenti:

• Glavni kontrolni ormarić na bazi stuba

• Kontrolni ormarić naseka

• Sustav za podešavanje kutne pozicije

• Sustav pretvorbe

• Lokalna HMI (Human-Machine Interface) stanica

• Industrijski Ethernet switch

• Komunikacijska mreža poljske mreže

• UPS napajanje

• Rezervni sustav za hitno isključenje

Jedinica za kontrolu vjetrogeneratora (WPCU) na poljskom nivou predstavlja centralni kontroler za svaki vjetrogenerator. Odgovorna je za stvarni nadzor parametara, automatsko upravljanje proizvodnjom električne energije i zaštitu opreme. Svaki generator je opremljen lokalnim HMI interfejsom koji omogućava lokalnu operaciju, komisioniranje, testiranje i održavanje.

3.2 Centralni sloj nadzora

Centralni sloj nadzora predstavlja operativno jezgro vjetroelektrane, pružajući kompleksni nadzor stanja generatora, alarmanse parametara i stvarno/historijsko beleženje i prikaz podataka. Operateri mogu nadgledati i upravljati svim generatorima iz centralne kontrolne sobe.

Ovaj sloj također omogućava nadzor i upravljanje ključnim podsistimama, uključujući:

• Hidraulički sustav

• Meteorološki sustav

• Električni sustav za podešavanje kutne pozicije

• Sustav mjenjača

• Sustav rotacije i upravljanje rotacijom

Putem integriranih SCADA funkcija, centralni sloj nadzora osigurava efikasnu, sigurnu i pouzdanu operaciju cijele vjetroelektrane.