Maximale Produktivität, gesicherte Erträge Vernetzung und Condition Monitoring von Windkraftanlagen

Windkraftanlagen sind Produktionseinrichtungen, deren Verfügbarkeit unmittelbaren Einfluss auf deren Amortisation einerseits und auf die zuverlässig planbare Bereitstellung von Energie im Netz andererseits hat. Immer mehr Windkraftanlagen werden deshalb mit Condition Monitoring Systemen (CMS) ausgerüstet, die dem Betreiber kontinuierlich Daten über den Betriebszustand der Turbine zur Verfügung stellen. Mit dieser Information können mechanische und elektrische Defekte schon frühzeitig während des Betriebs erkannt werden. Stillstände für Reparatur und Wartung können dann gezielt geplant und vorbereitet und Folgeschäden einfach vermieden werden. So lassen sich die Kosten für Betrieb und Instandhaltung um bis zu 50% reduzieren. Insbesondere bei Offshore-Anlagen, die nur eingeschränkt und mit großem zeitlichem sowie finanziellem Aufwand erreichbar sind, ist ein solches System unverzichtbar. Zustandsorientierte Instandhaltung anstelle präventiver Wartung Condition Monitoring (Zustandsüberwachung) basiert auf einer kontinuierlichen oder in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführten Erfassung des Maschinenzustandes durch Messung und Analyse aussagefähiger physikalischer Größen (z.B. Schwingungen, Temperaturen, Schmiermittelkonsistenzen usw.). Eine zentrale Erfassungsgröße bei Windkraftanlagen ist der Schwingungszustand der Triebstrangkomponenten. Aus dem Vergleich mit Referenzmessungen lassen sich der Zustand von Getriebe, Generatoren, Wälzlager, Rotoren und weiterer Elemente ablesen: Alle haben typische und signifikante Schwingungsbilder und Schädigungsmerkmale, die sich in den Frequenzspektren zeigen. Sehr nützlich erweist sich dabei auch die Möglichkeit, die Sensorsignale hörbar zu machen und neben der Visualisierung das Abhören der Anlage aus der Ferne via Internet zu erlauben. Dadurch lassen sich Klopfgeräusche an Getriebeverzahnungen bzw. an den überwachten Lagerungen leicht identifizieren. Mit Condition Monitoring wird so eine eigentliche zustandsorientierte Instandhaltung möglich. Die allgemein praktizierte präventive Wartung, bei der Komponenten innerhalb festgelegter Zeitabstände ausgetauscht werden, lässt sich so ablösen: Die Lebensdauer kritischer Maschinenelemente kann praktisch vollständig ausgenutzt und so Kosten reduziert werden. Außergewöhnliche Belastungen erkennen Darüber hinaus erlauben moderne CMS die zusätzliche Erfassung weiterer Messgrößen, beispielsweise zur Erkennung von Unwuchten, zur Eisdetektion oder zur Rotorblatt- und Getriebeölüberwachung. Der Nutzen von Condition Monitoring beschränkt sich damit nicht mehr allein auf die rechtzeitige Schadensindikation, sondern hilft auch zusätzliche Belastungen der Komponenten, die durch Fehlausrichtung oder Unwuchten verursacht werden, zu erkennen. Höchste Systemanforderungen Condition Monitoring Systeme stellen höchste Anforderungen an die Sensorik und Messdatenerfassung, aber auch an die Weiterleitung der Daten und deren anschließende Analyse bzw. Diagnose. Hochgenaue Messfühler an der richtigen Messstelle, eine Hardware, welche die enorme Datenflut bewältigen kann, ausgefeilte signalanalytische Verfahren und Experten-Kenntnisse des Gesamtsystems sind die Voraussetzung für zuverlässige Aussagen über den Maschinenzustand. Direkte Integration ist effizient Direkt integrierbar in das Bachmann M1-Automatisierungssystem bietet die Baugruppe AIC212 bis zu neun Vibrationsmesseingänge zur hochauflösenden, signalkorrelierten Erfassung verschiedener Messstellen. Drei Signaleingänge mit ±10V Einheitssignalpegel und ein Lagegebereingang dienen der konsistenten Erfassung von weiteren relevanten Größen sowie des Winkel- oder Positionsbezuges der Mechanik. Zusätzlich ermöglicht ein interner Arbeitsspeicher im Modul die Aufzeichnung von sehr schnellen Transienten weit unterhalb der Steuerungszykluszeit. Dank der Integration können Auswertungen beliebige Signale und Variablen des gesamten Steuerungsverbundes (z.B. aktuelle Leistung, Betriebszustand) direkt mitberücksichtigen, ohne dass eine doppelte Sensorik notwendig wäre. Condition Monitoring als Gesamtkonzept Ein mit dem Bachmann M1-System aufgebautes CMS profitiert von den vielfältigen Kommunikations- und Serviceschnittstellen und reduziert zudem die Einarbeitungszeit für Inbetriebsetzungs- und Wartungspersonal. Sichere Webtechnologien erlauben den definierten Zugriff auf das Gesamtsystem oder auf individuelle Anlagenteile auch von außen. Die Daten sind damit Betreibern und Servicepersonal jederzeit zugänglich, sodass eine optimale Prozesssteuerung und Energiegewinnung gelingt. Datenkommunikation nach IEC61850 / IEC61400-25 Die gesammelten Daten der Windkraftanlage werden in dem auf dem M1-Automatisierungssystem implementierten MMS-Server (Manufacturing Message Specification Server) zusammengefasst. Sie können mit dem in der IEC61850 beschriebenen Fernwirkprotokoll für Energieanlagen einfach dem übergeordneten Monitoringsystem zur Verfügung gestellt werden. Der MMS-Server von Bachmann electronic wird als Software-Modul direkt auf einer M1-Steuerung gestartet und kommuniziert die Variablen, die in den Anwendungsprogrammen auf der Steuerung verfügbar sind, IEC-konform nach außen. Ob mit dem MMS-Server ein Gerät nach IEC 61850 oder nach IEC 61400-25 dargestellt wird, liegt alleine in der Hand des Anlagenherstellers. Der Anwender des MMS-Servers bestimmt dabei selbst über die standardisierte ICD-Datei (ICD = Intelligent Electronic Device Capability Description), welche Informationen seiner Anlage vom Server dargestellt werden und somit für den Client (z.B. Leitstand) sichtbar sein sollen. Dadurch ist die individuelle Anpassung auf unterschiedliche Anlagen oder auf modulare Ausbaustufen realisierbar. Erweiterter MMS-Server Da im realen Betrieb eine Rechteverwaltung unumgänglich ist, wurde der MMS-Server von Bachmann entsprechend erweitert. Über eine definierte Schnittstelle zu einem weiteren Software-Modul kann jeder Zugriff, abhängig vom jeweiligen Client, erlaubt, abgelehnt und/oder protokolliert werden. Dadurch wird dem Hersteller eine weitere Möglichkeit geboten, den MMS-Server an seine Anforderungen anzupassen. Optimierte Netzüberwachung Windenergieanlagen werden weltweit zu einem immer wichtigeren Faktor im Energiemix. Das schwer prognostizierbare Einspeisevolumen sowie das spezifische Betriebsverhalten beeinflussen den Betrieb der Übertragungsnetze jedoch mitunter erheblich. Je größer der Anteil der Windenergie gegenüber der Energie aus konventionellen Kraftwerken im Netz wird, umso wichtiger wird es, dass auch Windkraftanlagen dem Netzverhalten anderer Großkraftwerke entsprechen. Sie sind deshalb so zu konzipieren und auszurüsten, dass sie bei Netzfehlern ihre Einspeisung nicht unterbrechen, sondern vielmehr aktiv zur Netzstabilität beitragen. Differenzierter Umgang mit Störungen im Verteilnetz Schutzeinrichtungen sorgen dafür, dass Anlagen bei Netzfehlern (z.B. Über- bzw. Unterspannung, Über- bzw. Unterfrequenz) vom Netz getrennt werden. Diese Abschaltungen müssen jedoch sehr differenziert erfolgen – zum Beispiel abhängig davon, ob die jeweilige Windenergieanlage zur Stabilisierung des Netzes beiträgt oder eben selbst der Auslöser der Störung ist. Die Mittelspannungsrichtlinie fordert beispielsweise, dass Windenergieanlagen bei kleinen, beherrschbaren Netzfehlern die Spannung halten müssen (\’Fault Ride Through\‘). Damit sollen die gleichzeitige Abschaltung von Einspeiseleistungen und so totale Netzzusammenbrüche verhindert werden. Integriertes Netzmess- und Überwachungsmodul Eine zu frühe Abschaltung könnte also die Situation im Netz verschärfen, eine zu späte jedoch eigene Anlagenkomponenten gefährden. Die entsprechende Balance zu finden ist schwierig und erfordert deshalb eine intelligente Automatik. Mit dem neuen Netzmessungs- und Überwachungsmodul GMP232 von Bachmann electronic können dazu direkt an der Sammelschiene des Windturms Spannung, Strom, Frequenz, Leistung und Power Quality erfasst und analysiert werden. Das GMP232 ist vollständig in das Bachmann M1-Automatisierungssystem integriert. Zusammen mit anderen Anlagenparametern liefert es differenzierte Entscheidungskriterien, um auch die erhöhten Anforderungen an die einzelne Anlage während eines Netzfehlers zu beherrschen und einen stabilen Betrieb des Verteilnetzes zu ermöglichen. Zertifizierte Sicherheit Die Systeme von Bachmann electronic sind nach den einschlägigen Standards zertifiziert. Für die Überwachung der Windenergieanlagen kommen Messsysteme und Methoden zum Einsatz, die regelmäßig vom Germanischen Lloyd zertifiziert werden. Die umfassenden und langjährigen prozesstechnischen Erfahrungen machen das Unternehmen deshalb zu einem gefragten Partner bei der Realisierung modernster Anlagen der Windkraft. Mit Systemen von Bachmann electronic automatisierte Windkraftanlagen produzieren weltweit saubere Energie – rund um die Uhr, mit einer nachgewiesenen Verfügbarkeit von über 99,96%. Die Langzeitkompatibilität und die Verfügbarkeit aller Module über die durchschnittliche Lebensdauer einer Windkraftturbine von 20 Jahren geben darüber hinaus den Anlagenbetreibern die notwendige Sicherheit in ihrer Investition. Kasten 1: Condition Monitoring Die Vorteile einer vernetzten, mit Condition Monitoring ausgestatteten Windkraftanlage liegen auf der Hand: – Längere Laufzeiten – Niedrigere Instandhaltungskosten – Niedrige Versicherungsprämien – Geringere Lebenszykluskosten – Höhere Anlagenverfügbarkeit – Optimale Leistung – Erhöhte Sicherheit Kasten 2: Netzmessungs- und Überwachungsmodul GMP232 – Messung von Strom, Spannung, Frequenz, Leistung und Power Quality – Eingangsspannungen bis zu 690VAC – Stromwandlereingang 1 bzw. 5AAC – Messgenauigkeit Strom bzw. Spannung: ±0,1% Full Scale – Nennfrequenz 50/60Hz – Messgenauigkeit Frequenz: ±0,01Hz (50/60Hz) – Leistungsfaktormessung im Bereich -1.000 bis +1.000, Genauigkeit ±1° – Leistungsmessung gem. DIN 40110-2, Genauigkeit ±0,2% Full Scale – Power Quality: THD / TDD, bis zur 50. Oberwelle gem. EN 61000-4-7 – Zwei Relais direkt integriert (2A Schaltleistung) – PTP-fähige Zeitsynchronisation Kasten 3: Messmodul AIC212 – Zwölf analoge Eingänge (neun Eingänge mit ICP-Schnittstelle für Piezo-Vibrationssensoren und drei Eingänge mit ±10V) – Positionserfassung (Inkrementalgebereingang) – 24V und A/B/N Spur oder zwei Zähleingänge mit 24V für Initiatoren – Alle Kanäle inklusive Positionserfassung (Drehgebersignal) synchron abgetastet – Fixe Analoge Filter und digitale Filterung mit einstellbarer Eckfrequenz – Auflösung > 17Bit – Dynamik > 95dB – Abtastrate bis 50kHz, einstellbar – Diverse Triggermodi für Aufzeichnungsbeginn (Position/Lage, IO-Bus-Sync usw.) – Schneller Zwischenspeicher direkt am Modul – Zugriff auf Kanalwerte auch synchron mit Applikation (Direktzugriff und Prozessabbild für PLC-Programme) – Einbettung in M1-Betriebsführungssteuerung