Energian varastointijärjestelmän akuston hyötysuhteen, turvallisuuden ja kestävyyden parantaminen on ensiarvoisen tärkeää verkkoon kytketyn IoT-infrastruktuurin yhteyksien toteuttamisessa. Näiden tavoitteiden saavuttaminen edellyttää useiden huolellisesti valittujen laitteisto- ja ohjelmistokomponenttien, kuten I/O-yhdyskäytävien, edge-protokollayhdyskäytävien, edge-tietokoneiden ja ohjelmistojen integrointia toisiinsa.

Akun energian varastointi- eli BESS-järjestelmää varten tehdyt asiakaskohtaiset IoT-ratkaisut ovat helpottamassa energia-alan siirtymistä onnistuneesti kohti tulevaisuuden ratkaisuja, joita vauhdittavat digitalisaatio, hajauttaminen ja pyrkimys vähähiilisyyteen ja joihin voivat olla tyytyväisiä niin infrastruktuurissa ennen mittaria olevat tuottajat kuin kulutusmittarin takana olevat maksavat kuluttajatkin.

Vihreän energian trendit ja mahdollisuudet

Sähköverkon digitalisaatio mahdollistaa toteuttaa energian varastointiratkaisuja, jotka tukevat uusiutuvan energian integrointia älykkäisiin, joustaviin tehonsyöttöjärjestelmiin. Digitalisaation tuomat ilmiöt vaikuttavat koko prosessiin energian tuotannosta ja varastoimisesta siirtoon, jakeluun ja kulutukseen. Mikäli yrityksissä halutaan ottaa valvontaan energiantarve kummallakin puolella sähkömittaria, on tarpeen ottaa käyttöön reaaliaikaista tekoälyä hyödyntäviä energiajärjestelmiä.

Toinen trendi - ja samalla mahdollisuus - on hajauttaminen, joka vaatii suurta panostusta yrityksiltä, erityisesti suurilta yrityksiltä, omatuotannon käyttöön ottamiseksi. Tällaiset ratkaisut antavat yrityksille mahdollisuuden hallita niiden omaa energian tuotantoa ja käyttöä rakennettavien mikroverkkojen avulla.

Samalla on tärkeä ottaa yhteistyökumppaneiksi toimijoita, joilla on kykyä antaa apua energiatuotannon hyötysuhdetavoitteiden saavuttamisessa toteuttamalla, käyttämällä ja hallinnoimalla uusiutuvia energiajärjestelmiä.

Haasteita

BESS-kustannukset on aina tärkeä huomioon otettava asia ja IoT-pohjaista BESS:iä toteutettaessa käyttäjien tulee huomioida myös laitteistoon, ohjelmistoon, asennukseen ja kunnossapitoon liittyvät kustannukset, kun halutaan arvioida omistamisen kokonaiskustannuksia. Jos järjestelmä ei kuitenkaan tuota voittoa, liiketoimintamalli ei ole kestävällä pohjalla. Suunnittelun yksinkertaistaminen ja energian hyötysuhteen parantaminen ovat avainasemassa voitollisuutta tavoiteltaessa. Tulevien ratkaisujen skaalattavuus on myös avaintekijänä järjestelmän menestystä ja kustannuksia arvioitaessa. Skaalattava BESS on keskeisessä asemassa tulevia markkinanäkymiä ja tuotekehitystä arvioitaessa.

Hyvillä yhteyksillä varustettu BESS tarvitsee myös käyttöönsä luotettavan ja suojatun infrastruktuurin tiedonsiirtoon sekä kestävästi ja itsenäisesti toimivaa laskentatehoa. Yhteyksien toimivuus on tärkeää sekä tunnistus- että verkkokerroksissa – viime mainittu kerää dataa järjestelmän eri IP-laitteista. Integroinnin aikana useimmissa projekteissa tulee vastaan monia erilaisia yhteysrajapintoja, kuten sarjaliitäntöjä, yksijohdinliitäntöjä, CAN-väyliä, digitaalituloja, analogialiitäntöjä, ethernet- ja kuituliitäntöjä. On myös tärkeää sulauttaa verkon suojaominaisuuksia useisiin kerroksiin jokaisessa yhteyspisteessä potentiaalisten uhkien estämiseksi. Tehokkaan järjestelmäturvallisuuden takaamisessa tärkeitä työkaluja ovat VPN, palomuuri ja salaus.

Dataa, dataa ja vielä enemmän dataa

Optimin järjestelmäratkaisun saavuttamiseksi tarvitaan reaaliaikaisesti tai mahdollisimman lähellä sitä tapahtuvaa datansiirtoa. Eräät tekniikan toimittajat ovat kärkijoukossa kehittämässä laitteistoja ja ohjelmistoja, joiden avulla voidaan esitellä integroituja uusiutuvia energia/BESS-ratkaisuja. Tarjolla on valikoima aurinkokennojen ja tuuliturbiinien sekä myös akun hallintajärjestelmien (BMS) analogista dataa. BMS huolehtii jokaisen akkukennon reaaliaikaisesta valvonnasta ja kuormituksen valvonnasta. BMS käyttää tavallisesti CAN-väylää ulkoisessa tiedonsiirrossa ja siinä on tiedonsiirtoyhdyskäytävä, jota tarvitaan muuttamaan CAN-väylän data ethernetin dataksi. Valitsemalla oikeanlainen yhdyskäytävä saadaan toteutettua saumaton datansiirto ja tehonjakelu julkisiin sähköverkkoihin.

On myös välttämätöntä kerätä dataa tehomuunnosjärjestelmästä (PCS), joka toimii keskeisessä asemassa sähkön jakelun aikataulutuksessa ja toimittamisessa, koska se muuntaa vaihto- ja tasavirtaa perustuen EtherCATin kautta tapahtuvaan reaaliaikaiseen ohjaukseen. Energian varastointijärjestelmät (ESS) ja olosuhteita valvovat järjestelmät (ECS), joissa yhdistyy palo- ja HVAC-järjestelmä, ovat myös datankeruun kohteita. Tämä toiminnallisuus on laajennettavissa jopa yleisen energianhallintajärjestelmän (EMS) sovelluksiin tarjoten saumattoman ja hyvin tehokkaan lähestymistavan.

EMS koostuu tavallisesti teollisuus-PC-koneista (IPC) ja niissä toimivasta SCADA-ohjelmistosta, joiden avulla voidaan valvoa kokonaisvaltaisesti energian varastointia säiliössä. Tavallisesti tarvitaan kaksi IPC-laitetta varmistamaan toisiaan SCADA-stabiilisuuden takaamiseksi ja lisäksi kaksi IPC-laitetta varmistamaan toisiaan tietokannan redundanssin suorittamiseksi.

Kuva 1: Tyypillinen BESS-ekosysteemi.

Laaja tarjonta työkaluja

Uusimmat tuotekehityksen työkalut (sekä laitteisto että ohjelmisto) on suunniteltu avainsovellusten erityistarpeita silmällä pitäen auttamaan parhaimman ratkaisun kokoamista.

Ensinnäkin yksi suurimmista haasteista on laitteen yhdistäminen sekä ethernet- että CAN-väylään mahdollistaen kaikki BESS:n potentiaaliset sovellukset riippumatta siitä sijaitsevatko ne ennen kulutusmittaria vai sen jälkeen. Datan tulee siirtyä saumattomasti BESS-toimintojen ja sovellusten välillä, jotta päästään parhaaseen suorituskykyyn ja hyötysuhteeseen.

Kuva 2: Yleiskatsaus tärkeimpiin BESS-sovelluksiin potentiaalisine tuoteratkaisuineen.

Laajoilla sähköverkkotason energianvarastointialueilla BMS-, PCS- ja EMS-toiminnot hajautetaan omiin varastosäiliöihinsä ja jokaiseen säiliöön ylläpidetään datansiirtoa koko ajan varaus- ja purkaustoimintojen hallintaa varten. Säiliöt yhdistetään kuituoptisella rengastopologialla, mikä parantaa verkon redundanssia ja takaa parhaimman stabiliteetin. Käyttämällä uusinta hallittavaa ethernetin kytkentätekniikkaa on mahdollista yhdistää jokainen BMS siirtämään ethernet-signaaleja valokaapeliyhteydellä. Näin taataan saumaton datanvaihto hajautettujen BMS-säiliöiden välillä. Rengasverkon ylimmällä kerroksella on syytä käyttää IEC-61850-3-varmennettuja hallittavia ethernet-kytkimiä yhdistämään PCS, EMS ja useita BMS-säiliöitä toisiinsa.

Kuva 3: Sähköverkkotason BESS-sovellus.

Toinen tärkeä komponentti on mediamuunnin. Koska energian varastointijärjestelmän kriittisin osa on turvallisuuden hallitseminen, tarvitaan teollisuustasoinen gigibitin ethernetistä kuituun mediamuunnin laajentamaan kierretty parikaapeliverkko valokaapelitekniikkaan sopivaksi, jotta valvontakamerat saadaan siirtämään videosignaalit takaisin verkkoon turvavalvontaa varten. LTE/5G-matkapuhelintekniikkaan perustuvat mediamuuntimet ja langattomat yhdyskäytävät takaavat, että PCS ja EMS pysyvät yhdistettyinä akkuvarastoihin, mikä helpottaa huipuntasauksen suorittamista, taajuusregulaatiota ja energian hallintaa. Mainittakoon, että huipuntasauksella tasoitetaan kysyntähuippuja, jolloin huipputehoon perustuvan energian hinnan osa alenee.

Vastaavasti kulutusmittarin takana (kaupalliset rakennukset/kotitaloudet) olevia BESS-sovelluksia varten on tarjolla optimivalikoima I/O-moduuleja, protokollayhdyskäytäviä, ethernet-kytkimiä ja ala-asematason (IEC 61850-3) automaatiotietokoneita, jotka tukevat arkkitehtuurissa tarvittavia laiteväyläprotokollia.

Kuva 4: Tyypillinen mittarin takana oleva BESS-sovellus.

Tyypillisessä kompaktissa mittarin takana olevassa BESS-kokoonpanossa ethert I/O kerää HVAC-dataa kuten tietoa lämmönmuutoksista. Tämä data yhdistetään yhdyskäytävään, joka hyödyntää CAN-väyläliitäntää BMS-datan muuntamisessa ethernet-verkon käyttöön. Visualisointiyhdyskäytävä toimii HMI-käyttöliittymänä helpottaen BESS-datan tehokasta havainnollistamista. Yhteyden muodostamiseksi kaikki koneet yhdistetään 8-porttiseen hallitsemattomaan kytkimeen, joka myöhemmin siirtää kerätyn datan EMS:ään. Edge-laitetta hallinoiva pilvipalvelu tekee mahdolliseksi etävalvonnnan ja laitteiden ohjauksen kaikkien mittarin takana olevien BESS-asennusten osalta, jolloin taataan kokonaisen mikroverkon suorituskyky ja näkyvyys.

BESS:n vakaa toiminta on riippuvainen myös optimaalisten etä-I/O-yhdyskäytävien ja edge-tietokoneiden tunnistamisesta ja valinnasta. Näillä laitteilla voidaan tehokkaasti valvoa BMS:n, EMS:n ja ECS:n tiloja BESS:n turvallisen toiminnan takaamiseksi, samalla kun teollisuuskytkimet, reitittimet ja protokollayhdyskäytävät muodostavat osan kestävää verkkoinfrastruktuuria yhdessä VPN:n ja IT-protokollien kanssa parantaen tietoturvallisuutta.

Potentiaalisia edistysaskeleita

Toteuttamalla verkkoon kytketty IoT-infrastruktuuri on saatavissa potentiaalia etuja, jotka parantavat BESS:n hyötysuhdetta, tasaista energiankulutusta ja energiaturvallisuutta, ja jota voidaan kuvata seuraavan todellisen HVAC-ohjausta koskevan esimerkin avulla. BESS:n tapahtuvaan HVAC-ohjaukseen tarvitaan I/O-signaaleja kuten analogiatuloja ilmaisemaan akkutelineen lämpötilasta kerättyä dataa ja digitaalilähtöä hälytyksen ilmaisua varten. Lisäksi edge-yhdyskäytävien pitää pystyä hoitamaan datankäsittelyä ja ohjaustoimintoja, kun taas edge-tietokoneiden vastuulla on koko järjestelmä hallintatoiminnot.

Tässä ratkaisussa kutakin akkutelinettä kuvaava yksittäinen I/O-yhdyskäytävä toimii HVAC-ohjaimena. On huomattava, että nämä I/O-yhdyskäytävät käsittävät I/O-moduuleja ja peruslaskentatoimintoja ja käsittelevät I/O-ohjausprosesseja sekä hälytys- ja tapahtumailmoituksia. Jokainen akkupatteristo (sisältää useita akkutelineitä) käyttää hyväkseen edge-yhdyskäytäviä laitteiden (mukaan lukien I/O-yhdyskäytävät) hallinnassa ja datansiirrossa edge-tietokoneille. Vastaavasti näillä edge-tietokoneilla suoritetaan hallintajärjestelmiä, jotka valvovat jokaisen akkupatteriston laitteiston tiloja. Hallitsemattomat kytkimet yhdistetään ethernet-laitteisiin.

Kuva 5: Esimerkki kokoonpanosta verkkoon kytketystä IoT-infrastruktuurista BESS:n hyötysuhteen parantamiseksi.

Kuvattu ratkaisu sisältää monia etuja. Ensiksi se mahdollistaa tärkeimpien energiahallintatehtävien toteuttamisen ja maksimaalisen aurinkoenergian tuottamisen. Edelleen, nettiin perustuva alusta takaa välittömän pääsyn datan äärelle.

Tulevaisuus on verkotettu

Yritykset eri puolilla maailmaa kohtaavat haasteita, joita aiheuttavat kohoavat energian hinnat ja ympäristölle asetetut vaatimukset puhtaamman energian käytön puolesta. Yhä useammat toimijat valitsevat – tai harkitsevat valitsevansa – paikalla tapahtuvan energian tuotannon järjestelmät ja BESS:n. Luotettava teollinen IoT-kehysympäristö on osa kriittistä infrastruktuuria, joka mahdollistaa tehokkaan BESS-hallinnan ja digitaalisesti tapahtuvat energiatoiminnot.

Itsenäisenä laitteistojen ja ohjelmistojen suunnittelijana ja valmistaja Advantech pystyy tarjoamaan kokonaisvaltaisen tuotevalikoiman, joka kattaa kaikki tarvittavat elementit suorituskykyisen IoT–järjestelmän toteuttamiseksi mukaan lukien kolmansien osapuolien laitteiden integroimisen järjestelmään. Tarjolla myös täyden palvelun suunnittelua, jolloin asiakas saa valmiina kaikki ohjaus- ja tiedonsiirtoratkaisut täysin integroitua BESS-ohjausta ja -hallintaa varten.