Full Text

Введение. Одним из самых важных требований для ветрогенерации является создание надежной сети связи для мониторинга ветропарка. Центр управления несет ответственность за автономный мониторинг, управление и контроль работы станций, и вмешательство человека требуется только в случае изменения конфигурации, технического обслуживания, ремонта или разрушения объекта [1]. Большая часть систем диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) работает с собственными протоколами с ограниченной пропускной способностью и низким возможностями, которые не могут поддерживать будущие потребности связи. Надежная коммуникационная инфраструктура необходима, так как она играет основную часть в обеспечении эффективного мониторинга, эксплуатации и защиты как для ветрогенераторов, так и для энергетических систем. Существует потребность в интеллектуальных сетях связи без вмешательства человека между системой, связывающей ветровые турбины и центром управления. Как только ветровые турбины станут интеллектуальными машинами в системе умной ветрогенерации, турбины будут иметь возможность взаимодействовать и обмениваться данными зондирования. Данное направление считается прогрессивным в инфраструктуре пассивных оптических сетей (PON) для следующего поколения крупномасштабных ветровых электростанций [2]. 1. Smart Grid в ветрогенерации. Система электропитания состоит из семи интегрированных областей: рынок, эксплуатация, поставщики услуг, производство, передача, распределение и потребление. Данная работа фокусируется на электроэнергии, вырабатываемой системой ветрогенерации. Сфера генерации в системе электроснабжения электрически связана с передачей энергии и участием интерфейсов в эксплуатации, связи с рынками и областями передачи энергии [3]. Особое внимание должно быть уделено коммуникационной инфраструктуре, поскольку сети связи также важны, как и сама электросетевая инфраструктура, а сбои в сети связи будут способствовать очень высокому проценту крупных аварий для системы питания [4]. Есть три направления для применения умной ветрогенерации (рис. 1): Рис. 1. Умные ветровые электростанции. SCADA-системы диспетчерского управления и сбора данных - направление, связанное с турбиной, основывается на том, что ветряные турбины напрямую взаимодействуют и обмениваются данными с другими ветровыми турбинами для максимального производства электроэнергии, пригодности и срока службы; - сеть системы ветрогенерации поддерживает надежное соединение между ветропарком и основной сетью. Она должна быть надежной, масштабируемой и быстрой, а также должна удовлетворять диапазону качества для различных приложений; - помогает контролировать центр управления, улучшая основные функции мониторинга, анализа и контроля. Обычная инфраструктура связи ветрогенерации является архитектурой, построенной на основе выключателей, где каждый ветродвигатель оснащен промышленным коммутатором Ethernet в основании башни, и волоконно-оптические кабели используются для соединения между ветряными установками. Передаваемые данные из ветровых турбин, чтобы достичь центра управления, могут пройти путь через множество коммутаторов Ethernet, основываясь на расположения турбины и топологии коммутаторов Ethernet [5, 6]. Ограничениями традиционных архитектур для коммутаторов Ethernet являются: - низкая надежность, отказ в ветровой турбине коммутаторов Ethernet может повлиять на работу оставшихся турбин, не допуская их соединения с центром управления; - высокая стоимость, цена коммутаторов Ethernet слишком высока, и множество независимых переключателей и каналов связи еще более увеличивают стоимость [7]; - сложность в обеспечении мониторинга и контроля в режиме реального времени, в случае обмена общей физической связи со всеми потоками ветровой турбины. Чтобы решить вышеупомянутые проблемы, преимущества современных технологий и услуг должны быть рассмотрены для текущих электроэнергетических систем, с упором на повышение эффективности электрических сетей, надежности, масштабируемости, расширяемости, и безопасности. Кроме того, должны быть рассмотрены недавние исследования, сделанные в области коммуникационных технологий и протоколов [8, 9]. 2. Передача данных в ветроустановке и требования к сети. С учетом стандарта IEC 61400-25 была классифицирована ветровая турбина, генерирующая данные в трех различных категориях: аналоговые измерения, статус информации и защита, контроль информации. Аналоговые измерения и статус информации представляют различные датчики и измерительные приборы, периодически передавая данные зондирования в центр управления в различных временных интервалах. Контроль информации используется для целей автоматизации подстанций и удаленного мониторинга и управления. Для того чтобы справиться и сохранить сгенерированные данные из узлов датчиков, ветряные турбины оснащены главным ПК. Он подключен через линии связи к контроллеру ветряных турбин, который периодически передает данные в центр управления, как показано на рис. 2. Кроме того, контроллер ветряных турбин позволяет центру удаленно управлять ветряной турбиной и контролировать ее [10]. На основании данных производителя турбины собственный протокол используется для передачи сгенерированного трафика через различные промежутки времени*. Рис. 2. Сгенерированные данных из сенсорных узлов со стороны ветровых турбин; АP: точка доступа Конструкции ветроэлектростанции системы SCADA и коммуникационной инфраструктуры должны быть выполнены с учетом общей системы устойчивости, чтобы обеспечить высокий уровень доступности для системы SCADA и связанного управления и защиты оборудования [5, 6]. Основными требования к конструкции являются: - вопросы окружающей среды: ветровые турбины подвергаются экстремальным условиям окружающей среды, включая высокий уровень загрязнения, соли, влажности и резких изменений температуры. Устройства, работающие в морских условиях, должны иметь специальную конструкцию для предотвращения коррозии и высокой влажности; - резервирование: сеть связи ветряной электростанции всегда гарантирует надлежащее функционирование против единой точки отказа. Все критические сетевые устройства, такие как коммутаторы или маршрутизаторы, должны быть продублированы; - самовосстановление сети: сети связи ветряной электростанции должны быть устойчивы к неудачам и характеризоваться быстрым временем восстановления [11]. Учитывая, что стандарт IEC 61400-25 не предусматривает каких-либо конкретных требований к сети связи для ветряных электростанций, тем не менее, критические характеристики связи, такие как безопасность и диапазон качества, должны рассматриваться в целях разработки коммуникационной сети для ветряных электростанций. Диапазон качества является одним из важных параметров для оценки сети связи ветряной электростанции. Он определяет сетевые характеристики, такие как полоса пропускания, задержки, потери пакетов и т.д. Требования к временным связям для разных типов сообщений приведены в стандарте IEC 61850 [8, 12]. Две различные технологии связи, т.е. проводные и беспроводные, могут быть использованы для местной передачи данных ветровой турбины, а также для связи между ветровой турбиной и центром управления [13, 14]. 3. Предлагаемая система умной ветрогенерации. В этом подразделе предлагаются сети связи для архитектуры умной ветрогенерации. Они состоят из TAN, FAN и CAN. Гибридные архитектуры связи используются как для беспроводных, так и проводных решений, чтобы реализовать предлагаемую архитектуру связи. Проводные решения на основе архитектуры связи EPON используются для связи между ветровыми турбинами и центром управления. Это структура датчика данных для структуризации данных зондирования из разных частей ветряных турбин внутри ветровой турбины. Иерархические сетевые архитектуры. Последние достижения в технологии датчиков и коммуникационных сетей рассматриваются в качестве основных драйверов для достижения системы умной ветрогенерации. Кроме того, связи машина-машина (М2М) в промышленных сетях позволят машинам совершать распределение и обмен данными с небольшим вмешательством человека или без него. В предлагаемой системе генерации ветряные турбины - интеллектуальные машины, которые позволяют турбинам взаимодействовать и обмениваться данными и измерениями зондирований. Основные особенности будущих умных ветряных станций: - ветровые турбины взаимодействуют с другими ветровыми турбинами; - ветровые турбины имеют много узлов с датчиками, которые помогают реагировать на различные условия; - ветровые турбины с неисправностью могут использовать данные мониторинга соседних ветровых турбин; - ветровые турбины включают в себя системы хранения энергии и прогнозирования алгоритмов; - ветрогенераторы выбирают оптимальное время для снабжения энергосистемы, основываясь на графиках нагрузок; - каждая турбина может оценить количество мощности, которую она генерирует по сравнению с другими турбинами. Предлагаемая архитектура сетей связи для ветрогенерации состоит из трех сетей: сеть управления турбиной (TAN), сеть управления станцией (FAN) и сеть контроля управлением (CAN). Архитектура сетей связи состоит из иерархических архитектур, где уровень 1 - это узлы с датчиками турбины, уровень 2 - взаимодействие ветровых турбин и ветра, уровень 3 является местным центром управления взаимодействиями ветровой турбины и уровень 4 - это взаимодействие между ветроустановками для оптимизации работы сети. В целях реализации иерархических сетевых архитектур оптимальным видится гибридное решение системы связи. Архитектура на основе EPON представляет собой проводную систему, в то время как ZigBee-Pro применяется для беспроводного решения [5]. Для того чтобы контролировать работу ветровой турбины, многие узловые датчики и измерительные приборы устанавливаются внутри самой турбины. Контроллер турбины расположен со стороны ветровой турбины, поскольку он представляет собой промежуточную стадию между системой мониторинга датчиков и сетью связи интерфейса (оптический сетевой блок или беспроводная точка доступа). Соединение между центром управления и ветровой турбиной может быть установлено напрямую через проводное соединение или через беспроводную систему, или напрямую через систему передатчиков. Проводная архитектура настраивается на основе топологии электроэнергии, где оптическое волокно встроено в силовой кабель. Инфраструктура беспроводной системы не зависит от конфигурации сети. Архитектура сети, основанная на сети EPON, состоит из оптического сетевого блока на стороне ветровых турбин и терминала оптической линии в центре управления. Это исключает использование активных устройств (Ethernet-коммутаторов) на пути сигнала от ветровой турбины к центру управления, который представляет собой надежное и экономически эффективное решение. Беспроводная сеть или радиоканал могут быть включены для повышения надежности сети в качестве резервного или вторичного звена. Основными функциями центра управления являются мониторинг, анализ и контроль [15]. Есть различные устройства в центре управления, в том числе метеорологического сервера, системы мониторинга состояния, интерфейса человек-машина, контроля автоматического отключения и серверы учета [6]. Передача информации в сети EPON. Система SCADA отвечает за сбор и управление всей информацией между удаленным терминалом устройства на стороне ветровых турбин и на центре управления сервера SCADA с целью контроля и управления. На рис. 3 проиллюстрирована основная система SCADA, используемая с ветровыми генераторами, где данные из всех ветровых турбин собираются и отправляются через оптоволоконный кабель в центр управления. Следует отметить, что сервер SCADA в ветрогенераторах представляет собой устройство, которое действует в качестве ведущего в системе SCADA, а удаленный терминал устройства выступает в качестве подчиненного [16]. Рис. 3. SCADA-система для ветряной электростанции (WPF) и механизмом планирования: а - схема опроса; б - схема опроса с чередованием. ESW: Ethernet коммутатор; RTU: удаленный терминальный блок Функции блока терминала оптической лини и оптического сетевого блока, расположенных на стороне ветровой турбины, в архитектуре EPON аналогичны операции ведущий/ведомый между SCADA-сервером и удаленным терминалом устройства в ветровой станции. Сервер SCADA удаленного терминала устройства опрашивает турбину с целью получения данных в определенных временных интервалах и может посылать управляющие сигналы по мере необходимости [17]. Кроме того, в системе EPON терминал оптической линии опрашивает оптический сетевой блок каждые несколько миллисекунд. Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, на рис. 3, а показана простая схема опроса. В этой схеме центр управления посылает сообщение GATE в турбину Тi, а затем останавливается в ожидании данных, прежде чем центр управления посылает его TI + 1. C точки зрения системы EPON минусом схемы опроса и остановки опроса является то, что большая часть пропускной способности на входе канала тратится впустую, и поэтому увеличивается задержка пакета [18]. На рис. 3, б показана интервальная схема опроса, что позволяет терминалу оптической линии, отправить сообщение GATE в TI + 1 до того, как данные из предыдущей турбины TI не поступят. В этой схеме достигнуто значительное улучшение производительности сети с точки зрения использования канала, и может быть достигнуто снижение средней задержки. Выводы. В данной статье представлена методика применения системы Smart Grid в ветрогенерации. Внедрение системы Smart Grid на уровне генерации практически не исследовано. В статье представлена концепция системы связи для ветровых генераторов. Для этого рассмотрены стандарт IEC 61400-25 и требования, предъявляемые к сети. Были проанализированы существующие способы передачи данных, их достоинства и недостатки. Была предложена иерархическая структура управления системой, рассмотрены особенности каждого уровня. За сбор и управление всей информацией между удаленным терминалом устройства и центром управления отвечает SCADA-система. Система EPON позволяет терминалу оптической линии опрашивать оптический сетевой блок каждые несколько миллисекунд. Применение же интервальной схемы опроса позволит сократить задержку и повысить эффективность работы системы.

About the authors

A. N Lykov

Perm National Research Polytechnic University

Email: lykov45@yandex.ru

A. B Seledkova

Perm National Research Polytechnic University

Email: aleksandraseledkova@yandex.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 16

PDF (Russian) - 12

Refbacks

• There are currently no refbacks.