-
-
-
-
WhatsApp
-
WeChat
Промышленная Ethernet-связь на морских ветряных электростанциях (часть 2)
2025-11-04
- 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 центральный коммутатор береговой дожимной станции в качестве основного узла, использует топологию Ethernet «звезда» и основана на сетевом протоколе TCP/IP. Она подключена к различным производственным подсистемам на площадке через сеть канального уровня передачи данных.
Подсистемы, расположенные на площадке, включают в себя компьютерную систему мониторинга дожимной подстанции, компьютерную систему мониторинга ветрогенератора, систему видеонаблюдения, систему мониторинга сборных подстанций, систему онлайн-мониторинга состояния оборудования, интегрированную систему мониторинга подводных кабелей и систему постоянного тока. Поскольку сетевое взаимодействие последних четырёх подсистем очень простое, они не будут здесь подробно рассматриваться.
4.1
Сетевое коммуникационное решение для компьютерной системы мониторинга насосной станции
Как правило, морская ветровая электростанция будет иметь одну наземную дожимную насосную станцию и одну морскую дожимную насосную станцию. Каждая дожимная насосная станция оснащена компьютерной системой мониторинга. Эта система имеет иерархическую распределенную структуру с двухсетевой конфигурацией. Наземная дожимная насосная станция оснащена двумя блоками дистанционного управления (RTU). Система мониторинга морской дожимной насосной станции интегрирована в компьютерную систему мониторинга береговой дожимной станции в качестве подсистемы. Береговая дожимная станция передает информацию дистанционного управления непосредственно в диспетчерский центр через компьютерную систему мониторинга. Для передачи информации между платформой морской дожимной станции и береговой дожимной станцией установлены подводный волоконно-оптический композитный кабель и оптический приемопередатчик SDH (2.5G).
Ветрогенераторы на площадке образуют несколько кольцевых сетей, обычно по шесть ветрогенераторов в каждом. В каждой кольцевой сети имеется коммутатор, подключенный к агрегирующему коммутатору морской подстанции.
Рисунок 4-1 Схема топологии сети компьютерной системы мониторинга насосной станции
4.2
Сетевое коммуникационное решение для компьютерной системы мониторинга ветряных турбин
Оборудование для защиты и мониторинга ветрогенераторов поставляется вместе с ветрогенераторами. Оно использует централизованный метод мониторинга и создает компьютерную систему мониторинга ветрогенераторов для автоматического мониторинга и управления ветрогенераторами. Оно обеспечивает дистанционную сигнализацию, дистанционное измерение и дистанционное управление морскими ветрогенераторами.
В системе компьютерного мониторинга ветряной турбины (см. рисунок 4-2) несколько электрических портов коммутатора агрегации используются для подключения к серверам мониторинга различных систем морской ветряной электростанции, включая сервер SCADA ветряной турбины, сервер IP-телефонии, сервер онлайн-мониторинга вибрации CMS, сервер платформы электропитания WPPM и т. д. Оптические порты коммутатора агрегации используются для формирования волоконно-оптической кольцевой сети с промышленными коммутаторами Ethernet в шкафу управления основания башни.
Промышленный Ethernet-коммутатор в шкафу управления основания башни (см. рис. 4-3) не только образует оптоволоконную кольцевую сеть с коммутатором агрегации, но и требует нескольких портов Ethernet 100 Мбит/с для подключения к контроллеру вентиляторов в основании башни, IP-телефонии и другим сервисам. Другой оптоволоконный интерфейс 100 Мбит/с напрямую подключен к оптоволоконному порту 100 Мбит/с промышленного Ethernet-коммутатора в шкафу управления машинного отделения.
Промышленный Ethernet-коммутатор в шкафу управления машинного отделения оснащен несколькими портами Ethernet 100 Мбит/с для подключения к системе онлайн-мониторинга вибрации CMS и службам IP-телефонии в машинном отделении. Затем он подключается через одномодовый оптоволоконный интерфейс 100 Мбит/с к каскадному одномодовому оптоволоконному порту 100 Мбит/с в шкафу управления основания башни.
Рисунок 4-2. Схема топологии сети компьютерной системы мониторинга ветряных турбин
Рисунок 4-3 Схема установки промышленного коммутатора внутри шкафа управления башенного основания
4.3
Решение для сетевой связи системы видеонаблюдения и безопасности
Ветряные турбины (ВЭУ) в основном работают в суровых природных условиях, имея весьма разбросанное географическое положение. Кроме того, гондолы турбин находятся на высоте почти 100 метров над землей, что затрудняет их осмотр и управление для обслуживающего персонала. Благодаря технологическому прогрессу видеонаблюдение получило широкое распространение благодаря своим интуитивно понятным, точным, своевременным и информативным характеристикам. Внедрение видеонаблюдения в ветрогенераторы может повысить безопасность их эксплуатации, удобство эксплуатации и обслуживания, а также уровень информатизации мониторинга турбин.
Система видеонаблюдения в первую очередь контролирует рабочее состояние оборудования и персонала в таких местах, как гондола, внутренняя и внешняя части основания башни, а также территория вокруг ветрогенератора, обеспечивая безопасность как оборудования, так и персонала. Система мониторинга использует кольцевую сеть, образованную резервными оптоволоконными кабелями, для передачи данных как на островную, так и на береговые дожимные станции. Центр мониторинга может осуществлять предварительный просмотр и воспроизведение видео в режиме реального времени.
Камеры и коммутаторы доступа установлены внутри ветряных турбин. Коммутаторы доступа передают видеосигналы, собранные камерами, на коммутатор агрегации, расположенный на насосной станции острова, по оптоволоконному кольцевому кабелю. Затем коммутатор агрегации передает сигналы по принципу «точка-точка» по подводным оптическим кабелям на центральный коммутатор, расположенный в диспетчерской ветряной электростанции. Центральный коммутатор, в свою очередь, передает сигналы на серверную часть системы видеомониторинга, сервер потокового мультимедиа и сервер управления. (См. рис. 4-4)
Рисунок 4-4 Общая схема топологии архитектуры видеонаблюдения
Каждая гондола ветрогенератора оснащена двумя комплектами оборудования для видеонаблюдения и одним промышленным коммутатором для контроля рабочего состояния всего оборудования внутри гондолы. У основания каждой башни установлены один комплект оборудования для видеонаблюдения и один промышленный коммутатор для контроля рабочего состояния оборудования, расположенного у основания башни. Камера с функцией поворота, наклона и зума (PTZ) может управляться вращением, обеспечивая комплексный мониторинг всего оборудования у основания башни. (См. рисунок 4-5)
Рисунок 4-5 Переключатель доступа в системе видеонаблюдения
- Текущие проблемы с сетями связи на морских ветровых электростанциях
Поскольку системы связи составляют незначительную долю общей инфраструктуры морских ветроэлектростанций, владельцы часто не уделяют им достаточного внимания. Монтаж морских ветроэлектростанций — чрезвычайно сложная задача, требующая очень сжатых сроков; на этапе ввода в эксплуатацию часто достаточно просто установить связь без какой-либо настройки коммутаторов. Более того, знания в области связи являются узкоспециализированными, и специалисты по ветроэлектростанциям, как правило, не имеют достаточных знаний о сетях связи, что затрудняет правильную диагностику и устранение неисправностей в аварийных ситуациях. Кроме того, из-за большого количества подсистем в морских ветроэлектростанциях часто используются коммутаторы разных марок, что затрудняет плановое техническое обслуживание.
5.1
Потенциальный риск кибершторма
Многие основные коммутаторы ветряных электростанций настроены по умолчанию, а специалисты по вводу в эксплуатацию не настроили VLAN (виртуальные локальные сети) на месте в соответствии с реальной ситуацией. Это позволяет широковещательным пакетам распространяться по всей ветряной электростанции, что приводит к широковещательным штормам. Эта проблема особенно актуальна в системах мониторинга ветряных электростанций, где все промышленные коммутаторы в шкафах управления башней находятся в одной подсети, что приводит к чрезмерно большому широковещательному домену, который легко провоцирует широковещательные штормы.
5.2
Риск возникновения единой точки отказа в коммутаторах агрегации
На некоторых действующих ветропарках встречаются случаи, когда система мониторинга бустерной станции или ветрогенератора представляет собой единую сеть. В случае выхода из строя коммутатора агрегации в морской бустерной станции подсистема, к которой он подключен, рискует парализовать работу всей сети.
5.3
Слишком большое количество подсистем и марок коммутаторов затрудняет последующее обслуживание.
В главе 4 упоминается, что система полевого производства состоит из множества подсистем, каждая из которых производится разными компаниями; марки коммутаторов часто различаются. Более того, морская ветровая электростанция обычно строится в несколько этапов, и производители ветровых турбин для первой и второй очереди часто разные. Системы мониторинга ветровых турбин и промышленные коммутаторы в этих системах также различаются. При таком количестве подсистем и множестве марок коммутаторов эксплуатация и обслуживание на месте после ввода в эксплуатацию будут крайне затруднены.
- Перспективы сетевых схем морских ветровых электростанций следующего поколения
Благодаря государственной политике, стимулирующей развитие и использование возобновляемых источников энергии, в последние годы в Китае наблюдается бурный рост ветроэнергетики. Исследования, разработки и производство новых моделей ветрогенераторов также стабильно развиваются. Однако в сетях связи по-прежнему используются устаревшие сетевые схемы, которые больше не отвечают современным требованиям к связи ветропарков и создают множество проблем. Поэтому создание новой, высоконадежной и долговременно стабильной сетевой платформы передачи данных имеет первостепенное значение.
Наши зарубежные коллеги начали изучать коммуникационные решения для сетей ветряных электростанций нового поколения два-три года назад, так что времени у нас тоже очень мало.
6.1
Рекомендации по созданию сетевых схем морских ветровых электростанций следующего поколения
Для морских ветроэлектростанций нового поколения рекомендуется объединить коммуникационные сети системы мониторинга турбин и системы видеонаблюдения. Сетевая архитектура должна по-прежнему использовать трёхуровневую модель: уровень доступа, уровень агрегации и уровень ядра. Коммутаторы на башнях на уровне доступа должны использовать каскадные гигабитные коммутаторы Fast Ethernet, объединённые в сеть через гигабитные одномодовые оптические порты, в конечном итоге образуя кольцевую сеть с коммутаторами уровня агрегации на морской подстанции. Эта кольцевая сеть имеет двухсетевую структуру. Коммутаторы на гондолах должны по-прежнему быть полностью 100-мегабитными коммутаторами, подключенными к коммутаторам на башнях через многомодовое оптоволокно 100 Мбит/с. Сеть уровня доступа должна быть разделена на VLAN, основанные на ветрогенераторе, для изоляции каждого турбины и уменьшения доменов коллизий широковещательной передачи. Коммутаторы уровня агрегации должны быть расположены на морской подстанции и использовать два полностью гигабитных промышленных коммутатора уровня 2, предпочтительно с поддержкой стекирования. Коммутаторы основного уровня должны располагаться в наземном центре управления и использовать два полностью гигабитных коммутатора уровня 3, желательно с поддержкой стекирования.
Рисунок 6-1. Перспективы сетевой топологии для морских ветряных электростанций следующего поколения
6.2
Преимущества конфигурации сети морских ветроэлектростанций следующего поколения
6.2.1
Избегание потенциальных рисков киберштормов
Коммуникационная сеть системы мониторинга ветрогенераторов изначально представляла собой большую подсеть, но теперь она разделена на несколько подсетей. Кроме того, сети VLAN значительно сократили область широковещательной рассылки, что позволяет эффективно предотвращать возникновение сетевых штормов.
При сегментации VLAN можно использовать одну VLAN (подсеть) на каждый канал, или же можно выделить отдельную VLAN (подсеть) для каждого сервиса в канале. Коммутаторы также могут сегментировать отдельную VLAN (подсеть) внутри канала. Центр управления может быть сегментирован в отдельную подсеть в виде специального вентилятора.
6.2.2
Объединение сетей связи для экономии средств и повышения надежности
Объединение коммуникационных сетей системы мониторинга ветрогенераторов и системы видеонаблюдения сокращает количество коммутаторов, снижая затраты и снижая нагрузку на монтаж, пусконаладку и последующее обслуживание. Коммутаторы в основании башни и гондоле прекрасно справляются с обслуживанием как мониторинга ветрогенераторов, так и видеонаблюдения. Более того, использование гигабитной кольцевой сети для коммутаторов основания башни увеличивает пропускную способность связи. Такая структура сети с двойным кольцом также исключает потенциальный риск отказа одной точки на коммутаторах агрегации.
6.2.3
Стандартизированная конструкция сети облегчает последующее обслуживание.
Поддержка технологии стекирования коммутаторами агрегации и ядра сети упрощает расширение портов полевых коммутаторов. Преимущество технологии стекирования заключается в том, что она позволяет управлять 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 новые коммутаторы агрегации и ядра сети при добавлении систем второй или третьей фазы. Это позволяет избежать текущей ситуации, когда коммутаторы ядра сети для новых ветряных электростанций второй или третьей фазы и систем видеонаблюдения совершенно отличаются от коммутаторов первой фазы, что делает их несовместимыми с ветряными электростанциями и системами видеонаблюдения первой фазы. Благодаря стандартизированной архитектуре сети, в пределах одной ветряной электростанции, за исключением системы мониторинга дожимной компрессорной станции (которая требует доступа к Зоне безопасности I и Зоне безопасности II и предъявляет особые требования), промышленные модели коммутаторов для других подсистем могут быть ограничены 3–4 моделями, что очень полезно для последующего обслуживания в полевых условиях, подготовки запасных частей и устранения неисправностей.
- Заключение
В настоящее время создание промышленной интеллектуальной инфраструктуры идёт полным ходом. Ветроэнергетика, особенно морская ветроэнергетика, отличается высокой степенью автоматизации и информатизации, а также имеет хорошую основу, однако до по-настоящему «интеллектуальной ветроэлектростанции» ей всё ещё далеко. Создание надёжной, стабильной, надёжной и масштабируемой сети связи нового поколения является основой интеллектуальных ветроэлектростанций и, несомненно, поможет морской ветроэнергетике выйти на новый виток стремительного развития.
