4. Типичные схемы связи для морских ветряных электростанций в Китае
Сегодня «мозгом» всей морской ветроэлектростанции является интегрированная платформа мониторинга и управления, расположенная в береговом центре управления. Эта платформа использует базовый коммутатор береговой насосной станции в качестве основного главного узла, использует звездообразную топологию Ethernet и основана на сетевом протоколе TCP/IP. Он подключен к различным производственным подсистемам на месте через сеть канального уровня.
Подсистемы производства на-площадке включают в себя компьютерную систему мониторинга насосной станции, компьютерную систему мониторинга ветряных турбин, систему видеонаблюдения, систему мониторинга сборных подстанций, систему онлайн-мониторинга состояния оборудования, интегрированную систему мониторинга подводных кабелей и систему постоянного тока. Поскольку объединение последних четырех подсистем в сеть очень простое, они не будут обсуждаться здесь подробно.
4.1
Сетевое коммуникационное решение для компьютерной системы мониторинга компрессорной станции
Как правило, морская ветряная электростанция имеет одну береговую и одну морскую насосную станцию. Каждая компрессорная станция оборудована компьютерной системой мониторинга. Эта система имеет иерархическую распределенную структуру с двойной-сетевой конфигурацией. Береговая насосно-компрессорная станция оснащена двойными блоками дистанционного управления (РТУ). Система мониторинга морской НКС интегрирована в компьютерную систему мониторинга береговой НКС в качестве подсистемы. Береговая компрессорная станция передает информацию дистанционного управления непосредственно в диспетчерский центр через компьютерную систему мониторинга. Подводный оптоволоконный композитный кабель и оптический приемопередатчик SDH (2,5G) установлены между платформой морской компрессорной станции и береговой компрессорной станцией для передачи информации между двумя станциями.
Ветровые турбины на площадке образуют несколько кольцевых сетей, обычно по шесть ветряных турбин на кольцо. В каждой кольцевой сети имеется коммутатор, подключенный к коммутатору агрегации морской подстанции.
Рисунок 4-1 Схема топологии сети компьютерной системы мониторинга компрессорной станции
4.2
Сетевое коммуникационное решение для компьютерной системы мониторинга ветряных турбин
Оборудование для защиты и контроля ветряных генераторных установок поставляется вместе с ветряными генераторными установками. Он использует метод централизованного мониторинга и устанавливает компьютерную систему мониторинга ветряных турбин для автоматического мониторинга и управления ветряными генераторными установками. Он может осуществлять дистанционную сигнализацию, дистанционное измерение и дистанционное управление морскими ветряными генераторными установками.
В компьютерной системе мониторинга ветряной турбины (см. Рисунок 4-2) несколько электрических портов коммутатора агрегации используются для подключения к серверам мониторинга различных систем на морской ветряной электростанции, включая сервер SCADA ветряной турбины, сервер IP-телефонии, сервер онлайн-мониторинга вибрации CMS, сервер силовой платформы WPPM и т. д. Оптические порты коммутатора агрегации используются для формирования оптоволоконной кольцевой сети с промышленными коммутаторами Ethernet в шкафу управления в основании башни.
Коммутатор промышленного Ethernet в шкафу управления у основания башни (см. Рисунок 4-3) не только образует оптоволоконную кольцевую сеть с коммутатором агрегации, но также требует наличия нескольких портов Ethernet 100 Мбит/с для подключения к контроллеру вентиляторов в основании башни, IP-телефонии и другим службам. Другой оптоволоконный интерфейс 100 Мбит/с напрямую подключен к оптоволоконному порту 100 Мбит/с промышленного коммутатора Ethernet в шкафу управления машинным отделением.
Промышленный коммутатор Ethernet внутри шкафа управления машинным отделением имеет несколько портов Ethernet 100 Мбит/с для подключения к онлайн-системе мониторинга вибрации CMS и службам IP-телефонии в машинном отделении. Затем он подключается через одномодовый оптоволоконный интерфейс со скоростью 100 Мбит/с-к каскадному одномодовому оптоволоконному порту со скоростью 100 Мбит/с-в шкафу управления в основании башни.
Рисунок 4-2 Схема топологии сети компьютерной системы мониторинга ветряных турбин
Рисунок 4-3 Схема установки промышленного выключателя внутри шкафа управления у основания башни
4.3
Решение для сетевой связи системы видеонаблюдения
Ветровые турбины в основном работают в суровых природных условиях, а их географическое расположение весьма рассредоточено. Кроме того, гондолы турбин расположены на высоте почти 100 метров, что затрудняет осмотр и управление для обслуживающего персонала. Благодаря развитию технологий видеонаблюдение благодаря своим интуитивным, точным, своевременным и информативным-полнофункциональным характеристикам получило широкое распространение. Внедрение видеонаблюдения в ветроэнергетические установки позволяет повысить безопасность эксплуатации турбин, удобство эксплуатации и обслуживания, уровень информатизации мониторинга турбин.
Система видеонаблюдения в первую очередь контролирует рабочее состояние оборудования и персонала в таких местах, как гондола, внутренняя и внешняя часть основания башни, а также территория вокруг ветряной турбины, обеспечивая безопасность как оборудования, так и персонала. Система мониторинга использует кольцевую сеть, образованную резервными оптоволоконными кабелями, для передачи данных обратно как на остров, так и на береговые насосные станции. Центр мониторинга может выполнять предварительный просмотр-в реальном времени и воспроизведение видео.
Камеры и переключатели доступа установлены внутри ветряных турбин. Коммутаторы доступа подключают видеосигналы, собранные камерами, к коммутатору агрегации, расположенному на опорной станции острова, через оптоволоконную кольцевую сеть. Затем коммутатор агрегации передает сигналы из точки-в-точки по подводным оптическим кабелям на основной коммутатор, расположенный в диспетчерской ветряной электростанции. Наконец, основной коммутатор передает сигналы на серверную часть видеомониторинга, сервер потокового мультимедиа и сервер управления. (См. Рисунок 4-4)
Рисунок 4-4 Общая топологическая схема архитектуры системы видеонаблюдения
Каждая гондола ветряной турбины оснащена двумя комплектами оборудования для контроля изображения и одним промышленным переключателем для контроля рабочего состояния всего оборудования внутри гондолы. У основания каждой башни установлен один комплект оборудования для контроля изображения и один промышленный коммутатор для контроля рабочего состояния оборудования у основания башни. Камеру с панорамированием-наклоном-зумом (PTZ) можно поворачивать, обеспечивая комплексный мониторинг всего оборудования у основания башни. (См. Рисунок 4-5)
Рисунок 4-5 Переключатель доступа в системе видеонаблюдения
5. Текущие проблемы с сетями связи на морских ветряных электростанциях.
Поскольку системы связи составляют незначительную часть общей инфраструктуры морских ветряных электростанций, они часто не получают достаточного внимания со стороны владельцев. Установка морской ветряной электростанции чрезвычайно сложна и требует очень коротких сроков; на этапе ввода в эксплуатацию часто бывает достаточно просто установить связь без какой-либо настройки переключателей. Кроме того, знания в области связи являются узкоспециализированными, и специалисты по ветряным электростанциям, как правило, имеют ограниченное представление о сетях связи, что затрудняет правильную диагностику и устранение неисправностей в чрезвычайных ситуациях. Кроме того, из-за большого количества подсистем на морской ветряной электростанции часто используются переключатели разных марок, что затрудняет регулярное техническое обслуживание.
5.1
Потенциальный риск кибершторма
Многие основные коммутаторы ветряных электростанций настроены с настройками по умолчанию, а персонал, занимающийся вводом в эксплуатацию, не настроил VLAN (виртуальные локальные сети) на-объекте в соответствии с реальной ситуацией. Это позволяет радиопередачам распространяться по всей ветряной электростанции, что приводит к широковещательным штормам. Эта проблема особенно заметна в системах мониторинга ветряных турбин, где все промышленные коммутаторы в шкафах управления башней находятся в одной подсети, что приводит к чрезмерно большому широковещательному домену, который легко вызывает широковещательные штормы.
5.2
Риск единой точки отказа в коммутаторах агрегации
На некоторых действующих ветряных электростанциях бывают случаи, когда система мониторинга компрессорной станции или система мониторинга ветряных турбин представляют собой единую сеть. В случае выхода из строя коммутатора агрегации в оффшорном бустере подсистема, в которой расположен переключатель агрегации, столкнется с риском паралича всей сети.
5.3
Наличие слишком большого количества подсистем и марок переключателей затрудняет последующее обслуживание.
В главе 4 упоминается, что в системе полевой добычи имеется множество подсистем, и каждая подсистема производится отдельной компанией; Марки переключателей часто не совпадают. Кроме того, морская ветряная электростанция обычно строится в несколько этапов, и производители ветряных турбин для первого и второго этапов часто различаются. Системы мониторинга ветряных турбин и промышленные переключатели в этих системах также различаются. При таком большом количестве подсистем и различных марок коммутаторов эксплуатация и обслуживание на месте-после ввода в эксплуатацию будет чрезвычайно затруднено.
6. Перспективы создания сетевых схем морских ветряных электростанций следующего-поколения
Благодаря национальной политике, способствующей развитию и использованию возобновляемых источников энергии, оффшорная ветроэнергетика Китая в последние годы процветает. Исследования, разработки и производство новых моделей ветряных турбин также неуклонно развиваются. Однако в сети связи по-прежнему используются устаревшие сетевые схемы, которые больше не могут отвечать текущим требованиям связи ветряных электростанций и создают многочисленные проблемы. Поэтому создание новой, высоконадежной и долговременной-стабильной платформы передачи данных имеет первостепенное значение.
Наши зарубежные коллеги начали исследования сетевых коммуникационных решений нового-поколения для ветряных электростанций два или три года назад, поэтому у нас тоже очень мало времени.
6.1
Рекомендации для сетевых схем морских ветряных электростанций следующего-поколения
Для морских ветряных электростанций следующего-поколения рекомендуется объединить сети связи системы мониторинга турбин и системы видеомониторинга. Сетевая архитектура по-прежнему должна иметь трехуровневую-модель: уровень доступа, уровень агрегации и базовый уровень. Коммутаторы на базе башни-на уровне доступа должны использовать гигабитные каскадные коммутаторы Fast Ethernet, объединенные в сеть с использованием гигабитных одномодовых-оптических портов, образуя в конечном итоге кольцевую сеть с коммутаторами уровня агрегации на морской подстанции. Эта кольцевая сеть представляет собой двойную-сетевую структуру. Коммутаторы гондолы по-прежнему должны быть-коммутаторами 100 Мбит/с, подключенными к коммутаторам на базе башни- через многомодовое оптоволокно 100 Мбит/с. Сеть уровня доступа должна быть разделена на VLAN на основе ветряной турбины, чтобы изолировать каждую турбину и уменьшить количество доменов коллизий широковещательной передачи. Коммутаторы уровня агрегации должны быть расположены на морской подстанции с использованием двух гигабитных промышленных коммутаторов уровня 2, предпочтительно поддерживающих стекирование. Коммутаторы основного уровня должны быть расположены в береговом центре управления с использованием двух полностью гигабитных коммутаторов уровня 3, предпочтительно поддерживающих стекирование.
Рис. 6-1. Перспективы топологии сети для морских ветряных электростанций следующего поколения.
6.2
Преимущества конфигурации сети морской ветряной электростанции следующего-поколения
6.2.1
Как избежать потенциальных рисков киберштормов
Сеть связи системы мониторинга ветряных турбин изначально представляла собой большую подсеть, но теперь она разделена на несколько подсетей. Кроме того, сети VLAN значительно сократили широковещательный домен, что позволяет эффективно избежать сетевых штормов.
Для сегментации VLAN это может быть одна VLAN (подсеть) на канал или отдельная VLAN (подсеть) может быть сегментирована для каждой службы в канале. Коммутаторы также могут сегментировать отдельную VLAN (подсеть) внутри цепи. Центральную диспетчерскую можно выделить в отдельную подсеть специальным вентилятором.
6.2.2
Объединение сетей связи для экономии затрат и повышения надежности
Объединение сетей связи системы мониторинга ветряных турбин и системы видеонаблюдения сокращает количество коммутаторов, экономит затраты и снижает нагрузку на установку, ввод в эксплуатацию и последующее обслуживание. Переключатели в основании башни и гондоле прекрасно справляются как с мониторингом ветряных турбин, так и с услугами видеонаблюдения. Кроме того, использование гигабитной кольцевой сети для коммутаторов на базе башни увеличивает пропускную способность связи. Эта двойная-кольцевая структура сети также позволяет избежать потенциального риска единых-сбоев на коммутаторах агрегации.
6.2.3
Стандартизированная конструкция сети облегчает последующее обслуживание.
Предложение о том, что коммутаторы агрегации и ядра поддерживают технологию стекирования, упрощает расширение портов полевого коммутатора. Преимущество технологии стекирования заключается в том, что она управляет группой коммутаторов как единым объектом, предоставляя пользователям упрощенное управление и эксплуатацию. Поскольку большинство морских ветряных электростанций строятся поэтапно, использование коммутаторов с поддержкой стекирования- позволяет легко объединять в стек новые коммутаторы агрегации и ядра при добавлении систем второго или третьего этапа. Это позволяет избежать нынешней ситуации, когда основные переключатели для новых ветряных турбин и систем видеомониторинга второй или третьей фазы имеют совершенно другие марки и модели, чем те, которые использовались на первой фазе, что делает их несовместимыми с ветряными турбинами и системами видеомониторинга первой фазы. При стандартизированном проектировании сети в пределах одной ветряной электростанции, за исключением системы мониторинга насосной станции (которая требует доступа к зоне безопасности I и зоне безопасности II и имеет особые требования), модели промышленных коммутаторов для других подсистем могут быть фиксированными в количестве от 3 до 4 моделей, что очень полезно для последующего обслуживания на местах, подготовки запасных частей и устранения неполадок.
7. Заключение
В настоящее время строительство промышленного интеллекта идет полным ходом. Ветроэнергетика, особенно морская ветроэнергетика, имеет высокую степень автоматизации и информатизации, а также хорошую основу, но между ней и по-настоящему «умной ветряной электростанцией» все еще существует разрыв. Создание устойчивой, стабильной, надежной и масштабируемой сети связи нового-поколения является основой интеллектуальных ветряных электростанций и, несомненно, поможет морской ветроэнергетике выйти на новый виток быстрого развития.
