Automatización de la Operación de Parques Eólicos

i Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Automatización de la Operación de Parques Eólicos Autor: Daniel McDyre Thomas Tutor: Francisco Rodriguez Rubio Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 ii Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Automatización de la Operación de Parques Eólicos Autor: Daniel McDyre Thomas Tutor: Francisco Rodriguez Rubio Catedrático de Universidad Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 iii iv Proyecto Fin de Carrera: Automatización de la Operación de Parques Eólicos Autor: Daniel McDyre Thomas Tutor: Francisco Rodriguez Rubio El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de Sevilla, 2023 El Secretario del Tribunal v vi A mi familia, a Cris. vii viii Resumen El sector eólico en España y en Europa ha crecido exponencialmente en la última década. Actualmente, el porcentaje del mix energético de la eólica en Europa supone un 20% de toda la energía consumida. Los objetivos energéticos para 2030 elevan el porcentaje de energía eólica hasta un 30% del consumo energético europeo. Este crecimiento trae consigo nuevos retos en la operación y mantenimiento de los parques eólicos, especialmente para empresas propietarias de grandes flotas. En la actualidad la operación de los parques eólicos se realiza de manera remota desde centros de control, donde los operadores realizan labores de supervisión y monitorización de los aerogeneradores, gestión de alarmas y respuesta a emergencias, tareas de análisis y diagnóstico, control remoto y programación de tareas de mantenimiento. Para conseguir un crecimiento escalable del sector eólico, es necesario automatizar las tareas de operación que así lo permitan para mejorar la eficiencia en los centros de control y poder así maximizar los tiempos de disponibilidad de las turbinas y por consiguiente los beneficios. En este trabajo se hará un análisis comparativo entre un parque eólico que se monitoriza y opera por técnicos en un centro de control de forma manual, y el rendimiento obtenido tras la instalación de un sistema RPA (Robotic Process Automation) que automatizará la gestión de alarmas, respuesta a emergencias y el control remoto de los aerogeneradores. ix Abstract The wind sector in Spain and in Europe has grown exponentially in the last decade. The percentage of the energy mix of wind power in Europe currently represents 20% of all the energy consumed. The energy objectives for 2030 raise the percentage of wind energy up to 30% of European energy consumption. This growth brings with it new challenges in the operation and maintenance of wind farms, especially for companies that own large fleets. Wind farm operation is done remotely from control centers, where the operators carry out supervision and monitoring tasks of wind turbines, alarm management and emergency response, analysis and diagnostic tasks, remote control and programming maintenance tasks. To achieve scalable growth in the sector, it is necessary to automate operation tasks to improve efficiency in the control centers in order to maximize the availability times of the turbines and therefore profits. In this study, a comparative analysis will be made between a wind farm that is manually monitored and operated by technicians in a control center, and the performance obtained after the installation of an RPA (Robotic Process Automation) system that will automate alarm management, emergency response and remote control of wind turbines. 12 Existen tres variables principales que determinan la potencia que puede generar un aerogenerador: - Velocidad del viento: La selección del emplazamiento se hace en base a un estudio previo de idoneidad para asegurar que las condiciones de viento son las óptimas para maximizar el rendimiento del parque eólico. Los aerogeneradores se diseñan para velocidades entre 3 y 25 (m/s), llamadas velocidad de conexión y velocidad de corte respectivamente. La velocidad óptima de funcionamiento es aproximadamente 15 (m/s). Ilustración 1. Curva teórica de potencia de una turbina eólica - Radio de la pala: A mayor tamaño de pala, mayor área barrido y en consecuencia se obtiene más potencia. - Densidad del aire: El aumento de densidad en el aire implica una mayor sustentación sobre el rotor. La densidad del aire es una función de la altitud, la temperatura y la presión del aire. Las ubicaciones que se encuentran a una gran altitud tienen una presión de aire más baja y un aire “más ligero”, por lo que son emplazamientos menos eficientes. El aire denso a alturas cercanas al nivel del mar impulsa los rotores de manera más efectiva 1.2.1.2 Componentes de los Aerogeneradores A continuación, se describen los principales componentes de los aerogeneradores modernos de escala “utility”. - Torre: Fabricada con acero y con forma tubular. Es el elemento que soporta la estructura del aerogenerador. Generalmente se componen de 3 secciones que se ensamblan “on site”. Los aerogeneradores modernos pueden llegar a tener torres que superan los 100 metros, ya que a mayor altura hay mayor viento y menor turbulencia, favoreciendo así la captura de energía. - Palas: El aerogenerador consta de 3 palas fabricadas con poliéster o epoxy reforzado con fibra de vidrio. Se diseñan con forma de perfil y su principio de funcionamiento es el mismo que el de las alas de un avión. Las palas se unen a la góndola mediante el buje. El conjunto que forman las palas con el buje se denomina rotor. - Góndola: Chasis principal de la turbina que contiene en su interior todos los componentes eléctricos y mecánicos necesarios para la obtención de energía eléctrica (multiplicadora, ejes de alta y baja velocidad, controlador, generador, etc). La góndola encuentra unida a la torre mediante una corona dentada que permite un giro de 360º para que el rotor se oriente siempre de cara al viento. En el exterior de la góndola se instalan una veleta y un anemómetro que se conectan al controlador del aerogenerador. 13 Ilustración 2. Componentes de un Aerogenerador 1.2.2 Parque Eólico La agrupación de turbinas eólicas se denomina parque eólico. Los parques eólicos pueden emplazarse en tierra (onshore) o en el mar (offshore) siendo el primero de éstos el tipo más común. La energía se produce en el aerogenerador. El controlador utiliza los datos ambientales del anemómetro y la veleta, para arrancar detener la turbina en función de la climatología y determinar la orientación óptima del aerogenerador. La fuerza del viento hace girar el rotor del aerogenerador que está conectado al eje lento que gira a velocidades de entre 13-20 revoluciones por minuto. La multiplicadora se encarga de elevar el número de rotaciones y de transferir esta velocidad al eje rápido consiguiendo una velocidad de más de 1500 revoluciones por minuto. El aumento del régimen de giro es necesario para obtener una frecuencia igual a la frecuencia eléctrica de la red (50 Hz en Europa y otras partes del mundo). Del eje rápido se transmite la fuerza al generador, que convierte la energía cinética en energía eléctrica. Posteriormente pasa al convertidor que convierte la energía en alterna. La energía eléctrica producida es de baja tensión, por lo que se conduce hasta un transformador que la eleva a media tensión (entre 20 y 66 kV) para que pueda ser transportada por el parque. Desde allí se traslada hasta la subestación, que convierte la energía en corriente de alto voltaje (más de 132 kV). Esta electricidad, ya apta para el consumo, se transfiere a través de la línea de evacuación (generalmente aérea) hasta las instalaciones conectadas a la red de distribución, que la lleva finalmente a los hogares. 1.3 Energía Eólica en Europa. Situación actual y planes de futuro. 1.3.1 Situación actual de la Energía Eólica en Europa En Europa se instalaron 17 GW de energía eólica en 2021. La UE-27 1 instaló 11 GW. Esto no supondría ni la mitad de la capacidad que la UE debería estar construyendo para cumplir los objetivos europeos de Clima y 1 Diferenciamos la UE-27 como la unión política y económica de 27 países Europeos, establecida y entrada en vigor en el Tratado de Maastrich en el año 1993. Europa, en cambio, se refiere al término geográfico que define el continente ubicado en el hemisferio norte y mayoritariamente en el hemisterio oriental, que limita con Asia por el este, con el océano Atlántico por el oeste, y con el mar Mediterráneo por el sur. 14 Energía 2030. El 81% de los parques eólicos de nueva construcción en Europa fueron de tipología onshore, aunque se prevé que la inversión en parques eólicos marinos supere la de los terrestres para 2030. Suecia, Alemania y Turquía fueron los países que más plantas de energía eólica terrestre construyeron. El Reino Unido fue el país que más incrementó su potencia instalada debido a que instalaron una gran cantidad de parques offshore a lo largo de 2021. Europa ahora tiene 236 GW de capacidad eólica. Ilustración 3. Crecimiento de la capacidad eólica en Europa en 2021 1.3.1.1 Generación de Energía Eólica en Europa La energía eólica cubrió el 15 % de la demanda en la UE-27 + Reino Unido en 2021. Esto es un 1,4 % más bajo que los niveles vistos en 2020 y similar a la parte de la demanda de energía eólica satisfecha en 2019. La demanda de energía en 2021 volvió a los niveles vistos antes de la desaceleración económica de la pandemia. Junto con el aumento de la demanda, la generación de energía eólica fue menor en muchas regiones de Europa, particularmente en el norte de Europa, donde tiende a haber mercados de energía eólica más grandes, incluidos Alemania, el Reino Unido y Francia. Solo España e Italia, de los principales países productores de energía eólica, generaron más energía eólica que en años anteriores, incluso aunque las nuevas incorporaciones de capacidad fueron muy modestas. La energía eólica es por definición variable. Es normal ver fluctuaciones anuales en los factores de capacidad eólica que afectarán la participación de la demanda. 15 Ilustración 4. Generación en Europa y UK de energía eólica en 2021 Las plantas de energía eólica en Europa 13 produjeron 437 TWh de electricidad en 2021 y cubrieron el 15% de la demanda eléctrica (12,2% de energía eólica terrestre y 2,8% de energía eólica marina). Detalle producción eólica 2021: A pesar de que marzo de 2021 tuvo una generación eólica más baja en general, la energía eólica logró una producción diaria récord el 11 de marzo de 2021, (2.936 GWh) correspondiente a una producción promedio de 103 GW o alrededor del 61% de la flota produciendo al máximo durante todo el día. Más adelante en el año, la energía eólica cubrió el 18% de la demanda de electricidad en Europa durante todo el cuarto trimestre (octubre a diciembre). El mes más fuerte para la generación en 2021 fue octubre, con la energía eólica cubriendo el 19% de la demanda durante todo el mes. Esto va en contra de las afirmaciones infundadas de que los bajos niveles de energía eólica fueron los responsables del aumento de los precios de la electricidad en la segunda mitad del año. 1.3.1.2 Generación Renovable en España A finales del año 2021, la generación con fuentes de energía renovables en España ascendió a 64.182 MW, representando el 46,7 % de la generación total, registrando en ambos casos valores máximos históricos. A continuación, se muestra la composición del mix energético en España en 2021: Ilustración 5. Generación eléctrica en España 2021 16 Como se observa en el gráfico anterior, con 28.139 MW de potencia acumulada, la energía eólica ha sido la primera fuente de generación eléctrica en España en 2021. La Generación Eólica supuso el 23,3 % de la producción total, la participación anual más alta registrada hasta la fecha. Además, la eólica ha sido la tecnología líder en la estructura degeneración por segunda vez desde que existen registros estadísticos, situación que sólo se había producido anteriormente en el año 2013 cuando la eólica fue la protagonista en el mix de generación nacional con una cuota del 20 % sobre el total nacional. La producción de origen eólico ha continuado creciendo por quinto año consecutivo, con una variación en 2021 del 10,2 % respecto a 2020. Todo apunta a que los resultados de 2022 serán similares, consolidándose como la tecnología que más electricidad genera en nuestro país. Los más de 21.500 aerogeneradores instalados en España generaron 60.496 GWh, alcanzando también un nuevo récord histórico de producción eólica. Durante 2021 se han instalado 842.61 MW eólicos, cifra relevante, pero muy por debajo de los 2,2 GW anuales que sería necesario instalar hasta 2030 para lograr los objetivos marcados en el Plan Nacional Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC), el cual persigue una reducción de un 23% de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) respecto a 1990, lo que implica un incremento de renovables y, en particular, duplicar la potencia eólica. España es el quinto país del mundo por potencia eólica instalada, tras China, Estados Unidos, Alemania e India, y el segundo en Europa por detrás de Alemania. A continuación, se muestra el ranking de capacidad eólica instalada en España por Comunidades Autónomas, siendo las Castillas, Aragón, Galicia y Andalucía donde se concentran la mayor parte de parques eólicos. Ilustración 6. Potencia instalada por CC.AA en 2021 1.3.2 Próximos objetivos en la Unión Europea La UE quiere acelerar la adopción de las energías renovables para contribuir y alcanzar el objetivo de reducir 17 las emisiones netas de gases de efecto invernadero en al menos un 55 % para el año 2030. El sector energético es responsable de más del 75% de las emisiones de gases de efecto invernadero de la UE. Por lo tanto, aumentar la proporción de energías renovables en los diferentes sectores de la economía es un componente clave para alcanzar los objetivos energéticos y climáticos de la UE. Así pues, los objetivos principales de la Unión Europea en materia energética son: − Reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero en al menos un 55 % (en comparación con 1990) para el año 2030. − Convertirse en un continente climáticamente neutro para el año 2050. 1.3.2.1 Plan RE Power EU El 18 de mayo de 2022, la Comisión Europea publicó el plan REPowerEU, mediante el cual se establecían una serie de medidas para reducir rápidamente la dependencia de la UE de los combustibles fósiles rusos mucho antes de 2030 acelerando la transición hacia la energía limpia. El plan REPowerEU se basa en tres pilares principales: - Ahorro de Energía - Producción de Energía Limpia - Diversificación del suministro energético de la Unión Europea Como parte de la ampliación de las energías renovables en la generación de energía, la industria, los edificios y el transporte, la Comisión Europea propuso aumentar el objetivo de la directiva al 45 % para 2030. Ilustración 7. Evolución de los objetivos de potencia renovable instalada en Europa Esto elevaría las capacidades totales de generación de energía renovable a 1236 GW para 2030, en comparación con los 1067 GW para 2030 previstos en la propuesta de 2021. Para acelerar aún más el despliegue de las energías renovables, la Comisión Europea también adoptó una recomendación para acelerar los procedimientos de concesión de permisos para proyectos renovables y facilitar los acuerdos de compra de energía. 18 1.4 Operación y mantenimiento de una Instalación de producción de Energía Eólica 1.4.1 Optimización de la producción en una Instalación Eólica Como el objeto de este trabajo es el estudio de cómo puede mejorar la operación un sistema de monitorización, así como un RPA (Robotic Process Automation), se verá la necesidad de utilizar estos sistemas para que el sector renovable pueda crecer y se optimice su rendimiento. Entre los retos actuales se encuentran la mejora del rendimiento de los aerogeneradores y la reducción de los costes de operación y mantenimiento. Tras los costes de la puesta en marcha de los aerogeneradores, los mayores gastos se hacen en la operación, el mantenimiento y seguros. La reducción en costes de mantenimiento y operación puede reducir considerablemente el tiempo de retorno de inversión y proporcionar un impulso para la inversión y la aceptación generalizada de esta fuente de energía limpia. Los costes de mantenimiento se pueden reducir a través de la supervisión continua y automatizada de las turbinas eólicas. Las turbinas eólicas a menudo funcionan en entornos severos y remotos y requieren mantenimientos programados de manera frecuente. El mantenimiento no programado debido a fallos inesperados puede ser costoso, no solo por el mantenimiento sino también por el tiempo de producción perdido. Además, a medida que las turbinas envejecen, las piezas fallan y el rendimiento de la producción de energía se degrada y los costes de mantenimiento aumentan. La supervisión y el análisis de datos permiten ajustes de rendimiento y mantenimiento basados en la supervisión de estado en lugar de intervalos de tiempo. La experiencia de otras industrias muestra que la supervisión de estado detecta fallos antes de que alcancen una etapa catastrófica y extiende la vida útil de los activos, los mantiene funcionando en factores de capacidad cercanos a los iniciales, permite una mejor planificación y logística de mantenimiento y puede reducir los mantenimientos programados. 1.4.2 SCADA, HMI, Thingsboard y protocolos industriales 1.4.2.1 SCADA El control de supervisión y la adquisición de datos (SCADA) es una arquitectura de sistema de control que comprende computadoras, comunicaciones de datos en red e interfaces gráficas de usuario para la supervisión de alto nivel de máquinas y procesos. También cubre sensores y otros dispositivos, como controladores lógicos programables (PLC), que interactúan con la planta o maquinaria de proceso. El sistema SCADA constituye pues, un elemento fundamental en un parque eólico. Este sistema conecta las turbinas individuales, la subestación y las estaciones meteorológicas a un ordenador central. Este ordenador y el sistema de comunicación asociado permiten al operador supervisar el comportamiento de todos los aerogeneradores y también del parque eólico en su totalidad. El sistema SCADA mantendrá un registro de toda la actividad de los dispositivos de parque y permitirá al operador tomar decisiones y aplicar acciones correctivas en función de los datos recibidos. También registra la producción de energía, la disponibilidad y las señales de error/alarmas, que actuarán como base para cualquier cálculo y reclamación de garantía. Este sistema también tiene también como función limitar la salida de energía en respuesta a las instrucciones del operador de la red y de implementar cualquier requisito en el acuerdo de conexión para controlar la producción de energía reactiva, para contribuir al control de frecuencia o voltaje de la red. El ordenador central donde se aloja el sistema SCADA se comunica con los aerogeneradores a través de una red de comunicaciones, que casi siempre utiliza fibra óptica. A menudo, los cables de fibra óptica son instalados por el contratista eléctrico, luego son probados y terminados por el proveedor de SCADA. El sistema SCADA generalmente lo proporciona el proveedor de la turbina, por simplicidad contractual. También existe un mercado para los sistemas SCADA de proveedores independientes y su uso puede ser ventajoso ya que proporcionan formatos idénticos de informes y análisis de datos, independientemente del tipo de turbina; esto es importante para los propietarios u operadores de parques eólicos que tienen proyectos que utilizan diferentes aerogeneradores; y transparencia de cálculo de disponibilidad y otros posibles problemas de garantía. 19 Además del equipo esencial necesario para un parque eólico en funcionamiento, también es recomendable, si el tamaño del proyecto puede justificar la inversión, instalar alguna instrumentación meteorológica permanente en los mástiles meteorológicos. Este equipo permite monitorizar y comprender cuidadosamente el rendimiento del parque eólico. Si el parque eólico no está obteniendo la producción esperada, será importante determinar si esto se debe a un rendimiento mecánico deficiente o a un recurso eólico inferior al esperado. En ausencia de datos de viento de buena calidad en el sitio, no será posible hacer esta determinación. Por lo tanto, los grandes parques eólicos suelen contener uno o más mástiles meteorológicos permanentes, que se instalan al mismo tiempo que el parque eólico. En definitiva, los sistemas SCADA recogen datos de distintos dispositivos de parque y los centralizan en un servidor centralizado. Como se verá a continuación, la comunicación entre los dispositivos de campo y el servidor central se hace mediante protocolos industriales. 1.4.2.2 Protocolos Industriales de Comunicación Los protocolos industriales son protocolos de comunicaciones que aseguran la conectividad entre máquinas, dispositivos y sistemas como parte de una red industrial. Los protocolos de comunicación permiten la comunicación industrial para que los propietarios puedan tener una mayor visibilidad y control de sus operaciones. Con PLC, controles de máquinas, HMI, sensores y sistemas conectados, los fabricantes pueden impulsar la automatización industrial. Históricamente, la comunicación industrial se basaba en conexiones en serie, lo que dio como resultado muchos protocolos que se siguen utilizando en la actualidad, como Modbus y Profibus. La industria en su conjunto ha comenzado a moverse hacia los protocolos de comunicación de ethernet industrial. La razón de esto es que Ethernet es más rápida, más confiable y tiene mayor flexibilidad en comparación con la comunicación en serie. Esto ha resultado en protocolos industriales como Ethernet/IP y Profinet. En la actualidad, hay una gran variedad de protocolos de comunicación disponibles, dependiendo de varios factores, incluidos los equipos y dispositivos en uso, las redes y el objetivo del sistema de control. Este trabajo desarrolla uno de los protocolos más utilizados, el OPC DA, utilizado para acceder a valores en tiempo real en dispositivos industriales. Un Cliente OPC DA solo lee los valores actuales proporcionados por un dispositivo y también puede escribir datos. Un ejemplo típico de un Cliente OPC sería una aplicación de hoja de cálculo que lee la salida de potencia activa de una turbina eólica. Cuando el Cliente OPC se conecta al Servidor OPC de la turbina eólica, el Servidor OPC iniciará la comunicación con el dispositivo. Los servidores OPC existen para proporcionar datos generados por: - Sistemas de Control Distribuido en una planta o refinería - Controladores lógicos programables - Sistemas SCADA - Sensores individuales - Analizadores - Bases de datos Con su cliente OPC DA integrado, el servicio de conector de reclusión puede hacer uso de los datos en todos los dispositivos anteriores, y todos los demás dispositivos que proporcionan su propio servidor de acceso a datos OPC. Al utilizar principios asíncronos para transferir los datos, el diseño de la especificación OPC DA permite arquitecturas con un rendimiento de lectura muy alto. La transferencia de datos síncrona también es posible, pero no muchos clientes OPC la utilizan. 20 OPC DA tiene un funcionamiento muy sencillo, su mecanismo básico consta de tres pasos: - Exploración del servidor / Conectar servidor OPC - Examinar el espacio de direcciones para elementos de datos (opcional) - Crear un grupo de elementos para leer/escribir valores de datos Después de la creación del grupo, el cliente en la mayoría de los casos recibirá un flujo continuo de datos en tiempo real. Un cliente puede llamar periódicamente a una función de ping de vida (GetStatus) desde un servidor OPC para detectar si el servidor OPC todavía está disponible. Los datos se pueden leer de 2 maneras diferentes, desde la memoria caché o directamente desde el dispositivo. Cada unidad de datos OPC contiene tres elementos: - Valor de datos en tipo de datos variante - Marca de tiempo - Calidad (código de estado) 1.4.3 Plataforma IOT Todos los datos recogidos de las distintas fuentes en parque se mostrarán en tiempo real en la plataforma IOT llamada Thingsboard. La definición de IoT (Internet of Things) podría ser la agrupación e interconexión de dispositivos y objetos a través de una red (bien sea privada o Internet, una red de redes), dónde todos ellos podrían ser visibles e interaccionar. Respecto al tipo de objetos o dispositivos podrían ser cualquiera, desde sensores y dispositivos mecánicos hasta objetos cotidianos. Los dispositivos IoT capturan datos y los transmiten a la nube, donde los algoritmos de IA comparan las lecturas de los sensores en tiempo real con los datos históricos y evalúan si el equipo funciona correctamente. Los propietarios de plantas de energía y los técnicos de campo acceden a los datos mediante aplicaciones web, de escritorio o móviles y determinan si se necesitan reparaciones. Los sistemas avanzados de IoT también pueden incorporar dispositivos IoT que tienen suficiente poder de computación para procesar localmente los datos de los sensores y controlar las máquinas sin interferencia humana. 1.4.4 Operativa actual de parques eólicos En la actualidad, el control de los parques eólicos se hace desde centros de control donde se monitorizan múltiples aerogeneradores en distintas partes del mundo y de distintos fabricantes. Los operadores del centro de control supervisan los parques desde sistemas SCADA que centralizan todos los aerogeneradores o desde los sistemas SCADA de primer nivel (fabricante). Entre sus labores se encuentra la detección de alarmas y una rápida actuación para reducir los tiempos de indisponibilidad y para contactar con O&M en caso de que tengan que hacer alguna actuación sobre las turbinas. Aparte de intentar maximizar el tiempo de operación de las máquinas, deberán de tenerse en cuenta otros factores a la hora de operar las máquinas. Existen diversas normativas en función del país en que nos encontremos, y el sistema RPA permite también tener en cuenta estas restricciones a la hora de operar los aerogeneradores. Existen normativas para proteger la fauna local en países como Francia y Alemania, donde existen restricciones en el funcionamiento de los parques eólicos para la protección de murciélagos cuando se dan ciertas condiciones ambientales y en meses determinados del año. También existen normas que aplican a parques que se encuentran cerca de zonas urbanas y que pretenden 21 minimizar los efectos negativos que producen sobre las personas que habitan cerca de los aerogeneradores. Fenómenos como el “flickering”, que consiste en la sombra producida por el bloqueo intermitente de la luz solar por parte de las aspas del aerogenerador o el ruido generado por el funcionamiento cuando hay vientos altos pueden tener efectos nocivos sobre las poblaciones cercanas y deberán ser limitados si las leyes del país en que se encuentren así lo dictaminen. Todas estas condiciones externas mencionadas anteriormente pueden ser contempladas por el RPA, por ejemplo, en el caso de las regulaciones por ruido, existen tablas que proporcionan el nivel de ruido en función de la velocidad a la que gira el rotor. Esta información se introduciría como entrada en el sistema y si el valor de velocidad del rotor es mayor al límite establecido se mandaría una orden de parada. 1.4.4.1 SCADA SGIPE Gamesa Un ejemplo de sistema SCADA que utilizan los operadores es SGIPE (Sistema Gestión Integral de Parques Eólicos), integrado en los parques de tecnología Gamesa. SGIPE es un sistema SCADA que recoge los datos en tiempo real enviados por el PLC; valores analógicos como potencias, tensiones, valores recogidos por el anemómetro de temperatura y velocidad y dirección del viento, así como diversas alarmas que se reciben como señales digitales (toman un valor 1 si se activan o un valor 0 si no están activas). Este sistema cuenta también con una base de datos para generar un histórico de los valores recogidos. A continuación, se muestra una captura del Sistema SCADA SGIPE (Sistema Gestión Integral de Parques Eólicos). La imagen muestra la pantalla principal de un parque eólico compuesto por 11 aerogeneradores: Ilustración 8. Interfaz HMI SGIPE - Las distintas columnas representan los valores instantáneos de las variables más relevantes (potencia activa, velocidad de viento, velocidad del generador y ángulo de pitch) así como el estado del aerogenerador. - Los estados de las turbinas dependen de las alarmas que haya activas en ese momento. Los estados que 28 A nivel de señales se mapean como cualquier otra señal, pero únicamente se almacenan los cambios, es decir, cuando la señal pasa de 0 a 1 o viceversa, a diferencia del resto de señales que se almacenan en intervalos de diez minutos. En este apartado se incluye la señal de estado operacional, una señal que puede tomar distintos valores numéricos en función del estado en que se encuentre el aerogenerador. Ilustración 16. Consulta de señales de estado Matrikon OPC Las señales digitales y la señal de estado se mapean en mongoDB, una base de datos NoSQL que permite introducir configuraciones en formato “.json”. Este formato (acrónimo de JavaScript Object Notation, 'notación de objeto de JavaScript') es un formato de texto sencillo para el intercambio de datos. Se trata de un subconjunto de la notación literal de objetos de JavaScript, aunque, debido a su amplia adopción como alternativa a XML, se considera un formato independiente del lenguaje. En la Tabla 1. Estados turbinas Gamesa se muestra un ejemplo de configuración de eventos en formato Excel, donde se muestra la señal que activa cada evento (Tag), el valor que debe tomar dicha señal (TriggerValue), el texto que se mostrará en la plataforma y la categorización o tipo de error. Trigger Value Tag Text Type 0 Status [S0] Emergency Error 25 Status [S25] Stop Error 50 Status [S50] Pause Manual Stop 75 Status [S75] Ready Available 100 Status [S100] Run Available 125 Status [S125] Manual Maintenance 150 Status [S150] No comm. Comm Tabla 1. Estados turbinas Gamesa La gestión de eventos es fundamental para la automatización ya que en función de las alarmas que tenga activas el aerogenerador se deberán de tomar distintas acciones tal y como se pudo ver en el protocolo de operación de Gamesa. - Módulo del Operador Virtual: Este módulo es necesario para que el software tome una acción sobre el aerogenerador y además contiene las señales específicas para el funcionamiento del robot que veremos más adelante. Las reglas que utiliza este módulo para tomar una acción son configurables desde la plataforma web para que sea editable por los operadores y/o propietarios del parque eólico. 29 Para cargar el protocolo, se debe cargar un archivo en formato “.csv” que contenga todas las columnas del protocolo, tal y como se muestra en la figura adjunta: Ilustración 17. Protocolo de operación adaptado a RPA A continuación, se muestra un ejemplo de cómo se visualiza en la plataforma la pantalla de configuración del protocolo de operación para la señal llamada “Error Sensor Giro”. Ilustración 18. Pantalla configuración de protocolo en Thingsboard 1.4.5.3 Parámetros de configuración Los parámetros configurados son fieles al manual de operación, no obstante, son recomendaciones del fabricante y pueden modificarse en función de la estrategia de operación del propietario, ya que dependiendo de distintos factores como el estado y antigüedad de las turbinas puede variar. A continuación, se explican algunos de estos parámetros de configuración, entre paréntesis el texto que tiene cada parámetro en la plataforma: − Expression (Scenario): Aquí se configurarán las reglas a implementar para tomar cualquier tipo de acción. Mientras esta regla o conjunto de reglas esté activo, el sistema RPA actuará según las acciones que se hayan configurado. − Message (Message): Mensaje de error mostrado al activarse la condición indicada en el apartado anterior. − Rearmcount (Max num. allowed actions): Número de rearmes o reinicios del aerogenerador que intentará el sistema. Existe la posibilidad de que no reinicie el funcionamiento tras el envío de la primera orden, incluso que no reinicie tras llegar al número máximos de intentos. El número máximo de intentos se establece para no dañar los componentes de la turbina. − TimeInErrorToActionSec (Time before first action): Tiempo en segundos que debe estar activa una alarma hasta que el sistema empieza a actuar. Este parámetro es necesario debido a que en determinadas ocasiones las señales oscilan entre 0 y 1 en intervalos cortos de tiempo. 30 − TimeBetweenRearmSec (Time in between actions): Tiempo entre los intentos de rearme. En los casos en los que hay más de un intento de rearme, es el tiempo que transcurre entre el último intento de reseteo y el nuevo intento. − MaxTimeToResetRearmCountSec (Restart Cycle): Tiempo de un ciclo completo. En caso de haber rearmes y que no se hayan realizado correctamente, tras el paso de este tiempo se reinicia el ciclo de rearmes, normalmente se utiliza un tiempo de 86400 s, o un día. Una vez hayamos cargado el protocolo de operación a la plataforma, puede editarse tal y como se muestra en la Ilustración 19: Ilustración 20. Pantalla de edición de reglas del protocolo de operación Adicionalmente a las señales que se han mapeado del servidor OPC al sistema, existe unas señales internas que utiliza el módulo “Operador Virtual” para evaluar los diferentes escenarios. Esta señal, llamada “VO_FH_ScenarioState” toma distintos valores que se describirán a continuación y que se reevalúan en cada iteración. VO_FH_ScenarioState Acción/Descripción 0 Robot deshabilitado 1 Habilitado y sin errores activos 2 Detectada activación de regla 3 Envío de orden de arranque 4 Envío de orden de parada 5 Escenario no recuperado. Puede ser por: 1) La unidad de generación sigue en error tras enviársele el máximo admitido de rearmes. 2) La unidad de generación se encuentra en un error para el que no se configuró rearme de FH. 6 Turbina sin comunicación Tabla 2. Escenarios Robot 31 Con estos módulos básicos instalados en el servidor adicional de parque el sistema RPA podrá operar de manera automática un parque eólico. En el siguiente capítulo se verá como el operario deberá de configurar inicialmente el sistema RPA, y como se visualizarán las acciones llevadas a cabo por el sistema en la plataforma IoT Thingsboard. 32 2 FUNCIONAMIENTO CON SISTEMA RPA 2.1 Operación con Sistema RPA La operación mediante el software RPA libera al operador de las labores de supervisión activa de los aerogeneradores y automatiza determinadas tareas. Las tareas que se implementarán en el sistema y que ya no tendrá que realizar el operador serán: - Gestión de alarmas y respuesta a emergencias: El sistema contendrá el protocolo de operación y lo ejecutará según aplique. - Control remoto: El sistema actuará en función de las reglas implementadas y tendrá capacidad de arrancar o parar aerogeneradores de forma automática. A continuación, se mostrará la secuencia de lo que se visualiza en la plataforma cuando se active un evento en el aerogenerador que requiere un rearme. En primer lugar, se deberá cargar el protocolo de operación del modelo de aerogenerador en la plataforma, en formato Excel con los parámetros necesarios para su funcionamiento comentados anteriormente En la pantalla de Site Monitor and Escalation se cargará y se nombrará con el parque/modelo que corresponda: Ilustración 21. Pantalla de consulta y edición de protocolos En la plataforma Thingsboard en la pantalla de “WTG Yield Optimization Robot” se selecciona la activación del robot con “Enable Robot”. Este botón habilita el sistema RPA a nivel global, aunque es un botón de seguridad puesto que deberemos de seleccionar individualmente qué máquinas deben ser operadas por el robot. 33 También deberá de elegirse el protocolo para cada turbina a nivel individual ya que, aunque en la mayoría de casos los parques eólicos suelen tener máquinas del mismo modelo y fabricante puede haber casos en los que varíen los modelos e incluso las tecnologías. Ilustración 22. Pantalla principal sistema RPA A continuación, se muestra una captura de la vista de turbinas con el protocolo seleccionado y el RPA activado: Ilustración 23. Vista global de aerogeneradores Para la realización de la prueba de funcionamiento se realizan los siguientes pasos: - Se selecciona un aerogenerador para la prueba y se envía una orden de parada de forma remota. - Se seleccionará una alarma que tenga un reset remoto automático. - Se deshabilitará la lectura de esa señal concreta en tiempo real, esto se realiza para que no se sobrescriba el valor real de esa alarma. Es importante recordar que las alarmas están activas cuando la señal toma el valor 1 y no activas cuando toman el valor 0. - Una vez simulada esa señal (contenida en el protocolo de operación del parque) el robot empezará a actuar 2.2 Sistema “Fault Handling” El sistema “Fault Handling” replica la labor del operador enviando órdenes de marcha a los aerogeneradores cuando el protocolo lo permita. Este sistema evalúa constantemente las señales de entrada que se utilizan como reglas en el protocolo de actuación y cuando se cumple alguna de ellas empieza a actuar. En la siguiente imagen, se muestra una leyenda con los iconos que aparecerán en la plataforma cuando el robot haga alguna acción: 34 Ilustración 24. Leyenda de iconos de actuación del Robot El icono “Trigger” aparecerá cuando las condiciones permiten una acción, ya sea un Reset en caso del sistema “Fault Handling” o una parada en caso del sistema “Bat Curtailment” que se verá en el Capítulo 2.3. Si el sistema alcanza el número máximo de Resets contemplado en el protocolo, aparecerá el modo “Standby”, que indica que deberá de revisarse localmente. En todos los casos en los que el sistema intenta realizar una acción el sistema envía una notificación mediante correo electrónico con información a los contactos relevantes del parque eólico en cuestión. 2.2.1 Simulación del funcionamiento Para comprobar el funcionamiento del sistema se seleccionará el aerogenerador E9C del parque eólico en cuestión. Tal y como se indicaba en el apartado anterior se parará con el botón “STOP” desde la plataforma y se validará dicha parada: Ilustración 25. Parada de aerogenerador desde Thingsboard Una vez enviada la orden de parada podremos comprobar tanto en la plataforma como en el SCADA SGIPE de Gamesa: 35 Ilustración 26. Confirmación de parada de E9C en SGIPE Ilustración 27. Cambio de estado E9C en Thingsboard En la Ilustración 26. Confirmación de parada de E9C en SGIPE, puede verse cómo el aerogenerador E9C ha cambiado de estado a “PAUSE” y ya no está produciendo energía. Adicionalmente, se puede observar en el apartado “Wind Turbine Active Alarms” el comando que se ha enviado por OPC al aerogenerador. Es necesario recordar que, en esta secuencia de orden desde la plataforma, la orden va desde la web al servidor instalado en planta que procesa las señales y de ahí al servidor del tecnólogo o servidor OPC. A continuación se deshabilitará la lectura de la señal que se quiere simular, la señal elegida es “PARK_StAmand.Gamesa_G58_850.009.BALM_Giro_ErrSensorGiro”. Nótese que, aunque no sea posible leer el valor real, el sistema interpreta el valor de la señal del sistema RPA y no del sistema original, por lo que cuando se active una alarma que contenga el protocolo el sistema RPA actuará. Una vez que el sistema detecta que se cumplen las condiciones correctas, que en este caso concreto son activación de la alarma en cuestión, valor de la señal “Status” distinto de 75 y 100 y el valor de la señal “VO_BC_ScenarioState” distinto de 1 el sistema actuará. La señal “VO_BC_ScenarioState” es una señal interna del sistema que habilita o deshabilita el sistema RPA en función de que se haya habilitado o no con el botón “Enable Robot”. Una vez el sistema haya detectado una alarma sobre la que deba actuar aparecerá el aerogenerador en la pantalla 36 “Robot next actions”. Ahora, el sistema intentará enviar una orden de rearme al aerogenerador (según la configuración del protocolo tendría un máximo de 3 intentos) Ilustración 28. Intento de reset “Robot next actions” En el log de eventos del sistema podemos ver el intento de rearme exitoso, ya que se aprecia que el aerogenerador vuelve a tener un estado “[S100] Run ” y que vuelve a tener producción. Ilustración 29. Reset exitoso mediante RPA En los casos en los que se llegue al límite de intentos de rearme y el aerogenerador no pueda reanudar la marcha, aparecería la máquina en cuestión en la pantalla “WTGS that need human assistance”. 37 Ilustración 30. Reset fallido RPA y paso a Reset Local Esto indica que la máquina ha pasado a Reset Local y no podrá rearmarse hasta que los técnicos de operación y mantenimiento (O&M) acudan al parque a revisar el componente dañado o reseteen la alarma desde el módulo del propio aerogenerador. Cuando una máquina pasa a este estado, el sistema notifica automáticamente mediante correo electrónico tanto a los operadores del centro de control como a los técnicos de O&M pertinentes. 2.3 Sistema “Bat Curtailment” En algunas regiones de Europa, los parques eólicos deben cumplir con el Plan de Protección de Murciélagos (o Bat Curtailment) impuesto por las normativas de cada país o región. En este contexto, es importante que los propietarios de activos anticipen los impactos financieros y estén al tanto de las soluciones disponibles para evitar la pérdida de ingresos. Ya se han explorado varios enfoques para diseñar sistemas ultrasónicos que puedan mantener a los murciélagos alejados de las turbinas eólicas. Sin embargo, los resultados no fueron lo suficientemente satisfactorios para desarrollar una solución de este tipo a nivel industrial. La operación manual de las turbinas no es un enfoque viable, debido a la necesidad de atención constante de las medidas involucradas en el control de cada uno de los aerogeneradores de la planta. Actualmente, la única medida efectiva para reducir las colisiones con murciélagos es la parada operacional. Por otro lado, el recorte operativo impacta en la producción de los parques eólicos, por lo que es importante minimizar el tiempo de parada tanto como sea posible. La solución más viable, por tanto, es aquella que permita la automatización en función de los inputs que se pasen al sistema. Teniendo en cuenta los períodos de actividad y ciclos reproductivos de los murciélagos, se han extraído las condiciones en las cuales la actividad de los murciélagos es mayor, y bajo estas condiciones los aerogeneradores deberán detenerse para evitar colisiones y por consiguiente posibles sanciones. Los murciélagos buscan alimento cerca del plano del rotor de la turbina eólica y se ha observado que prefieren volar cerca de las turbinas que en campo abierto. Es por eso que las estrategias basadas en la ubicación de las turbinas eólicas no tienen éxito en la prevención de muertes de murciélagos. La investigación etológica de los murciélagos ha demostrado que su actividad de alimentación está relacionada con los siguientes factores: - Velocidad del viento a la altura de la góndola - Temperatura ambiente a la altura de la góndola - Horas nocturnas 44 4 CONCLUSIONES En resumen, los resultados obtenidos demuestran claramente las ventajas significativas que ofrece la implementación del sistema RPA. Por un lado, se observa un beneficio económico directo derivado del ahorro de tiempo en la producción gracias a la operación automática, así como un considerable ahorro de tiempo para los operadores del centro de control al automatizar tareas de monitorización y control. En el caso específico analizado en este estudio, que abarcó 4 parques eólicos con un total de 66 aerogeneradores durante un periodo de 4 meses, el sistema RPA generó ingresos adicionales de 1211€ y ahorró aproximadamente 347 horas de trabajo para los operadores del centro de control. Además de evitar errores humanos y facilitar el trabajo de los operadores, liberándolos de tareas de supervisión rutinarias y permitiéndoles enfocarse en labores no automatizables, el sistema RPA también contribuye al cumplimiento de normativas establecidas en diferentes regiones. Como se observó en el caso del robot "Bat Curtailment", cumplir con estas normativas no solo evita daños a la fauna local, sino que también previene posibles sanciones significativas impuestas por las autoridades. Otra ventaja destacable del sistema es su gran flexibilidad, ya que permite a los usuarios finales de la plataforma configurar reglas personalizadas para la operación del parque eólico. Esto les brinda la capacidad de establecer diversas estrategias, ya sea para maximizar los beneficios, prolongar la vida útil de los aerogeneradores u otros objetivos específicos. El sistema aporta una gran flexibilidad en cuanto a tipos de protocolos de comunicación con los que puede conectar, ya que soporta algunos de los más utilizados aparte de OPC, como Modbus, IEC 104, MQTT, etc. Esto permite conectar el sistema con múltiples fuentes de datos; dispositivos de campo, sensores y actuadores y esto permitirá añadir funcionalidades a medida que las regulaciones vayan evolucionando. En conclusión, la implementación del sistema RPA se revela como una solución altamente beneficiosa que no solo mejora la eficiencia y la productividad de los parques eólicos, sino que también garantiza el cumplimiento normativo, brinda flexibilidad en la operación y libera a los operadores para tareas de mayor valor añadido. 45 5 LÍNEAS DE CONTINUACIÓN Uno de los desafíos asociados con los parques eólicos es el riesgo que representan para las aves, ya que las aspas en movimiento pueden causar colisiones fatales. En España, se estima que varias decenas de miles aves perecen por estas colisiones con los aerogeneradores. Afortunadamente, gracias a los avances en la tecnología IoT, en un futuro será posible utilizar sensores conectados a la plataforma para mitigar este problema y prevenir la muerte de pájaros en los parques eólicos. Estos sensores podrán detectar la presencia de aves en áreas cercanas a las turbinas eólicas y enviar esta información a una central de control. Esto permite una supervisión continua de las aves y ayuda a prevenir colisiones. Análisis de datos y modelado predictivo: Se podrán utilizar técnicas de análisis de datos y aprendizaje automático para comprender los patrones de vuelo de las aves y predecir posibles colisiones. Al recopilar datos sobre la migración de aves, su comportamiento y las condiciones ambientales, se podrían crear modelos predictivos que alerten a los operadores del parque eólico o al sistema RPA sobre momentos de mayor riesgo. Esto les permite tomar medidas preventivas, como reducir la velocidad de las turbinas o detenerlas temporalmente. La plataforma IoT podrá facilitar la colaboración entre parques eólicos y organizaciones dedicadas a la conservación de aves. Los datos recopilados sobre avistamientos, comportamiento y colisiones pueden compartirse para mejorar la comprensión global de los riesgos asociados con los parques eólicos y desarrollar soluciones más efectivas. La combinación de sensores, análisis de datos y tecnología IoT en un parque eólico puede marcar la diferencia en la protección de las aves. Al proporcionar monitoreo en tiempo real, análisis predictivo y sistemas de repelente de aves, se pueden prevenir colisiones y minimizar el impacto negativo en las poblaciones de aves. Además, al fomentar la colaboración y el intercambio de datos, es posible mejorar continuamente las prácticas de conservación y encontrar soluciones aún más efectivas. Con la implementación de estas tecnologías, los parques eólicos pueden avanzar hacia una coexistencia más armoniosa con el medio ambiente y contribuir a la transición hacia una energía más sostenible. 46 6 BIBLIOGRAFÍA [1] «energy.gov,» Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, [En línea]. Available: https://www.energy.gov/eere/wind/how-wind-turbine-works-text-version. [Último acceso: 2023]. [2] «iberdrola.com,» Iberdrola S.A., 2023. [En línea]. Available: https://www.iberdrola.com/sostenibilidad/como-funcionan-parques-eolicos-terrestres . [Último acceso: 2023]. [3] S. Krohn, «The Economics of Wind Energy,» inextremis, 2009. [4] «Wikipedia.com,» [En línea]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e%C3%B3lica. [Último acceso: 2023]. [5] G. B. L. R. D. F. Ivan Komusanac, «Wind energy in Europe, 2021 Statistics and the outlook for 2022- 2026,» 2022. [6] G. B. D. F. Ivan Komusanac, «Wind energy in Europe in 2019. Trends and statistics,» 2020. 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