Smart Monitoring System for Wind Farms: Design & Implementation Intelligent övervakningssystem för vindkraftverk: Design och implementering
1. Bakgrund
Vindkraft omvandlar vindens kinetiska energi till mekanisk energi och sedan den mekaniska energin till elektrisk energi - detta är vindkraftsgenerering.
Principen för vindkraftsgenerering innebär att man använder vind för att rotera vingar, vilka sedan drivs en växellåda för att öka rotationshastigheten, vilket i sin tur driver generatorn för att producera el.
Under Kinas växande energibehov fortsätter vindkraftsgenerering att expandera, och byggnationen av vindparker intensifieras. En enda energiföretag kan driva flera vindparker, som ofta fördelas över olika geografiska regioner. Dessutom kan individuella vindparker bestå av tiotal till hundra vindturbiner beroende på deras storlek. På grund av dessa förhållanden utrustas varje vindpark med sitt eget elkraftövervakningssystem. Centraliserad hantering av flera vindparker ger dock betydande utmaningar. För att möta detta problem erbjuder etableringen av centrala kontrollcentraler (Central Control Centers) en effektiv lösning.
Som ett resultat av nätverksanpassning och intelligens i vindparker, som förbättrar produktions- och hanteringsverksamheten, skapas också nya angreppsvektorer för ondskefulla aktörer. Under de senaste åren har cybersäkerhetsincidenter inom kraftsektorn inträffat ofta, vilket exponerar elindustrin för ökade säkerhetshot och utmaningar.
2. Vindturbin控制系统继续翻译为瑞典语：
2. Vindturbinstyrningssystem En fullt automatiserad styrning krävs för drift och skydd av vindturbiner. Detta system måste kunna starta turbinen automatiskt, styra mekaniska bladjusteringsmekanismer och säkert stänga ner turbinen både under normala och ovanliga förhållanden. Utöver styrningsfunktionerna utför systemet även övervakningsuppgifter – det tillhandahåller information såsom driftstatus, vindhastighet och vindriktning. Vindturbinstyrningssystemet består av tre huvuddelar: Basstation för tornkontroll Kontrollstation i nacelle Kontrollstation i hubben Vindkraftstyrningsenheten (WPCU) fungerar som den centrala reglern för varje turbin och är distribuerad inuti tornet och nacellen av turbinen. 2.1 Basstation för tornkontroll Basstationen för tornkontroll, även känd som huvudkontrollskåpet, är kärnan i vindturbinstyrningen och består huvudsakligen av en regler och I/O-moduler. Reglern använder en 32-bitars processor, och systemet kör ett starkt realtidssystem. Den utför komplex huvudstyrlogik och kommunicerar i realtid med kontrollstationen i nacellen, bladjusteringssystemet och konverteringssystemet via fältbuss, vilket säkerställer att turbinen fungerar under optimala förhållanden. Tornbasens skåp inkluderar: PLC-huvudstation RTU (Remote Terminal Unit) Industriell Ethernet-switch UPS-strömförsörjning Pekskärm (för lokal övervakning och drift) Tryckknappar, indikatorlampor, miniatyrbrytare, reläer Uppvärmningselement, fläktar Terminalblock 2.2 Kontrollstation i nacelle Kontrollstationen i nacellen samlar in sensor signaler från turbinen, inklusive temperatur, tryck, rotationshastighet och miljöparametrar. Den kommunicerar med huvudkontrollstationen via fältbuss. Huvudreglern använder nacellekontrollramen för att hantera riktning och kabelfriktion. Dessutom styr den hjälpmotorer, oljeslagar och kylningsfläktar i nacellen för att bibehålla optimal turbinprestanda. Nacellekontrollskåpet består av: Nacelle PLC-station Strömförsörjningsmodul FASTBUS-slavmodul CANBUS-huvudmodul Ethernet-modul (för lokal PC-underhållsåtkomst) Digitala och analoga I/O (DIO, AIO)-moduler Brytare, reläer, switchar 2.3 Bladjusteringssystem Stora vindturbiner (över 1 MW) använder vanligtvis antingen hydrauliska eller elektriska bladjusteringssystem. Bladjusteringssystemet använder en front-end-regler för att reglera bladjusteringsaktuatorer för de tre turbinbladen. Som en exekutionsenhet för huvudreglern kommunikerar den via CANopen för att justera bladvinklar för optimal prestanda. Bladjusteringssystemet inkluderar en reservströmförsörjning och en säkerhetskedja för att säkerställa nödstopp vid kritiska förhållanden. Hubbenkontrollskåpet inkluderar: Hubben PLC-station Servostyrningsenheter Reservbladjusteringsbatteri och övervakningsenhet Nödbladsjusteringsmodul Överskottsrelä för skydd Miniatyrbrytare, reläer, terminalblock Tryckknappar, indikatorlampor och underhållsswitchar 2.4 Reservnödsäkerhetskedjasystem Reservnödsäkerhetskedjan är en hårdvarubaserad skyddsmekanism som är oberoende av datorsystemet. Även om styrningssystemet misslyckas, fungerar säkerhetskedjan fortfarande. Den kopplar samman kritiska felvillkor, som kan orsaka katastrofala skador på vindturbinen, i en enda seriekrets. När den utlöses initierar säkerhetskedjan ett nödstopp, kopplar bort turbinen från nätet, vilket maximalt skyddar hela systemet. 3. Systemarkitektur och funktionsöversikt Elkraftövervakningssystemet för vindparken består av följande viktiga komponenter: Lokala vindturbinstyrningsenheter (WPCUs) Hög hastighet redundant ringfiber-optisk Ethernet-nätverk Avlägsna överliggande operatörsstationer Den lokala vindturbinstyrningsenheten är den centrala reglern för varje turbin, ansvarig för parameterövervakning, automatisk elkraftstyrning och utrustningsskydd. Varje turbin är utrustad med en lokal HMI (Human-Machine Interface) för platsbunden drift, inrättning och underhåll. Det höghastighetsredundanta ringfiber-optiska Ethertnet-nätverket fungerar som systemets datahighway, som skickar realtidsturbinedata till det överliggande övervakningssystemet. Den överliggande operatörsstationen är driftövervakningscentrum för vindparken. Den tillhandahåller omfattande turbinstatusövervakning, parameteralarmer, samt realtidshistoriska dataloggning och visning. Operatörer kan övervaka och styra alla turbiner från det centrala kontrollrummet. 3.1 Fältkontrollnivå Fältkontrollnivån består av följande viktiga komponenter: Basstation för tornkontroll Kontrollstation i nacelle Bladjusteringssystem Konverteringssystem Lokal HMI (Human-Machine Interface)-station Industriell Ethernet-switch Fältbusskommunikationsnätverk UPS-strömförsörjning Reservsystem för nödstopp Vindturbinstyrningsenheten (WPCU) på fältet fungerar som den centrala reglern för varje vindturbin. Den är ansvarig för realtidsparameterövervakning, automatisk elkraftstyrning och utrustningsskydd. Varje turbin är utrustad med en lokal HMI-gränssnitt som möjliggör platsbunden drift, inrättning, felsökning och underhåll. 3.2 Central övervakningsnivå Den centrala övervakningsnivån är driftkärnan för vindparken, som tillhandahåller omfattande övervakning av turbinstatus, parameteralarmer, samt realtidshistoriska dataloggning och visning. Operatörer kan övervaka och styra alla turbiner från det centrala kontrollrummet. Denna nivå möjliggör också övervakning och styrning av viktiga delsystem, inklusive: Hydrauliskt system Meteorologiskt system Elektriskt bladjusteringssystem Växellådssystem Riktningssystem och riktningstyrning Genom integrerad SCADA-funktionalitet säkerställer den centrala övervakningsnivån effektiv, säker och pålitlig drift av hela vindparken.
