4. Typiske kommunikasjonsordninger for havvindparker i Kina
I dag er «hjernen» i hele havvindparken den integrerte overvåkings- og styringsplattformen som ligger i kontrollsenteret på land. Denne plattformen bruker kjernebryteren til boosterstasjonen på land som hovednoden, tar i bruk en Ethernet-stjernetopologi og er basert på TCP/IP-nettverksprotokollen. Den er koblet til ulike produksjonsundersystemer på stedet gjennom overføringslinklagnettverket.
Produksjonsundersystemene på-stedet inkluderer et dataovervåkingssystem for boosterstasjon, et dataovervåkingssystem for vindturbiner, et videosikkerhetsovervåkingssystem, et prefabrikkert overvåkingssystem for transformatorstasjoner, et statusovervåkingssystem for nettutstyr, et integrert overvåkingssystem for sjøkabel og et DC-system. Siden nettverksbyggingen av de fire sistnevnte undersystemene er veldig enkel, vil de ikke bli diskutert i detalj her.
4.1
Nettverkskommunikasjonsløsning for dataovervåkingssystemet til boosterstasjonen
Generelt vil en offshore vindpark ha én boosterstasjon på land og én offshore boosterstasjon. Hver boosterstasjon er utstyrt med et dataovervåkingssystem. Dette systemet tar i bruk en hierarkisk distribuert struktur med en dobbel-nettverkskonfigurasjon. Boosterstasjonen på land er utstyrt med doble fjernkontrollenheter (RTUer). Offshore boosterstasjonens overvåkingssystem er integrert i onshore boosterstasjonens dataovervåkingssystem som et delsystem. Boosterstasjonen på land sender fjernkontrollinformasjon direkte til ekspedisjonssentralen gjennom dataovervåkingssystemet. En undersjøisk fiberoptisk komposittkabel og en SDH (2.5G) optisk sender/mottaker er installert mellom offshore boosterstasjonsplattformen og onshore boosterstasjon for informasjonsoverføring mellom de to stasjonene.
Vindturbinene på stedet vil danne flere ringnettverk, vanligvis seks vindturbiner per ring. I hvert ringnett er det en bryter som er koblet til aggregeringsbryteren til offshore transformatorstasjonen.
Figur 4-1 Nettverkstopologidiagram av dataovervåkingssystemet for boosterstasjonen
4.2
Nettverkskommunikasjonsløsning for dataovervåkingssystem for vindturbiner
Beskyttelses- og overvåkingsutstyret for vindturbingeneratorsett følger med vindturbingeneratorsettene. Den tar i bruk en sentralisert overvåkingsmetode og setter opp et vindturbindatamaskinovervåkingssystem for automatisk overvåking og kontroll av vindturbingeneratorsett. Den kan realisere fjernsignalering, fjernmåling og fjernstyring av offshore vindturbingeneratorsett.
I overvåkingssystemet for vindturbindatamaskinen (se figur 4-2) brukes flere elektriske porter til aggregeringssvitsjen for å koble til overvåkingsserverne til ulike systemer på havvindparken, inkludert vindturbinens SCADA-server, IP-telefonserver, CMS online vibrasjonsovervåkingsserver, WPPM-kraftplattformserver, etc. De optiske portene til den optiske styringssvitsjen for nettverket brukes til å danne en industriell basesvitsj for å danne en fiber-kontrollsvitsj for å danne en industriell basesvitsj. kabinett.
Den industrielle Ethernet-svitsjen i tårnbasens kontrollskap (se figur 4-3) danner ikke bare et fiberoptisk ringnettverk med aggregeringssvitsjen, men krever også flere 100 Mbps Ethernet-porter for å koble til viftekontrolleren ved tårnbasen, IP-telefoni og andre tjenester. Et annet 100 Mbps fiberoptisk grensesnitt er direkte koblet til 100 Mbps fiberoptisk port på den industrielle Ethernet-svitsjen i maskinrommets kontrollskap.
Den industrielle Ethernet-svitsjen inne i maskinrommets kontrollskap har flere 100 Mbps Ethernet-porter for tilkobling til CMS online vibrasjonsovervåkingssystem og IP-telefonitjenester i maskinrommet. Den kobles deretter via et 100 Mbps enkel--modus fiberoptisk grensesnitt til en kaskadet 100 Mbps enkel--modus fiberoptisk port i tårnets basekontrollskap.
Figur 4-2 Nettverkstopologidiagram over vindturbindatamaskinovervåkingssystem
Figur 4-3 Installasjonsskjema av industribryter inne i tårnbasekontrollskap
4.3
Videosikkerhetsovervåkingssystem nettverkskommunikasjonsløsning
Vindturbiner opererer for det meste i tøffe naturlige miljøer, med deres geografiske plassering ganske spredt. Videre er turbinnacellene plassert nesten 100 meter opp i luften, noe som gjør inspeksjon og styring vanskelig for vedlikeholdspersonell. Med teknologiske fremskritt har videoovervåking, på grunn av dens intuitive, nøyaktige, tidsriktige og informasjonsrike-egenskaper, blitt bredt tatt i bruk. Å introdusere videoovervåking i vindturbiner kan forbedre sikkerheten ved turbindrift, bekvemmeligheten av drift og vedlikehold, og nivået på informatisering i turbinovervåking.
Videoovervåkingssystemet overvåker primært driftsstatusen til utstyr og personell på steder som nacellen, innsiden og utsiden av tårnbasen, og området rundt vindturbinen, og sikrer sikkerheten til både utstyr og personell. Overvåkingssystemet bruker et ringnettverk dannet av backup fiberoptiske kabler for å overføre data tilbake til både øya og landbaserte boosterstasjoner. Overvåkingssenteret kan utføre sanntids-forhåndsvisninger og videoavspilling.
Kameraene og tilgangsbryterne er installert inne i vindturbinene. Adgangsbryterne kobler videosignalene som samles inn av kameraene til aggregeringsbryteren som er plassert ved øyas boosterstasjon via et fiberoptisk ringnett. Aggregeringsbryteren sender deretter signalene fra punkt-til-punkt via optiske undersjøiske kabler til kjernebryteren som er plassert i vindparkens kontrollrom. Til slutt overfører kjernesvitsjen signalene til videoovervåkingsbackend, streaming media server og management server. (Se figur 4-4)
Figur 4-4 Overordnet arkitekturtopologidiagram for videoovervåking
Hver vindturbinnacelle er utstyrt med to sett med bildeovervåkingsutstyr og en industribryter for å overvåke driftsstatusen til alt utstyr i nacellen. Ved bunnen av hvert tårn er ett sett med bildeovervåkingsutstyr og en industribryter installert for å overvåke driftsstatusen til utstyret ved bunnen av tårnet. Pan-tilt-zoom-kameraet (PTZ) kan styres til å rotere, og gir omfattende overvåking av alt utstyr ved bunnen av tårnet. (Se figur 4-5)
Figur 4-5 Tilgangsbryter i et videoovervåkingssystem
5. Aktuelle problemer med kommunikasjonsnettverk i havvindparker
Fordi kommunikasjonssystemer utgjør en ubetydelig andel av den samlede infrastrukturen for vindkraftverk til havs, får de ofte ikke tilstrekkelig oppmerksomhet fra eierne. Installasjon av vindparker til havs er ekstremt krevende med svært korte tidsrammer; under idriftsettelsesfasen er det ofte tilstrekkelig å etablere kommunikasjon, uten noen konfigurasjon av bryterne. Videre er kommunikasjonskunnskapen høyt spesialisert, og vindparkteknikere har generelt begrenset forståelse av kommunikasjonsnettverk, noe som gjør det vanskelig å korrekt diagnostisere og løse feil i nødstilfeller. I tillegg, på grunn av de mange delsystemene i en havvindpark, brukes ofte flere merker brytere, noe som gjør rutinemessig vedlikehold utfordrende.
5.1
Potensiell cyberstormrisiko
Mange kjernesvitsjer i vindparker er konfigurert med standardinnstillinger, og idriftsettelsespersonell har ikke konfigurert VLAN (Virtual Local Area Networks) på-stedet i henhold til den faktiske situasjonen. Dette gjør at sendinger kan forplante seg gjennom hele vindparken, noe som fører til kringkastingsstormer. Dette problemet er spesielt fremtredende i vindturbinovervåkingssystemer, der alle industrielle brytere i tårnkontrollskapene er i samme undernett, noe som resulterer i et for stort kringkastingsdomene som lett utløser kringkastingsstormer.
5.2
Risiko for enkelt sviktpunkt i aggregeringsbrytere
I noen vindparker i drift er det tilfeller hvor overvåkingssystemet til boosterstasjonen eller vindturbinovervåkingssystemet er et enkelt nettverk. Dersom aggregeringsbryteren i offshore-boosteren svikter, vil delsystemet som aggregeringssvitsjen er plassert til, risikere at hele nettet blir lammet.
5.3
Å ha for mange delsystemer og bytte merke gjør senere vedlikehold vanskelig.
Kapittel 4 nevner at det er mange delsystemer i feltproduksjonssystemet, og hvert delsystem er produsert av et annet selskap; brytermerkene er ofte ikke de samme. Videre bygges en havvindpark vanligvis i flere faser, og vindturbinprodusentene for første og andre fase er ofte forskjellige. Vindturbinovervåkingssystemene og de industrielle bryterproduktene innenfor disse systemene er også forskjellige. Med så mange undersystemer og så mange byttemerker, vil-drift og vedlikehold på stedet være ekstremt vanskelig etter igangkjøring.
6. Utsikter for neste-generasjons offshore vindparknettverksordninger
Drevet av nasjonal politikk som fremmer utvikling og utnyttelse av fornybar energi, har Kinas offshore vindkraftindustri blomstret de siste årene. Forskningen og utviklingen og produksjonen av nye vindturbinmodeller går også jevnt og trutt. Kommunikasjonsnettverket bruker imidlertid fortsatt utdaterte nettverksordninger, som ikke lenger kan møte dagens kommunikasjonskrav til vindparker og byr på mange problemer. Derfor er det av største betydning å bygge en ny, svært pålitelig og langsiktig-stabil nettverksoverføringsplattform.
Våre utenlandske kolleger begynte å forske på neste-generasjons kommunikasjonsløsninger for vindparknettverk for to eller tre år siden, så tiden er også veldig knapp for oss.
6.1
Anbefalinger for neste-generasjons offshore vindparknettverksordninger
For neste-generasjons havvindparker anbefales det å slå sammen kommunikasjonsnettverkene til turbinovervåkingssystemet og videoovervåkingssystemet. Nettverksarkitekturen bør fortsatt ta i bruk en tre-lagsmodell: tilgangslag, aggregeringslag og kjernelag. De tårnbaserte-svitsjene i tilgangslaget bør bruke gigabit kaskadede raske Ethernet-svitsjer, koblet til nettverk ved hjelp av gigabit enkelt-modus optiske porter, og til slutt danne et ringnettverk med aggregeringslagsvitsjene på offshore-transformatorstasjonen. Dette ringenettverket er en dobbel-nettverksstruktur. Nacelle-svitsjene skal fortsatt være alle-100 Mbps-svitsjer, koblet til tårnbaserte-svitsjer via 100 Mbps multimodusfiber. Tilgangslagsnettverket bør deles inn i VLAN basert på vindturbinen for å isolere hver turbin og redusere kringkastingskollisjonsdomener. Aggregeringslagsbryterne bør plasseres ved offshore-transformatorstasjonen, ved å bruke to alle-gigabit Layer 2 industrielle brytere, fortrinnsvis som støtter stabling. Kjernelagsbryterne bør plasseres i kontrollsenteret på land, ved å bruke to lag 3-svitsjer med kun gigabit, fortrinnsvis som støtter stabling.
Figur 6-1 Network Topology Outlook for neste generasjons offshore vindparker
6.2
Fordeler med neste-generasjons nettkonfigurasjon for havvindparker
6.2.1
Unngå den potensielle risikoen for cyberstormer
Kommunikasjonsnettverket til vindturbinovervåkingssystemet var opprinnelig et stort delnett, men nå er det delt inn i flere delnett. I tillegg har VLAN-ene kraftig redusert kringkastingsdomenet, noe som effektivt kan unngå forekomsten av nettverksstormer.
For VLAN-segmentering kan det være ett VLAN (undernett) per krets, eller et separat VLAN (undernett) kan segmenteres for hver tjeneste på en krets. Svitsjer kan også segmentere et separat VLAN (subnett) i en krets. Det sentrale kontrollrommet kan segmenteres i et eget subnett som en spesialvifte.
6.2.2
Slå sammen kommunikasjonsnettverk for å spare kostnader og forbedre påliteligheten
Ved å kombinere kommunikasjonsnettverkene til vindturbinovervåkingssystemet og videoovervåkingssystemet reduseres antall brytere, sparer kostnader og reduserer installasjon, igangkjøring og påfølgende vedlikeholdsarbeid. Bryterne i tårnbasen og nacellen er perfekt i stand til å håndtere både vindturbinovervåking og videoovervåkingstjenester. Videre, bruk av et gigabit-ringnettverk for tårnbase-svitsjer øker kommunikasjonsbåndbredden. Denne nettverksstrukturen med to-ringer unngår også den potensielle risikoen for enkeltpunktsfeil ved aggregeringsbryterne.
6.2.3
Standardisert nettverksdesign forenkler senere vedlikehold.
Å foreslå at aggregerings- og kjernesvitsjer støtter stablingsteknologi forenkler utvidelsen av feltsvitsjporter. Fordelen med stablingsteknologi er at den administrerer en gruppe brytere som ett enkelt objekt, noe som gir brukerne forenklet administrasjon og drift. Siden de fleste havvindparker bygges i faser, gjør bruk av stablingsaktiverte-brytere mulig for enkel stabling av nye aggregerings- og kjernesvitsjer når du legger til andre- eller tredjefasesystemer. Dette unngår dagens situasjon hvor kjernebryterne for nye andre eller tredje fase vindturbiner og videoovervåkingssystemer er helt andre merker og modeller enn de i første fase, noe som gjør dem inkompatible med første fases vindturbiner og videoovervåkingssystemer. Med standardisert nettverksdesign, innenfor samme vindpark, bortsett fra boosterstasjonsovervåkingssystemet (som krever tilgang til Safety Zone I og Safety Zone II og har spesielle krav), kan industribrytermodellene for andre delsystemer fikseres til 3 til 4 modeller, noe som er svært nyttig for senere feltvedlikehold, reservedelsforberedelse og feilsøking.
7. Konklusjon
For tiden er byggingen av industriell etterretning i full gang. Vindkraftindustrien, spesielt vindkraftindustrien til havs, har høy grad av automatisering og informatisering og et godt fundament, men det er fortsatt et gap mellom den og en virkelig «intelligent vindpark». Å bygge et robust, stabilt, pålitelig og skalerbart neste-generasjons kommunikasjonsnettverk er grunnlaget for intelligente vindparker og vil garantert hjelpe vindkraftindustrien til havs å oppnå en ny runde med rask utvikling.
