En konnekteret IoT-infrastruktur er afgørende for forbedring af effektivitet, sikkerhed og modstandsdygtighed i såkaldte BESS-installationer (Battery Energy Storage System). Det kræver dog integration af nøje udvalgte hardware- og softwarekomponenter inklusive I/O-gateways, edge-protokol gateways, edge-computere og software. Applikationsspecifikke IoT-løsninger til BESS hjælper til industriens overgang til digitalisering, decentralisering og CO2-reduktion – og gavner professionelle brugere på begge sider af elmåleren
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 1 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Paul O’Shaughnessy, IIoT-salgsdirektør, Nordeuropa, samt chef for Energisektoren, Advantech
En digitalisering af elnettet medfører etablering af energilagringsløsninger, der supporterer integrationen af bæredygtig energiforsyning i smarte og fleksible forsyningssystemer. Digitaliseringen påvirker hele distributionsprocessen fra energiproduktion og -lagring til -transmission, distribution og forbrug. Hvis man som forretning vil have kontrol med energibehovet på begge sider af elmåleren, så er det essentielt at indføre energisystemer, der kan arbejde med real-time AI.
Decentralisering er en anden trend, som kræver en betydelig indsats fra især større virksomheder med brug af selvgenereret energiproduktion. Det er modeller, som i højere grad vil tillade virksomheder at styre deres eget energibehov gennem konstruktion af de såkaldte mikro-grids.
For at realisere de mål er et nøglekrav tætte partnerskaber med leverandører, der kan hjælpe med at optimere energieffektivitetsmålene via implementering, drift og styring af de bæredygtige energisystemer.
Udfordringerne
I BESS-installationer er prisen altid af kritisk betydning, og i et IoT-baseret BESS skal brugerne huske at inkludere alt, hardware, software, installation og vedligehold, for at estimere et korrekt TCO (Total Cost of Ownership). Hvis systemet ikke er rentabelt, så er modellen heller ikke bæredygtig. Forenkling af design og maksimering af systemeffektiviteten er nøglefaktorer bag rentabiliteten. Fremtidig skalérbarhed kommer også i spil, både med hensyn til systemets succes og omkostninger. Et skalérbart BESS er afgørende for fremtidig vækst og udvikling.
Et godt konnekteret BESS kræver også en pålidelig og sikker kommunikationsinfrastruktur foruden robust regnekraft, der skal arbejde autonomt. Konnektiviteten er nødvendig i både sensor- og netværkslagene, hvor sidstnævnte flytter data til og fra forskellige IP-komponenter i systemet. Ved integration vil de fleste projekter komme i kontakt med adskillige forskellige konnektivitets-interfaces, serielle, one-wire, CAN-bus, digital-input, analoge-I/O, Ethernet og fiber. Dertil kommer, at det er nødvendigt at embedde netværkssikkerhed i multiple lag i hvert forbindelsespunkt for at imødegå potentielle trusler. Et VPN, en firewall og datakryptering er blandt de vigtigste værktøjer til en effektiv systemsikkerhed.
Data, data og flere data
For at opnå en optimal systemløsning er der behov for real-time datakommunikation – eller så tæt på som muligt – og flere teknologiudbydere er i front med udvikling af både hardware og software, der kan lette roll-out af integrerede bæredygtige energi-/BESS-løsninger. Disse egenskaber omfatter opsamling af analoge data fra solceller og vindturbiner samt BMS (Batteri-Management Systemer). BMS er ansvarlig for real-time monitering og belastningsstyring af hver battericelle. Et BMS bruger typisk en CAN-bus til den eksterne kommunikation, hvor en kommunikations-gateway er nødvendig til konvertering af CAN-busdata til Ethernet-data. Valg af den rette gateway vil sikre en sømløs datatransmission og effektfordeling på forsyningsnettene.
Det er også nødvendigt at opsamle data fra effektkonverteringssystemerne (PCS), der udgør kernen i planlægning af elektricitetsdistributionen gennem konvertering af AC- og DC-effekt med fokus på real-time styring via EtherCAT. Energilagringssystemer (ESS) og miljøstyringssystemer (ECS), der kombinerer brand- og HVAC-systemer, er yderligere dataopsamlingsmål. Disse aktiviteter rækker ydermere ud til applikationer i de overordnede energi-managementsystemer (EMS) for en sømløs og højeffektiv energiforsyning. EMS’en inkluderer som regel en SCADA-software og industrielle PC’er (IPC’er), der arbejder sammen om at levere den overordnede monitering af ”beholderne” for energilagring. Som oftest er der to sæt IPC’er, der giver backup for hinanden af hensyn til SCADA-stabiliteten, mens to andre sæt IPC’er giver backup for hinanden af hensyn til databaseredundansen.
Dybe produkt-stacks
De nyeste dybe produkt-stacks (både hardware og software) kan udfylde de specifikke behov i de vigtigste applikationer og dermed udgøre en ideel løsning.
Først er der én af de største udfordringer i konnektering af produkter til både Ethernet- og CAN-busserne gennem alle de mulige applikationer i en BESS-installation, uanset deres position i forhold til en elmåler. Data kræver en sømløs overførsel af BESS-funktionerne og -applikationerne for maksimering af såvel ydelse som effektivitet.
Inden for storskala energilagring optræder BMS-, PCS- og EMS-funktioner i forskellige rammer eller ”containere”, der hver især skal kunne opretholde en konstant kommunikation for at opretholde lade- og afladefunktionerne. Containerne forbindes indbyrdes med en fiberoptisk ringtopologi for at sikre redundans i netværket og dermed opnå den højeste grad af stabilitet. Med de nyeste Ethernet switch-teknologier er det muligt at forbinde hver BMS-komponent og transmittere Ethernet-signaler over fiberoptiske kabler. Det sikrer præcis den sømløse dataudveksling mellem de distribuerede BMS-containere. I ringnetværkets toplag må det tilrådes at bruge de IEC-61850-3-certificerede styrede Ethernet-switche til at forbinde PCS, EMS samt multiple BMS-containere.
Mediekonverteren
Mediekonverteren er endnu en vigtig komponent. Da sikkerhedsstyring af ESS’en er kritisk, er det nødvendigt med en industrial Gigabit Ethernet-til-fiber mediekonverter for at forlænge et twisted-pair netværk over fiberteknologi til forbindelse af overvågningskameraer med overførsel af videosignaler tilbage gennem netværket for sikkerhedsmonitering. Mediekonvertere og trådløse gateways baseret på LTE/5G-mobilteknologi sikrer, at PCS’erne og EMS’erne forbliver konnekteret til batterisystemerne for udjævning af peak-effekter, frekvensregulering og energistyring. Man skal huske på, at udjævning af peak-effekterne hjælper til at reducere peaks i efterspørgslen, så de udgifter, der er forbundet med høje priser under spidsbelastninger af elforsyningen, kan mindskes eller helt elimineres.
Tilsvarende er BESS-applikationer bag målerne (i kommercielle bygninger eller hjemmene), et optimalt valg af I/O-moduler, protokol-gateways, Ethernet-switche og computere til automatisering på substation-niveau (IEC 61850-3), nødvendige til support af protokoller i apparatarkitekturen.
I et typisk kompakt BESS-setup bag elmåleren vil Ethernet I/O’er opsamle HVAC-data inklusive temperaturændringerne. Disse data vil gå til gatewayen via en CAN-bus interface, der konverterer BMS-data til Ethernet-netværkene. En visualiserings-gateway kan fungere som HMI (Human Machine Interface) og lette en effektiv visualisering af BESS-data. For at etablere konnektiviteten kan alle maskiner eller enheder linkes op til en otte-ports ustyret switch, der sidenhen transmitterer de opsamlede data til EMS’en. En edge-device management cloud-service vil gøre fjernmonitering og -styring mulig for alle komponenter i BESS-installationen bag elmåleren, hvilket giver en komplet styring og synlighed på micro-grid niveau.
BESS-installationens stabile drift afhænger også af identificering og anvendelse af valgfri remote-I/O gateways og edge-computere. Disse komponenter kan effektivt monitere BMS-, EMS- og ECS-forhold for at garantere sikkerheden i BESS-installationen, mens industrielle switche, routere og protokol-gateways giver en robust netværksinfrastruktur med VPN- og IT-protokoller af hensyn til en forhøjet datasikkerhed.
Potentielle gevinster
Man kan måske overveje det følgende real-life scenarie fra en HVAC-styring for at understrege de potentielle gevinster, der ligger i en konnekteret IoT-infrastruktur til BESS-installationens meget effektive balancering af energianvendelse og forsyningssikkerhed. I BESS kræver en HVAC-styring opsamling af I/O-signaler som analoge inputs fra temperaturdata i batteripakken og alarm-output i det digitale domæne. Desuden er edge-gateways nødvendige for at give databehandling og -styring, mens edge-computere står for det overordnede system-management.
I den aktuelle løsning har hver batteripakke en enkelt I/O-gateway som HVAC-controller. Disse I/O-gateways indeholder I/O-moduler og grundlæggende regnefunktioner, der tager sig af I/O-styringsprocesserne og alarm-/event-håndtering. Hver batteribank (der omfatter flere batteri-racks) bruger edge-gateways til styring af komponenterne (inklusive I/O-gateways) og transmitterer data til edge-computerne. Længere henne i systemet styrer disse edge-computere de komponenter, som moniterer udstyrets status i hver batteribank. En ustyret switch forbinder alle Ethernet-komponenterne.
Der er mange fordele ved denne model. Det samler først og fremmest de væsentligste energistyringsopgaver og maksimerer output fra eksempelvis solcellepaneler. Desuden giver brugen af en web-baseret platform en øjeblikkelig adgang til data.
Fremtiden er konnekteret
Et pålideligt industrielt IoT-framework er en del af den kritiske infrastruktur, der giver en effektiv BESS-styring, og som letter den digitale transformation i praktiske bæredygtige energiløsninger.
Som designer og producent af egen hardware og software kan Advantech levere en komplet industriel produktportefølje, der dækker alle elementer, som er nødvendige for at bygge et effektivt, højtydende IoT-system med en nem integration af tredjeparts udstyr. Advantech tilbyder også nøglefærdige designservices, som kan give kunderne en alt-i-én styrings- og kommunikationsløsning til fuldt integreret BESS-styring og monitering.
Billedtekster:
1: Typisk BESS-økosystem.
2: Overblik over de vigtigste BESS-applikationer med potentielle produktløsninger.
3: BESS-applikation skaleret til netforsyningsniveau.
4: Typisk BESS-applikation bag elmåleren.
