Monitoraggio e Registrazione dei Parametri di Corrente e Guasto a 380KV HVDC in una Stazione di Conversione DC-AC.
Efficienza energetica, stabilità e sicurezza. Tre parametri fondamentali in ogni sistema di trasmissione di elettricità. In una stazione di conversione AC-DC, i tecnici hanno molti parametri da controllare. I sistemi di controllo aiutano a monitorare e registrare le operazioni. LEANE, un partner di Dewesoft, ha aiutato un cliente a sostituire un sistema di controllo obsoleto.
In ogni centrale elettrica, la manutenzione è allo stesso tempo cruciale per la sicurezza ed un compito complesso e impegnativo. Quando si verificano guasti, il tecnico responsabile deve individuare rapidamente le cause, capire dove sono avvenuti e perché, e agire rapidamente per risolverli. Se il personale non affronta immediatamente un problema nella centrale o sulla linea, questo potrebbe evolversi in qualcosa di ancora più complesso, causando tempi di inattività prolungati.
Il personale in loco non può tenere traccia dello stato di ogni componente. Per questo motivo, le centrali elettriche utilizzano sistemi di controllo per monitorare lo stato in tempo reale delle apparecchiature e registrare eventuali guasti. La comprensione dei motivi per cui si verificano i guasti e della loro frequenza è cruciale per aumentare il grado di efficienza e sicurezza.
Le centrali elettriche più moderne e recenti dispongono di unità di controllo e sistemi di monitoraggio all'avanguardia, ma che dire di quelle più vecchie?
Stazioni di Conversione
Le centrali di conversione da DC a AC, chiamate anche stazioni inverter o convertitori di potenza, sono componenti cruciali nei sistemi di trasmissione dell'elettricità, specialmente in quelli che incorporano fonti di energia rinnovabile come il solare o l'eolico.
In questi sistemi, l'elettricità generata da fonti rinnovabili è spesso in corrente continua (DC). Per una trasmissione efficiente su lunghe distanze, questa corrente DC deve essere convertita in corrente alternata (AC), lo standard per la maggior parte delle reti elettriche nel mondo.
Queste stazioni integrano sistemi che convertono la corrente da DC a AC. Questi inverter o convertitori utilizzano tipicamente dispositivi a semiconduttore come transistor bipolari a gate isolato (IGBT) o raddrizzatori controllati al silicio (SCR) per commutare l'ingresso DC in un'uscita AC sincronizzata.
Le principali funzioni di una stazione di conversione DC-AC includono:
Inversione: Convertire l'energia DC proveniente da fonti rinnovabili (come pannelli solari o turbine eoliche) in energia AC adatta per la trasmissione e distribuzione nella rete.
Sincronizzazione: Garantire che l'energia AC in uscita corrisponda ai livelli di frequenza, fase e tensione richiesti dalla rete per mantenere stabilità e compatibilità con l'infrastruttura esistente.
Connessione alla Rete: Facilitare la connessione delle fonti di energia rinnovabile alla rete elettrica, permettendo la distribuzione dell'energia generata ai consumatori.
Controllo e Monitoraggio: Gestire il funzionamento degli inverter per regolare tensione, frequenza e output di potenza, monitorando le prestazioni e diagnosticando guasti o anomalie.
Le stazioni di conversione DC-AC sono strategicamente posizionate all'interno delle reti di trasmissione elettrica per facilitare l'integrazione delle energie rinnovabili e la distribuzione efficiente dell'energia elettrica. Sfruttando le risorse rinnovabili e riducendo la dipendenza dai combustibili fossili, queste stazioni giocano un ruolo vitale nella transizione verso un sistema energetico più sostenibile e decentralizzato.
Il Caso
In una centrale elettrica a corrente continua del 1960 il cliente doveva sostituire un sistema di monitoraggio di guasti prodotto da una piccola azienda italiana, progettato e installato nei primi anni '90. A causa dell’obsolescenza, il sistema presentava problemi di problemi di affidabilità. Funzionava solo su Windows 95, il che rendeva difficile per i tecnici mantenere hardware e software custom. Era necessario qualcosa di più moderno e manutenibile, con parti di ricambio disponibili, capace di eseguire software attuali e aggiornabili.
L'architettura originale, se considerata nel contesto del suo sviluppo, risultava estremamente innovativa:
frequenza di acquisizione di 500kHz
software di analisi estremamente user-friendly
una funzionalità di database per la ricerca dei guasti per nome.
Le schede digitali e analogiche avrebbero dovuto gestire 160 segnali digitali e 32 canali analogici provenienti dalle protezioni elettriche e dalle misurazioni di corrente e tensione per i poli AC e i tiristori.
Analisi
Abbiamo effettuato un'ispezione preliminare in situ per raccogliere dati e comprendere le problematiche.
L'acquisitore DAQ, installato nel singolo rack a destra - vedere Figura 2 e 3 - riceveva i dati provenienti dal campo, raccolti dal multi-rack a sinistra. I canali digitali passavano attraverso una scheda isolante prima di raggiungere il dispositivo DAQ (1).
Per la registrazione e l'analisi dei dati, si utilizzava un PC con sistema operativo Windows 95 (4) e un software personalizzato.
Nel rack sottostante, i cavi provenienti dalla scheda di isolamento digitale erano collegati a un PC con schede Altera e con un sistema operativo Linux in tempo reale. Considerevole nei primi anni '90!
Ci siamo resi conto che avevamo bisogno di schede di connessione personalizzate per testare i segnali provenienti dal campo senza intervenire in modo invasivo. Per complicare ulteriormente le cose, l'FPGA Altera avrebbe anche controllato un sistema di relè. Poiché i segnali dovevano bypassare il sistema originale, avevamo bisogno di una nuova scheda personalizzata per controllare i relè per i canali digitali e analogici.
Primi test sul sistema originale
Per complicare ulteriormente le cose, il sistema originale Altera era rimasto fuori funzione per diverso tempo. Abbiamo quindi dovuto raccogliere le informazioni sui segnali, la loro funzione e la lettura dell'ampiezza consultando la vecchia documentazione della centrale.
Una volta tornati nell'ufficio di Parma, i nostri ingegneri hanno preparato alcune schede per consentire test preliminari presso il sito del cliente.
Dopo alcune settimane di preparazione, siamo tornati sul sito del cliente pronti per i test con la seguente strumentazione:
Dewesoft SIRIUS modular isolato (modello: SIRIUSi-4xHV-4xLV)
schede di connessione custom
alimentatore per schede relé - vedere Figura 4.
E dopo alcuni collegamenti abbiamo iniziato a misurare e registrare dati dal campo.
È possibile riconoscere in Figura 7 la tensione delle tre fasi AC e la funzionalità di alcuni tiristori. Un tiristore è un dispositivo semiconduttore a quattro strati composto da materiali alternati di tipo P e N per applicazioni ad alta potenza. Di solito ha tre elettrodi:
Un anodo
Un catodo
Un gate, anche conosciuto come elettrodo di controllo.
Soluzione: Architettura e Setup
Per questo sistema, abbiamo scelto una configurazione con più prodotti provenienti dalla famiglia Dewesoft poiché avevamo bisogno di 160 ingressi digitali e 32 uscite analogiche con un'impedenza di uscita fino a 10 MOhm.
Le condizioni poste dal cliente per condurre il monitoraggio sono le seguenti:
Il sistema deve funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, senza interruzioni
L'acquisizione dati e l'analisi devono funzionare separatamente
Impedenza di ingresso di 10 Mohm per i canali analogici per evitare disturbi sul sistema di monitoraggio della centrale elettrica.
GPS per la sincronizzazione
Possibilità di esportare in Comtrade
Dashboard custom per la visualizzazione di differenti errori
Allarmi devono essere integrati con SCADA
File Dewesoft .dxd deve contenere codici di errore
Per raggiungere le specifiche richieste, abbiamo offerto la seguente soluzione:
2 x SIRIUSie-HD-16xLV Ethercat DAQ con 10 MOhm di impedenza di uscita.
1 x IOLITE R8 chassis con 5x IOLITEi-32xDI schede digitali.
1 x PC server industriale per eseguire DEWESoft 24/7
1 x desktop PC per raccogliere dati dal server
La soluzione, completamente configurabile e personalizzabile, è stata IOLITE R8 con cinque schede IOLITEi-32xDI per gli ingressi digitali e la scheda SIRIUSie-HD-16xLV per gli ingressi analogici - vedi Figura 8.
Customizzazione
Una delle richieste del cliente era che la nostra soluzione gestisse gli avvisi e li integrasse con il loro sistema di monitoraggio SCADA interno.
Abbiamo dovuto suddividere gli avvisi in gruppi in base al tipo di guasto. Anche i file registrati da Dewesoft dovevano seguire la stessa procedura, con il tipo di avviso incluso nel nome.
Il nostro sviluppatore presso LEANE ha scritto un plugin personalizzato chiamato LIAlarmManager. Il plugin gestisce queste azioni, collegando Dewesoft con il sistema SCADA e rinominando tutti i file registrati da Dewesoft in base all'errore che si verifica - vedi Figura 11.
Conclusioni
Il sistema DEWESoft proposto è stato installato più di un anno fa e da allora monitora costantemente i guasti sulla linea elettrica 24 ore al giorno.
Tramite il software DEWESoftX e una configurazione personalizzata, il cliente può in maniera semplice individuare rapidamente i problemi sulla linea e intervenire prontamente per risolvere i guasti.
Attraverso un meccanismo di registrazione attivato da trigger, DEWESoft salva i dati su disco e registra solo quando si verifica un evento. Utilizzando la funzionalità multi-display di DEWESoft, ogni guasto ha il proprio display dedicato che mostra solo i canali rilevanti. Questo permette al cliente di visualizzare in tempo reale l’evento e consente di comprendere facilmente cosa è accaduto e perché.
Infine, grazie alla piena compatibilità di DEWESoft con i principali strumenti di programmazione, Leane è stato in grado di integrare i dati con il sistema SCADA del cliente tramite un plugin personalizzato.