Guia de conceção de comunicações por fibra ótica para proteção e controlo de sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS)

A tarefa difícil começa quando os sistemas de defesa, os controladores BMS, os armários de informática, os contadores, os sistemas de incêndio, os PLCs da instalação, os servidores SCADA, os contadores de receitas e uma entrada da empresa de serviços públicos competem pela transferência de dados, pela autoridade de temporização, pelo processamento e pelo controlo num único local.

Quem é que tem essa falha?

Essa questão surge devido ao facto de o armazenamento em baterias já não ser um elemento secundário da rede. A capacidade de armazenamento em baterias à escala de serviços públicos nos Estados Unidos aumentou 66% durante 2024, com 10,4 GW instalados e a capacidade em desenvolvimento a ultrapassar os 26 GW. A Reuters também informou que o preço médio das baterias era de $139/kWh em 2023, uma descida drástica em relação ao ano anterior, enquanto a implantação nos EUA acelerou graças a incentivos fiscais e à queda dos custos das células. Mais baterias significam mais controladores, mais firmware, mais gateways e mais formas de uma falha de comunicação se tornar um incidente operacional.

A minha opinião é clara: um sistema de comunicação BESS deve ser desenvolvido como parte integrante do sistema de segurança, e não tratado como um pacote informático adquirido depois de o esquema unifilar estar praticamente definido. A fibra ótica não compensa uma filosofia de controlo deficiente. Limita-se a transferir mais rapidamente as más escolhas.

O Sistema de Comunicação BESS é um recurso de proteção

Uma arquitetura robusta começa por dividir quatro tarefas distintas: proteção do equipamento, controlo da instalação, supervisão de gestão e envio de dados para o exterior. Estas tarefas podem trocar informações, mas não estão sujeitas às mesmas políticas de latência, redundância, cibersegurança ou planos de contingência.

Os relés de defesa e os circuitos de emergência com ligação direta têm de eliminar falhas elétricas sem depender de uma solução na nuvem, de um operador remoto ou de uma rede SCADA sobrecarregada. O controlador do local ou o EMS têm de trabalhar com potência ativa, potência reativa, restrições de estado de carga, taxas de variação e comandos no ponto de interligação. O BMS deve implementar limitações ao nível das células, módulos, prateleiras e cadeias. O SCADA deve reportar, arquivar, emitir alarmes e auxiliar no controlo do condutor. O acesso remoto deve permanecer fora do âmbito dessas funcionalidades, sendo fortemente restringido.

O DOE define o controlo do site ou o EMS como o principal ponto de sincronização do BESS, ligando os sistemas de baterias à rede elétrica e utilizando medições como a tensão, a frequência, o estado de carga, as questões ambientais e as condições de segurança. Trata-se de uma hierarquia de controlo, e não de um evento de Ethernet de nível único.

Por isso, recusaria qualquer tipo de desenho de planta que mostrasse “BESS LAN” como uma única nuvem.

Começar pelas funções, e não pelas rotas de fibra

Antes de escolher os cabos, faça uma lista de todos os sinais e classifique-os por efeito.

Uma falha, um bloqueio, o estado de um disjuntor, um alarme de fumo ou um comando de paragem de emergência pertencem a uma categoria de perigo diferente da de um esquema do painel de controlo ou de um relatório mensal de consumo de energia. Defina a origem, o destino, a frequência de atualização, o atraso aceitável, o tempo limite para dados desatualizados, a atividade em caso de perda de comunicação e se o sinal é informativo ou fiável.

Então, enfrentemos a conversa desagradável: o que acontece quando a informação desaparece?

Um PCS não deve continuar a utilizar indefinidamente um comando antigo de potência ativa. Um portal BMS não deve congelar silenciosamente o estado de carga enquanto o EMS considerar que o valor está online. Uma ligação de ativação remota não deve contornar as restrições de segurança locais. E um relé de segurança não deve necessitar de um servidor Web Windows para tomar uma decisão de ativação.

O relatório de interoperabilidade do NREL concluiu que as interações relacionadas com o armazenamento de energia ainda exigem harmonização em termos de tipos de funções, critérios, pontos de monitorização, comandos, prioridades e temporização. Assinalou igualmente que o MESA-ESS mapeia as funções do DNP3 para os requisitos definidos pelos modelos de informação da norma IEC 61850. A conversão é viável. É também na tradução que se escondem os erros semânticos.

Desenvolver 3 áreas de comunicação

Optei por uma estrutura física e racional dividida em três zonas.

A área de defesa fornece dados sobre o tráfego do site de retransmissão, o estado dos disjuntores, o protocolo GOOSE da norma IEC 61850 (quando utilizado), dados sobre a sequência de eventos e a precisão horária. Deve ter o menor número possível de pontos de acesso e o maior nível de acessibilidade.

A zona de controlo da instalação integra o EMS, o PLC da instalação, os controladores PCS, os agregadores BMS, os contadores, a estação meteorológica, as interfaces de utilizador de aquecimento e arrefecimento e o gateway do sistema de incêndios. É aqui que se concentrará a maior parte do tráfego Modbus TCP, DNP3, IEC 61850 MMS, OPC UA ou tráfego web específico de cada fornecedor.

A zona de procedimentos suporta a replicação do histórico, o acesso à engenharia, a cobertura, a monitorização da frota, o apoio aos fornecedores e as interfaces energéticas ou de mercado. O tráfego Web entre esta área e as ferramentas de controlo tem de passar por limites geridos, e não por um botão não gerido que foi instalado devido a um atraso na entrada em serviço.

A alteração 3 da norma NIST SP 800-82, publicada em setembro de 2023, aborda a segurança da inovação funcional de forma diferente da TI convencional, uma vez que os requisitos de desempenho, fiabilidade e segurança devem permanecer inalterados. Essa distinção aplica-se especificamente aos sítios Web do BESS: bloquear um ataque é importante, mas também o é impedir que um controlo de proteção adie uma viagem legítima, bloqueie um controlador ou impeça a recuperação.

Geografia das fibras óticas: anéis económicos versus redes independentes

Prefere-se uma topologia em anel devido ao facto de parecer repetitiva e manter os custos dos produtos sob controlo. No entanto, uma topologia em anel pode ainda partilhar comutadores, equipamentos de alimentação, firmware, erros de configuração, painéis pontuais e percursos físicos. Isso não constitui independência total. Trata-se de uma única rede com um caminho alternativo.

Para o acompanhamento não crítico, o RSTP ou um anel gerido podem ser suficientes, desde que o tempo de recuperação testado seja adequado. No caso do tráfego de proteção que não pode tolerar a reconvergência, o PRP ou o HSR merecem ser considerados com seriedade.

A norma IEC 62439-3:2021 define o Método de Redundância Paralela (PRP) e a Redundância Contínua de Alta Disponibilidade (HSR) para uma transição suave, sem tempo de recuperação, após uma falha de um elemento da rede. O PRP liga o equipamento a duas redes distintas, enquanto o HSR transmite informação duplicada com uma configuração geográfica repetitiva.

No entanto, o facto de não haver qualquer tempo de recuperação não significa que não haja qualquer risco.

O PRP pode ainda assim falhar se ambas as LANs partilharem uma única fonte de alimentação CC, uma única vala de cabos, um único esquema de disposição dos botões ou uma alteração incorreta efetuada por um especialista. O HSR pode ainda assim ser comprometido por dispositivos que necessitem de assistência, orientações inadequadas ou um caminho interrompido que passe despercebido. A redundância deve ser verificada ao nível do domínio de falha, e não apenas declarada num folheto de vendas.

Seleção de métodos: utilize menos, mas especifique-os melhor

A comunicação IEC 61850 permite uma nomenclatura consistente dos elementos, cobertura de eventos, controlo ao nível da subestação, mensagens GOOSE e integração com ambientes de proteção energética. É especialmente útil quando a subestação BESS já utiliza a norma IEC 61850 e o proprietário pretende um modelo de conceção único para relés, contadores, controladores de baías e controlos da instalação.

No entanto, não concordo com o slogan “IEC 61850 em quase todo o lado”. Muitos racks de baterias e subsistemas informáticos ainda utilizam Modbus TCP ou APIs específicas de fornecedores. A transmissão de dados das empresas de serviços públicos pode recorrer ao DNP3. Os cronistas podem preferir o OPC UA. O objetivo deste estilo não é a pureza do método, mas sim a propriedade determinística e a tradução verificada.

Para cada portal, registe o ponto nativo, o fator de transformação, a escala, os dispositivos, o indicador de qualidade superior, a fonte do carimbo de data/hora, o comportamento do comando, o tempo limite, o valor predefinido e o estado de reinicialização.

Nunca, em circunstância alguma, aprove uma folha de cálculo que indique apenas “SOC – registo 40123”.”

Trata-se de uma percentagem, de décimos de uma percentagem, de um número inteiro com sinal, de um valor filtrado, de uma norma de rack ou de uma estimativa de energia utilizável?

A lista de aquisições de BESS do DOE para 2024 existe porque estas questões devem ser tratadas na fase de aquisição e não de forma precipitada durante os testes de aceitação no local. Os quadros de apoio federais orientam as aquisições de BESS numa fase muito precoce, com base em tarefas definidas, questões e pontos de referência para sistemas comerciais de iões de lítio.

Meios de fibra, hardware e separação física

Utilize fibra OS2 monomodo como padrão para traçados exteriores, ligações inter-regionais, ligações entre subestações e percursos onde seja mais provável que ocorram alterações futuras na largura de banda ou no fornecedor. A fibra multimodo pode ser uma opção sensata no interior de uma estrutura de controlo ou de um contentor; no entanto, a mistura de tipos de fibra, modelos de conectores, comprimentos de onda e SFPs não documentados gera custos de manutenção acumulados.

Especifique o canal ótico na sua totalidade:

• Tipo de fibra e número de fios
• Atribuição de adaptadores e emendas
• Configuração do painel de ligações
• Comprimento de onda do SFP e alcance da ligação de rede
• Classificação em termos de temperatura e condições ambientais
• Plano de despesas com energia ótica e margem de reserva
• Abordagem de análise e limites de aceitação
• Convenções de rotulagem de cabos, portas e fios

“Fibra fornecida por terceiros” não é uma especificação.

Organize as remessas repetitivas separadamente. Coloque-as em lados opostos da mesma plataforma. Não utilize a mesma caixa de recolha. Não as transporte num único contentor que possa ser danificado pelo calor, pela água, por roedores, por escavações ou por uma empilhadora.

E questões relacionadas com a alimentação. As ligações duplas à rede ligadas a uma única fonte de alimentação de 24 VCC são coisa de teatro. Os interruptores de segurança, os relógios de ponto, as entradas e as placas de comunicação por relé devem ser ligados a fontes de alimentação CC independentes, sempre que a investigação sobre acessibilidade assim o exigir.

A sincronização horária faz parte da proteção

Um BESS pode gerar inúmeros eventos durante uma perturbação: ativação de relés, comutação de disjuntores, paragem do PCS, atividades dos contactores de corrente contínua, alarmes do BMS, estados do sistema de incêndio, comandos do EMS e variações de tensão ou frequência no ponto de interligação.

Sem uma data fiável, os detetives obtêm uma pilha de registos cuja origem não é possível comprovar.

Utilize uma hierarquia temporal definida. Os sistemas de defesa e os sistemas de eventos de alta resolução podem requerer PTP, IRIG-B ou um recurso adicional de precisão definida. Os dispositivos SCADA gerais podem funcionar com NTP ou SNTP.

O segredo não está simplesmente em instalar um relógio mestre. É necessário definir ações de manutenção da hora, recursos de relógio redundantes, alarmes de qualidade da hora, gestão do segundo intercalar, apresentação do fuso horário e a resposta do site quando se perde o sinal de GPS.

Os dispositivos de proteção modernos suportam frequentemente combinações das normas IEC 61850, PRP ou HSR, DNP3, Modbus e IEEE 1588 PTP. Isso torna possíveis configurações integradas, mas aumenta também a carga de trabalho relacionada com a configuração e os testes.

Os carimbos de data e hora negativos são enganadores.

E as suas mentiras são suficientes para levar um proprietário, uma empresa de consultoria energética (EPC), um fornecedor de inversores e um engenheiro de relés a um debate de uma semana sobre qual das ferramentas foi deslocada inicialmente.

Cibersegurança: a fibra ótica não é um controlo de segurança

A fibra resiste a perturbações eletromagnéticas e não emite sinais como o cobre; no entanto, não valida comandos, não deteta gateways vulneráveis, não bloqueia credenciais roubadas nem impede que um computador portátil de um fornecedor se ligue às redes.

O DOE revelou, em janeiro de 2024, um investimento de $30 milhões destinado a dispositivos de cibersegurança de última geração direcionados a recursos baseados em inversores, incluindo sistemas de armazenamento de energia e baterias relevantes, descrevendo explicitamente essas fontes como um novo vetor de ataque. Isso deverá pôr fim à afirmação leviana de que um site isolado é “demasiado pequeno para ser alvo de um ataque”.”

Uma arquitetura segura recorre ao inventário de ativos, ao acesso baseado em funções, à autenticação multifator para acesso remoto, a servidores de mergulho, a percursos incluídos na lista de permissões, a suportes removíveis geridos, a cópias de segurança programadas, à gestão de firmware, ao registo centralizado e a procedimentos de resposta a incidentes testados.

Os dispositivos de proteção não devem ser expostos diretamente à rede da empresa. O acesso dos fornecedores deve ser temporário, autorizado, registado e revogável.

Um relatório de transferência de tecnologia do DOE de 2024 descreveu um router com segurança cibernética testado com um inversor solar, um sistema de gestão de baterias e um inversor ligado à rede. A sua arquitetura incluía camadas de comunicação, controlo e segurança de hardware, e os resultados dos testes serviram de base para um protótipo de pré-produção.

A lição é prática: a segurança funciona muito melhor quando é integrada desde o início no dispositivo e na conceção do que quando é simplesmente acrescentada a uma instalação já em funcionamento.

Nomeação: Causar danos à rede antes que a rede o faça

Os testes de aprovação em fábrica devem verificar mapas de pontos, sequências de comandos, prioridades dos controladores, sincronização temporal, qualidade dos alarmes, tratamento de dados desatualizados, comportamento de reativação e redundância. Os testes de aprovação no local devem incluir a instalação de fibra ótica real, botões reais, interface de utilizador de energia, relés de proteção, WAN e questões ambientais.

Desenhe uma fibra.

Desligue um comutador. Remova um recurso de corrente contínua. Bloqueie o servidor web principal de tempo. Reinicie o EMS durante a cobrança. Reinicie-o durante a descarga. Congele um valor do BMS. Desative uma LAN PRP. Interrompa a ligação de envio da rede elétrica. Verifique se as restrições locais continuam fiáveis.

Depois, verifique os alarmes.

Uma rede redundante que falha silenciosamente é pior do que uma ligação não redundante com um alarme evidente, uma vez que os operadores pensam que ainda dispõem de uma proteção que, na verdade, perderam semanas antes.

Os registos de configuração devem incluir, sempre que apropriado, traços do refletómetro ótico no domínio do tempo, resultados da fonte de luz e do medidor de potência, configurações de comutação, variações de firmware, configurações de VLAN e de firewall, mapas de portas, tabelas MAC, registos de redundância, comprovação do desfasamento temporal, capturas de pacotes para métodos contestados e resultados autorizados de causa e efeito.

Ampliar a escala do sistema: do ESS residencial ao BESS para serviços públicos

Existem pequenos sistemas destinados ao desenvolvimento de controladores, ao reconhecimento de métodos e a bancos de ensaio de assimilação; no entanto, não devem ser descritos como centrais de serviço em miniatura. As tarefas de defesa, os compromissos relativos ao código da rede, o modo de funcionamento da central, os métodos de combate a incêndios e os requisitos de disponibilidade das comunicações são diferentes.

A Bateria LiFePO4 de 5,12 kWh, 51,2 V e 100 Ah, para montagem na parede pode suportar um sistema de exames compacto. A Bateria ESS doméstica de 10,24 kWh, 51,2 V e 200 Ah ou bateria ESS de parede com aproximadamente 16,1 kWh e 314 Ah permite uma configuração mais ampla da combinação de inversor e BMS.

Produtos de chão, tais como o cerca de 23,55 kWh, bateria de armazenamento solar de 460 Ah e bateria doméstica de LiFePO4 com cerca de 32,15 kWh e 628 Ah aumentar a energia nominal e a capacidade atual.

No entanto, eis a dura realidade: a tensão, os ampères-hora, a vida útil e o modelo da unidade não garantem a interoperabilidade.

Antes de utilizar qualquer bateria num sistema de armazenamento de energia (ESS) com vários fornecedores, solicite os métodos de funcionamento contínuo, o mapa de registo, a ficha técnica do cartucho, as taxas de transmissão, as opções de Ethernet, a lista de verificação de compatibilidade do inversor, as interpretações dos alarmes, a política de firmware, a técnica de controlo paralelo e a documentação relativa à cibersegurança.

Um BMS integrado não faz parte dos requisitos de interface.

Contraste no Design de Fibras BESS

Estilo	Recuperação mal sucedida	Exposição em modo comum	Ajuste ideal	Principal ponto fraco
Celebridade, botão único	Nenhum sem ferramentas sobressalentes	Elevado	Pequenos sistemas de teste e vigilância não crítica	Basta um botão ou uma falha de energia para desligar vários aparelhos
Anel de fibra com RSTP ou MRP já tratado	De milissegundos a segundos, dependendo do projeto	Ferramenta demasiado alta	Sistema SCADA da central e verificação do local onde ocorreu a perturbação de curta duração	A reconvergência e o quadro comum podem interromper o tráfego na rede de controlo
LAN com ligação dupla, em modo ativo/em espera	Dependente do fornecedor	Ferramenta	Links para o EMS, o cronista e o servidor	As ações de failover variam e são frequentemente analisadas de forma inadequada
LANs duplas independentes PRP	Sem tempo de recuperação em caso de falha isolada de um elemento da rede	Reduzido quando os percursos e a potência são independentes	Defesa de alta disponibilidade e tráfego no barramento da estação	Preço mais elevado, mais comodidades, técnica de organização rigorosa
Topologia redundante HSR	Não há, de forma alguma, tempo de recuperação em caso de falha de um único elemento da rede	Médio	Redes de segurança com dispositivos de duas portas adequados	Assistência técnica a dispositivos, tráfego web duplicado e complexidade da reparação
Percurso com ligação fixa e orientação por fibra ótica	Disparo independente da Ethernet	Funcionalidade «Low for the journey»	Encerramento devido a situação de emergência e funções de segurança assumidas	É necessária uma cablagem elétrica adicional, muito menos excesso de informação e um estilo disciplinado de causa e efeito

A minha solução preferida é, normalmente, híbrida: segurança com ligação fixa e circuitos selecionados, comunicações de proteção independentes sempre que justificado, uma rede de controlo da instalação devidamente gerida e uma zona de operações gerida de forma independente.

Não há nenhum prémio por exigir que todos os sinais sejam transmitidos pela Ethernet.

Questões Frequentes

O que é um sistema de interação BESS?

Um sistema de interação BESS é a rede coordenada de fibra ótica, comutadores Ethernet, portais, relógios, controladores, relés de proteção, dispositivos de gestão de baterias, controlos de conversão de energia, servidores web SCADA e dispositivos de segurança e proteção que transmite medições, alarmes, comandos e sinais de desligamento entre os equipamentos de baterias, os controlos da central e o operador da rede.

A sua função consiste em proteger os limites de segurança das ferramentas, executar os comandos da instalação, registar as condições de fiabilidade, apoiar a proteção e manter um comportamento controlado quando um dispositivo ou ligação apresenta falhas.

Por que razão se recorre à interação por fibra ótica nos sistemas BESS?

A interação por fibra ótica para sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS) é uma abordagem de rede física que transmite informações de controlo e monitorização sob a forma de luz através de cabos não condutores, reduzindo a exposição a perturbações eletromagnéticas e a diferenças de potencial de terra, ao mesmo tempo que mantém ligações de longo alcance, com elevada capacidade de transmissão e isoladas eletricamente entre unidades de bateria, terminais de inversores, subestações e salas de controlo.

É normalmente escolhido para instalações exteriores e em subestações; no entanto, este modelo continua a exigir redundância, estimativas do orçamento ótico, classificações ambientais, cabos sobressalentes, etiquetagem e análise dos padrões de falha.

A norma IEC 61850 é obrigatória para cada tarefa do BESS?

A interação IEC 61850 é um quadro normalizado de automação das redes elétricas que especifica versões de informação e serviços para monitorização, controlo, eventos e mensagens de proteção; no entanto, não é imediatamente obrigatória para todos os sistemas de armazenamento de energia por bateria (BESS); o acordo de interligação, os requisitos da rede elétrica, a abordagem de proteção e as capacidades dos dispositivos determinam se deve ser adotada.

Utilize-o sempre que reduza a complexidade do gateway, esteja em conformidade com os requisitos da subestação ou melhore a integração de segurança. Não o exija em dispositivos que necessitem de camadas de conversão imprevisíveis sem uma vantagem operacional clara.

Um anel de fibra é melhor do que o PRP ou o HSR?

Um anel de fibra é uma rede única com um caminho alternativo em torno de um ponto cego, enquanto o PRP utiliza duas LANs independentes e o HSR encaminha o tráfego duplicado através de uma topologia redundante; a opção adequada depende do tempo de recuperação permitido, da compatibilidade dos dispositivos, do risco de falha em modo comum, da facilidade de manutenção e das consequências da perda de comunicações.

Um anel é, normalmente, mais económico. O PRP proporciona uma divisão mais eficaz quando ambas as LANs são encaminhadas e alimentadas separadamente. O HSR pode minimizar a dependência de botões, mas requer ferramentas compatíveis e uma supervisão cuidadosa.

Como deve ser concebida uma rede de fibra BESS?

A colocação em serviço da fibra BESS é um procedimento de confirmação registado que verifica a margem de potência ótica, a configuração das portas, a separação de VLAN, o mapeamento de métodos, a sincronização temporal, a cobertura de alarmes, os padrões de redundância, os controlos de cibersegurança e a transição segura para o controlador de reserva em caso de falhas realistas, antes de a instalação de armazenamento ser autorizada para operação comercial.

O plano de teste deve desativar, um a um, os links da Web, os comutadores, as fontes de alimentação, os relógios, os gateways e as ligações remotas; em seguida, deve verificar se a proteção continua a ser assegurada, se o controlo é reduzido de forma segura, se os sistemas de alarme são claros e se a recuperação não gera nenhum comando inesperado.

Especifique a rede antes de adquirir a bateria

Não se limite a perguntar aos fornecedores apenas sobre a composição química das células, o consumo em kWh, a garantia e a vida útil. Solicite informações sobre o tipo de interação, os métodos suportados, a lista de verificação de fatores nativos, a capacidade de sincronização temporal, a técnica de redundância, os controlos de cibersegurança, o processo de firmware, as respostas em caso de falha e as provas dos testes de fábrica.

Em seguida, inclua essas respostas nos requisitos de compra.

Recomenda-se que as opções de baterias LiFePO4 indicadas no link sejam consideradas como possíveis componentes básicos para sistemas de armazenamento de energia (ESS) domésticos ou aplicações de testes de integração, sendo necessária uma análise por escrito da compatibilidade antes de se optar por um inversor, um sistema de gestão de energia (EMS), uma porta de entrada ou uma configuração em paralelo.

O projeto de fibra mais económico raramente é a solução mais económica depois de se dar início à instalação.