ระบบตรวจสอบอัจฉริยะสำหรับฟาร์มลม: การออกแบบและการดำเนินการ

1. พื้นหลัง

การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมแปลงพลังงานจลน์ของลมเป็นพลังงานกล และจากนั้นแปลงพลังงานกลนั้นเป็นพลังงานไฟฟ้า—นี่คือการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลม
หลักการของการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมคือใช้ลมหมุนใบพัดของกังหันลม ซึ่งจะขับเคลื่อนเกียร์เพื่อเพิ่มความเร็วรอบ ทำให้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตไฟฟ้าได้

ภายใต้ความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นในประเทศจีน การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมยังคงขยายตัว และการสร้างฟาร์มลมกำลังดำเนินอย่างเข้มข้น บริษัทพลังงานหนึ่งอาจดำเนินงานหลายฟาร์มลม ซึ่งมักกระจายอยู่ในภูมิภาคต่างๆ นอกจากนี้ ตามขนาดของฟาร์มลมแต่ละแห่งอาจประกอบด้วยกังหันลมหลายสิบถึงหลายร้อยตัว เนื่องจากเงื่อนไขเหล่านี้ แต่ละฟาร์มลมจึงมีระบบตรวจสอบพลังงานของตนเอง อย่างไรก็ตาม การจัดการแบบรวมศูนย์ของฟาร์มลมหลายแห่งนำเสนอความท้าทายอย่างมาก ในการแก้ปัญหานี้ การตั้งศูนย์ควบคุมรวม (Central Control Centers) ให้ทางออกที่มีประสิทธิภาพ

ดังนั้น ในขณะที่การเชื่อมต่อและการควบคุมอัจฉริยะในฟาร์มลมปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและการจัดการ พวกมันยังสร้างช่องทางใหม่สำหรับผู้กระทำผิด โดยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กรณีความปลอดภัยไซเบอร์ในภาคพลังงานเกิดขึ้นบ่อยครั้ง ทำให้ภาคไฟฟ้าเผชิญกับภัยคุกคามและความท้าทายด้านความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น

2. ระบบควบคุมกังหันลม

ระบบควบคุมอัตโนมัติเต็มรูปแบบจำเป็นสำหรับการทำงานและการป้องกันของกังหันลม ระบบดังกล่าวต้องสามารถเริ่มทำงานกังหันโดยอัตโนมัติ ควบคุมกลไกปรับระดับใบพัดและปิดกังหันอย่างปลอดภัยในทั้งภาวะปกติและผิดปกติ นอกจากฟังก์ชันควบคุมแล้ว ระบบยังทำการตรวจสอบ—ให้ข้อมูลเช่น สถานะการทำงาน ความเร็วลม และทิศทางลม

ระบบควบคุมกังหันลมประกอบด้วยส่วนหลักสามส่วน:

• ตู้ควบคุมหลักฐานฐานทาวเวอร์

• ตู้ควบคุมแน็กเคิล

• ตู้ควบคุมฮับ

หน่วยควบคุมพลังงานลม (WPCU) เป็นตัวควบคุมหลักของกังหันแต่ละตัว และกระจายอยู่ภายในทาวเวอร์และแน็กเคิลของกังหัน

2.1 สถานีควบคุมฐานทาวเวอร์

สถานีควบคุมฐานทาวเวอร์—หรือเรียกว่าตู้ควบคุมหลัก—เป็นหัวใจของการควบคุมกังหันลม มีส่วนสำคัญคือตัวควบคุมและโมดูล I/O ตัวควบคุมใช้โปรเซสเซอร์ 32 บิต และระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์ที่แข็งแกร่ง ทำงานลอจิกควบคุมหลักที่ซับซ้อน และสื่อสารแบบเรียลไทม์กับตู้ควบคุมแน็กเคิล ระบบปรับระดับใบพัด และระบบแปลงไฟฟ้าผ่านฟีลด์บัส เพื่อให้กังหันทำงานอย่างเหมาะสมที่สุด

ตู้ฐานทาวเวอร์ประกอบด้วย:

• สถานีหลัก PLC

• RTU (Remote Terminal Unit)

• สวิตช์อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม

• แหล่งจ่ายไฟ UPS

• จอสัมผัส (สำหรับการตรวจสอบและควบคุมท้องถิ่น)

• ปุ่มกด ไฟแสดงสถานะ วงจรป้องกันกระแสเกินขนาดเล็ก รีเลย์

• อุปกรณ์ทำความร้อน แฟน

• แทร์มินอลบล็อก

2.2 สถานีควบคุมแน็กเคิล

สถานีควบคุมแน็กเคิลรวบรวมสัญญาณเซ็นเซอร์จากกังหัน รวมถึงอุณหภูมิ ความดัน ความเร็วรอบ และพารามิเตอร์สภาพแวดล้อม สื่อสารกับสถานีควบคุมหลักผ่านฟีลด์บัส ตัวควบคุมหลักใช้แร็คควบคุมแน็กเคิลเพื่อจัดการฟังก์ชันการหมุนและคลายสายไฟ นอกจากนี้ยังควบคุมมอเตอร์เสริม ปั๊มน้ำมัน และพัดลมทำความเย็นภายในแน็กเคิลเพื่อรักษาประสิทธิภาพของกังหันให้ดีที่สุด

ตู้ควบคุมแน็กเคิลประกอบด้วย:

• สถานี PLC แน็กเคิล

• โมดูลจ่ายไฟ

• โมดูล FASTBUS สแลฟ

• โมดูล CANBUS มาสเตอร์

• โมดูลอีเทอร์เน็ต (สำหรับการเข้าถึงการบำรุงรักษาผ่าน PC ท้องถิ่น)

• โมดูล I/O ดิจิทัลและอนาล็อก (DIO, AIO)

• วงจรป้องกันกระแสเกิน รีเลย์ สวิตช์

2.3 ระบบควบคุมการปรับระดับใบพัด

กังหันลมขนาดใหญ่ (มากกว่า 1 MW) ทั่วไปใช้ระบบปรับระดับใบพัดไฮดรอลิกหรือไฟฟ้า ระบบปรับระดับใบพัดใช้ตัวควบคุมหน้าปลายเพื่อควบคุมตัวขับเคลื่อนการปรับระดับใบพัดของกังหันสามใบ ในฐานะหน่วยทำงานของตัวควบคุมหลัก มันสื่อสารผ่าน CANopen เพื่อปรับมุมใบพัดให้เหมาะสมที่สุด

ระบบปรับระดับใบพัดรวมถึงแหล่งจ่ายไฟสำรองและโซ่ความปลอดภัยเพื่อให้สามารถปิดฉุกเฉินได้ในกรณีที่วิกฤติ

ตู้ควบคุมฮับประกอบด้วย:

• สถานี PLC ฮับ

• หน่วยขับเคลื่อนเซอร์โว

• แบตเตอรี่สำรองการปรับระดับใบพัดฉุกเฉินและหน่วยตรวจสอบ

• โมดูลปรับระดับใบพัดฉุกเฉิน

• รีเลย์ป้องกันความเร็วเกิน

• วงจรป้องกันกระแสเกินขนาดเล็ก รีเลย์ แทร์มินอลบล็อก

• ปุ่มกด ไฟแสดงสถานะ และสวิตช์บำรุงรักษา

2.4 ระบบโซ่ความปลอดภัยสำรองฉุกเฉิน

โซ่ความปลอดภัยสำรองฉุกเฉินเป็นกลไกป้องกันทางฮาร์ดแวร์ที่ไม่ขึ้นอยู่กับระบบควบคุมคอมพิวเตอร์ แม้ว่าระบบควบคุมจะล้มเหลว โซ่ความปลอดภัยยังคงทำงาน ต่อเนื่องกับสถานะความผิดพลาดที่สำคัญ—ที่อาจทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรงต่อกังหันลม—เป็นวงจรเดียว เมื่อถูกทริกเกอร์ โซ่ความปลอดภัยจะเริ่มการปิดฉุกเฉิน แยกกังหันออกจากกริด ทำให้ปกป้องระบบทั้งหมดได้สูงสุด

3. โครงสร้างระบบและการสรุปฟังก์ชัน

ระบบตรวจสอบพลังงานฟาร์มลมประกอบด้วยส่วนสำคัญดังนี้:

• หน่วยควบคุมกังหันลมท้องถิ่น (WPCUs)

• เครือข่ายอีเทอร์เน็ตใยแก้วนำแสงวงแหวนทดแทนความเร็วสูง

• สถานีผู้ดำเนินการระยะไกลระดับบน

หน่วยควบคุมกังหันลมท้องถิ่นเป็นตัวควบคุมหลักของกังหันแต่ละตัว รับผิดชอบการตรวจสอบพารามิเตอร์ การควบคุมการผลิตไฟฟ้าอัตโนมัติ และการป้องกันอุปกรณ์ กังหันแต่ละตัวมี HMI ท้องถิ่น (Human-Machine Interface) สำหรับการทำงาน ทดสอบ และบำรุงรักษาที่ที่ตั้ง

เครือข่ายอีเทอร์เน็ตใยแก้วนำแสงวงแหวนทดแทนความเร็วสูงเป็นทางหลวงข้อมูลของระบบ ขนส่งข้อมูลกังหันแบบเรียลไทม์ไปยังระบบตรวจสอบระดับบน

สถานีผู้ดำเนินการระดับบนเป็นศูนย์กลางการตรวจสอบการทำงานของฟาร์มลม ให้การตรวจสอบสถานะกังหันอย่างครอบคลุม การแจ้งเตือนพารามิเตอร์ และการบันทึกและแสดงข้อมูลแบบเรียลไทม์/ประวัติ ผู้ดำเนินการสามารถตรวจสอบและควบคุมกังหันทั้งหมดจากห้องควบคุมกลาง

3.1 ชั้นควบคุมภาคสนาม

ชั้นควบคุมภาคสนามประกอบด้วยส่วนสำคัญดังนี้:

• ตู้ควบคุมหลักฐานฐานทาวเวอร์

• ตู้ควบคุมแน็กเคิล

• ระบบควบคุมการปรับระดับใบพัด

• ระบบแปลงไฟฟ้า

• สถานี HMI ท้องถิ่น (Human-Machine Interface)

• สวิตช์อีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม

• เครือข่ายสื่อสารฟีลด์บัส

• แหล่งจ่ายไฟ UPS

• ระบบสำรองการปิดฉุกเฉิน

หน่วยควบคุมกังหันลม (WPCU) ที่ชั้นภาคสนามเป็นตัวควบคุมหลักของกังหันลมแต่ละตัว รับผิดชอบการตรวจสอบพารามิเตอร์แบบเรียลไทม์ การควบคุมการผลิตไฟฟ้าอัตโนมัติ และการป้องกันอุปกรณ์ กังหันแต่ละตัวมีอินเทอร์เฟซ HMI ท้องถิ่นที่ช่วยให้สามารถทำงาน ทดสอบ แก้ไข และบำรุงรักษาที่ที่ตั้งได้

3.2 ชั้นตรวจสอบกลาง

ชั้นตรวจสอบกลางเป็นหัวใจการดำเนินงานของฟาร์มลม ให้การตรวจสอบสถานะกังหันอย่างครอบคลุม การแจ้งเตือนพารามิเตอร์ และการบันทึกและแสดงข้อมูลแบบเรียลไทม์/ประวัติ ผู้ดำเนินการสามารถตรวจสอบและควบคุมกังหันทั้งหมดจากห้องควบคุมกลาง

ชั้นนี้ยังช่วยในการควบคุมและดูแลระบบย่อยสำคัญ รวมถึง:

• ระบบไฮดรอลิก

• ระบบอุตุนิยมวิทยา

• ระบบควบคุมการปรับระดับใบพัดไฟฟ้า

• ระบบเกียร์

• ระบบและควบคุมการหมุน

ผ่านฟังก์ชัน SCADA ที่รวมไว้ ชั้นตรวจสอบกลางรับประกันการดำเนินงานที่มีประสิทธิภาพ ปลอดภัย และเชื่อถือได้ของฟาร์มลมทั้งหมด