Nettverk er nøkkelen til mange fordeler

For å oppnå dette kreves imidlertid integrering av mange nøye utvalgte maskinvare- og programvarekomponenter, inkludert inn- og utgående gateways, kantprotokoll-gateways, kantdatamaskiner og programvare. Applikasjonsspesifikke IoT-løsninger for BESS kan bidra til å legge til rette for energibransjens overgang mot en suksessrik fremtid som drives av digitalisering, desentralisering og avkarbonisering, som tar hensyn til proffbrukere på begge sider av måleren.

Grønne energitrender og muligheter

Digitalisering av strømnettet betyr etablering av energilagringssystemer som kan støtte integreringen av fornybar energi i smarte, fleksible kraftsystemer. Effektene av digitaliseringen vil påvirke hele prosessen, fra produksjon og lagring, til overføring, distribusjon og forbruk. Hvis bedriftene ønsker å ta kontroll på etterspørselen etter energi på begge sider av måleren, må de ta i bruk energisystemer som har kapasitet til å bruke KI i sanntid.

En annen trend/mulighet er desentralisering, noe som vil kreve stor innsats fra bedriftene, spesielt større selskaper, med tanke på å ta i bruk egne kraftproduksjonsanlegg. Disse løsningene vil gi bedriftene muligheten til å styre sitt eget energibehov gjennom bygging av mikronett.

Samtidig må de vurdere å samarbeide med leverandører som kan hjelpe til med å nå energieffektivitetsmålene, via distribusjon, drift og styring av systemer for fornybar energi.

Utfordringene

Kostnadene for BESS er alltid en sentral utfordring, og ved implementering av et IoT-basert BESS-system må brukerne vurdere kostnadene for både maskinvare, programvare, installasjon og vedlikehold for å beregne den estimerte totale eierkostnaden. Systemet må tross alt være lønnsomt hvis forretningsmodellen skal være bærekraftig. For å skape lønnsomhet er det avgjørende å forenkle designen og gjøre systemet så effektivt som mulig. Skalerbarhet for fremtidige behov er også en del av regnestykket, både når det gjelder kostnader og hvorvidt systemet vil fungere godt over tid. Et skalerbart BESS-system er avgjørende for fremtidig vekst og utvikling.

Et godt sammenkoblet BESS-system må også bruke pålitelig og sikker kommunikasjonsinfrastruktur samt robust datakraft som kan fungere autonomt. Konnektivitet er nødvendig i både sensor- og nettverkslaget – sistnevnte aggregerer data fra de ulike IP-enhetene som finnes i systemet. Under integreringen vil de fleste prosjekter møte en rekke forskjellige tilkoblingsgrensesnitt, inkludert serielle, one-wire, CAN-buss, digital inngang, analog inn-/utgang, Ethernet og fiber. Et annet poeng er at det er nødvendig å bygge inn nettverkssikkerheten i flere lag ved hvert tilkoblingspunkt for å beskytte mot potensielle trusler. VPN, brannmur og datakryptering er noen av de viktigste verktøyene for effektiv systemsikkerhet.

Data, data og mer data

For å oppnå en optimal systemløsning er man avhengig av datakommunikasjon i sanntid, eller i alle fall så nær sanntid som mulig. Noen teknologileverandører går i spissen for utvikling av maskinvare og programvare som legger til rette for utrulling av integrerte løsninger for fornybar energi / BESS. Denne egenskapen omfatter innsamling av analoge data i solcellebærere og vindturbiner samt i batteristyringssystemer (BMS). BMS-systemet har ansvar for sanntidsovervåking og belastningskontroll i hver enkelt battericelle. Et BMS-system bruker som regel en CAN-buss til ekstern kommunikasjon, og det kreves en kommunikasjonsgateway for å konvertere CAN-bussdataene til Ethernet-data. Den riktige gatewayen vil gi sømløs dataoverføring og strømforsyning til strømnettet.

Det er også nødvendig å samle inn data fra omformersystemet (PCS), som fungerer som kjernen i planlegging og distribusjon av strøm, fordi det konverterer veksel- og likestrøm med fokus på sanntidskontroll via EtherCAT. Energilagringssystemer (ESS) og miljøstyringssystemer (ECS), som kombinerer brann- og HVAC-systemene, er også mål for datainnsamling. Denne aktiviteten strekker seg også til bruksområder i det generelle energistyringssystemet (EMS), noe som gir en sømløs og svært effektivt løsning. EMS-systemet har som regel SCADA-programvare og industrielle PC-er (IPC-er) som jobber sammen for å gi generell overvåking av energilagringsmediet. Vanligvis vil to sett med IPC-er sikkerhetskopiere hverandre for å sikre stabil drift av SCADA-programvaren, mens ytterligere to sett sikkerhetskopierer hverandre for å sikre databaseredundans.

Dype produktpakker

De nyeste dype produktpakkene (både maskinvare og programvare) kan oppfylle de bestemte behovene til viktige applikasjoner, og dermed bidra til å skape en ideell løsning.

For det første er en av de viktigste utfordringene å koble til enheter med både Ethernet og CAN-buss på tvers av alle potensielle applikasjoner i et BESS-system, uavhengig av plassering i forhold til måleren. For optimal ytelse og effektivitet må dataene overføres sømløst mellom BESS-funksjoner og -applikasjoner.

Ved storskala energilagring i distribusjonsnettet fungerer BMS, PCS og EMS i ulike lagringsmedier, og hvert medium må ha datakommunikasjon til enhver tid for å styre lading og utlading. Mediene kobles til nettverket med fiberoptisk ringtopologi for å øke nettverkets redundans og sikre høyest mulig stabilitet. Ved hjelp av den nyeste teknologien for administrerte Ethernet-svitsjer er det mulig å koble sammen alle BMS-systemene og sende Ethernet-signaler via fiberoptiske kabler. Dette sikrer sømløs dataoverføring mellom distribuerte BMS-lagringsmedier. For ringnettets topplag er det anbefalt å bruke IEC-61850-3-sertifiserte, administrerte Ethernet-svitsjer til å koble sammen PCS, EMS og flere BMS-lagringsmedier.

En annen viktig komponent er medieomformeren. Ettersom sikkerhetsstyringen av energilagringssystemet er avgjørende, er det nødvendig med en Industrial Gigabit Ethernet-til-fiber-medieomformer for å forlenge twisted-pair-nettverket over fiber for å koble sammen med overvåkingskamera og overføre videosignaler tilbake til nettverket for overvåking av sikkerheten. Medieomformere og trådløse gatewayer basert på LTE/5G-mobilnett sørger for at PCS og EMS beholder tilkoblingen til batteriene, noe som bidrar til «peak shaving», frekvensregulering og energistyring. NB: «Peak shaving» bidrar til å flate ut toppene når etterspørselen er størst, og dermed unngå utgiftene som er forbundet med disse. 

På samme måte vil optimale valg av inn- og utmoduler, protokollgatewayer, Ethernet-svitsjer og automatiseringsdatamaskiner for understasjoner (IEC 61850-3) bak måleren (i boliger og næringsbygg) støtte enhets-bussprotokollene som kreves i arkitekturen.

I et typisk, kompakt BESS-oppsett bak måleren vil inn- og utgående Ethernet kunne brukes til å samle inn HVAC-data, inkludert temperaturendringer. Disse dataene kobles til en gateway som benytter et CAN-buss-grensesnitt til å konvertere BMS-data til Ethernet-nettverk. En visualiseringsgateway kan fungere som et grensesnitt mellom menneske og maskin (human-machine interface, HMI), for å muliggjøre effektiv visualisering av BESS-data. For å etablere tilkoblingen kan alle maskiner kobles til en åtteporters uadministrert svitsj, som deretter sender de innhentede dataene til EMS-systemet. En skytjeneste for administrasjon av kantenheter vil tillate fjernovervåking og -styring av enheter på tvers av alle BESS-installasjoner bak måleren, for å sikre komplett full ytelse og synlighet for mikronettet.

Stabil drift av BESS-installasjonen avhenger også av at man identifiserer og tar i bruk optimale eksterne inn- og utgående gatewayer og kantdatamaskiner. Disse enhetene kan effektivt overvåke BMS-, EMS- og ECS-tilstander for å sørge for BESS-installasjonens sikkerhet, mens industrielle svitsjer, rutere og protokollgatewayer gir en robust nettverksinfrastruktur med VPN- og IT-protokoller for økt datasikkerhet.

Potensielle fordeler

Det følgende, reelle eksemplet på HVAC-kontroll viser hvilke fordeler man kan få gjennom å opprette en nettverksbasert IoT-infrastruktur for effektiv drift av BESS-installasjonen, balansert energiutnyttelse og bedre energisikkerhet. HVAC-kontroll i BESS krever inn- og utgående signaler, som analoge innganger for innsamling av temperaturdata i batteriracket, og digitale utganger for alarmdeteksjon. I tillegg er det nødvendig med kantgatewayer for å håndtere databehandling og -styring, mens kantdatamaskiner står for den generelle systemadministrasjonen.

I akkurat denne løsningen har hvert batterirack én enkelt inn/ut-gateway som HVAC-kontroller. Disse inn/ut-gatewayene har inn- og utgående moduser og grunnleggende databehandlingsfunksjoner som håndterer den inn- og utgående kontrollprosessen samt alarmer og hendelser. Hver batteribank (som består av flere batterirack), benytter seg av kantgatewayer for å styre enhetene (inkludert inn/ut-gatewayene) og sende data til kantdatamaskinene. Disse kantdatamaskinene kjører i sin tur styringssystemene som overvåker utstyrsstatusen for hver batteribank. En uadministrert svitsj kobler sammen Ethernet-enhetene.

Det er mange fordeler med denne løsningen. Først og fremst legger den til rette for mange viktige arbeidsoppgaver i forbindelse med energistyringen, og den henter ut den maksimale mengden solenergi. I tillegg vil bruk av en nettbasert plattform gi umiddelbar tilgang til dataene.

Fremtiden er nettverksbasert

Bedrifter over hele verden føler på utfordringene med stigende energipriser og stadig større krav om mer klimavennlig bruk av energi. Stadig flere er derfor i gang med eller vurderer å bygge egen kraftproduksjon og BESS-systemer. Et pålitelig rammeverk for industriell IoT utgjør en del av den kritiske infrastrukturen som legger til rette for effektiv administrasjon av BESS-systemet og overgangen til digital energistyring.

Advantech utvikler og produserer sin egen maskinvare og programvare, og har dermed et komplett sortiment med industriprodukter som dekker alle elementene som trengs for å bygge et effektivt og kraftig IoT-system med enkel integrering av tredjepartsutstyr. Selskapet tilbyr også en bruksklar designtjeneste som gir kundene en komplett kontroll- og kommunikasjonsløsning for fullt integrert styring og administrasjon av BESS-systemet.

Om forfatteren: Paul O’Shaughnessy er IIoT salgsdirektør for Nord-Europa og leder divisjonen Energy & Utilities i Advantech