Infrastruktura energetyczna jest podatna na uszkodzenia. Na przykład, jeśli operator koparki zbyt zamaszystym ruchem zahaczy łyżką o przewody elektryczne. W takich przypadkach najważniejsza jest właściwa diagnoza stanu infrastruktury sieciowej. Dlatego do przetwarzania sygnałów i transmisji danych w stacji transformatorowej farmy wiatrowej w Wittmund ENERCON używa sterowników telemetrycznych WAGO PFC200.
Niemiecka firma ENERCON, posiadająca około 30 tys. turbin wiatrowych, zalicza się do światowych liderów tej technologii. Firma nie tylko zbudowała turbiny na farmie wiatrowej Wittmund, ale jest też odpowiedzialna za nadzór nad eksploatację farmy i stacji transformatorowej. „Realizacja farmy wiatrowej pod klucz, od jej zaprojektowania poprzez budowę aż do pierwszej dostawy energii do sieci jest coraz bardziej poszukiwaną usługą“ – wyjaśnia Gerd-Evert Meyer, kierownik projektu w ENERCON. Z tego względu koncern już teraz rozważa, w jaki sposób mógłby zintegrować farmy w sieci Smard Grid i jak może zapewnić niezawodność i bezpieczeństwo funkcjonowania turbin wiatrowych oraz punktu przyłączenia do sieci dystrybucyjnej.
Główny element komunikacji
Centralną funkcję komunikacyjną w stacji transformatorowej spełnia sterownik telemetryczny WAGO PFC200. Realizuje on połączenie pomiędzy operatorem sieci a systemem sterowania farmy wiatrowej. Warto zaznaczyć, że komunikacja od operatora sieci do farmy wiatrowej realizowana jest w innym protokole komunikacyjnym (języku) niż wewnątrz systemu. Wielość takich „języków” wynika z różnych norm dotyczących protokołów telemetrycznych. Pomiędzy operatorem sieci a sterowaniem farmy wiatrowej istnieje połączenie szeregowe peer-to-peer na bazie protokołu IEC 60870-5-101. Transmitowane dane to zazwyczaj wymagania dotyczące mocy czynnej lub biernej. Z powrotem odsyłane są potwierdzenia wartości zadanych, informacje o mocy rzeczywistej, sile wiatru i innych warunkach atmosferycznych, aby na tej podstawie wyliczyć wydajność farmy wiatrowej.
Ilustracja: Sterownik telemetryczny PFC200 spełnia w stacji przesyłowej centralną funkcję komunikacyjną.
Pomiędzy sterownikiem farmy wiatrowej, nadrzędnym systemem sterowania ENERCON a PFC200 poprowadzono komunikację IP z zastosowaniem IEC 60870-5-104. „Sterownik WAGO jest dla nas największym węzłem komunikacyjnym, który wszystkim zarządza w stacji transformatorowej” – wyjaśnia manager projektu, mając na uwadze fakt, że w komunikacji między elementami technicznymi wewnątrz stacji przesyłowej stosuje się trzeci protokół – IEC 60870-5-103. Protokół IEC 103 stanowi w Europie oficjalny standard przesyłania komunikatów od cyfrowych zabezpieczeń, w ramach systemu sterowania stacji. Zabezpieczenia są w tym protokole urządzeniami typu slave, przesyłającymi dane cyklicznie lub na żądanie mastera. Ponadto sygnały są przekazywane również przez wejścia dwustanowe. Do typowych sygnałów stacji transformatorowej należą np. sygnały ze styków sygnalizujących otwarcia drzwi, z monitoringu łączników oraz różnego rodzaju czujników.
Precyzyjny monitoring zapewnia bezpieczeństwo
W stacji przesyłowej prawie wszystko jest monitorowane. O ile styki sygnalizujące otwarcia drzwi służą przede wszystkim do wykrywania faktu wejścia i zapobiegają w ten sposób włamaniu, to podłączenie czujników do wykrywania poziomu wody w fundamencie transformatora chroni w równym stopniu pracowników, jak i środowisko. W razie usterki fundament musi być w stanie przechwycić w każdym momencie cały olej z transformatora. Jeżeli poziom wody w fundamencie podniósłby się nadmiernie w wyniku nasilonych opadów lub podniesienia poziomu wód gruntowych, nie byłoby możliwe wychwycenie oleju i wyciekłby on do środowiska.
Aby wykluczyć fizyczne przeszkody podczas przesyłania sygnałów, ENERCON korzysta w stacji transformatorowej ze światłowodów. Łączą one wszystkich abonentów za pomocą multiplekserów transmisji, które zostają podłączone do PFC200 za pomocą złączki do interfejsów szeregowych. Urządzenia łączeniowe średniego napięcia są izolowane gazem SF6. Jeżeli gaz ten wydostanie się na zewnętrz w wyniku nieszczelności, przełączanie zostanie zablokowane. Informacja zostanie przesłana z urządzenia ochrony systemu zasilania do PFC200 poprzez protokół IEC 60870-5-103, a następnie do nadrzędnego systemu sterowania ENERCON poprzez IEC 60870-5-104.
Elastyczność i zgodność ze standardami
ENERCON wykorzystuje do programowania tych funkcji standardowe protokoły komunikacyjne IEC 61131-3, w które wyposażony jest seryjny sterownik PFC200. Możliwość swobodnego programowania przy użyciu CODESYS pozwala na łatwiejsze dostosowanie systemu do wytycznych operatorów sieci, na których obszarze znajduje się farma wiatrowa i stacja transformatorowa. Jest to szczególnie ważne, gdy turbiny znajdują się poza strefą środkowoeuropejską. Konieczne jest wtedy łączenie ze sobą różnych stempli czasowych. Pracujący w dziale układów wysokiego napięcia Gerd-Evert Meyer mógł bez problemu zaprogramować w sterowniku WAGO drugi stempel czasowy. „Zbieram zmienne, po czym dodaję lub odejmuję różnicę czasu“. PFC200 przesyła dane z oryginalnym stemplem czasowym do ENERCON w Niemczech i koryguje czas lokalny do czasu danego operatora sieci. Właśnie ze względu na takie szczegóły Gerd-Evert Meyer wysoko sobie ceni sterownik PFC200.
„Mamy więcej możliwości, bo ułatwiamy sobie procesy projektowania i programowania. Pomimo indywidualnych modyfikacji prowadzimy standardową komunikację“ – podkreśla
Proces jest realizowany w taki sposób, że konfigurator telemetryczny samodzielnie pozyskuje z systemu Linux® informacje i zmienne ważne dla transmisji danych. „Jest to dla nas spora zaleta. Z jednej strony mamy dowolność programowania, a z drugiej strony wykorzystuję pewnego rodzaju standaryzację zapewnianą przez konfigurator telemetryczny“ – dodaje Meayer.
Trzy protokoły komunikacyjne – aby było bezpiecznie
Jedna instalacja, trzy protokoły komunikacyjne. Wobec występującej w technice budynkowej i automatyce tendencji do standaryzacji komunikacji i łączenia wszystkiego poprzez ETHERNET nasuwa się uzasadnione pytanie: dlaczego te trzy światy muszą być jeszcze dzisiaj w ogóle łączone? Pracownik ENERCON tłumaczy tę konieczność różnymi wymogami bezpieczeństwa. „Komunikacja wewnątrz stacji jest realizowana przy użyciu szeregowego protokołu IEC 60870-5-103, niedrogiego, standardowego rozwiązania techniki zabezpieczeń. Do nadrzędnego systemu sterowania ENERCON sygnały przesyłane są przez tunel VPN za pośrednictwem protokołu TCP/IP IEC 60870-5-104. Operator sieci preferuje natomiast połączenie szeregowe typu end-to-end, ponieważ, w przeciwieństwie do protokołu TCP/IP, trudniej w nie zaingerować z zewnątrz. Tutaj stosujemy protokół IEC 60-870-5-101, który jest przekształcany przez operatora w jego własnej sieci na IEC 60870-5-104“. Stąd stosowanie trzech protokołów.
Kolejną zaletą sterownika PCF200 jest to, że zapewnia on wizualizację dla funkcji sterowania i telesterowania. „U innych producentów funkcje te musielibyśmy zakupić osobno“ – zaznacza Meyer. Ceni on sobie fakt, że sporządzone wizualizacje można łatwo przenieść do innych projektów – co znacznie ogranicza czas projektowania. Dodatkowymi zaletami urządzenia jest dla pracowników z Aurich możliwość przesyłania przez PFC200 SMS-ów lub e-maili. „To nie jest standardowa funkcja sterowników telemetrycznych“ – dodaje Gerd-Evert Meyer. Sterownik obsługuje dwie odrębne sieci komunikacyjne: serwisanci mogą się logować przez własny kanał, podczas gdy ENERCON wykorzystuje osobny tunel VPN. W ramach dalszego rozwoju firma WAGO wyposażyła sterownik PFC200 w zintegrowany modem 3G. „Dzięki temu mamy aż trzy osobne dostępy“ – podkreśla Meyer.
Heiko Tautor, WAGO.DE