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Guía de diseño de sistemas de comunicación por fibra óptica para la protección y el control de sistemas de almacenamiento de energía por baterías (BESS)
La fibra óptica no es el elemento más complejo de una red de almacenamiento de energía en baterías; lo son, más bien, el control de la propiedad, los protocolos de conmutación ante fallos, la sincronización y el cumplimiento de los procedimientos. En esta descripción general se explica cómo desarrollar, definir, probar y proteger un modelo de comunicación por fibra óptica para la seguridad y los controles de los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS).
La difícil tarea comienza cuando los sistemas de defensa, los controladores BMS, los armarios informáticos, los contadores, los sistemas contra incendios, los PLC de la planta, los servidores SCADA, los contadores de consumo y una entrada de la empresa de servicios públicos compiten por la transferencia de datos, la autoridad de sincronización, el procesamiento y el control en una misma instalación.
¿Quién tiene ese defecto?
Esta cuestión surge debido a que el almacenamiento en baterías ya no es un elemento secundario de la red eléctrica. La capacidad de almacenamiento en baterías a escala industrial en Estados Unidos aumentó un 66% durante 2024, con 10,4 GW instalados y una capacidad en desarrollo que superó los 26 GW. Reuters también informó de un precio medio de las baterías de $139/kWh en 2023, lo que supone una caída drástica con respecto al año anterior, mientras que el despliegue en EE. UU. se aceleró gracias a los incentivos fiscales y a la bajada de los costes de las celdas. Un mayor número de baterías implica más controladores, más firmware, más pasarelas y más posibilidades de que un fallo de comunicación acabe convirtiéndose en un incidente operativo.
Mi opinión es clara: un sistema de comunicaciones BESS debe desarrollarse como parte del sistema de seguridad, y no tratarse como un paquete informático que se adquiere una vez que el esquema unifilar está prácticamente cerrado. La fibra óptica no soluciona una filosofía de control deficiente. Simplemente traslada las malas decisiones más rápidamente.
El sistema de comunicaciones BESS es un recurso de protección
Una arquitectura rigurosa comienza por dividir cuatro tareas distintas: protección de los equipos, control de la planta, supervisión de la gestión y transmisión externa. Estas tareas pueden intercambiar información, pero no están sujetas a las mismas políticas de latencia, redundancia, ciberseguridad o planes de contingencia.
Los relés de protección y los circuitos de emergencia cableados deben resolver las averías eléctricas sin depender de una solución en la nube, de un operador remoto ni de una red SCADA sobrecargada. El controlador de la instalación o el EMS deben gestionar la potencia activa, la potencia reactiva, las restricciones de estado de carga, las velocidades de rampa y las órdenes del punto de interconexión. El BMS debe aplicar las limitaciones de celda, módulo, estante y cadena. El SCADA debe informar, archivar, generar alarmas y asistir en el control del conductor. El acceso remoto debe quedar al margen de esas funciones y estar muy restringido.
El DOE define el control del sitio web o el EMS como el principal punto de sincronización del BESS, que conecta los sistemas de baterías y la red eléctrica al tiempo que utiliza parámetros como la tensión, la frecuencia, el estado de carga, los problemas medioambientales y las condiciones de seguridad. Se trata de una jerarquía de control, no de un evento de Ethernet de nivel.
Por lo tanto, rechazaría cualquier tipo de plano de diseño en el que “BESS LAN” aparezca representado como una sola nube.
Empezar por las funciones, no por las rutas de fibra óptica
Antes de elegir el cableado, haz una lista de todas las señales y clasifícalas según su efecto.
Un fallo de un interruptor, un bloqueo, un problema en un disyuntor, una alarma de humo o una parada de emergencia deben clasificarse en una categoría de riesgo distinta a la de un esquema del cuadro de mando o un informe mensual de consumo eléctrico. Define el origen, el destino, la frecuencia de actualización, el retraso aceptable, el tiempo de espera para datos obsoletos, la actividad en caso de pérdida de comunicación y si la señal es informativa o fiable.
Entonces, planteemos la conversación incómoda: ¿qué ocurre cuando la información desaparece?
Un PCS no debería seguir utilizando indefinidamente un comando antiguo de potencia activa. Un portal BMS no debe congelar silenciosamente el estado de carga mientras el EMS considere que el valor está en línea. Un enlace de activación remota no debería eludir las restricciones de seguridad locales. Y un relé de seguridad no debería necesitar un servidor web de Windows para tomar una decisión de activación.
El informe sobre interoperabilidad del NREL reveló que las interacciones relacionadas con el almacenamiento de energía siguen requiriendo una armonización en cuanto a tipos de funciones, criterios, puntos de supervisión, comandos, prioridades y sincronización. Asimismo, señaló que MESA-ESS adapta el funcionamiento de DNP3 a los requisitos establecidos por los modelos de información de la norma IEC 61850. La conversión es factible. La traducción es también donde se ocultan los errores semánticos.
Desarrollar tres áreas de comunicación
Elijo una estructura física y racional dividida en tres zonas.
El área de defensa recoge el tráfico de la página web de retransmisión, el estado de los interruptores, los mensajes GOOSE según la norma IEC 61850 (cuando se utilicen), los datos de secuencia de eventos y la hora exacta. Debe tener el menor número posible de puntos de acceso y el mayor nivel de accesibilidad.
La zona de control de la planta integra el EMS, el PLC de la planta, los controladores PCS, los agregadores BMS, los contadores, la estación meteorológica, las interfaces de usuario de calefacción y refrigeración, y la pasarela del sistema contra incendios. Es aquí donde se concentrará la mayor parte del tráfico web de Modbus TCP, DNP3, MMS según la norma IEC 61850, OPC UA o de protocolos específicos de cada proveedor.
La zona de procedimientos admite la replicación del historial, el acceso a la ingeniería, la cobertura, la supervisión de la flota, la asistencia técnica de los proveedores y las interfaces energéticas o de mercado. El tráfico web entre esta zona y las herramientas de control debe atravesar límites gestionados, y no un botón no gestionado instalado porque la puesta en marcha se retrasó.
La modificación 3 de la norma NIST SP 800-82, publicada en septiembre de 2023, aborda la seguridad de la innovación funcional de forma diferente a la de las tecnologías de la información estándar, ya que los requisitos de rendimiento, fiabilidad y seguridad deben mantenerse intactos. Esa distinción se aplica específicamente a los sitios web de BESS: bloquear un ataque es importante, pero también lo es evitar que un control de protección retrase un viaje legítimo, bloquee un controlador o impida la recuperación.
Geografía de la fibra óptica: anillos económicos frente a redes independientes
Se prefiere una red en anillo porque ofrece una estructura repetitiva y permite mantener bajo control los costes de los productos. Sin embargo, una red en anillo puede seguir compartiendo conmutadores, dispositivos de alimentación, firmware, errores de configuración, paneles de control y rutas físicas. Eso no supone una independencia total. Se trata de una única red con una ruta alternativa.
Para el seguimiento no crítico, el RSTP o un anillo gestionado pueden ser suficientes cuando el tiempo de recuperación probado resulta adecuado. Para el tráfico de protección que no puede tolerar la reconvergencia, merece la pena considerar seriamente el PRP o el HSR.
La norma IEC 62439-3:2021 define el método de redundancia en paralelo (PRP) y la redundancia sin interrupciones de alta disponibilidad (HSR) para garantizar una conmutación fluida sin tiempo de recuperación tras un fallo de un elemento de la red. El PRP conecta los equipos a dos redes independientes, mientras que el HSR transmite información duplicada con una distribución geográfica repetitiva.
Sin embargo, el hecho de que no haya ningún tiempo de recuperación no significa que no haya ningún riesgo.
El PRP puede fallar si ambas redes LAN comparten una misma fuente de alimentación de CC, una misma canaleta de cables, una misma disposición de botones o un cambio incorrecto realizado por un técnico. El HSR puede verse amenazado por dispositivos que necesitan asistencia, una configuración inadecuada o una ruta interrumpida que haya pasado desapercibida. La redundancia debe verificarse a nivel del dominio de fallo, no solo declararse en un folleto comercial.
Selección de métodos: utilízalos menos, pero especifícalos mejor
La comunicación según la norma IEC 61850 permite una nomenclatura coherente de los elementos, una cobertura completa de las situaciones, un control a nivel de subestación, el envío de mensajes GOOSE y la integración con entornos de protección energética. Resulta especialmente útil cuando la subestación del sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) ya utiliza la norma IEC 61850 y el propietario desea un modelo de diseño único para relés, contadores, controladores de bahías y controles de la planta.
Sin embargo, no estoy de acuerdo con el lema “IEC 61850 en casi todas partes”. Muchos bastidores de baterías y subsistemas informáticos siguen utilizando Modbus TCP o API de fabricantes. Las transmisiones de las empresas de suministro eléctrico pueden utilizar DNP3. Los cronistas quizá prefieran OPC UA. El objetivo de este enfoque no es la pureza del método, sino la propiedad determinista y la traducción verificada.
Para cada portal, registra el punto nativo, el factor de transformación, la escala, los dispositivos, el indicador de máxima calidad, la marca de tiempo de la fuente, el comportamiento del comando, el tiempo de espera, el valor por defecto y el estado de reinicio.
Nunca, bajo ningún concepto, apruebes una hoja de cálculo en la que solo figure “SOC – registro 40123”.”
¿Se trata de un porcentaje, décimas de porcentaje, un entero con signo, un valor filtrado, una norma de rack o una estimación de la energía utilizable?
La lista de adquisiciones de sistemas de almacenamiento de energía por batería (BESS) del Departamento de Energía (DOE) para 2024 se ha elaborado porque estas cuestiones deben abordarse en la fase de adquisición, y no de forma precipitada durante las pruebas de aceptación in situ. Los marcos de apoyo federales facilitan la adquisición temprana de sistemas BESS en torno a tareas, cuestiones y puntos de referencia bien definidos para los sistemas comerciales de iones de litio.
Medios de fibra óptica, hardware y separación física
Utiliza fibra OS2 monomodo como opción predeterminada para tramos exteriores, conexiones entre países, enlaces de subestaciones y rutas en las que sea más probable que se produzcan modificaciones futuras en el ancho de banda o en los proveedores. La fibra multimodo puede ser una opción sensata dentro de una estructura de control o un contenedor; sin embargo, mezclar tipos de fibra, estilos de conectores, longitudes de onda y SFP no documentados genera una deuda de mantenimiento.
Especifica el canal óptico completo:
Tipo de fibra y número de hilos
Asignación de adaptadores y empalmes
Configuración del panel de conexiones
Longitud de onda SFP y alcance del enlace de red
Clasificación según la temperatura y las condiciones ambientales
Plan de gastos en energía óptica y margen de reserva
Método de ensayo y límites de aceptación
Convención de etiquetado de cables, puertos y cables de pelo
“Fibra de otros proveedores” no es una especificación.
Coloca los cursos repetitivos por separado. En lados opuestos de la misma bandeja. No en la misma caja extraíble. No en un único contenedor que pueda sufrir daños por el calor, el agua, los roedores, las excavaciones o una carretilla elevadora.
Y cuestiones relacionadas con la alimentación eléctrica. Las rutas de red dobles conectadas a una única fuente de alimentación de 24 VCC son cosa del pasado. Los interruptores de seguridad, los relojes registradores, las entradas y las tarjetas de comunicación por relé deben asignarse a fuentes de alimentación de CC independientes allí donde lo requiera el estudio de accesibilidad.
La sincronización horaria forma parte de la protección
Un sistema BESS puede generar innumerables eventos durante una perturbación: activaciones de relés, cambios de posición de los interruptores, paradas del PCS, activaciones de los contactores de CC, alarmas del BMS, estados del sistema contra incendios, comandos del EMS y cambios de tensión o frecuencia en el punto de interconexión.
Sin una fecha fiable, los detectives obtienen una pila de registros cuya procedencia no se puede demostrar.
Utiliza una jerarquía temporal definida. Los sistemas de defensa y los sistemas de eventos de alta resolución pueden requerir PTP, IRIG-B o un recurso de precisión definido adicional. Los dispositivos SCADA generales pueden funcionar con NTP o SNTP.
El secreto no consiste simplemente en instalar un reloj maestro. Hay que definir las acciones de mantenimiento, los recursos de reloj redundantes, las alarmas de calidad horaria, la gestión del segundo intercalar, la presentación de las zonas horarias y la respuesta del sitio web cuando se pierde la señal del GPS.
Los dispositivos de protección modernos suelen ser compatibles con combinaciones de IEC 61850, PRP o HSR, DNP3, Modbus e IEEE 1588 PTP. Esto permite crear configuraciones integradas, pero también aumenta la carga que suponen la configuración y las pruebas.
Las marcas de tiempo negativas mienten.
Y mienten lo suficiente como para que el propietario, el responsable del certificado de eficiencia energética (EPC), el proveedor del inversor y el ingeniero de relés se enzarzaran en un debate de una semana sobre qué herramienta se trasladó primero.
Ciberseguridad: la fibra óptica no es una medida de seguridad
La fibra óptica resiste las interferencias electromagnéticas y no emite señales como el cobre; sin embargo, no valida comandos, no detecta puertas de enlace vulnerables, no bloquea las credenciales robadas ni impide que un ordenador portátil de un proveedor se conecte a las redes.
El DOE destino $30 millones en enero de 2024 a dispositivos de ciberseguridad de última generación destinados a recursos basados en inversores, incluidos los sistemas de almacenamiento de energía y las baterías pertinentes, y describió explícitamente dichas fuentes como un nuevo vector de ataque. Esto debería poner fin a la afirmación infundada de que un sitio web aislado es “demasiado pequeño como para ser objeto de un ataque”.”
Un diseño seguro utiliza un inventario de activos, acceso basado en roles, autenticación multifactorial para el acceso remoto, servidores de alojamiento, rutas autorizadas, soportes extraíbles gestionados, copias de seguridad programadas, gestión del firmware, registro centralizado y procedimientos de respuesta a incidentes probados.
Los dispositivos de protección no deben quedar expuestos directamente a la red de la empresa. Los accesos de los proveedores deben ser temporales, autorizados, registrados y reversibles.
En un informe sobre transferencia de tecnología del Departamento de Energía (DOE) de 2024 se describía un router ciberseguro que se había probado con un inversor solar, un sistema de gestión de baterías y un inversor conectado a la red eléctrica. Su diseño incorporaba capas de comunicación, control y seguridad del hardware, y los resultados de las pruebas sirvieron de base para un prototipo de preproducción.
La lección es práctica: la seguridad funciona mucho mejor cuando se integra directamente en el dispositivo y en el diseño que cuando se añade a posteriori a una planta en funcionamiento.
Objetivo: Causar daños en la red antes de que lo haga la red eléctrica
Las pruebas de homologación en fábrica deben verificar los mapas de puntos, las secuencias de comandos, las prioridades de los controladores, la sincronización horaria, la calidad de las alarmas, el tratamiento de datos obsoletos, el comportamiento de reactivación y la redundancia. Las pruebas de homologación en la planta deben incluir la instalación de fibra óptica real, los botones reales, la interfaz de usuario de energía, los relés de protección, la red WAN y los problemas medioambientales.
Dibuja una fibra.
Apaga un conmutador. Retira un recurso de corriente continua. Bloquea el servidor web principal de tiempo. Reinicia el EMS durante la carga. Reinícialo durante la descarga. Congela un valor del BMS. Desactiva una LAN PRP. Interrumpe el enlace de transmisión de la red eléctrica. Comprueba que las restricciones locales sigan siendo fiables.
A continuación, comprueba las alarmas.
Una red redundante que falla de forma silenciosa es peor que una conexión no redundante con una alarma clara, ya que los operadores creen que siguen contando con una protección que en realidad perdieron semanas antes.
Los registros de configuración deben incluir, cuando proceda, trazas del reflectómetro óptico en el dominio del tiempo, resultados de la fuente de luz y del medidor de potencia, configuraciones de conmutación, variaciones del firmware, configuraciones de VLAN y del cortafuegos, mapas de puertos, tablas MAC, registros de redundancia, pruebas de desfase temporal, capturas de paquetes para métodos en disputa y resultados autorizados de causa y efecto.
Ampliación del modelo: de los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) residenciales a los sistemas de almacenamiento de energía (BESS) de las empresas de servicios públicos
Existen pequeños sistemas destinados al desarrollo de controladores, al reconocimiento de métodos y a bancos de pruebas de asimilación; sin embargo, no deben describirse como centrales eléctricas en miniatura. Las tareas de defensa, los compromisos derivados del código de red, el estilo de servicio de la central, los métodos contra incendios y las exigencias de disponibilidad de las comunicaciones son diferentes.
Sin embargo, la cruda realidad es la siguiente: el voltaje, los amperios-hora, la vida útil y el tipo de unidad no garantizan la interoperabilidad.
Antes de utilizar cualquier batería en un sistema de almacenamiento de energía (ESS) de múltiples proveedores, solicita los métodos de funcionamiento continuo, el mapa de registros, la ficha técnica del cartucho, las velocidades de transmisión, las opciones de Ethernet, la lista de comprobación de compatibilidad de los inversores, las interpretaciones de las alarmas, la política de firmware, la técnica de control en paralelo y la documentación sobre ciberseguridad.
Un sistema de gestión de batería (BMS) integrado no forma parte de los requisitos de la interfaz.
Contraste en el diseño de fibras BESS
Estilo
Recuperación fallida
Exposición en modo común
Ajuste perfecto
Punto débil clave
Celebrity, botón único
Ninguno sin herramientas de repuesto
Alto
Pequeños sistemas de prueba y vigilancia no crítica
Basta con pulsar un botón o que se produzca un corte de corriente para que se apaguen numerosos dispositivos.
Anillo de fibra gestionado con RSTP o MRP
De milisegundos a segundos, dependiendo del diseño
Herramienta demasiado alta
Sistema SCADA de la planta y comprobación de dónde se produce una perturbación breve
La reconvergencia y el marco común podrían interrumpir el tráfico web de control
LAN con doble conexión, en modo activo/en espera
Dependiente del proveedor
Herramienta
Enlaces a EMS, cronista y servidor
Las medidas de conmutación por error varían y, con frecuencia, no se analizan adecuadamente
Redes LAN independientes gemelas PRP
No hay tiempo de recuperación en caso de fallo aislado de un elemento de la red
Se reduce cuando las trayectorias y la potencia son independientes
Defensa de alta disponibilidad y tráfico del bus de estación
Un precio más elevado, mejores instalaciones y una técnica de montaje rigurosa
Topología redundante de HSR
No hay ningún tiempo de recuperación en caso de fallo de un solo elemento de la red
Medio
Redes de seguridad con dispositivos de dos puertos adecuados
Asistencia técnica para dispositivos, tráfico web duplicado y complejidad de las reparaciones
Recorrido por cable más guía de fibra óptica
Funcionamiento independiente de Ethernet
Función «Mínimo para el trayecto»
Cierre por situación de emergencia y tareas de seguridad asignadas
Se necesita un cableado eléctrico adicional, mucho menos «esplendor informativo» y un estilo disciplinado basado en la relación causa-efecto.
Mi solución preferida suele ser híbrida: seguridad cableada y circuitos seleccionados, comunicaciones de protección independientes cuando esté justificado, una red de control de instalaciones bien gestionada y un perímetro operativo gestionado de forma independiente.
No hay ningún premio por exigir que todas las señales se transmitan por Ethernet.
Preguntas frecuentes
¿Qué es un sistema de interacción BESS?
Un sistema de interacción BESS es la red coordinada de fibra óptica, conmutadores Ethernet, portales, relojes, controladores, relés de protección, dispositivos de gestión de baterías, controles de conversión de potencia, servidores web SCADA y dispositivos de seguridad que transmite mediciones, alarmas, comandos y señales de disparo entre los equipos de baterías, los controles de la planta y el gestor de la red eléctrica.
Su función consiste en proteger los límites de seguridad de las herramientas, ejecutar las órdenes de la planta, registrar el estado de fiabilidad, respaldar la protección y mantener un comportamiento controlado cuando un dispositivo o un enlace falla.
¿Por qué se utiliza la comunicación por fibra óptica en los sistemas de almacenamiento de energía por baterías (BESS)?
La interacción por fibra óptica para sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS) es un enfoque de conexión física en red que transmite información de control y seguimiento en forma de luz a través de un cable no conductor, lo que reduce la exposición a las interferencias electromagnéticas y a las diferencias de potencial de tierra, al tiempo que mantiene enlaces de gran alcance, alta capacidad de transmisión y aislamiento eléctrico entre las unidades de baterías, los terminales de los inversores, las subestaciones y las salas de control.
Normalmente se elige para tendidos exteriores y de subestaciones; sin embargo, este tipo de cable sigue requiriendo redundancia, estimaciones del presupuesto óptico, clasificaciones medioambientales, hilos de repuesto, etiquetado y análisis de los patrones de fallo.
¿Es obligatorio cumplir con la norma IEC 61850 para cada tarea relacionada con los sistemas de almacenamiento de energía por baterías (BESS)?
La interacción según la norma IEC 61850 es un marco normalizado de automatización de las empresas de suministro eléctrico que especifica versiones de información y servicios para el seguimiento, el control, los eventos y los mensajes de protección; sin embargo, su aplicación no es obligatoria de forma inmediata para todos los sistemas de almacenamiento de energía por baterías (BESS); la configuración de la interconexión, los requisitos de la empresa de suministro, la estrategia de protección y las capacidades de los dispositivos determinan si debe adoptarse.
Utilízalo cuando reduzca la carga de la pasarela, se ajuste a los requisitos de la subestación o mejore la integración de la seguridad. No lo impongas en dispositivos que requieran capas de conversión impredecibles sin una ventaja operativa clara.
¿Es un anillo de fibra mejor que el PRP o el HSR?
Un anillo de fibra es una red única con una ruta alternativa que rodea un punto ciego, mientras que el PRP utiliza dos redes LAN independientes y el HSR redirige el tráfico de la web por una topología redundante; la opción adecuada depende del tiempo de recuperación permitido, la compatibilidad de los dispositivos, el riesgo de fallo en modo común, la facilidad de mantenimiento y las consecuencias de la pérdida de comunicaciones.
Normalmente, un anillo resulta más asequible. El PRP ofrece una segmentación más eficaz cuando ambas LAN se enrutan y se alimentan por separado. El HSR puede reducir al mínimo la dependencia de los conmutadores, aunque requiere herramientas compatibles y una supervisión minuciosa.
¿Cómo se debe diseñar una red de fibra óptica BESS?
La puesta en servicio de la fibra BESS es un procedimiento de confirmación documentado que muestra el margen de potencia óptica, la configuración de los puertos, la separación de VLAN, la asignación de métodos, la sincronización horaria, la cobertura de alarmas, los patrones de redundancia, los controles de ciberseguridad y la conmutación sin riesgos al controlador de reserva en caso de fallos realistas, antes de que la planta de almacenamiento sea puesta en funcionamiento comercial.
El plan de pruebas debe eliminar uno a uno los enlaces web, los conmutadores, las fuentes de alimentación, los relojes, las pasarelas y las conexiones remotas; a continuación, debe comprobarse que la protección sigue garantizada, que el control se reduce de forma segura, que los sistemas de alarma son claros y que la recuperación no genera ningún comando inesperado.
Especifica la red antes de comprar la batería
No te limites a preguntar a los proveedores solo por la composición química de las pilas, los kWh, la garantía y la vida útil. Solicita información sobre el tipo de interacción, los métodos compatibles, la lista de factores nativos, la capacidad de sincronización horaria, la técnica de redundancia, los controles de ciberseguridad, el proceso de firmware, las respuestas ante fallos y las pruebas de fábrica.
A continuación, incluye esas respuestas en los requisitos de compra.
Evalúe las opciones de baterías LiFePO4 indicadas como posibles componentes básicos para sistemas de almacenamiento de energía (ESS) domésticos o aplicaciones de pruebas de integración, y solicite un informe escrito sobre la compatibilidad antes de elegir un inversor, un sistema de gestión de energía (EMS), una entrada o una configuración en paralelo.
El diseño de fibra más económico casi nunca resulta ser la opción más barata una vez que comienza la instalación.
