Hệ thống giám sát thông minh cho trang trại gió: Thiết kế và Triển khai

1. Bối cảnh

Sản xuất điện gió chuyển đổi năng lượng động học của gió thành năng lượng cơ học, sau đó biến đổi năng lượng cơ học đó thành năng lượng điện—đây là sản xuất điện gió.
Nguyên lý hoạt động của điện gió bao gồm việc sử dụng gió để quay các cánh quạt, từ đó dẫn động hộp số để tăng tốc độ quay, do đó dẫn động máy phát điện để tạo ra điện.

Trước nhu cầu năng lượng ngày càng tăng ở Trung Quốc, sản xuất điện gió tiếp tục mở rộng, và việc xây dựng các trang trại gió đang gia tăng. Một công ty điện có thể vận hành nhiều trang trại gió, thường phân bố trên các vùng địa lý khác nhau. Ngoài ra, tùy thuộc vào quy mô, mỗi trang trại gió có thể bao gồm hàng chục đến hàng trăm tua-bin gió. Do những điều kiện này, mỗi trang trại gió được trang bị hệ thống giám sát điện riêng. Tuy nhiên, quản lý tập trung nhiều trang trại gió đặt ra thách thức lớn. Để giải quyết vấn đề này, việc thành lập các trung tâm kiểm soát tập trung (Central Control Centers) cung cấp một giải pháp hiệu quả.

Kết quả là, trong khi mạng lưới hóa và trí tuệ hóa trong các trang trại gió cải thiện hiệu suất sản xuất và quản lý, chúng cũng tạo ra các vector tấn công mới cho các đối tượng xấu. Gần đây, các sự cố an ninh mạng trong ngành điện xảy ra thường xuyên, phơi bày ngành điện trước các mối đe dọa và thách thức an ninh ngày càng tăng.

2. Hệ thống Kiểm soát Tua-bin Gió

Một hệ thống kiểm soát tự động hoàn toàn là cần thiết cho việc vận hành và bảo vệ tua-bin gió. Hệ thống này phải có khả năng tự động khởi động tua-bin, kiểm soát cơ chế điều chỉnh góc cánh tự động, và tắt an toàn tua-bin dưới cả điều kiện bình thường và bất thường. Ngoài các chức năng kiểm soát, hệ thống còn thực hiện các nhiệm vụ giám sát—cung cấp thông tin như trạng thái hoạt động, tốc độ gió, và hướng gió.

Hệ thống kiểm soát tua-bin gió bao gồm ba thành phần chính:

• Tủ Điều khiển Chính ở Đế Tháp

• Tủ Điều khiển ở Nacelle

• Tủ Điều khiển ở Hub

Đơn vị Kiểm soát Điện Gió (WPCU) đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm cho từng tua-bin và được phân phối trong tháp và nacelle của tua-bin.

2.1 Trạm Điều khiển Đế Tháp

Trạm điều khiển đế tháp—còn được gọi là tủ điều khiển chính—là trung tâm của hệ thống kiểm soát tua-bin gió, chủ yếu bao gồm bộ điều khiển và các mô-đun I/O. Bộ điều khiển sử dụng bộ xử lý 32-bit, và hệ thống chạy trên hệ điều hành thời gian thực mạnh mẽ. Nó thực thi logic kiểm soát chính phức tạp và giao tiếp thời gian thực với tủ điều khiển nacelle, hệ thống điều chỉnh góc cánh, và hệ thống biến tần qua fieldbus, đảm bảo tua-bin hoạt động trong điều kiện tối ưu.

Tủ đế tháp bao gồm:

• Trạm PLC chính

• RTU (Remote Terminal Unit)

• Switch Ethernet công nghiệp

• Nguồn điện UPS

• Màn hình cảm ứng (cho giám sát và vận hành tại chỗ)

• Nút nhấn, đèn chỉ báo, cầu chì nhỏ, rơ-le

• Các phần tử sưởi ấm, quạt

• Khối đầu cuối

2.2 Trạm Điều khiển Nacelle

Trạm điều khiển nacelle thu thập tín hiệu từ các cảm biến của tua-bin, bao gồm nhiệt độ, áp suất, tốc độ quay, và các thông số môi trường. Nó giao tiếp với trạm điều khiển chính qua fieldbus. Bộ điều khiển chính sử dụng giá đỡ điều khiển nacelle để quản lý chức năng xoay nacelle và giải xoắn cáp. Ngoài ra, nó kiểm soát các động cơ phụ trợ, bơm dầu, và quạt làm mát trong nacelle để duy trì hiệu suất tối ưu của tua-bin.

Tủ điều khiển nacelle bao gồm:

• Trạm PLC nacelle

• Mô-đun nguồn điện

• Mô-đun FASTBUS phụ

• Mô-đun CANBUS chính

• Mô-đun Ethernet (để truy cập bảo trì từ PC tại chỗ)

• Mô-đun DIO, AIO (đầu vào/đầu ra kỹ thuật số và tương tự)

• Cầu chì, rơ-le, công tắc

2.3 Hệ thống Điều chỉnh Góc Cánh

Các tua-bin gió lớn (trên 1 MW) thường sử dụng hệ thống điều chỉnh góc cánh thủy lực hoặc điện. Hệ thống điều chỉnh góc cánh sử dụng bộ điều khiển phía trước để điều khiển các bộ điều chỉnh góc cánh của ba cánh tua-bin. Là đơn vị thực thi của bộ điều khiển chính, nó giao tiếp qua CANopen để điều chỉnh góc cánh cho hiệu suất tối ưu.

Hệ thống điều chỉnh góc cánh bao gồm nguồn điện dự phòng và chuỗi an toàn để đảm bảo tắt khẩn cấp trong các tình huống nguy hiểm.

Tủ điều khiển hub bao gồm:

• Trạm PLC hub

• Đơn vị điều khiển servo

• Pin và đơn vị giám sát điều chỉnh góc cánh khẩn cấp

• Mô-đun điều chỉnh góc cánh khẩn cấp

• Rơ-le bảo vệ quá tốc

• Cầu chì nhỏ, rơ-le, khối đầu cuối

• Nút nhấn, đèn chỉ báo, và công tắc bảo trì

2.4 Hệ thống Chuỗi An Toàn Khẩn Cấp Dự Phòng

Hệ thống chuỗi an toàn khẩn cấp dự phòng là cơ chế bảo vệ dựa trên phần cứng độc lập với hệ thống kiểm soát máy tính. Ngay cả khi hệ thống kiểm soát bị lỗi, chuỗi an toàn vẫn hoạt động. Nó kết nối các điều kiện lỗi quan trọng—những điều kiện có thể gây thiệt hại nghiêm trọng cho tua-bin gió—vào một mạch chuỗi đơn. Khi được kích hoạt, chuỗi an toàn khởi động tắt khẩn cấp, ngắt kết nối tua-bin khỏi lưới điện, do đó tối đa hóa bảo vệ toàn bộ hệ thống.

3. Kiến trúc Hệ thống và Tổng Quan về Chức năng

Hệ thống giám sát điện trang trại gió bao gồm các thành phần chính sau:

• Đơn vị Kiểm soát Tua-bin Gió Địa phương (WPCUs)

• Mạng Ethernet quang xốp tốc độ cao có vòng lặp dự phòng

• Trạm vận hành xa

Đơn vị kiểm soát tua-bin gió địa phương là bộ điều khiển trung tâm cho từng tua-bin, chịu trách nhiệm giám sát các thông số, kiểm soát tự động sản xuất điện, và bảo vệ thiết bị. Mỗi tua-bin được trang bị giao diện HMI (Human-Machine Interface) địa phương cho vận hành, kiểm tra, và bảo trì tại chỗ.

Mạng Ethernet quang xốp tốc độ cao có vòng lặp dự phòng đóng vai trò là đường cao tốc dữ liệu của hệ thống, truyền dữ liệu tua-bin thời gian thực đến hệ thống giám sát cấp trên.

Trạm vận hành cấp trên là trung tâm giám sát vận hành của trang trại gió. Nó cung cấp giám sát tổng quát trạng thái tua-bin, cảnh báo thông số, và ghi/chển thị dữ liệu thời gian thực/lịch sử. Các vận hành viên có thể giám sát và kiểm soát tất cả các tua-bin từ phòng điều khiển trung tâm.

3.1 Lớp Kiểm soát Trường

Lớp kiểm soát trường bao gồm các thành phần chính sau:

• Tủ điều khiển chính ở đế tháp

• Tủ điều khiển nacelle

• Hệ thống điều chỉnh góc cánh

• Hệ thống biến tần

• Trạm HMI (Human-Machine Interface) địa phương

• Switch Ethernet công nghiệp

• Mạng giao tiếp fieldbus

• Nguồn điện UPS

• Hệ thống tắt khẩn cấp dự phòng

Đơn vị Kiểm soát Tua-bin Gió (WPCU) ở cấp trường đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm cho từng tua-bin gió. Nó chịu trách nhiệm giám sát các thông số thời gian thực, kiểm soát tự động sản xuất điện, và bảo vệ thiết bị. Mỗi tua-bin được trang bị giao diện HMI địa phương cho phép vận hành, kiểm tra, hiệu chỉnh, và bảo trì tại chỗ.

3.2 Lớp Giám sát Tập trung

Lớp giám sát tập trung là trung tâm vận hành của trang trại gió, cung cấp giám sát tổng quát trạng thái tua-bin, cảnh báo thông số, và ghi/chển thị dữ liệu thời gian thực/lịch sử. Các vận hành viên có thể giám sát và kiểm soát tất cả các tua-bin từ phòng điều khiển trung tâm.

Lớp này cũng cho phép giám sát và kiểm soát các hệ thống con quan trọng, bao gồm:

• Hệ thống thủy lực

• Hệ thống khí tượng

• Hệ thống điều chỉnh góc cánh điện

• Hệ thống hộp số

• Hệ thống và điều khiển xoay nacelle

Qua chức năng SCADA tích hợp, lớp giám sát tập trung đảm bảo vận hành hiệu quả, an toàn, và đáng tin cậy của toàn bộ trang trại gió.