BR102015026911B1 - Sistema para monitorar e controlar a operação de turbinas eólicas - Google Patents
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Abstract
SISTEMA PARA MONITORAR E CONTROLAR A OPERAÇÃO DE TURBINAS EÓLICAS. Em um aspecto, um sistema (100) para monitorar e controlar a operação de turbinas eólicas (10) localizadas dentro de um parque eólico (102) pode incluir, em geral, uma primeira e uma segunda turbinas eólicas (10). A primeira turbina eólica (10) pode incluir um primeiro controlador de turbina (26) configurado para monitorar um parâmetro(s) de operação associado(s) com a primeira turbina eólica (10) e fornecer uma primeira interface de controle para controlar a operação da primeira turbina eólica (10). A segunda turbina eólica (10) pode incluir um segundo controlador de turbina (26) configurado para monitorar um parâmetro(s) de operação associado(s) com a segunda turbina eólica (10) e fornecer uma segunda interface de controle para controlar a operação da segunda turbina eólica (10). O sistema (100) também pode incluir um dispositivo de computação secundário (150) acoplado ao segundo controlador de turbina (26). O segundo controlador de turbina (26) pode ser configurado para fornecer ao dispositivo de computação secundário (150) acesso à primeira interface de controle a fim de permitir que a operação da primeira turbina eólica (10) seja controlada.
Description
[001] A presente invenção refere-se, em geral, a turbinas eólicas localizadas dentro de um parque eólico e, mais particularmente, a um sistema e um método que permite que a operação de turbinas eólicas seja monitorada e/ou controlada tanto remotamente através de um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) fora do local quanto localmente através de acesso fornecido a partir de controladores de turbina individuais.
[002] Um parque eólico consiste tipicamente em um grupo de turbinas eólicas interconectadas disposto em um dado local de parque. O parque eólico pode incluir um grupo de duas turbinas eólicas ou um grupo de centenas de turbinas eólicas, com as turbinas espalhadas sobre uma área pequena (por exemplo, diversas centenas de metros quadrados) ou sobre uma área estendida (por exemplo, centenas de quilômetros quadrados). Como é entendido em geral, o local de parque tipicamente corresponde a uma localização ou área que fornece a quantidade desejada de exposição ao vento, que pode ser uma localização em alto mar ou uma localização em terra firme.
[003] As turbinas eólicas dentro de um parque eólico são monitoradas e controladas tipicamente com o uso de um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) que é alojado dentro de uma estação de controle localizada no local de parque eólico. Especificamente, para cada instalação de parque eólico, uma estação de controle individual é construída ou instalada tipicamente no local que inclui uma quantidade grande de equipamento de computação, ligações em rede e equipamento de comunicação e outro equipamento que possibilita que o sistema SCADA monitore e controle localmente a operação das turbinas eólicas. Por exemplo, o controlador de turbina alojado dentro de cada turbina eólica pode ser acoplado de modo comunicativo a vários dispositivos de computação localizados dentro da estação de controle no local. Os dispositivos de computação de estação de controle podem então implantar o sistema SCADA ao coletar dados de operação dos controladores de turbina e transmitir sinais de controle aos controladores de turbina para controlar a operação de suas turbinas eólicas correspondentes.
[004] Infelizmente, o custo de instalação da estação de controle no local é tipicamente muito dispendioso. Além disso, tal custo é tipicamente o mesmo independentemente de se dez turbinas eólicas ou duzentas turbinas eólicas são contidas dentro do parque eólico. Consequentemente, estações de controle no local que implantam sistemas SCADA contribuem de modo significativo para as despesas gerais relacionadas a instalação e manutenção de um parque eólico.
[005] Desse modo, um sistema e um método melhorados que permitem que múltiplos parques eólicos sejam monitorados e controlados eficaz e eficientemente a partir de um sistema SCADA único fora do local seriam bem- vindos na tecnologia. Ao fazer isso, uma necessidade também existe para que o sistema e o método possam acomodar questões de conectividade de rede entre o sistema SCADA fora do local e um dado parque eólico para assegurar que o parque eólico possa continuar a ser mantido apesar de uma perda de conexão com o sistema SCADA remoto.
[006] Realizações e vantagens da invenção serão apresentadas em parte na seguinte descrição, ou podem ser óbvios a partir da descrição, ou podem ser aprendidos através da prática da invenção.
[007] Em uma realização, a presente invenção é direcionada a um sistema para monitorar e controlar a operação de turbinas eólicas localizadas dentro de um parque eólico. O sistema pode incluir, em geral, uma primeira turbina eólica e uma segunda turbina eólica localizadas dentro do parque eólico. A primeira turbina eólica pode incluir um primeiro controlador de turbina configurado para monitorar um ou mais parâmetros de operação associados com a primeira turbina eólica e fornecer uma primeira interface de controle para controlar a operação da primeira turbina eólica. A segunda turbina eólica pode incluir um segundo controlador de turbina configurado para monitorar um ou mais parâmetros de operação associados com a segunda turbina eólica e fornecer uma segunda interface de controle para controlar a operação da segunda turbina eólica. O segundo controlador de turbina também pode incluir um processador e uma memória associada. A memória pode armazenar instruções que, quando implantadas pelo processador, configuram o segundo controlador de turbina para acessar dados a partir do primeiro controlador de turbina. Além disso, o sistema pode incluir um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) fora do local localizado remotamente ao parque eólico. O sistema SCADA fora do local pode incluir um servidor acoplado de modo comunicativo aos controladores de primeira e segunda turbina. O servidor pode ser configurado para comunicar sinais de controle aos controladores de primeira e segunda turbina a fim de controlar a operação da primeira e da segunda turbinas eólicas. Ademais, o sistema SCADA fora do local pode ser configurado adicionalmente para receber dados associados com os parâmetros de operação monitorados pelos controladores de primeira e segunda turbina. Adicionalmente, quando a conectividade é perdida entre o parque eólico e o sistema SCADA fora do local, o segundo controlador de turbina pode ser configurado para acessar dados a partir do primeiro controlador de turbina associados com o um ou mais parâmetros de operação da primeira turbina eólica a fim de monitorar a operação da primeira turbina eólica.
[008] Em outra realização, a presente invenção é direcionada a um método para monitorar e controlar a operação de turbinas eólicas contidas dentro de um parque eólico, em que o parque eólico inclui uma primeira turbina eólica que tem um primeiro controlador de turbina e uma segunda turbina eólica que tem um segundo controlador de turbina. O método pode incluir, em geral, receber, com o primeiro controlador de turbina, uma indicação de uma perda de conectividade com um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) fora do local configurado para transmitir sinais de controle para os controladores de primeira e segunda turbina para controlar a operação da primeira e da segunda turbinas eólicas. Além disso, o método pode incluir o acesso a dados do segundo controlador de turbina associados com um ou mais parâmetros de operação da segunda turbina eólica e fornecer acesso a uma interface de controle do segundo controlador de turbina.
[009] Em uma realização adicional, a presente invenção é direcionada a um sistema para monitorar e controlar a operação de turbinas eólicas localizadas dentro de um parque eólico. O sistema pode incluir, em geral, uma primeira turbina eólica e uma segunda turbina eólica. A primeira turbina eólica pode incluir um primeiro controlador de turbina configurado para monitorar um ou mais parâmetros de operação associados com a primeira turbina eólica e fornecer uma primeira interface de controle para controlar a operação da primeira turbina eólica. A segunda turbina eólica pode incluir um segundo controlador de turbina configurado para monitorar um ou mais parâmetros de operação associados com a segunda turbina eólica e fornecer uma segunda interface de controle para controlar a operação da segunda turbina eólica. O segundo controlador de turbina pode incluir um processador e uma memória associada. A memória pode armazenar instruções que, quando implantadas pelo processador, configuram o segundo controlador de turbina para fornecer acesso à primeira interface de controle do primeiro controlador de turbina. Além disso, o sistema pode incluir um dispositivo de computação secundário acoplado de modo comunicativo ao segundo controlador de turbina através de uma rede. O segundo controlador de turbina pode ser configurado para fornecer ao dispositivo de computação secundário acesso à primeira interface de controle a fim de permitir que a operação da primeira turbina eólica seja controlada pelo dispositivo de computação secundário.
[010] Essas e outras funções, realizações e vantagens da presente invenção serão melhor entendidas com referência a seguinte descrição e reivindicações anexas. Os desenhos anexos, os quais são incorporados nesse relatório descritivo e constituem uma parte do mesmo, ilustram realizações da invenção e, junto com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.
[011] Uma descrição completa e permissiva da presente invenção, que inclui o melhor modo da mesma, direcionada a um técnico no assunto, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às Figuras anexas, nas quais: A Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma realização de uma turbina eólica; A Figura 2 ilustra uma vista interna em perspectiva de uma realização de uma nacela adequada para uso com a turbina eólica mostrada na Figura 1; A Figura 3 ilustra uma vista simplificada de uma realização de um sistema para monitorar e controlar a operação de turbinas eólicas localizadas dentro de um parque eólico de acordo com realizações da presente invenção; A Figura 4 ilustra uma vista esquemática de vários componentes do sistema mostrado na Figura 3; e A Figura 5 ilustra um fluxograma de uma realização de um método para monitorar e controlar a operação de turbinas eólicas localizadas dentro de um parque eólico de acordo com realizações da presente invenção.
[012] Referências serão feitas agora em detalhes às realizações da invenção, sendo que um ou mais exemplos da mesma estão ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido através de explicações da invenção, não como limitação da invenção. De fato, será aparente para os técnicos no assunto que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo da invenção. Por exemplo, recursos ilustrados ou descritos como parte de uma realização podem ser usados com outra realização para render ainda uma realização adicional. Desse modo, a presente invenção é destinada a cobrir tais modificações e variações, conforme incluídas no escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.
[013] Em geral, a presente invenção é direcionada a um sistema e um método para monitorar e controlar a operação de turbinas eólicas localizadas dentro de um parque eólico. Especificamente, em diversas realizações, um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) fora do local pode ser estabelecido em dados ou centro de controle dados. O sistema SCADA fora do local pode, então, ser acoplado de modo comunicativo a um ou mais parques eólicos remotos para permitir que o sistema SCADA monitore e controle remotamente a operação das várias turbinas eólicas contidas dentro do(s) parque(s) eólico(s).
[014] Ao fornecer um sistema SCADA fora do local que serve uma pluralidade de parques eólicos diferentes, os custos para instalar e manter a estação de controle centralizada podem ser compartilhados entre todos os parques eólicos, assim reduzindo os custos gerais para operar cada parque eólico individual. Além disso, o sistema SCADA fora do local compartilhado pode fornecer um meio mais eficaz para instalar atualizações de software, visto que a atualização precisa ser apenas instalada na estação de controle centralizada oposta a cada estação de controle individual no local.
[015] Adicionalmente, de acordo com realizações da presente invenção, cada controlador de turbina dentro de um dado parque eólico pode ser dotado de instruções legíveis por computador adequadas ou software que permite que o controlador de turbina implante localmente uma ou mais das funções do sistema SCADA fora do local. Como tal, quando uma conectividade é perdida entre o sistema SCADA e o parque eólico, qualquer um dos controladores de turbina pode ser utilizado para coletar dados associados com a operação das várias turbinas eólicas dentro do parque eólico e/ou para fornecer acesso para controlar a operação das várias turbinas eólicas. Por exemplo, o software instalado nos controladores de turbina pode permitir que cada controlador de turbina forneça um acesso operacional (por exemplo, através de um dispositivo de computação associado) para a Interface Homem- Máquina (HMI) (também chamada no presente documento de interface de controle) de todos os outros controladores de turbina dentro do parque eólico (por exemplo, através de uma ligação adequado), fornecendo assim meios para o operador para controlar localmente a operação de cada turbina eólica. Além disso, o software instalado nos controladores de turbina pode permitir que cada controlador de turbina relate ou monitore um ou mais parâmetros de operação associados com as turbinas eólicas localizadas dentro do parque eólico. Por exemplo, em uma realização, cada controlador de turbina pode ser configurado para acessar dados de todos os outros controladores de turbina que estão associados com um ou mais indicadores de desempenho chave de todas as turbinas eólicas dentro do parque eólico, como o estado de falha de cada turbina eólica, uma velocidade de rotação de cada turbina eólica, a velocidade de vento em ou adjacente a cada turbina eólica e/ou saída de potência de cada turbina eólica.
[016] Agora, em referência aos desenhos, a Figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma realização da turbina eólica 10 de acordo com realizações da presente invenção. Conforme mostrado, a turbina eólica 10 inclui, em geral, a torre 12, a qual se estende a partir da superfície de sustentação 15, a nacela 16 montada na torre 12 e o rotor 18 acoplado à nacela 16. O rotor 18 inclui um cubo rotatório 20 e pelo menos uma palheta de rotor 22 acoplada ao cubo 20 e que se estende para fora a partir do mesmo. Por exemplo, na realização ilustrada, o rotor 18 inclui três palhetas de rotor 22. No entanto, em uma realização alternativa, o rotor 18 pode incluir mais ou menos do que três palhetas de rotor 22. Cada palheta de rotor 22 pode estar separada ao redor do cubo central 20 para facilitar a rotação do rotor 18 para possibilitar que a energia cinética seja transferida do vento em energia mecânica útil e, subsequentemente, em energia elétrica. Por exemplo, o cubo 20 pode ser acoplado de modo rotatório ao gerador elétrico 24 (Figura 2) posicionado dentro da nacela 16 para permitir que energia elétrica seja produzida.
[017] A turbina eólica 10 também pode incluir um sistema de controle de turbina ou o controlador de turbina 26 centralizado dentro da nacela 16 (ou disposto em qualquer outra localização adequada dentro e/ou em relação à turbina eólica 10). Em geral, o controlador 26 pode compreender um computador ou outra unidade de processamento adequada. Portanto, em diversas realizações, o controlador 26 pode incluir instruções adequadas legíveis por computador que, quando implantadas, configuram o controlador 26 de modo a desempenhar várias funções diferentes, como receber, transmitir e/ou executar sinais de controle de turbina eólica. Desse modo, o controlador 26 pode ser configurado, em geral, para controlar os vários modos de operação (por exemplo, sequências de inicialização ou desligamento) e/ou componentes da turbina eólica 10. Por exemplo, o controlador 26 pode ser configurado para ajustar a inclinação de palheta ou o ângulo de inclinação de cada palheta de rotor 22 (isto é, um ângulo que determina a perspectiva da palheta 22 em relação à direção do vento) em torno do seu eixo geométrico de passo 28, a fim de controlar a velocidade de rotação da palheta de rotor 22 e/ou a saída de energia gerada pela turbina eólica 10. Por exemplo, o controlador de turbina 26 pode controlar o ângulo de passo das palhetas de rotor 22, individual ou simultaneamente, ao transmitir sinais de controle adequados a um ou mais acionamentos de passo ou mecanismos de ajuste de passo 32 (Figura 2) da turbina eólica 10.
[018] Agora com referência à Figura 2, uma vista interna simplificada de uma realização da nacela 16 da turbina eólica 10 mostrada na Figura 1 é ilustrada. Conforme mostrado, o gerador 24 pode ser disposto dentro da nacela 16. Em geral, o gerador 24 pode ser acoplado ao rotor 18 para a produção de potência elétrica a partir da energia de rotação gerada pelo rotor 18. Por exemplo, conforme mostrado na realização ilustrada, o rotor 18 pode incluir o eixo de rotor 38 acoplado ao cubo 20 para, com isso, realizar rotação. O eixo de rotor 38 pode, por sua vez, ser acoplado de modo rotatório ao eixo de gerador 40 do gerador 24 através da caixa de engrenagens 42. Conforme é, em geral, entendido, o eixo de rotor 38 pode fornecer uma entrada de velocidade baixa e torque alto à caixa de engrenagens 38 em resposta à rotação das palhetas de rotor 22 e do cubo 20. A caixa de engrenagens 42 pode então ser configurada para converter a entrada de velocidade baixa e torque alto em uma saída de velocidade alta e torque baixo, para acionar o eixo de gerador 40 e, desse modo, o gerador 24.
[019] Adicionalmente, conforme indicado acima, o controlador de turbina 26 também pode ser localizado dentro da nacela 16 (por exemplo, dentro de uma caixa ou painel de controle). Entretanto, em outras realizações, o controlador de turbina 26 pode ser localizado dentro de qualquer outro componente da turbina eólica 10 ou em uma localização fora da turbina eólica. Conforme é, em geral, entendido, o controlador de turbina 26 pode ser acoplado de modo comunicativo a qualquer número dos componentes da turbina eólica 10 a fim de controlar a operação de tais componentes. Por exemplo, conforme indicado acima, o controlador 26 pode ser acoplado de modo comunicativo a cada mecanismo de ajuste de passo 32 da turbina eólica 10 (um para cada palheta de rotor 22) através de um controlador de passo para facilitar a rotação de cada palheta de rotor 22 em torno de seu eixo geométrico de passo 28.
[020] Além disso, o controlador de turbina 26 também pode ser acoplado de modo comunicativo a um ou mais sensores para monitorar vários parâmetros de operação da turbina eólica 10. Por exemplo, em diversas realizações, a turbina eólica 10 pode incluir um ou mais sensores de gerador 64 configurados para monitorar um ou mais parâmetros de operação relacionados ao gerador da turbina eólica 10, como a saída de potência do gerador 24, a velocidade de rotação do gerador 24, o torque de gerador e/ou similar. De modo similar, o controlador de turbina 26 pode ser acoplado de modo comunicativo a um ou mais sensores eólicos 68 para monitorar uma ou mais condições de vento da turbina eólica 10, como a velocidade de vento, a direção de vento, a turbulência ou intensidade de turbulência do vento e/ou similares.
[021] Claro, a turbina eólica 10 pode ainda incluir vários outros sensores adequados para monitorar quaisquer outros parâmetros operacionais adequados da turbina eólica 10. Por exemplo, a turbina eólica 10 pode incluir um ou mais sensores de carga (não mostrados) para monitorar as cargas que atuam em uma ou mais dos componentes da turbina eólica (por exemplo, as cargas que atuam nas palhetas 22, no cubo 22 e/ou na torre 12), um ou mais sensores de eixo (não mostrados) configurados para monitorar um ou mais parâmetros de operação relacionados ao eixo da turbina eólica 10 (por exemplo, deflexão ou a velocidade de rotação do eixo de rotor 38) e/ou similares. Deve ser notado que os vários sensores descritos no presente documento podem corresponder aos sensores pré-existentes da turbina eólica 10 e/ou sensores que foram instalados especificamente dentro da turbina eólica 10 para permitir que um ou mais parâmetros de operação sejam monitorados.
[022] Também deve ser notado que, conforme usado no presente documento, o termo “monitorar” e variações do mesmo indicam que os vários sensores da turbina eólica 10 podem ser configurados para fornecer uma medição direta ou indireta dos parâmetros de operação monitorados. Desse modo, os sensores podem, por exemplo, ser usados para gerar sinais em relação ao parâmetro de operação monitorado, que pode então ser utilizado pelo controlador de turbina 26 (ou qualquer outro controlador ou dispositivo de computação adequado) para determinar o parâmetro de operação real.
[023] Agora com referência à Figura 3, uma realização do sistema 100 para monitorar e controlar a operação de turbinas eólicas 10 localizadas dentro do parque eólico 102 é ilustrada de acordo com realizações da presente invenção. Em geral, o sistema 100 pode incluir o parque eólico 102 que contém uma pluralidade de turbinas eólicas 10 e o sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) fora do local 104 acoplado de modo comutativo às turbinas eólicas 10 localizadas dentro do parque eólico 102. Na realização ilustrada, o parque eólico 102 é mostrado simplesmente como incluindo quatro turbinas eólicas 10. Entretanto, deve ser notado prontamente por técnicos no assunto que o parque eólico 102 pode incluir qualquer outro número de turbinas eólicas 10, como superior a quatro turbinas eólicas 10 ou até mesmo inferior a quatro turbinas eólicas 10. Por exemplo, é comum para parques eólicos 102 incluírem cinquenta ou mais turbinas eólicas 10 ou até mesmo cem ou mais turbinas eólicas 10.
[024] Também deve ser notado que cada turbina eólica 10 localizada dentro do parque eólico 102 pode ser configurada, em geral, de modo igual ou similar à turbina eólica 10 descrita acima com referência às Figuras 1 e 2. Por exemplo, cada turbina eólica 10 pode incluir a torre 12 que se estende da superfície de sustentação 14, a nacela 16 montada na torre 12, e o rotor 18 acoplado à nacela 16, com o rotor 18 que compreende o cubo rotatório 20 e uma ou mais palhetas de rotor 22. Adicionalmente, cada turbina eólica 10 pode incluir o controlador de turbina 26 configurado para monitorar os parâmetros de operação da turbina, assim como fornecer uma Interface Homem-Máquina (HMI) ou interface de controle para controlar a operação da turbina eólica 10.
[025] Em diversas realizações, cada controlador de turbina 26 pode ser acoplado de modo comunicativo a todos os outros controladores de turbina 26 dentro do parque eólico 102 através da rede de parque eólico local 106. Em geral, a rede de parque eólico 106 pode corresponder a qualquer rede com ou sem fio adequada que permite que os vários controladores de turbina 26 se comuniquem entre si através de qualquer protocolo de comunicações adequado (por exemplo TCP/IP, HTTP, SMTP, FTP) e/ou com uso de quaisquer codificações/ formatos adequados (por exemplo HTML, XML) e/ou esquemas de proteção (por exemplo VPN, HTTP seguro, SSL). Por exemplo, em uma realização, a rede de parque eólico 106 pode corresponder a uma rede de área local (LAN).
[026] Conforme indicado acima, o sistema 100 também pode incluir um sistema SCADA fora do local 104 localizado remotamente ao parque eólico 102. Por exemplo, em diversas realizações, o sistema SCADA 104 pode ser localizado em dados remotos ou centro de controle 108, como um centro de dados dedicado a computação de alojamento e equipamento de rede/comunicações. Entretanto, em outras realizações, o sistema SCADA 104 pode ser disposto em qualquer outra localização remota adequada.
[027] Em geral, o sistema SCADA fora do local 104 pode ser configurado para monitorar remota e dinamicamente e/ou controlar a operação das várias turbinas eólicas 10 localizadas dentro do parque eólico 102. Especificamente, conforme será descrito abaixo, o sistema SCADA 104 pode incluir vários componentes, como um ou mais dispositivos de computação (por exemplo, um ou mais servidores) e/ou equipamento de rede/comunicações relacionado, que permitem que o sistema 104 forneça a funcionalidade descrita no presente documento. Por exemplo, o(s) servidor(es) pode(m) ser configurado(s) para coletar dados dos vários controladores de turbina 26 que são associados com um ou mais dos parâmetros monitorados de operação das turbinas eólicas 10. Além disso, o(s) servidor(es) pode(m) ser configurado(s) para fornecer uma Interface Homem-Máquina (HMI) que permite a apresentação dos dados coletados para o operador remoto do parque eólico 102. Utilizando- se a HMI, o operador pode tanto monitorar quanto controlar a operação de cada turbina eólica 10 dentro do parque eólico 102. Por exemplo, com base no(s) parâmetro(s) de operação monitorado(s) de turbina(s) eólica(s) 10 dada(s), o operador pode utilizar a HMI para instruir o(s) controlador(es) de turbina 26 associado(s) a ajustar a operação da(s) turbina(s) eólica(s) 10. Em tal caso, o(s) servidor(es) pode(m) ser configurado(s) para transmitir comando(s) de controle adequado(s) para o(s) controlador(es) de turbina 26 apropriado(s) a fim de ajustar a operação da(s) turbina(s) eólica(s) 10 de acordo com as instruções do operador.
[028] Deve ser notado que o sistema SCADA fora do local 104 pode servir, em geral, como o “centro nervoso” para o parque eólico 102. Especificamente, o sistema SCADA 104 pode ser configurado para analisar continuamente as informações relacionadas a desempenho adquiridas a partir de cada controlador de turbina 26 e apresentar tais informações para o operador através da HMI. Como resultado, o operador pode ser permitido a controlar dinamicamente a operação das várias turbinas eólicas 10 contidas dentro do parque eólico 102. Além disso, o sistema SCADA 104 também pode ser configurado para armazenar todas as informações relacionadas a desempenho fornecidas pelos controladores de turbina 26, o que pode permitir que o sistema 104 analise o desempenho de cada turbina eólica 10 ao longo do tempo. Tais dados agregados por tempo podem permitir que uma manutenção periódica e/ou ações corretivas sejam programadas/implantadas assim como fornecer meios para monitorar o parque eólico 102 com relação a suas exigências de desempenho a longo prazo.
[029] Para fornecer tal aquisição de dados e controle operacional remotos, deve ser notado que o sistema SCADA fora do local 104 pode ser configurado, em geral, para ser acoplado a cada controlador de turbina 26 dentro do parque eólico 102 (por exemplo, através da rede de parque eólico local 106) através da rede 110 adequada. Em geral, a rede 110 pode corresponder a qualquer rede com ou sem fio adequada que permite que o sistema SCADA 104 se comunique com os vários controladores de turbina 26 através de qualquer protocolo de comunicações adequado (por exemplo TCP/IP, HTTP, SMTP, FTP) e/ou pelo uso de quaisquer codificações/ formatos adequados (por exemplo HTML, XML) e/ou esquemas de proteção (por exemplo VPN, HTTP seguro, SSL). Por exemplo, em uma realização, a rede 110 pode corresponder a uma rede de área ampla (WAN).
[030] Também deve ser notado que, embora o sistema 100 tenha sido descrito, em geral, acima com referência ao parque eólico 102 único, o sistema SCADA fora do local associado 104 pode ser configurado, em geral, para ser acoplado de modo comunicativo a qualquer número de parques eólicos 102. Por exemplo, conforme mostrado na Figura 3, o sistema SCADA 104 pode ser configurado para servir como o “centro nervoso” para uma pluralidade de parques eólicos diferentes 102 localizada em uma pluralidade de localizações diferentes de modo que o desempenho de todas as turbinas eólicas localizadas dentro dos vários parques eólicos 102 possam ser monitoradas e controladas a partir de uma localização única.
[031] Adicionalmente, em diversas realizações, um operador do dado parque eólico 102 pode ser configurado para se comunicar tanto com o sistema SCADA fora do local 104 quanto com os controladores de turbina individuais 26 através do dispositivo de computação de cliente separado 150. Especificamente, conforme mostrado na Figura 3, o dispositivo de cliente 150 pode ser configurado para se conectar à rede de parque local 106 e/ou à rede 110, permitindo assim que o dispositivo 150 ganhe acesso ao sistema SCADA 104 e/ou aos controladores de turbina 26. Por exemplo, conforme será descrito abaixo, quando uma conectividade de rede é perdida entre o sistema SCADA 104 e o parque eólico, o operador pode utilizar seu dispositivo de cliente 150 para se conectar a um dos controladores de turbina 26, o que pode permitir então que o operador monitore a operação de todas as turbinas eólicas 10 dentro do parque eólico 102 e/ou ganhe acesso à interface de controle fornecida por cada controlador de turbina 26.
[032] Agora com referência à Figura 4, uma vista esquemática do sistema 100 mostrado na Figura 3 é ilustrada de acordo com realizações da presente invenção. Conforme mostrado na Figura 4, o sistema SCADA fora do local 104 pode incluir um ou mais servidores 112 configurados para se comunicar com cada controlador de turbina 26 dentro do parque eólico 102 através da rede 110. Por exemplo, em diversas realizações, o sistema SCADA 104 pode ser implantado dentro de um parque de servidor que inclui uma pluralidade de servidores 112, com cada servidor 112 configurado para se comunicar com os controladores de turbina 26 localizados dentro de um ou mais parques eólicos 102. Em geral, cada servidor 112 pode corresponder a e/ou ser associado com um dispositivo de computação ou qualquer outra unidade de processamento adequada. Deve ser notado que, conforme usado no presente documento, o termo “servidor” pode corresponder a dispositivos de computação físicos ou máquinas virtuais hospedadas nos dispositivos de computação físicos.
[033] Conforme é particularmente mostrado na Figura 4, cada servidor 112 pode incluir, em geral, e/ou ser associado com um ou mais processador(es) 114 e memória associada 116 configurada para desempenhar uma variedade de funções implantadas por computador (por exemplo, desempenhar os métodos, etapas, cálculos e similares descritos no presente documento). Conforme usado neste ano, o termo "processador" se refere não somente a circuitos integrados chamados na técnica como sendo incluídos em um computador, mas também se refere a um controlador, um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um circuito integrado específico a uma aplicação, e outros circuitos programáveis. Adicionalmente, a memória 116 pode compreender, em geral, elemento(s) de memória que inclui(em), porém sem limitação, meio legível por computador (por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM)), meio não volátil legível por computador (por exemplo, uma memória rápida), um disquete, um disco compacto de memória somente de leitura (CD-ROM), um disco óptico-magnético (MOD), um disco digital versátil (DVD) e/ou outros elementos de memória adequados. Tal memória 116 pode ser configurada, em geral, para armazenar informações acessíveis ao(s) processador(es) 114, incluindo dados 118 que podem ser recuperados, manipulados, criados e/ou armazenados pelo(s) processador(es) 114 e instruções 120 que podem ser executadas pelo(s) processador(es) 114.
[034] Em diversas realizações, os dados 118 podem ser armazenados em um ou mais bancos de dados. Por exemplo, a memória 116 pode incluir um banco de dados de desempenho (não mostrado) que inclui dados de desempenho coletados para as várias turbinas eólicas 10 contidas dentro do parque eólico 102. Especificamente, conforme indicado acima, cada controlador de turbina 26 pode ser configurado para monitorar vários parâmetros de operação associados com o desempenho de operação de sua turbina eólica associada 10. Como tal, dados relacionados a desempenho podem ser transmitidos a partir de cada controlador de turbina 26 ao(s) servidor(es) 112 (por exemplo, através da rede 110) e armazenados subsequentemente dentro do banco de dados de desempenho.
[035] Adicionalmente, em diversas realizações, as instruções 120 armazenadas dentro da memória 116 de cada servidor 112 podem ser executadas pelo(s) processador(es) 114 para implantar o módulo de SCADA 122. Em geral, o módulo de SCADA 122 pode ser configurado para permitir que o sistema SCADA fora do local 104 monitore e controle a operação das várias turbinas eólicas 10 localizadas dentro do parque eólico 102. Por exemplo, o módulo de SCADA 122 pode ser configurado para receber, ordenar e/ou processar de outro modo os dados de desempenho transmitidos a partir dos controladores de turbina 26. Além disso, o módulo de SCADA 122 pode ser configurado para fornecer uma HMI adequada para permitir que um operador visualize os dados de desempenho associados com a(s) dada(s) turbina(s) eólica(s) 10 e para controlar a operação de tal(tais) turbina(s) eólica(s) 10. Por exemplo, o módulo de SCADA 122 pode ser configurado para acessar a HMI individual ou interface de controle de cada controlador de turbina 26 e, com base em entradas adequadas fornecidas pelo operador, transmitir comandos de controle adequados para o controlador de turbina 26 para ajustar a operação de sua turbina eólica associada 10.
[036] Conforme mostrado na Figura 4, cada servidor 112 também pode incluir uma rede ou a interface de comunicações 124 para permitir que o servidor 112 se comunique através da rede 110. Em geral, a interface de comunicações 124 pode corresponder a qualquer dispositivo/meio adequado que permite que o servidor 112 faça interface com a rede 110.
[037] Adicionalmente, de modo similar ao(s) servidor(es) 112, cada controlador de turbina 26 também pode incluir um ou mais processador(es) 130 e memória associada 132. Tal memória 132 pode ser configurada, em geral, para armazenar informações acessíveis ao(s) processador(es) 130, incluindo dados 134 que podem ser recuperados, manipulados, criados e/ou armazenados pelo(s) processador(es) 130 e instruções 136 que podem ser executadas pelo(s) processador(es) 130. Por exemplo, em diversas realizações, os dados 134 podem ser armazenados em um ou mais bancos de dados, como um banco de dados de desempenho (não mostrado) que armazena informações em relação a um ou mais parâmetros de operação da turbina eólica associada 10.
[038] Ademais, em diversas realizações, as instruções 136 armazenadas dentro da memória 132 de cada controlador de turbina 26 podem ser executadas pelo(s) processador(es) 130 para implantar uma cópia de segurança ou o módulo de SCADA secundário 138. Em geral, o módulo de SCADA secundário 138 pode ser configurado para permitir que o controlador de turbina 26 desempenhe localmente a mesma função ou funções similares àquelas desempenhadas pelo sistema SCADA fora do local 104, o que pode ser particularmente vantajoso quando o parque eólico 102 perder conectividade para o sistema SCADA 104 (por exemplo, quando a rede 110 estiver inoperante). Por exemplo, o módulo de SCADA secundário 138 pode ser configurado para permitir que o controlador de turbina 26 sirva como uma unidade de aquisição de dados para coletar e/ou monitorar os parâmetros de operação de todas as turbinas eólicas 10 dentro do parque eólico 102. Além disso, o módulo de SCADA secundário 138 pode permitir que o controlador de turbina 26 forneça acesso à HMI ou interface de controle de todos os outros controladores de turbina 26 conectados à rede de parque eólico local 106. Por exemplo, o módulo de SCADA secundário 138 pode fornecer uma HMI ou interface de controle que se liga a todas as outras HMI ou interface de controle dentro do parque 102. Como resultado, o módulo de SCADA secundário 138 pode servir como meios para um operador ou técnico para gerenciar localmente todas as turbinas eólicas 10 dentro do parque eólico 102.
[039] Em uma realização, o módulo de SCADA secundário 138 implantado em um dado controlador de turbina 26 pode ser configurado para fornecer exatamente a mesma funcionalidade que o módulo de SCADA 122 implantado pelo(s) servidor(es) 122 que executam o sistema SCADA fora do local 104. Entretanto, dadas as limitações de armazenamento e/ou processamento associadas com muitos controladores de turbina 26, o módulo de SCADA secundário 148 pode, em realizações alternativas, corresponder a uma versão mais significativamente leve do módulo de SCADA 122 implantado pelo(s) servidor(es) 112. Por exemplo, em uma realização particular, o módulo de SCADA secundário 138 pode apenas configurar o dado controlador de turbina 26 para coletar e/ou monitorar certos dados de outros controladores de turbina 26 dentro do parque eólico 102 que é relacionado a indicadores de desempenho chave, como o estado de falha de cada turbina eólica 10, a velocidade de vento associada com cada turbina eólica 10, a velocidade de operação de rotação de cada turbina eólica 10, a saída de potência de cada turbina eólica 10 e/ou similares.
[040] Ademais, como mostrado na Figura 4, cada controlador de turbina 26 também pode incluir uma rede ou interface de comunicações 140 para fornecer comunicações através da rede de parque eólico local 106 e/ou da rede 110. De modo similar à interface 124 para o(s) servidor(es) 112, a interface de comunicações 140 pode ser, em geral, qualquer dispositivo/meio que permite que o controlador de turbina 26 faça interface com a rede de parque eólico 106 e/ou a rede 110.
[041] Adicionalmente, conforme indicado acima, o dispositivo de cliente 150 pode ser configurado para se conectar à rede de parque local 106 e/ou à rede 110 para permitir que o operador use o dispositivo 150 para se comunicar remotamente ou localmente com o(s) servidor(es) 112 do sistema SCADA fora do local 104 e/ou os controladores de turbina individuais 26. Em geral, o dispositivo de cliente 150 pode corresponder a qualquer dispositivo de computação adequado ou outra unidade de processamento adequada. Desse modo, o dispositivo de cliente 150 pode incluir um ou mais processador(es) 152 e a memória associada 154. De modo similar aos dispositivos de computação descritos acima, a memória 154 pode ser configurada, em geral, para armazenar informações acessíveis ao(s) processador(es) 152, incluindo dados que podem ser recuperados, manipulados, criados e/ou armazenados pelo(s) processador(es) 152 e instruções que podem ser executadas pelo(s) processador(es) 152. Adicionalmente, conforme mostrado na Figura 4, o dispositivo de cliente 150 pode incluir uma rede ou interface de comunicações 156 para fornecer comunicações através da rede de parque eólico local 106 e/ou da rede 110.
[042] De acordo com realizações da presente invenção, o dispositivo de cliente 150 pode ser utilizado por um operador para se comunicar com um ou mais dos controladores de turbina 26 quando uma conectividade de rede entre o sistema SCADA 104 e o parque eólico 102 for perdida, permitindo assim que o operador continue a monitorar e controlar as turbinas eólicas 10 localizadas dentro do parque eólico 102. Especificamente, em diversas realizações, quando uma conectividade de rede é perdida, o dispositivo de cliente 150 pode ser configurado para se comunicar com um dos controladores de turbina 26 que implantam o módulo de SCADA secundário 138. Como resultado, o operador pode visualizar os parâmetros monitorados de operação de todas as turbinas eólicas 10 dentro do parque eólico 102 através da interface fornecida pelo módulo de SCADA secundário 138. Além disso, conforme indicado acima, uma implantação do módulo de SCADA secundário 138 pode permitir que o controlador de turbina 26 forneça uma ligação que possibilita que um operador acesse a interface de controle de todos os outros controladores de turbina 26. Dado tal acesso, o operador pode então se comunicar diretamente com o controlador de turbina dado 26 através de seu dispositivo de cliente 150 a fim de controlar a operação da turbina eólica associada do controlador 10.
[043] Agora com referência à Figura 5, uma realização do método 200 para monitorar e controlar turbinas eólicas localizadas dentro de um parque eólico é ilustrado de acordo com realizações da presente invenção. Em general, o método 200 será descrito no presente documento em relação ao sistema 100 descrito acima em relação às Figuras 3 e 4, particularmente em um caso em que uma conectividade foi perdida entre o sistema SCADA fora do local 104 e o parque eólico 102. Entretanto, deve ser notado que realizações do método revelado 200 podem ser utilizados em qualquer caso, independentemente de questões de conectividade, para permitir que um operador se comunique com um ou mais controladores de turbina 26 a fim de monitorar e/ou controlar a operação de todas ou uma porção das turbinas eólicas 10 localizadas dentro do parque eólico 102. Além disso, embora a Figura 5 descreva etapas desempenhadas em uma ordem particular para propósitos de ilustração e discussão, os métodos discutidos no presente documento não são limitados a qualquer ordem ou disposição em particular. Um técnico no assunto, ao usar as realizações da presente invenção, notará que várias etapas dos métodos revelados no presente documento podem ser omitidas, reorganizadas, combinadas e/ou adaptadas em vários modos sem desviar do escopo da presente invenção.
[044] Conforme mostrado na Figura 5, em (202), o método 200 inclui receber, com um controlador de turbina localizado dentro do parque eólico (doravante chamado de “primeiro controlador de turbina”), uma indicação de uma perda de conectividade entre o parque eólico e um sistema SCADA fora do local. Em geral, qualquer sinal adequado ou entrada pode fornecer a indicação de que houve uma perda de conectividade entre o parque eólico 102 e o sistema SCADA fora do local 104. Por exemplo, em uma realização, cada controlador de turbina 26 pode ser configurado para perceber ou detectar automaticamente quando a conexão de dados para o sistema SCADA fora do local 104 for perdida. Alternativamente, a indicação pode corresponder a uma entrada de operador recebida por um dos controladores de turbina 26. Por exemplo, no evento de questões de conectividade, um operador pode instruir um dos controladores de turbina 26 para executar as instruções 136 armazenadas dentro de sua memória 132 para implantar o módulo de SCADA secundário associado 138 de modo a fornecer meios para monitorar e/ou controlar a operação de uma ou mais das turbinas eólicas 10 localizadas dentro do parque eólico 102.
[045] Adicionalmente, em (204), o método 200 inclui acessar, com o primeiro controlador de turbina, dados de um segundo controlador de turbina dentro do parque que é relacionado a um ou mais parâmetros de operação para uma turbina eólica associada com o segundo controlador de turbina. Especificamente, conforme indicado acima, o módulo de SCADA secundário 138 pode permitir que cada controlador de turbina 26 monitore todos ou alguns dos parâmetros de operação selecionados de todas as turbinas eólicas 10 dentro do parque eólico 102, como pela configuração do controlador de turbina dado 26 para monitorar um ou mais indicadores de desempenho chave das turbinas eólicas 10. Como resultado, um operador conectado ao primeiro controlador de turbina (por exemplo, através de seu dispositivo de cliente 150) pode acessar e visualizar o(s) parâmetro(s) de operação associado(s) com cada turbina eólica 10 dentro do parque eólico 102.
[046] Ademais, em (206), o método 200 inclui fornecer, com o primeiro controlador de turbina, acesso a uma interface de controle do segundo controlador de turbina. Especificamente, conforme indicado acima, uma implantação do módulo de SCADA secundário 138 pode permitir que cada controlador de turbina 26 forneça uma ligação à HMI ou interface de controle de todos os outros controladores de turbina 26 conectados à rede de parque eólico local 106. Tal ligação de interface pode então permitir que o operador (através de seu dispositivo de cliente 150) ganhe acesso à interface de controle de outro controlador de turbina 26. Como resultado, o operador pode visualizar e interagir com a interface de controle do outro controlador de turbina 26, permitindo assim que o operador controle diretamente a operação da turbina eólica 10 associada com tal outro controlador de turbina 26 através do dispositivo de cliente 150.
[047] Deve ser notado que realizações da presente invenção foram descritas no presente documento com referência a um operador em comunicação com um ou mais controladores de turbina 26 através de seu dispositivo de cliente 150 da primeira e da segunda turbinas a fim de monitorar e/ou controlar a operação de qualquer número de turbinas eólicas 10 localizadas dentro do parque eólico 102. Entretanto, em outras realizações, o módulo de SCADA secundário 138 implantado pelo dado controlador de turbina 26 pode permitir que o controlador 26 acesse a interface de controle de outro controlador de turbina 26 dentro do parque eólico 102 e controle subsequentemente de modo autônomo a operação da turbina eólica 10 associada com tal outro controlador de turbina 26. Especificamente, o controlador de turbina 26 que implanta o módulo de SCADA secundário 138 pode ser dotado de uma lista de parâmetros de operação mínima/máxima e/ou outros disparadores que podem ser referidos pelo controlador 26 quando são monitorados os parâmetros de operação de outras turbinas eólicas 10 dentro do parque eólico 102. Em tal realização, se um parâmetro de operação para uma turbina eólica dada excede um tal parâmetro máximo predeterminado ou cai abaixo de um parâmetro mínimo predeterminado (ou se qualquer outro evento de disparo ocorrer), o controlador 26 pode ser configurado para ganhar acesso à interface de controle associada com a turbina eólica 10 e implantar automaticamente uma ou mais ações corretivas a fim de ajustar a operação da turbina eólica 10.
[048] Essa descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para possibilitar que qualquer técnico no assunto pratique a invenção, inclusive fazer e usar quaisquer aparelhos ou sistemas, e a desempenhar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido por meio das reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Tais outros exemplos são planejados para estarem dentro do escopo das reivindicações se incluírem elementos estruturais que não se diferem da linguagem literal das reivindicações ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais a partir das linguagens literais das reivindicações.
Claims (7)
1. SISTEMA (100) PARA MONITORAR E CONTROLAR A OPERAÇÃO DE TURBINAS EÓLICAS (10) localizadas dentro de um parque eólico (102), o sistema (100) compreendendo: uma primeira turbina eólica (10) localizada dentro do parque eólico (102), em que a primeira turbina eólica (10) inclui um primeiro controlador de turbina (26) configurado para monitorar um ou mais parâmetros de operação associados com a primeira turbina eólica (10) e fornecer uma primeira interface de controle para controlar a operação da primeira turbina eólica (10); uma segunda turbina eólica (10) localizada dentro do parque eólico (102), em que a segunda turbina eólica (10) inclui um segundo controlador de turbina (26) configurado para monitorar um ou mais parâmetros de operação associados com a segunda turbina eólica (10) e fornecer uma segunda interface de controle para controlar a operação da segunda turbina eólica, em que o segundo controlador de turbina inclui um processador (130) e uma memória associada (132), em que a memória (132) armazena instruções (136) que, quando implantadas pelo processador (130), configuram o segundo controlador de turbina (26) para implementar um módulo SCADA secundário que permite a segunda turbina eólica a acessar dados do primeiro controlador de turbina (26) e acessar a primeira interface de controle do primeiro controlador de turbina; e um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) fora do local (104) localizado remotamente ao parque eólico (102), em que o sistema SCADA fora do local (104) inclui um servidor (112) acoplado de modo comunicativo aos controladores de primeira e segunda turbina (26), em que o servidor (112) é configurado para comunicar sinais de controle aos controladores de primeira e segunda turbina (26) a fim de controlar a operação da primeira e da segunda turbinas eólicas (10), em que o sistema SCADA fora do local (104) é configurado adicionalmente para receber dados associados com o um ou mais parâmetros de operação monitorados pelos controladores de primeira e segunda turbina (26), caracterizado por, quando a conectividade é perdida entre o parque eólico (102) e o sistema SCADA fora do local (104), o segundo controlador de turbina (26) é configurado para executar instruções armazenadas na sua memória para implementar o SCADA secundário para acessar dados a partir do primeiro controlador de turbina (26) associado com o um ou mais parâmetros de operação da primeira turbina eólica (10) a fim de monitorar a operação da primeira turbina eólica (10) e acessar a primeira interface de controle do primeiro controlador de turbina.
2. SISTEMA (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um ou mais parâmetros de operação compreenderem pelo menos um dentre um estado de falha da primeira turbina eólica (10), uma velocidade de vento associada com a primeira turbina eólica (10), uma velocidade de operação de rotação associada com a primeira turbina eólica (10) ou uma saída de potência da primeira turbina eólica (10).
3. SISTEMA (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pela memória (132) armazenar adicionalmente instruções que, quando implantadas pelo processador (130), configura o segundo controlador de turbina (26) para fornecer acesso à primeira interface de controle ao primeiro controlador de turbina (26).
4. SISTEMA (100), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por compreender adicionalmente um dispositivo de computação secundário (150) acoplado de modo comunicativo ao segundo controlador de turbina (26) através de uma rede (110), em que o segundo controlador de turbina (26) é configurado para fornecer ao dispositivo de computação secundário (150) acesso à primeira interface de controle do primeiro controlador de turbina (26) a fim de permitir que a operação da primeira turbina eólica (10) seja controlada pelo dispositivo de computação secundário (150).
5. SISTEMA (100), de acordo com qualquer uma das reindicações de 1 a 4, caracterizado pelo primeiro controlador de turbina (26) incluir um processador (130) e uma memória associada (132), em que a memória (132) armazena instruções que, quando implantadas pelo processador (130), configuram o primeiro controlador de turbina (26) para acessar dados do segundo controlador de turbina (26) associados com o um ou mais parâmetros de operação da segunda turbina eólica (10) e para fornecer acesso à segunda interface de controle do segundo controlador de turbina (26).
6. SISTEMA (100), de acordo com qualquer uma das reindicações de 1 a 5, caracterizado pelo parque eólico (102) incluir uma pluralidade de turbinas eólicas (10), em que cada turbina eólica (10) inclui um controlador de turbina (26) configurado para fornecer uma interface de controle para controlar a operação da turbina eólica associada (10), em que o segundo controlador de turbina (26) é configurado para acessar dados associados com um ou mais parâmetros de operação de cada uma dentre a pluralidade de turbinas eólicas (10) e também para fornecer acesso à interface de controle de cada controlador de turbina (26) do parque eólico (102).
7. SISTEMA (100), de acordo com qualquer uma das reindicações de 1 a 6, caracterizado por compreender adicionalmente uma pluralidade de parques eólicos (102) localizados remotamente ao sistema SCADA fora do local (104), em que o servidor (112) é acoplado de modo comunicativo aos controladores de turbina (26) contidos dentro de cada um dentre a pluralidade de parques eólicos (102).
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