风力发电电力监控系统介绍

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风力发电电力监控系统介绍

背景

风力发电是把风的动能转变成机械动能,再把机械能转化为电力动能,这就是风力发电。风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。在我国能源的需求下,风力发电不断的扩展,风电建设的工作也不断的加大,其中一个电力公司会有几个风电场,而这些风电场大多数都会分布在不同的区域。同时,一个风电场根据规模的不同,会拥有几十到上百台不等的发电风机,这种条件的影响下,每个风电场都会有自己的电力监控系统。但是,对于多个风电场的统一管理就增加了难度,为了解决这一问题,集控中心的出现就很好的解决了这一问题。
因此,风电场在网络化、智能化在提高生产效率和管理效率的同时,也为恶意攻击者增加了新的攻击途径,近几年电力发生的安全事件层出不穷,使得我国电力面临越来越多的安全威胁和挑战。

2、风力发电机组控制系统

风力机的运行及保护需要一个全自动控制系统,它必须能控制风机自动启动,控制叶片桨距的机械调节装置及在正常和非正常情况下停机。除了控制功能,系统用于监测以提供运行状态、风速、风向等信息。
风机控制系统是由塔基主控制柜、机舱控制柜、轮毂控制柜组成。风力发电机组控制单元(WPCU)是每台风机的控制核心,分散布置在机组的塔筒和机舱内。
风力发电电力监控系统介绍
图1 风电机组总体结构
2.1 塔座控制站
塔座控制站即主控制器机柜是风电机组设备控制的核心,主要包括控制器、I/O模件等。控制器硬件采用32位处理器,系统软件采用强实时性的操作系统,运行机组的各类复杂主控逻辑通过现场总线与机舱控制器机柜、变桨距系统、变流器系统进行实时通讯,以使机组运行在最佳状态。
塔基控制柜是由PLC主站、RTU(远程接口单元)、工业以太网交换机、UPS电源、触摸屏(本地监控及操作)、各种按钮、指示灯、小型断路器、继电器、加热元件、风机、端子板等等组成。
2.2 机舱控制站
机舱控制站采集机组传感器测量的温度、压力、转速以及环境参数等信号,通过现场总线和机组主控制站通讯,主控制器通过机舱控制机架以实现机组的偏航、解缆等功能,此外还对机舱内各类辅助电机、油泵、风扇进行控制以使机组工作在最佳状态。
机舱控制柜是由机舱PLC站、电源模块、FASTBUS从站模块、CANBUS主站模块、以太网模块(本地PC维护接口)、DIO、AIO模块、各种断路器、继电器、开关等组成。
2.3 变桨距系统
大型MW级以上风电机组通常采用液压变桨系统或电动变桨系统。变桨系统由前端控制器对3个风机叶片的桨距驱动装置进行控制,其是主控制器的执行单元,采用CANOPEN与主控制器进行通讯,以调节3个叶片的桨距工作在最佳状态。变桨系统有后备电源系统和安全链保护,保证在危急工况下紧急停机。
轮毂控制柜是由轮毂PLC站、伺服驱动单元、紧急变桨蓄电池及监视单元、紧急变桨模块、超速保护继电器、小型断路器、各种继电器及端子板、各种按钮、指示灯及维护开关。
2.4 后备危急安全链系统

后备危急安全链系统独立于计算机系统的硬件保护措施,即使控制系统发生异常,也不会影响安全链的正常动作。安全链是将可能对风力发电机造成致命伤害的超常故障串联成一个回路,当安全链动作后将引起紧急停机,机组脱网,从而最大限度地保证机组的安全。

3、系统架构及功能介绍

风电电力监控系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心,实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能;每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组;高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路,将机组的实时数据送至上位机界面;上位机操作员站是风电厂的运行监视核心,并具备完善的机组状态监视、参数报警,实时/历史数据的记录显示等功能,操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作
风电电力监控系统网络架构如下图所示:

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图2 风电电力监控系统架构
3.1 现场控制层

主要包括塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心,实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能,同时每台风力发电机组配有就地HMI人机接口以实现就地操作、调试和维护机组。
3.2 中央监控层
是风电厂的运行监视核心,并具备完善的机组状态监视、参数报警,实时/历史数据的记录显示等功能,操作员在控制室内实现对风场所有机组的运行监视及操作,也可对液压系统、气象系统、电动变桨距系统、增速齿轮箱系统、偏航系统和偏航系统控制。

4、系统资产情况

此次调研问卷主要对风电工控系统情况进行了摸底,即中央监控系统、PLC设备,其中针中央监控系统要从操作系统、系统厂家及型号进行统计分析,针对PLC系统主要从系统厂家及型号进行统计分析。
4.1 中央监控系统
经统计,中央监控系统厂家有华锐风电、新疆金风科技、国电南自、西门子、南瑞继保、苏司兰能源,统计信息如下图所示,其中以新疆金风科技和国电南自为主,新疆金风科技产品使用占有率为44%,国电南自产品使用占有率为22%。

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图3 风电中央监控系统集成商统计情况
4.2 PLC设备
经统计,PLC厂家有倍福、ABB、巴赫曼,其中倍福的PLC使用率达78%,型号以CX1500M和CX1020为主。
4.3 工控主机操作系统
本节中将工控系统中的工程师站、监控站等称为工作站,将组态服务器、实时数据库、历史数据库服务器统称为服务器,并对工作站和服务器的操作系统进行统计分析。
( 1 ) 工作站操作系统总体情况
经统计,工作站操作系统使用了WindowsXP、Windows7、Linux、Windows 2000、Windows 2008和Ubuntu等。其中以Windows XP和Windows7为主。
( 2 ) 服务器操作系统总体情况
经统计,风电场服务器操作系统使用了Windows2000、Windows 2003、Windows 2008、Windows10、Linux和Ubuntu等、其中以Windows 2003和Windows 2008操作系统为主。


原文来源:老马玩工控安全
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