Інтелектуальна система моніторингу для вітрових ферм: проектування та реалізація

1.Фон

Відтворення електроенергії за рахунок вітрової енергії передбачає перетворення кінетичної енергії вітру на механічну, а потім на електричну — це і є відтворення вітрової енергії.
Принцип відтворення вітрової енергії полягає у використанні вітру для обертання лопаток вітряного генератора, які згодом приводять в дію коробку передач, що збільшує швидкість обертання, тим самим приводячи в дію генератор для виробництва електроенергії.

З ростом енергетичних потреб Китаю, вітрова енергетика продовжує розширюватися, а будівництво вітрових ферм набирає обертів. Один енергетичний компанія може керувати багатьма вітровими фермами, які часто розташовані в різних географічних регіонах. Крім того, в залежності від їхнього масштабу, окремі вітрові ферми можуть складатися з десятків до сотень вітряних генераторів. З цих причин кожна вітрова ферма оснащена власною системою моніторингу енергії. Однак централізоване управління багатьма вітровими фермами становить значну проблему. Для вирішення цього питання створення централізованих контрольних центрів (Central Control Centers) надає ефективне рішення.

Таким чином, покращення мережевих та інтелектуальних технологій на вітрових фермах сприяє підвищенню ефективності виробництва та управління, але також створює нові напрямки атак для зловмисників. В останні роки інциденти кібербезпеки в енергетичному секторі стали частими, що свідчить про зростання безпекових загроз та викликів для електроенергетичної галузі.

2. Система керування вітряним генератором

Для роботи та захисту вітряних генераторів потрібна повністю автоматична система керування. Ця система має бути здатною автоматично запускати генератор, керувати механічною системою регулювання кута атаки лопаток, а також безпечного зупинки генератора як в нормальних, так і в аварійних умовах. Окрім функцій керування, система також виконує завдання моніторингу — надає інформацію, таку як стан роботи, швидкість вітру та його напрямок.

Система керування вітряним генератором складається з трьох основних компонентів:

• Основний керуючий шафа підстави віжки

• Керуюча шафа гондоли

• Керуюча шафа ступиці

Блок керування вітровою енергією (WPCU) є ключовим контролером для кожного генератора та розташований у віжці та гондолі генератора.

2.1 Керуюча станція підстави віжки

Керуюча станція підстави віжки, також відома як основна керуюча шафа, є серцевиною керування вітряним генератором, головним чином складається з контролера та модулів вводу-виводу. Контролер використовує 32-бітний процесор, а система працює на міцній операційній системі реального часу. Вона виконує складну основну логіку керування та взаємодіє в реальному часі з керуючою шафою гондоли, системою регулювання кута атаки та системою перетворювача через полеві шини, забезпечуючи оптимальні умови роботи генератора.

Шафа підстави віжки включає:

• Головна станція PLC

• RTU (Віддалена термінальна одиниця)

• Промисловий Ethernet-комутатор

• UPS-живлення

• Екранний дисплей (для місцевого моніторингу та управління)

• Паличкові кнопки, індикаторні лампи, мініатюрні автоматичні вимикачі, реле

• Нагрівальні елементи, вентилятори

• Клемні колодки

2.2 Керуюча станція гондоли

Керуюча станція гондоли збирає сигнали датчиків від генератора, включаючи температуру, тиск, швидкість обертання та екологічні параметри. Вона спілкується з основною керуючою станцією через полеві шини. Головний контролер використовує керуючу раму гондоли для управління функціями повороту та розплескання кабелів. Крім того, він керує допоміжними двигунами, насосами масла та охолоджувальними вентиляторами в гондолі для підтримки оптимальної продуктивності генератора.

Керуюча шафа гондоли складається з:

• Станція PLC гондоли

• Модуль живлення

• FASTBUS-слейв модуль

• CANBUS-мастер модуль

• Ethernet-модуль (для доступу до місцевого ПК для обслуговування)

• Цифрові та аналогові модулі вводу-виводу (DIO, AIO)

• Автоматичні вимикачі, реле, перемикачі

2.3 Система регулювання кута атаки

Великі вітрові генератори (понад 1 МВт) зазвичай використовують гідравлічну або електричну систему регулювання кута атаки. Система регулювання кута атаки використовує передній контролер для регулювання актуаторів регулювання кута атаки трьох лопаток генератора. Як виконавчий блок головного контролера, вона спілкується через CANopen для регулювання кутів атаки лопаток для оптимальної продуктивності.

Система регулювання кута атаки включає резервне живлення та безпечний ланцюг для забезпечення аварійної зупинки в критичних умовах.

Керуюча шафа ступиці включає:

• Станція PLC ступиці

• Серводрайверні модулі

• Аварійний аккумулятор регулювання кута атаки та модуль моніторингу

• Аварійний модуль регулювання кута атаки

• Реле захисту від перевищення швидкості

• Мініатюрні автоматичні вимикачі, реле, клемні колодки

• Паличкові кнопки, індикаторні лампи, та перемикачі обслуговування

2.4 Резервна аварійна система безпечного ланцюга

Резервний аварійний безпечний ланцюг — це незалежний від комп'ютерної системи керування механічний механізм захисту. Навіть при відмові системи керування, безпечний ланцюг залишається функціональним. Він з'єднує критичні аварійні умови, які можуть спричинити катастрофічні пошкодження вітрового генератора, в одному послідовному контурі. При спрацюванні безпечний ланцюг ініціює аварійну зупинку, відключуючи генератор від мережі, максимізуючи таким чином захист всієї системи.

3. Архітектура системи та загальний огляд функцій

Система моніторингу енергії вітрової ферми складається з наступних ключових компонентів:

• Локальні блоки керування вітряним генератором (WPCUs)

• Високошвидкісна надлишкова кільцева оптоволоконна Ethernet-мережа

• Віддалені верхні операторські станції

Локальний блок керування вітряним генератором є ключовим контролером для кожного генератора, відповідаючи за моніторинг параметрів, автоматичне керування виробництвом енергії та захист обладнання. Кожен генератор оснащений локальним HMI (людино-машинним інтерфейсом) для місцевої роботи, налагодження та обслуговування.

Високошвидкісна надлишкова кільцева оптоволоконна Ethernet служить як шлях передачі даних системи, передаючи реальні дані генератора до верхнього рівня системи моніторингу.

Верхня операторська станція є операційним центром моніторингу вітрової ферми. Вона забезпечує комплексний моніторинг стану генераторів, сигналізацію параметрів, та реальний/історичний запис та відображення даних. Оператори можуть моніторити та керувати всіма генераторами з центральної контрольної кімнати.

3.1 Полівний керуючий рівень

Полівний керуючий рівень складається з наступних ключових компонентів:

• Основна керуюча шафа підстави віжки

• Керуюча шафа гондоли

• Система регулювання кута атаки

• Система перетворювача

• Локальна станція HMI (людино-машинний інтерфейс)

• Промисловий Ethernet-комутатор

• Полеві шини комунікації

• UPS-живлення

• Резервна система аварійного зупину

Блок керування вітровим генератором (WPCU) на полівному рівні є ключовим контролером для кожного вітрового генератора. Він відповідає за моніторинг параметрів в реальному часі, автоматичне керування виробництвом енергії та захист обладнання. Кожен генератор оснащений локальним інтерфейсом HMI, який дозволяє проводити місцеве управління, налагодження, тестування та обслуговування.

3.2 Центральний рівень моніторингу

Центральний рівень моніторингу є операційним ядром вітрової ферми, забезпечуючи комплексний моніторинг стану генераторів, сигналізацію параметрів, та реальний/історичний запис та відображення даних. Оператори можуть моніторити та керувати всіма генераторами з центральної контрольної кімнати.

Цей рівень також дозволяє нагляд та керування ключовими підсистемами, включаючи:

• Гідравлічну систему

• Метеорологічну систему

• Електричну систему регулювання кута атаки

• Систему коробки передач

• Систему повороту та керування поворотом

Завдяки інтегрованій SCADA-функціональності, центральний рівень моніторингу забезпечує ефективну, безпечну та надійну роботу всієї вітрової ферми.