WHITE PAPER. Większa niezawodność elektrowni dzięki odpornym na awarie sieciom światłowodowym - bypass optyczny w farmach wiatrowych

Transkrypt

1 Courtesy of Vestas Wind Systems A/S WHITE PAPER Większa niezawodność elektrowni dzięki odpornym na awarie sieciom światłowodowym - bypass optyczny w farmach wiatrowych

2 Courtesy of Vestas Wind Systems A/S Większa niezawodność elektrowni dzięki odpornym na awarie sieciom światłowodowym - bypass optyczny w farmach wiatrowych Bardzo istotną cechą elektrowni jest najwyższa sprawność i niezawodność działania. Dotyczy to w szczególności farm wiatrowych, zlokalizowanych często w trudno dostępnym terenie. Nowoczesne systemy sterowania w elektrowniach wiatrowych, oparte na technologii światłowodowej, muszą sprostać wysokim wymaganiom i być odporne na awarie. Operatorzy farm wiatrowych obawiają się scenariusza, w którym uszkodzenie jednego podzespołu skutkowałoby unieruchomieniem większych sekcji elektrowni, a warunki atmosferyczne nie pozwalałyby na wysłanie serwisanta w celu dokonania naprawy. W przypadku trudno dostępnych lokalizacji, takich jak morskie farmy wiatrowe, podczas opracowywania koncepcji i realizacji projektu szczególny nacisk kładzie się na niezawodność. Dotyczy to nie tylko samego procesu wytwarzania energii, lecz również nadzoru nad urządzeniami i sterowania nimi. Z tego powodu okablowanie sieciowe w elektrowniach jest często wykonywane w technologii światłowodowej, ponieważ należy ona do najbardziej niezawodnych w każdych warunkach. Sieci światłowodowe są odporne na interferencje oraz zakłócenia elektromagnetyczne, dzięki czemu mogą być używane do przesyłania danych na duże odległości. Aby dodatkowo zwiększyć odporność na awarie, w lokalizacjach szczególnie narażonych na problemy stosuje się strukturę okablowania o topologii pierścienia. Nawet w przypadku przerwania pierścienia wszystkie urządzenia wciąż są ze sobą połączone. Jednak rozwiązanie to tylko pozornie gwarantuje bezpieczeństwo sieci. Jeśli awarii ulegnie kolejny węzeł sieci, np. z powodu problemów z oprogramowaniem lub sprzętem albo w wyniku uszkodzenia mechanicznego lub przerwy w dostawie energii elektrycznej, topologia pierścieniowa nie zda egzaminu. Obszar znajdujący się pomiędzy uszkodzonymi węzłami nie będzie bowiem dostępny. W celu stworzenia systemu całkowicie odpornego na awarie, wszelkie elementy sieci (takie jak kable czy linie doprowadzające) musiałyby zostać wykonane zgodnie z zasadą 2*(n+1). Wszystkie elementy systemu należałoby zdublować, przy czym każdy element musiałby zostać wzbogacony o jeden komponent więcej niż wymaga tego normalne działanie. Konieczne byłoby również zastosowanie systemów zasilania odpornych na przerwy w dostawach energii, jak również akumulatorów zapasowych. Elementy te należałoby również zdublować i uzupełnić je o redundantne komponenty. Wydatki związane z wdrożeniem takiego rozwiązania byłyby ponadto zwiększone o dodatkowe koszty utrzymania systemu i administrowania nim. Sfinansowanie takiego rozwiązania byłoby praktycznie niemożliwe. 1

3 Zarządzanie ryzykiem wskazuje możliwości zastosowania Badania pokazują, że w przypadku awarii węzła sieci dużo większym problemem jest niedostępność elementów infrastruktury znajdującej się za węzłem. Naprawę uszkodzonego węzła i połączonych z nim urządzeń można wykonać w stosunkowo łatwy sposób. Sytuacja wygląda inaczej, gdy nie ma możliwości przesyłania danych pomiędzy większymi obszarami farmy wiatrowej. Pojawia się pytanie: Ile kosztuje taka awaria? Na jak długi czas można zrezygnować z niedostępnej części elektrowni? I ile firma mogłaby zaoszczędzić, gdyby dzięki prostym rozwiązaniom technicznym udało się ominąć uszkodzone sekcje farmy wiatrowej, przez co pozostałe sekcje mogłyby kontynuować pracę podczas naprawy unieruchomionej części? Podobne pytanie można zadać w przypadku prac serwisowych, które wiążą się z wyłączaniem elementów elektrowni. Gdy zachodzi konieczność odłączenia od sieci większych obszarów farmy wiatrowej na potrzeby prac serwisowych, koszty mogą być olbrzymie. Operator farmy wiatrowej powinien mieć więc możliwość odłączania pojedynczych urządzeń. Opłacalna byłaby więc inwestycja w proste i solidne rozwiązanie pozwalające na ominięcie urządzeń wyłączonych z użytku i jednocześnie zapewniające prawidłowe funkcjonowanie pozostałej infrastruktury sieciowej. padku awarii poszczególnych węzłów, wszystkie pozostałe segmenty sieci są wciąż dostępne. Awaria ma więc wpływ jedynie na uszkodzony węzeł. Bypass można również włączyć ręcznie, w razie potrzeby wykonania prac konserwacyjnych. Dzięki temu nie jest konieczne kosztowne wyłączanie wielu węzłów - bypass pozwala oddzielić węzeł wymagający konserwacji od reszty elementów działającej sieci, umożliwiając w ten sposób wykonanie niezbędnych prac serwisowych bez potrzeby przerywania działania innych urządzeń. Inwestycja w takie rozwiązanie zwraca się szybko dzięki obniżeniu kosztów konserwacji urządzeń. Możliwe jest również wykonywanie prac serwisowych lub wymiana wielu elementów jednocześnie (bez potrzeby wyłączania działającej sieci), ponieważ czynności te nie mają wpływu na pozostałe urządzenia i obszary. Dzięki prostym przekaźnikom alarmowym możliwe jest także sterowanie zewnętrznymi instalacjami alarmowymi, co znacznie upraszcza automatyczne uruchamianie alarmów i zmniejsza nakłady na zarządzanie systemem, a to z kolei przyczynia się do zmniejszenia kosztów utrzymania. MICROSENS MICROSENS -możliwy Installationsszenario tryb pracy Bypass optyczny chroniący przed awarią Niezawodnym i opłacalnym rozwiązaniem problemów opisanych powyżej jest tzw. bypass optyczny. Zastosowanie tego rozwiązania pozwala na automatyczne pominięcie węzła sieciowego w przypadku jego awarii i utrzymanie komunikacji pomiędzy sprawnymi elementami sieci. Przełącznik firmy MICROSENS umożliwia stworzenie sieci światłowodowej odpornej na błędy i zwiększa łączną niezawodność sieci używanej przez operatora elektrowni. Nawet w przy- Zasady działania bypassa optycznego: W trybie normalnym komunikacja przez węzeł odbywa się standardowo (po lewej); w przypadku awarii węzeł jest pomijany (po prawej). MICROSENS - Ringtopologie F Zastosowanie na szynie montażowej: przełącznik (po prawej) chroni przełącznik i zasilacz (w środku i po lewej). F MICROSENS - Bustopologie 2

4 MICROSENS - Installationsszenario Rozwiązanie sprawdzone w morskich farmach wiatrowych Koncepcja taka sprawdziła się w praktyce. Firma MICROSENS wyposażyła już niektóre morskie farmy wiatrowe w przełączniki. Jedną z takich farm zlokalizowaną na Morzu Północnym tworzy sto turbin wiatrowych, pogrupowanych w zespoły składające się z dziesięciu turbin. Każdy z tych zespołów jest połączony za pomocą sieci o topologii pierścienia z centralnym stanowiskiem sterowania. Gdyby ograniczono się do tradycyjnego okablowania bez bypassa optycznego, awaria jednego węzła nie skutkowałaby przerwaniem pracy pozostałych dziewięciu zespołów. Jednak w przypadku awarii kolejnego węzła wszystkie zespoły znajdujące się pomiędzy uszkodzonymi węzłami nie byłyby dostępne i musiałyby zostać automatycznie wyłączone. Generowane z tego powodu straty byłyby znaczące, ponieważ umowy z odbiorcami energii elektrycznej przewidują wysokie kary finansowe w przypadku przerwania dostaw przez operatora. Na miejsce awarii musiałby błyskawicznie udać się zespół specjalistów, których zadaniem byłoby jak najszybsze rozwiązanie problemu. Na Morzu Północnym zdarza się jednak, że z powodu złej pogody nawet przez trzy tygodnie nie ma możliwości dostania się do farm wiatrowych za pomocą statku lub śmigłowca. Straty związane z tak długim przestojem byłyby olbrzymie! Dlatego operator farmy wiatrowej zdecydował się na zastosowanie bypassa optycznego wykorzystując przełączniki firmy MICROSENS. Bypass pozwala ominąć uszkodzony węzeł, a pozostałe elementy sieci są dostępne przez cały czas i mogą pracować bez zakłóceń. Do tej pory w opisywanej farmie wiatrowej wystąpiła tylko jedna awaria, ale zastosowanie bypassa optycznego umożliwiło pracę pozostałym turbinom, co już zapewniło zwrot nakładów poniesionych na inwestycję w przełączniki. Dodatkowa zaleta: Ponieważ każda turbina jest wyposażona we własny bypass optyczny, możliwe jest wysyłanie kilku zespołów serwisantów w celu konserwacji różnych jednostek jednocześnie. Pozostałe jednostki pracują bez zakłóceń, co znacznie obniża koszty obsługi technicznej. Koncepcja bypassa optycznego sprawdza się oczywiście również w przypadku farm wiatrowych budowanych na lądzie. Instalacje tego typu wznoszone są często na trudno dostępnych terenach oddalonych od skupisk ludzkich. MICROSENS - Installationsszenario MICROSENS - Ringtopologie Zastosowanie przełączników w topologii pierścieniowej chroni sieć światłowodową również w Fiber przypadku Protection awarii Fiberwielu Protection ele- MICROSENS - Bustopologie mentów. MICROSENS topologia pierścieniowa MICROSENS - Ringtopologie MICROSENS MICROSENS - Bustopologie topologia magistrali Przy zastosowaniu przełączników w topologii magistrali, wszystkie elementy sieci znajdujące się za uszkodzonym węzłem są nadal dostępne. 3

5 Niezawodność dzięki solidnej konstrukcji Zastosowanie bypassa optycznego nie może być oczywiście źródłem żadnych problemów. Rozwiązanie musi być więc zaprojektowane według jak najprostszych zasad i w solidny sposób, aby uniknąć dodatkowych źródeł awarii. W praktyce oznacza to: rezygnację z oprogramowania wbudowanego, którego nie trzeba instalować, konfigurować i aktualizować, co mogłoby skutkować awarią systemu; rezygnację z technologii półprzewodnikowej, dzięki czemu przełącznik jest wyjątkowo odporny na uszkodzenia. W trybie standardowym urządzenie pracuje jako przełącznik normalnie zamknięty. Jeśli chroniony przez urządzenie węzeł sieciowy działa, przełącznik pracuje w trybie otwartym i pozwala na przepływ wszystkich danych przez węzeł. Jeśli węzeł ulegnie awarii i przestanie być zasilany, przełącznik automatycznie uaktywni tryb zamknięty, dzięki czemu uszkodzony węzeł będzie pomijany. Urządzenie nie wymaga konfiguracji i bezproblemowo współpracuje z produktami innych producentów. A dzięki odporności na temperaturę oraz solidnej konstrukcji przełącznik ten nadaje się do zastosowań w najtrudniejszych warunkach. Courtesy of Vestas Wind Systems A/S Wnioski Zastosowanie bypassa optycznego przez operatorów farm wiatrowych pozwala im na odniesienie znaczących korzyści dzięki zapewnieniu odporności na awarie i zmniejszeniu kosztów użytkowania. Solidna konstrukcja bez elementów półprzewodnikowych i oprogramowania wbudowanego zapewnia nieosiągalną dotąd niezawodność, również w skrajnie niesprzyjających warunkach pracy. Inwestycja zwraca się szybko, zwłaszcza w przypadku farm wiatrowych, których elementy są zlokalizowane w oddalonych i trudno dostępnych miejscach. Więcej informacji o przełączniku : 4