Разработка интеллектуальной системы управления ветрогенераторной установкой
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Исследование в области ветроэнергетике 10
1.1 Принцип работы ветрогенератора 10
1.1.1 Превосходная скорость ветра 10
1.1.2 Хороший дорожный доступ к участкам 10
1.1.3 Низкая плотность населения 10
1.1.4 Минимальный риск агролесоводческих операций 11
1.1.5 Рядом с подходящей электрической сетью 11
1.1.6 Поддерживающие землевладельцы 11
1.1.7 Хорошая промышленная поддержка для строительства и текущих операций 11
1.1.8 Землепользование для выпаса скота и посева 11
1.1.9 Типы ветровых турбин 12
1.1.10 Ключевые части ветротурбины 17
1.1.11 Как работает турбина 18
1.1.12 Как турбины собирают максимальную энергию 19
1.2 Преимущества и недостатки ветряных турбин 20
1.2.1 Недостатки 20
1.2.2 Преимущества 22
1.3 Работоспособность ветрогенератора при слабом ветре 23
1.4 Вывод по разделу 1 25
2 Разработка способа передачи данных с ветрогенератора на удаленный сервер управления 26
2.1 Роль датчиков в ветряных электростанциях 26
2.2 Классификация датчиков 28
2.2.1 Вихретоковые датчики 29
2.2.2 Датчики смещения 30
2.2.3 Акселерометры 31
2.2.4 Датчик ветра 32
2.2.5 Датчики температуры 33
2.3 Способы передачи данных на сервер обработки данных 35
2.3.1 Передача данных через однокристальные микропроцессоры 35
2.3.2 Беспроводной способ передачи данных на сервер 36
2.3.3 Характеристики беспроводного прибора AN-420 37
2.3.4 Координатор управления беспроводной сети 43
2.4 Вывод по разделу II 50
3 Разработка алгоритма интеллектуального управления ветрогенераторной установки 51
3.1 Классификация алгоритмов 51
3.1.1 Алгоритм анализа вибрации 51
3.1.2 Алгоритм уровня шума 53
3.1.3 Алгоритм скорости вращения 54
3.1.4 Алгоритм температуры 55
3.1.5 Алгоритм осевого смещения 56
3.1.6 Алгоритм, анализирующий скорость ветра и направления для оптимальной работы ветрогенератора 57
3.2 Анализ искусственного интеллекта в энергетической отрасли 59
3.2.1 Интеллектуальное накопление энергии 59
3.2.2 Оптимизация автономных систем 60
3.2.3 Создание дополнительных доходов по контракту 60
3.2.4 Добавление потоков создания ценности 61
3.2.5 Искусственный интеллект, хранение энергии и энергетика: на пути к разумной и устойчивой сети 62
3.2.6 Способность искусственного интеллекта интегрировать различные источники энергии, включая хранение 63
3.2.7 Гигантская, но чувствительная сеть 64
3.2.8 Расширение децентрализованного производства 65
3.2.9 Умная сетка с накоплением энергии 66
3.2.10 Выигрышная комбинация 67
3.3 Вывод по разделу III 68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 70
1 Исследование в области ветроэнергетике 10
1.1 Принцип работы ветрогенератора 10
1.1.1 Превосходная скорость ветра 10
1.1.2 Хороший дорожный доступ к участкам 10
1.1.3 Низкая плотность населения 10
1.1.4 Минимальный риск агролесоводческих операций 11
1.1.5 Рядом с подходящей электрической сетью 11
1.1.6 Поддерживающие землевладельцы 11
1.1.7 Хорошая промышленная поддержка для строительства и текущих операций 11
1.1.8 Землепользование для выпаса скота и посева 11
1.1.9 Типы ветровых турбин 12
1.1.10 Ключевые части ветротурбины 17
1.1.11 Как работает турбина 18
1.1.12 Как турбины собирают максимальную энергию 19
1.2 Преимущества и недостатки ветряных турбин 20
1.2.1 Недостатки 20
1.2.2 Преимущества 22
1.3 Работоспособность ветрогенератора при слабом ветре 23
1.4 Вывод по разделу 1 25
2 Разработка способа передачи данных с ветрогенератора на удаленный сервер управления 26
2.1 Роль датчиков в ветряных электростанциях 26
2.2 Классификация датчиков 28
2.2.1 Вихретоковые датчики 29
2.2.2 Датчики смещения 30
2.2.3 Акселерометры 31
2.2.4 Датчик ветра 32
2.2.5 Датчики температуры 33
2.3 Способы передачи данных на сервер обработки данных 35
2.3.1 Передача данных через однокристальные микропроцессоры 35
2.3.2 Беспроводной способ передачи данных на сервер 36
2.3.3 Характеристики беспроводного прибора AN-420 37
2.3.4 Координатор управления беспроводной сети 43
2.4 Вывод по разделу II 50
3 Разработка алгоритма интеллектуального управления ветрогенераторной установки 51
3.1 Классификация алгоритмов 51
3.1.1 Алгоритм анализа вибрации 51
3.1.2 Алгоритм уровня шума 53
3.1.3 Алгоритм скорости вращения 54
3.1.4 Алгоритм температуры 55
3.1.5 Алгоритм осевого смещения 56
3.1.6 Алгоритм, анализирующий скорость ветра и направления для оптимальной работы ветрогенератора 57
3.2 Анализ искусственного интеллекта в энергетической отрасли 59
3.2.1 Интеллектуальное накопление энергии 59
3.2.2 Оптимизация автономных систем 60
3.2.3 Создание дополнительных доходов по контракту 60
3.2.4 Добавление потоков создания ценности 61
3.2.5 Искусственный интеллект, хранение энергии и энергетика: на пути к разумной и устойчивой сети 62
3.2.6 Способность искусственного интеллекта интегрировать различные источники энергии, включая хранение 63
3.2.7 Гигантская, но чувствительная сеть 64
3.2.8 Расширение децентрализованного производства 65
3.2.9 Умная сетка с накоплением энергии 66
3.2.10 Выигрышная комбинация 67
3.3 Вывод по разделу III 68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 70
Цель: разработать интеллектуальную систему для снижения затрат на обслуживание ветростанции.
Для достижения поставленной цели необходимо:
1. Проанализировать состояние всей ветроэнергетики России и выявить области медленного развития ветростанций.
2. Провести анализ в области беспроводных сетей и выбрать оптимальный вариант, позволяющий грамотно передавать данные с ветрогенератора на сервер удаленного управления.
3. Разработать алгоритмы для анализа и управления ветростанцией.
Новизна работы заключается в разработке уникального способа передачи данных с датчиков на сервер удаленного управления, а так же проектирование алгоритмов отличающихся своей простатой, для управления ветроэлектрической установкой.
Практическая значимость: предложена система мониторинга и диагностики ветрогенератора имеющая относительно низкую стоимость и делает целесообразной минимизировать затраты на обслуживание, а так же дает возможность анализировать ситуации, при которых пришлось бы приостанавливать деятельность добычи электроэнергии, что приводило бы к убыткам.
Методы исследования:
В данной работе были использованы методы математического моделирования на основе программ Simulink, метод статического анализа, применение информационно-аналитических систем для управления энергоэффективностью. А так же проведен сравнительный анализ ветрогенераторных установок.
Объектом исследования является система мониторинга и диагностики ветрогенераторной установки.
Предметом исследования является ветрогенераторная установка мощностью 2 МВт.
Развитие ветроэнергетики в России очень медленная, на первое января 2019 года составляет всего 184 МВт, если сравнивать с другими странами, такими как Германия, где к этому времени чуть более 60 ГВт или Китай за 190 ГВт, то сразу навязывается вопрос: «Почему все у нас так плохо?». На самом деле в России много других источников энергии, где окупаемость в разы быстрее, такие как: ТЭЦ, АЭС, ГЭС, но это не возобновляемые источники энергии, для ТЭЦ и АЭС нужно постоянно пополнять топливо, а для ГЭС вообще нужно отчуждать территория для водохранилищ, тем самым нарушать экологию природы, поэтому ветроэнергия хоть и проигрывает в окупаемости, но зато, это один из чистых способов добычи энергии.
Этот вид энергии на стадии планирования и возведения конструкций не из самых дешевых, полная стоимость одного ветрогенератора и проведения всех работ обойдется около 250-300 миллионов рублей, мощностью 2МВт. Сравнивая с другими электростанция, например ТЭЦ мощностью 120МВт обойдется около 18 миллиардов рублей, при сравнении с ветростанцией мощностью 120МВт, стоимость почти одинакова, но ветер это возобновляемый источник энергии и стоимость обслуживание ветростанции можно минимизировать в разы. В этой работе наглядно показано, каким путем можно добиться уменьшения этих затрат.
Решение данной проблемы основано на проектировании алгоритмов, и некоторых компонентов, которые позволяют самостоятельно анализировать и принимать результат для обеспечения надежности и своевременного принятия решения, как на стороне ПО, так и на стороне оператора в случае серьезных неисправностей.
Термин энергия ветра описывает процесс, с помощью которого ветер используется для выработки механической энергии или электричества. Ветровые турбины преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую энергию. Эта механическая сила может использоваться для конкретных задач (например, измельчение зерна или перекачивать воду), или генератор может преобразовать эту механическую энергию в электричество для питания домов, предприятий, школ и тому подобное. В последнее время все больше внимания уделяется производству электроэнергии с использованием энергии ветра по всему миру. Энергия ветра является бесплатным возобновляемым ресурсом, поэтому независимо от того, сколько вы используете сегодня, еще будет такое же предложение в будущем.
Энергия ветра также источник экологически чистого электричества. В отличие от не возобновляемых источников энергии, ветряные установки не выделяют загрязнителей воздуха и парниковых газов. В настоящее время, в различных странах мира проводятся обширные исследования в области ветроэнергетики, в том числе Россия, США, Германия, Испания, Дания, Япония, Южная Корея, Канада, Австралия, Индия. В мире существует несколько организаций, занимающихся исследованиями ветроэнергетики, таких как Global Wind Energy. Совет (GWEC), Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), и Американская ветроэнергетическая ассоциация (AWEA). По данным GWEC, в отчете около 12% от общего мирового спроса на электроэнергию, может быть обеспечено ветроэнергетикой к 2020 году. Эта цифра указывает на важность исследования энергии ветра в эти дни.
Уголь, нефть и газ, которые используются в качестве топлива для обычных электростанций, постепенно истощаются, поэтому необходима разведка альтернативных источников топлива, то есть возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии. Существуют различные типы возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная энергия и биомасса. Возобновляемая энергия - это использование нетрадиционных источников энергии для производства электроэнергии и транспортных средств на топливе для современных применений в жилых, коммерческих, институциональных и промышленных областях. Это включает в себя системы аварийного энергоснабжения, транспортные системы, производство электроэнергии на месте, бесперебойное электроснабжение, комбинированные системы, тепло- энергоснабжения, автономные энергосистемы и многие другие инновационные применения[1].
Ветроэнергетика имеет большое преимущество перед обычными видами топлива. Его работа не производит вредных выбросов или каких-либо опасных отходов. Он не истощает природные ресурсы, как это происходит с ископаемым топливом, и не наносит ущерба окружающей среде в результате добычи ресурсов, транспорта и утилизации отходов.
Производство электроэнергии ветряными турбинами зависит от силы ветра в любой данный момент. Участки ветропарка выбираются после тщательного анализа, чтобы определить характер ветра, его относительную силу и направление в разное время дня и года. Таким образом, энергия ветра является переменной, но, не непредсказуемой.
Энергия ветра - это процесс, с помощью которого ветер используется для выработки механической энергии или электрической энергии, и является одной из самых быстрорастущих форм производства электроэнергии в мире. Сила ветра использовалась не менее 3000 лет. До двадцатого века энергия ветра использовалась для механической подачи воды или перемалывания зерна. В начале современной индустриализации использование флуктуирующего источника энергии ветра было заменено двигателями, работающими на ископаемом топливе, или на электрической сети, которая обеспечивала более стабильный источник энергии. Таким образом, использование энергии ветра делится на две части: производство механической энергии и производство электроэнергии.
Ветер - это простой воздух в движении. Это вызвано неравномерным нагревом земной поверхности солнцем. Поскольку земная поверхность состоит из очень разных типов земли и воды, она поглощает солнечное тепло с разной скоростью. В течение дня воздух над землей нагревается быстрее, чем воздух над водой. Теплый воздух над землей расширяется и поднимается, а более тяжелый и холодный воздух устремляется на его место, создавая ветры. Ночью ветры меняются местами, потому что воздух охлаждается над землей быстрее, чем над водой. Таким же образом создаются большие атмосферные ветры, которые окружают Землю, потому что земля около экватора Земли нагревается больше, чем земля около Северного и Южного полюсов.
Сегодня энергия ветра в основном используется для выработки электроэнергии. Ветер называют возобновляемым источником энергии, потому что ветер будет дуть, пока светит солнце [2][3].
Энергия ветра является чистым, надежным и экономически эффективным источником электроэнергии. Электроэнергия, генерируемая ветром, не способствует глобальному потеплению и кислотным дождям. По сравнению с энергией от атомных электростанций нет риска радиоактивного облучения от энергии ветра.
Для достижения поставленной цели необходимо:
1. Проанализировать состояние всей ветроэнергетики России и выявить области медленного развития ветростанций.
2. Провести анализ в области беспроводных сетей и выбрать оптимальный вариант, позволяющий грамотно передавать данные с ветрогенератора на сервер удаленного управления.
3. Разработать алгоритмы для анализа и управления ветростанцией.
Новизна работы заключается в разработке уникального способа передачи данных с датчиков на сервер удаленного управления, а так же проектирование алгоритмов отличающихся своей простатой, для управления ветроэлектрической установкой.
Практическая значимость: предложена система мониторинга и диагностики ветрогенератора имеющая относительно низкую стоимость и делает целесообразной минимизировать затраты на обслуживание, а так же дает возможность анализировать ситуации, при которых пришлось бы приостанавливать деятельность добычи электроэнергии, что приводило бы к убыткам.
Методы исследования:
В данной работе были использованы методы математического моделирования на основе программ Simulink, метод статического анализа, применение информационно-аналитических систем для управления энергоэффективностью. А так же проведен сравнительный анализ ветрогенераторных установок.
Объектом исследования является система мониторинга и диагностики ветрогенераторной установки.
Предметом исследования является ветрогенераторная установка мощностью 2 МВт.
Развитие ветроэнергетики в России очень медленная, на первое января 2019 года составляет всего 184 МВт, если сравнивать с другими странами, такими как Германия, где к этому времени чуть более 60 ГВт или Китай за 190 ГВт, то сразу навязывается вопрос: «Почему все у нас так плохо?». На самом деле в России много других источников энергии, где окупаемость в разы быстрее, такие как: ТЭЦ, АЭС, ГЭС, но это не возобновляемые источники энергии, для ТЭЦ и АЭС нужно постоянно пополнять топливо, а для ГЭС вообще нужно отчуждать территория для водохранилищ, тем самым нарушать экологию природы, поэтому ветроэнергия хоть и проигрывает в окупаемости, но зато, это один из чистых способов добычи энергии.
Этот вид энергии на стадии планирования и возведения конструкций не из самых дешевых, полная стоимость одного ветрогенератора и проведения всех работ обойдется около 250-300 миллионов рублей, мощностью 2МВт. Сравнивая с другими электростанция, например ТЭЦ мощностью 120МВт обойдется около 18 миллиардов рублей, при сравнении с ветростанцией мощностью 120МВт, стоимость почти одинакова, но ветер это возобновляемый источник энергии и стоимость обслуживание ветростанции можно минимизировать в разы. В этой работе наглядно показано, каким путем можно добиться уменьшения этих затрат.
Решение данной проблемы основано на проектировании алгоритмов, и некоторых компонентов, которые позволяют самостоятельно анализировать и принимать результат для обеспечения надежности и своевременного принятия решения, как на стороне ПО, так и на стороне оператора в случае серьезных неисправностей.
Термин энергия ветра описывает процесс, с помощью которого ветер используется для выработки механической энергии или электричества. Ветровые турбины преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую энергию. Эта механическая сила может использоваться для конкретных задач (например, измельчение зерна или перекачивать воду), или генератор может преобразовать эту механическую энергию в электричество для питания домов, предприятий, школ и тому подобное. В последнее время все больше внимания уделяется производству электроэнергии с использованием энергии ветра по всему миру. Энергия ветра является бесплатным возобновляемым ресурсом, поэтому независимо от того, сколько вы используете сегодня, еще будет такое же предложение в будущем.
Энергия ветра также источник экологически чистого электричества. В отличие от не возобновляемых источников энергии, ветряные установки не выделяют загрязнителей воздуха и парниковых газов. В настоящее время, в различных странах мира проводятся обширные исследования в области ветроэнергетики, в том числе Россия, США, Германия, Испания, Дания, Япония, Южная Корея, Канада, Австралия, Индия. В мире существует несколько организаций, занимающихся исследованиями ветроэнергетики, таких как Global Wind Energy. Совет (GWEC), Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), и Американская ветроэнергетическая ассоциация (AWEA). По данным GWEC, в отчете около 12% от общего мирового спроса на электроэнергию, может быть обеспечено ветроэнергетикой к 2020 году. Эта цифра указывает на важность исследования энергии ветра в эти дни.
Уголь, нефть и газ, которые используются в качестве топлива для обычных электростанций, постепенно истощаются, поэтому необходима разведка альтернативных источников топлива, то есть возобновляемых источников энергии для производства электроэнергии. Существуют различные типы возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная энергия и биомасса. Возобновляемая энергия - это использование нетрадиционных источников энергии для производства электроэнергии и транспортных средств на топливе для современных применений в жилых, коммерческих, институциональных и промышленных областях. Это включает в себя системы аварийного энергоснабжения, транспортные системы, производство электроэнергии на месте, бесперебойное электроснабжение, комбинированные системы, тепло- энергоснабжения, автономные энергосистемы и многие другие инновационные применения[1].
Ветроэнергетика имеет большое преимущество перед обычными видами топлива. Его работа не производит вредных выбросов или каких-либо опасных отходов. Он не истощает природные ресурсы, как это происходит с ископаемым топливом, и не наносит ущерба окружающей среде в результате добычи ресурсов, транспорта и утилизации отходов.
Производство электроэнергии ветряными турбинами зависит от силы ветра в любой данный момент. Участки ветропарка выбираются после тщательного анализа, чтобы определить характер ветра, его относительную силу и направление в разное время дня и года. Таким образом, энергия ветра является переменной, но, не непредсказуемой.
Энергия ветра - это процесс, с помощью которого ветер используется для выработки механической энергии или электрической энергии, и является одной из самых быстрорастущих форм производства электроэнергии в мире. Сила ветра использовалась не менее 3000 лет. До двадцатого века энергия ветра использовалась для механической подачи воды или перемалывания зерна. В начале современной индустриализации использование флуктуирующего источника энергии ветра было заменено двигателями, работающими на ископаемом топливе, или на электрической сети, которая обеспечивала более стабильный источник энергии. Таким образом, использование энергии ветра делится на две части: производство механической энергии и производство электроэнергии.
Ветер - это простой воздух в движении. Это вызвано неравномерным нагревом земной поверхности солнцем. Поскольку земная поверхность состоит из очень разных типов земли и воды, она поглощает солнечное тепло с разной скоростью. В течение дня воздух над землей нагревается быстрее, чем воздух над водой. Теплый воздух над землей расширяется и поднимается, а более тяжелый и холодный воздух устремляется на его место, создавая ветры. Ночью ветры меняются местами, потому что воздух охлаждается над землей быстрее, чем над водой. Таким же образом создаются большие атмосферные ветры, которые окружают Землю, потому что земля около экватора Земли нагревается больше, чем земля около Северного и Южного полюсов.
Сегодня энергия ветра в основном используется для выработки электроэнергии. Ветер называют возобновляемым источником энергии, потому что ветер будет дуть, пока светит солнце [2][3].
Энергия ветра является чистым, надежным и экономически эффективным источником электроэнергии. Электроэнергия, генерируемая ветром, не способствует глобальному потеплению и кислотным дождям. По сравнению с энергией от атомных электростанций нет риска радиоактивного облучения от энергии ветра.
В заключение проделанной работе были достигнуты следующие результаты:
1. Было смоделировано общее состояние всей ветроэнергетики России, а так же произведено сравнение состояния ветростанций с успевающими странами в этом направлении, выявлена область медленного развития ветростанции и разработаны этапы успешного развития, а так же были рассмотрены недостатки и преимущества ветроэнергетики в России.
2. Проанализированы способы передачи данных с приборов учета на дальние расстояния. Из этого анализа подобран и смоделирован вариант передачи данных с помощью беспроводной сети. Этот вариант обеспечивает надежную передачу данных с датчиков ветрогенератора, до сервера интеллектуального управления ветростанцией.
3. Произведен анализ работы ветростанции, из этого анализа спроектирована модель оптимальной работы ветростанции. Модель показала, какие компоненты необходимо автоматизировать для бесперебойной работы ветрогенератора. Далее на основе спроектированной модели были разработаны алгоритмы, анализирующие полученные данные с датчиков ветрогенератора, что позволяет уменьшить время на обслуживание ветрогенератора и обеспечить бесперебойную работу всей установки.
Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников. Работа изложена на 73 страницах основного текста, содержит 16 рисунков, 9 таблиц. Список используемых источников включает 40 наименований.
1. Было смоделировано общее состояние всей ветроэнергетики России, а так же произведено сравнение состояния ветростанций с успевающими странами в этом направлении, выявлена область медленного развития ветростанции и разработаны этапы успешного развития, а так же были рассмотрены недостатки и преимущества ветроэнергетики в России.
2. Проанализированы способы передачи данных с приборов учета на дальние расстояния. Из этого анализа подобран и смоделирован вариант передачи данных с помощью беспроводной сети. Этот вариант обеспечивает надежную передачу данных с датчиков ветрогенератора, до сервера интеллектуального управления ветростанцией.
3. Произведен анализ работы ветростанции, из этого анализа спроектирована модель оптимальной работы ветростанции. Модель показала, какие компоненты необходимо автоматизировать для бесперебойной работы ветрогенератора. Далее на основе спроектированной модели были разработаны алгоритмы, анализирующие полученные данные с датчиков ветрогенератора, что позволяет уменьшить время на обслуживание ветрогенератора и обеспечить бесперебойную работу всей установки.
Магистерская диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников. Работа изложена на 73 страницах основного текста, содержит 16 рисунков, 9 таблиц. Список используемых источников включает 40 наименований.
Подобные работы
- Исследование возможности строительства ветропарка на территории Самарской области
Магистерская диссертация, электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2019