hydro asset management and automation: andritz …

ASSET MANAGEMENT AND

AUTOMATION: ANDRITZ DIGITAL

SOLUTIONS AND CASE STUDIESDIEGO ALIPRANDI

HYDRO

SALTO GRANDE HPP – AUGUST 27TH 2018

We are a global supplier of electro-mechanical systems and services (“from water-to-wire")

for hydropower plants and a leader in the world market for hydraulic power generation.

COMPREHENSIVE EXPERTISE OF ANDRITZ HYDRO

2

More than 175 years of turbine experience (1839)

Over 31,600 turbines (more than 434,600 MW) installed

Complete range up to more than 800 MW

Over 120 years electrical equipment experience (1892)

Leading in service and rehabilitation

More than 120 Compact Hydro units per year

SALTO GRANDE WORKSHOP ON DIGITALIZATION / © by ANDRITZ HYDRO GmbH 2018

FROM THE HISTORIC PIONEERS OF TECHNOLOGY

TO A MODERN MARKET LEADER

3 SALTO GRANDE WORKSHOP ON DIGITALIZATION / © by ANDRITZ HYDRO GmbH 2018

ANDRITZ HYDRO –

FACTS AND FIGURES IN SHORT

4

KEY FINANCIAL FIGURES 2017: 2017

Order intake 1,317.2 MEUR

Order backlog 2,921.8 MEUR

Sales 1,583.1 MEUR

EBITA 123.0 MEUR

Employees (without apprentices) 7,237

LARGE

HYDRO

COMPACT

HYDRO

SERVICE &

REHAB

TURBO

GENERATOR

PUMPS

hydro- and electro-mechanical

equipment for large turnkey /

expansion projects; as well as

modification of existing plants

world's leading provider for small

and mini hydropower plants -

providing the full spectrum of

electro-mechanical equipment

solution oriented state-of-the-art

service and rehabilitation solutions

to increase profitability and extend

plant life span

pumps that meet the demand for

ever-larger, higher performance

units, whether for low flow rates or

wear-resistant applications

leading suppliers for high

performance turbo generators for

gas-fired combined and open-cycle

power plants

SALTO GRANDE WORKSHOP ON DIGITALIZATION / © by ANDRITZ HYDRO GmbH 2018

01 MARKET OVERVIEW AND

CHALLENGES

02 OFFERED SERVICES

03 CONNECTIVITY

04 PROJECT EXAMPLES

05 SUMMARY

TABLE OF CONTENTS

5 SALTO GRANDE WORKSHOP ON DIGITALIZATION / © BY ANDRITZ HYDRO GMBH 2018

CHALLENGES OF TODAY’S ENERGY MARKETS

VOLATILITY AND COST PRESSURE

RAPIDELY CHANGING

PRICES AND

REGULATORY

CONDITIONS

COMPLEXITY

SECURE RELIABLE

LONG TERM OPERATION

ON STANDARD

SERVICES

ON STANDARD

SERVICES

Price volatility New financing models Increasing competition

$

FROM SELF OPERATED

RESSOURCES TO PURE

ASSET MANAGMENT

INCREASED NUMBER OF

VOLATILE ENERGY

SOURCES AND

HYDROLOGICAL

CHANGES

Asset managementGrid volatility and

climate change


METRIS DIOMERA’S

MAIN FOCUSED AREAS FOR POWER PLANTS

METRIS DiOMera – Digital Solution for O&M

Maximize productionOptimize

maintenance

Lifetime

management of

assets

7

Relative importance as a function of

Operator requirements

Metris DiOMera™ is a digital platform developed to improve Unit(s) / Plant(s) / Fleets (s)

performances by a combination of assessment & optimization

SALTO GRANDE WORKSHOP ON DIGITALIZATION / © BY ANDRITZ HYDRO GMBH 2018

01MARKET OVERVIEW AND

CHALLENGES

02 OFFERED SERVICES

03 CONNECTIVITY

04 PROJECT EXAMPLES

05 SUMMARY

TABLE OF CONTENTS


Spare part- and stock

management24 / 7

monitoring and operation

Special designed for hydro power plants

OPERATION AND MAINTENANCE

OFFERED SERVICES

9

Maximize

production

Optimize

maintenance

Lifetime

management of

assets

System assessment /

unit inspections

Reports / analysis

Remote assistance

Preventive / predictive

maintenance optimizationProvision of engineers

Engineers System

supported

by


METRIS DIOMERA SYSTEM

THE 4 MAIN FOCUS AREAS

10

Metris DiOMera

Technology

Modules

Metris DiOMera

Maintenance Management

System

Metris DiOMera

Operation and Maintenance

HPP Control

Metris DiOMera

Mobile Customer

Communication




11

Metris DiOMera

Technology

Modules

Metris DiOMera


System

Metris DiOMera


HPP Control

Metris DiOMera

Mobile Customer

Communication


Functionality

• Generating data out of physics

• Calculate key performance indicators (KPI)

and cost of operation indicators

• Detecting influencing factors

• Optimization suggestions for

Operation & Maintenance

• Predictive maintenance suggestions

• Graphical representation of all values


TECHNOLOGY MODULES




13

Metris DiOMera

Technology

Modules

Metris DiOMera


System

Metris DiOMera


HPP Control

Metris DiOMera

Mobile Customer

Communication



MAINTENANCE MANAGEMENT SYSTEM (CMMS)

14

What is it?:

• Organizes to complete

maintenance process

Maintenance management:

• Work plans

• Planning with scheduling

• Job administration

• Resource planning

• Mobile maintenance

• Spare part management




15

Metris DiOMera

Technology

Modules

Metris DiOMera


System

Metris DiOMera


HPP Control

Metris DiOMera

Mobile Customer

Communication


• Services provided by Regional Control Center

• Collection of plant data

• SCADA plant monitoring (up to 24/7 service)

• Organization of maintenance works with

Computer based Maintenance Management System

(CMMS)

• Technology modules

• Detect optimization potential

• Analysis and report functions


OPERATION AND MAINTENANCE HPP CONTROL




17

Metris DiOMera

Technology

Modules

Metris DiOMera


System

Metris DiOMera


HPP Control

Metris DiOMera

Mobile Customer

Communication


• Mobile App

• Display the most important values on mobile devices

• Get an quick overview about current plant condition status

• Augmented reality features with Hololens

• Display documentation

• Display operational values

• Remote assistance

• Overlay of 3D objects for optimized

maintenance


MOBILE CUSTOMER COMMUNICATION



CHALLENGES

02 OFFERED SERVICES

03 CONNECTIVITY

04 PROJECT EXAMPLES

05 SUMMARY

TABLE OF CONTENTS


Connectivity

METRIS DIOMERA


20

Metris DiOMera

Technology

Modules

Metris DiOMera


System

Metris DiOMera

Operation and

Maintenance

HPP Control

Metris DiOMera

Mobile Customer

Communication


Connectivity

METRIS DIOMERA


21

Metris DiOMera

Technology

Modules

Metris DiOMera


System

Metris DiOMera

Operation and

Maintenance

HPP Control

Metris DiOMera

Mobile Customer

Communication


Connectivity

METRIS DIOMERA


22

Technology

Modules


System

Metris DiOMera


HPP Control

Mobile Customer

Communication

Connectivity

• Seamless interaction of all

services to an integrated

approach

• Distribution to different places

possible (HPP, Control room,

data center, etc.)

• Accessibility of data from where

ever needed

• High level of security for data

transmission/storage/access

Customized solution



CHALLENGES

02 OFFERED SERVICES

03 CONNECTIVITY

04 PROJECT EXAMPLES

05 SUMMARY

TABLE OF CONTENTS


HPP Montrose – Canada, 2x 75 MW Pelton

METRIS DIOMERA

PROJECT EXAMPLES

24

The need:

• Basic monitoring for enhancing operation

• Joint reviews to show detected operational potential

• After 6 month in operation major flood event

occurred with eventual occurring damages

The solution provided by ANDRITZ Hydro

• On-site monitoring system placed

• 1) Detecting operational enhancement and feasibility

study for enhancing the operation

• 2) After flood event: vibrations are detected

units operated at full load but lower

index efficiency

• Automatic detection that nozzles are

opening incorrect corrective measures applied


HPP Galleto – Italy (slide 1)

METRIS DIOMERA

PROJECT EXAMPLES

25

The need:

• Basic monitoring for enhancing maintenance

• Preventive maintenance based on KDI’s (Key

Diagnose Indicator)


• Classify by operation point;

• Correlation changes due to operation point, identifying

in which load they have correlation

• Automatic KDI determination, and definition of the

threshold



METRIS DIOMERA

PROJECT EXAMPLES



METRIS DIOMERA

PROJECT EXAMPLES


Empirically defined

threshold

Exceedance of the

threshold expected in

2 month

KDI:

Difference between heat exchanger 1 and 2

𝑻𝟏: Temperature cold heat exchanger 1

𝑻𝟐: Temperature cold heat exchanger 2

𝑲𝑫𝑰 = 𝑻𝟏 − 𝑻𝟐

HPP Teesta Urja - India, 6x 200 MW

The need

• Operation: “Optimization of the available water resources to get the

maximum efficiency and ultimately maximum revenue”

• Maintenance: “Target to achieve maximum availability of machine by

optimizing resources and adopting best maintenance practices”


• Routine maintenance works (daily, weekly, monthly, bi-annual, annual)

• Maintain record of un-schedule activities performed

• Preventive maintenance on recommendation of condition monitoring

system, trouble shooting activities

• Operation of units in agreement with dispatch center under

consideration of maximum efficiency

• Daily generation reporting

METRIS DIOMERA

PROJECT EXAMPLES


HPP Melk – Primary Control for Kaplan Units

The need

• With the insertion of intermittent energy sources, grid

control becomes more challenging;

• Kaplan units are being required to operate to regulate in

Primary Control;

• Runner components maintenance is a big issue.


• Detail analysis of the impacts on the lifetime of runner

components;

• FEM of the components based on original design,

operation and future needs;

• Impacts on the efficiency of the units due to new

operation;

• Final fatigue resistant design

METRIS DIOMERA

PROJECT EXAMPLES


Runner servomotor

differential pressure

for discharge control

Runner servomotor

differential pressure

for frequency control

AUTOMATIZACIÓN INTEGRADA PARA

CENTRALES HIDROELÉCTRICASWORKSHOP DE DIGITALIZACIÓN – SALTO GRANDE

HYDRO

AGOSTO 2018

• Gestión de la Central

• Monitoreo y Diagnóstico

• Automatización y Control

• Protección

• Sincronización

• Excitación

• Regulador de Velocidad

Subsistemas en la Central

EL CONCEPTO NEPTUN

/ ANDRITZ HYDRO / NEPTUN CONCEPT2

Áreas funcionales de la central

EL CONCEPTO NEPTUN


Aguas abajo

Unidad

Auxiliaries

Patio de maniobras

Sala de Control

Toma

Power Plant Station Bus

(Ethernet, TCP/IP)

• Sala de control regional

• Cascade Control

• Centro de Despacho Regional

• Centro de Despacho Nacional

Áreas

EL CONCEPTO NEPTUN


Configuración típica tradicional

EL CONCEPTO NEPTUN


Power Plant

Management

Automation &

Control

Tool

Tool

Monitoring &

Diagnosis

Turbine-

controller Excitation

Tool

Tool

Protection

Tool

Third-

Party

productTool

Synchronizing

Tool

Third-

Party

product

Comunicación diferente - Hardware diferente - Diferentes herramientas

EL CONCEPTO NEPTUN


Un sistema global: único protocolo de comunicación, un hardware, una

herramienta de ingeniería

Bus de comunicación de la central, Ethernet TCP/IP

Excitation ProtectionSynchronising

Power Plant

Management

3rd Party

Automation &

Control

Monitoring &

Diagnosis

Common

Toolset

Time3rd Party

Turbine

Governor

Una plataforma - cuatro funciones diferentes

SIMPLIFICA TU SOLUCIÓN


Protección

Iniciar la parada en

caso de fallo eléctrico

Sin función activa

durante el

funcionamiento

Regulador de Voltaje

Automático (RAV)

Función de control

(excitación inicial /

parada, disparo)

Excitación Reg. Velocidad Sincronización

Speed regulation

Load regulation

For all types of turbines

Sincronización de la

unidad con la red

Control del interruptor

del generador

Excitación

Una plataforma - cuatro funciones diferentes

SIMPLIFICA TU SOLUCIÓN


Protección Reg. Velocidad Sincronización

Solo una herramienta de ingeniería

CONFIGURACIÓN TÍPICA


Power Plant Management

Joint Control

(Level, P, Q, etc.)

Bus de comunicación de la Central, Ethernet TCP / IP, Ringstructure, IEC 60870 - 5 - 104

Synchronization

Unidad

Excitation Main

Protection

Turbine

Controller

Backup

Protection

Local

Display

Patio de Maniobras

Protection

Trafo

Busbar

Station-

Controller

Bay

Controller

Feeder 1

Feeder n

Auxiliaries

Common

ControlSala de Control de la Central

GPS,

NTPEngineering

Redundant SCADA System

Acceso remoto

Control

Board

Toma / Vertedero

Unit

Control

Control

Board

INTEGRACIÓN DE NUEVOS SERVICIOS


Common

Control

Acceso Remoto

Web-Cam

Web-Cam

Wireless

Access

point

Web-Cam

VoIP Phone

VoIP Phone

VoIP PhoneMobile Web-Pad

Mobile Web-Pad

Web Server

SMS

Unidad Patio de Maniobra AuxiliariesToma / Vertedero

Web-Cam

Sala de Control de la Central

Power Plant Station Bus, Ethernet TCP / IP, Ringstructure, IEC 60870 - 5 - 104

Video vigilancia



• Web - Cámara con Servidor Web

• Zoom / Movimentar

• Aplicación:

• Toma

• Piso Generador

• Eclusas

• Vigilancia de la central

Acceso Remoto



• Alarmes por SMS o Voz

• Acceso via Navegador WEB

• Aplicación:

• Information en la oficina

• Home office

• Equipo de mantenimiento – información rápida y en linea

Operación Móveil

INTEGRATION OF NEW SERVICES


• Web – Pad / Móvil

• Wireless LAN

HYNET

SEGURIDAD EN CENTRALES HIDROELECTRICAS


• Segmentación de la infraestructura

• Protección de equipos del proceso

(Hardening del Sistema, VLANs, Enrutamiento de datos...)

• Protección de equipos del control

(Hardening del sistela, backup, encriptación,

Next generation fire wall, Autentificación,

Actualización: Windows y Antivirus!)

REFERENCIAS

AUTOMATIZACIÓN

06.2018

ANDRITZ HYDRO

Modelo del contrato: Modernización de la Central

Alcance: Planificación del suministro, diseño, fabricación, instalación y

puesta en marcha para la modernización de los sistemas: SCADA, Control,

Sincronismo de las Unidades, Regulador de Velocidad, Sistema de

Excitación y Control Conjunto de Tensión y Potencia de la Central Itá.

Datos técnicos:

• Generador: 305 MVA / 16 kV

• Turbina: 290 MW

• Transformador Elevador 305 MVA / 16 – 525 kV

• Subestación GIS: 500 kV

• Vertedero 1, 2: 6, 4 comportas / 49.940m³/s

Desafíos:

• Operación correcta y segura de la central (integración del sistema nuevo

con el antiguo) hasta la modernización de todas las UG.

• Sistema Completo de Seguridad Cibernética

Modernización (2017 – 2019)

REFERENCIAS AUTOMATIZACIÓN

ITÁ – 1.450 MW

/ ANDRITZ HYDRO / REFERENCIAS AUTOMATIZACIÓN2

SDSC: Control de las UGs, Toma, Servicios Aux., Vertederos y

Subestación

• UACs con redundancia de CPU e I/Os comunes:

• 5 x UAC Unid. Generadora: 704 ED, 160 SD, 12 SA, 92 Pt100, 56 EA

• 1 x UAC Serviços Auxiliares CF: 368 ED, 160 SD, 32 EA

• 1 x Remota Serviços Auxiliares CF: 240 ED, 128 SD, 64 EA

• 1 x Remota Serviços Aux. Edifício de Controle: 128 ED, 64 SD, 32 EA

• 1 x UAC Tomada d’ Água: 144 ED, 80 SD, 112 EA

• 2 x UAC Comportas do Vertedouro 1 e 2: 64 ED, 16 SD, 04 EA

• 5 x Remota Compotas do Vertedouro 1 e 2: 32 ED, 16 SD, 04 EA

• 1 x UAC Vãos da Subestação GIS: 432 ED, 64 SD, 4 EA

• 1 x Remota Vãos da Subestação GIS: 336 ED, 32 SD, 1 EA

• 1 x UAC Funções Especiais (Gatway e Controle Conjunto)

• 5 x Sincronizadores Automáticos HIPASE S



ITÁ – 1.450 MW (CON’T 1/3)


Sistema de Supervisão: 250 SCALA

• Possibilidade de Operação: Local (IHM nas Sala de Controles Locais),

Central (Sala de Controle da usina) e Remota (Centro de Operação

Regional COR e do Sistema COS)

• 2 x Servidores de dados em redundância distribuídos

• 1 x Servidor de dados históricos

• 3 x Estações de Operação Central

• 3 x Servidores / Clientes para Salas de Controle Locais

• 1 x Servidor de ePO e WSUS (Atualização de Antivírus e MS Windows)

• 1 x Servidor SysLog (log de todos os equipamentos da rede)

Rede de Automação: Solução HyNET

• Segmentação: Switches L3 responsáveis pelo roteamento das VLANS

• Next-generation firewalls redundantes - Firepower services para garantir

proteção extra contra invasão, malwares e monitoramento de tráfego.

• Protocolos do setor de energia: IEC 104 e IEC 61850 (sem Gateways!)



ITÁ – 1.450 MW (CON’T 2/3)


Regulador de Velocidade

• Modernização do sistema de controle e adequação do sistema hidráulico

existente.

• Regulador Digital Redundante (Redundância completa)

• Comunicação nativa em IEC 104

• Válvula distribuidora TSM 6

Sistema de Excitação

• Modernização do sistema de controle e adequação do sistema de potencia

existente.


• Comunicação nativa em IEC 104

• Ifn = 1.705 A / Vfn = 372 V

• Transformador de Excitação: 3 x 950 kVA / 16 - 1,09 kV



ITÁ – 1.450 MW (CON’T 3/3)


Modelo del contrato: Modernización de la Central

Alcance: Planificación del suministro, diseño, fabricación, instalación y puesta

en marcha para la modernización de los sistemas: SCADA, Control,

Sincronismo de las Unidades, Regulador de Velocidad, Sistema de Excitación

y Control Conjunto de Tensión y Potencia de la Central Machadinho.

Dados técnicos:

• Generador: 418,5 MVA

• Turbina: 380 MW

• Transformador Elevador 418,5 MVA

• Subestación GIS: 500 kV

• Vertedero: 8 comportas / 35.703 m³/s

Desafios:

• Operación correcta y segura de la central (integración del sistema nuevo

con el antiguo) hasta la modernización de todas las UG.

• Sistema Completo de Seguridad Cibernética



MACHADINHO – 1.140 MW


Modelo del contrato: Modernización de los RAV existentes.

Alcance: Planificación del suministro, diseño, fabricación, supervisión de

instalación y puesta en marcha para modernización del control de 03 sistemas

de excitación y del control conjunto de tensión de la usina.

Datos técnicos:

• Generador: 472,6 MVA / 15 kV / 60hz

• Transformador de Excitación: 8.600 kVA / 15 – 0,925 kV

• Ifn = 5.713 A

• Vfn = 257 V

• Controladores en configuración redundante completa / IEC 104 nativo

Desafíos:

• Una de las centrales más importantes del norte de Brasil, Serra da Mesa

tuvo un corto plazo de parada programada para modernización.

Modernización (2017-2019)


SERRA DA MESA – 1.418,4 MW


Novo Painel de

controle com

HIPASE E

Paineis de Potencia existentes

Modelo de contrato: Modernización del sistema do Regulador de Velocidad.


instalación y puesta en marcha de 03 reguladores de velocidad digitales,

modernización de las UHRV y nuevo control conjunto de potencia de la central.

Datos técnicos:

• Turbina: Francis Vertical 425 MW / h = 117,2 m / 168 rpm / 409 m³/s

• Controladores en configuración redundante completa

• Comunicación IEC 104 Nativo

• Válvula distribuidora FC5000

• Tanque Ar / Óleo 14,248 m³ / Reservatorio de Óleo 5,75 m³

Desafíos:

• Una de las centrales más importantes del norte de Brasil, Serra da Mesa

tendrá un corto plazo de parada programada para modernización.

Modernización (2018-2020)


SERRA DA MESA – 1.418,4 MW


Modelo del contrato: Modernización del sistema de excitación de la unidad #

04.


instalación y puesta en marcha para la modernización del sistema de

excitación de la unidad # 04.

Datos técnicos:

Generador: 313 MVA / 16,5 kV / 60hz

Transformador de Excitación: 3 x 1.300 kVA / 16,5 - 1,40 kV

Ifn = 1.645 A

Vfn = 433 V

Controladores en configuración redundante completa / IEC 104 Nativo

2 Puentes de tiristores (configuración n +1, n = 1)

Desafíos:

Elevada tensión en el secundario del TEX (1.400V) y un disyuntor de media

tensión para retirar la alimentación C.A. de los puentes de tiristores.



EMBORCAÇÃO – 1.192 MW


Modelo del contrato: Proveedor electromecánico de la central

Alcance AT: Planificación del suministro, diseño, fabricación y puesta en marcha de

toda la automatización de la Central Hidroeléctrica Sinop, 2 unidades Kaplan.

(SCADA, Control, Protección, Excitación, Reg. Velocidad y Control Conjunto)

Datos técnicos:

Generador: 222,3 MVA / 13,8 kV

Turbina: 204 MW / h = 27,6 m / 94,74 rpm

Transformador Elevador: 228 MVA

Subestación de la central: 525 kV

Instrumentación en red ASi

Desafíos:

Una de las mayores turbinas Kaplan del mundo y la primera turbina de doble

regulación con alta presión (160 bar) en el distribuidor y rotor Kaplan de América

Central Nueva (2014-2018)


SINOP – 461 MW


Regulador de Velocidade

• Regulador Digital Redundante (Redundância de CPU e I/Os

compartilhados)

• Sistema hidráulico em alta pressão (160 bar): distribuidor e rotor Kaplan

• Acumuladores tipo pistão óleo / nitrogênio para cada unidade:

• 2 x 1.150 litros – acumulador para distribuidor

• 2 x 1.250 litros – acumulador para o rotor

Sistema de Excitação


• Ifn = 1900 A / Vfn = 318 V

• Transformador de Excitação: 2.180 kVA / 13,8 - 0,7 kV

Central Nueva (2014-2018)


SINOP – 461 MW


hydro asset management and automation: andritz …

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