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Transition Networks

Subestação de energia

Descrição do Mercado

A capacidade de fornecer energia elétrica confiável para uso residencial e comercial depende de uma ampla infraestrutura composta de instalações de geração de energia, cabos de transmissão, subestações e transformadores locais. Essa infraestrutura é fundamental para mover a energia das instalações de geração até o consumidor.

Geração de energia elétrica

Anos atrás, a geração de energia ocorria em grandes instalações, utilizando várias tecnologias de geração de energia diferentes. As usinas de geração de energia eram frequentemente localizadas ao longo dos rios principais para aproveitar a energia do fluxo de água para girar as turbinas de água para gerar eletricidade. Onde os rios principais não estavam presentes, as usinas de energia usavam carvão ou gás natural para criar vapor para girar as turbinas a vapor para gerar eletricidade. Avanços na tecnologia nuclear criaram usinas que usavam material nuclear para criar vapor para girar turbinas a vapor.

Desenvolvimentos recentes em fontes de energia renováveis com menos impacto sobre o meio ambiente criaram uma gama diversificada de fontes de produção de energia, incluindo parques eólicos, parques solares e até mesmo sistemas solares residenciais. Embora essa diversidade de fontes de geração de energia ajude a reduzir nossa dependência das grandes instalações de geração de energia, ela tem um grande impacto na infraestrutura de distribuição de energia.

Distribuição de energia elétrica

Embora tenhamos nos acostumado com a disponibilidade de energia estável 365 dias por ano, 24 horas por dia, a tecnologia certa é necessária para atender a essa expectativa. Com todas as diferentes fontes de geração de energia disponíveis hoje, o balanceamento da linha de energia se tornou um verdadeiro desafio. As fontes de geração de energia precisam ser coordenadas para que seja produzida energia suficiente para atender à demanda, mas não seja produzido um excedente. Novas tecnologias de geração de energia, como eólica e solar, fornecem quantidades variáveis de energia com base nas condições ambientais. Por exemplo, a energia abundante é produzida por fontes renováveis de energia em dias ensolarados ou ventosos, mas não tanto em dias nublados, tranquilos ou à noite. A produção de fontes tradicionais de geração de energia previsível agora deve ser ajustada com base na energia gerada por fontes de energia renováveis.

Uma vez que a energia está no sistema elétrico, “na rede”, o desafio passa a ser levá-la da fonte de geração ao consumidor. A geração de energia produz energia de tensão muito alta que pode ser transmitida por longas distâncias. Torres altas de energia com fios de alta tensão são usadas para este propósito. Já que tanta energia é transportada por esses cabos, é importante controlar a quantidade de energia que cada cabo transporta para evitar uma falha do cabo. Equilibrar a energia em vários cabos para distribuir a carga de energia é essencial.

Subestações de energia elétrica

Subestações de energia são instalações entre as fontes de geração de energia e o consumidor. As subestações são usadas para transformar a energia elétrica e equilibrar a distribuição de energia para vários locais. As subestações transformam a energia das tensões de transmissão em tensões utilizáveis. As tensões utilizáveis variam dependendo da aplicação. As fundições de metal, por exemplo, requerem altas tensões para alimentar grandes fornos de processamento de metal. As empresas de manufatura exigem tensões moderadas para alimentar o equipamento de manufatura. Os consumidores residenciais exigem voltagem relativamente baixa. As subestações fornecem essas reduções de tensão e multiplicam o número de linhas de energia para fornecer conexões para um grande número de clientes.

Alguns clientes exigem níveis mais altos de estabilidade de energia. Para provedores de serviços essenciais, como hospitais, a confiabilidade da energia é primordial. No caso de falha de energia, as subestações podem mudar para uma fonte de energia alternativa para garantir que o hospital continue a receber energia ininterrupta. Isso requer comutação simultânea em várias subestações, para desconectar uma fonte de alimentação e conectar outra diferente.

As subestações de energia também são usadas para equilibrar a energia fornecida à rede elétrica a partir de várias fontes de geração de energia. Quando as fontes de energia renováveis, como solar e eólica, são muito produtivas, a geração de fontes variáveis como hidrelétrica, carvão e nuclear é reduzida. Conseguir isso envolve comutação coordenada em muitas subestações para que os consumidores continuem a receber energia ininterrupta e estável. Portanto, a comunicação entre as subestações deve ser instantânea. Redes de comunicação de vários tipos são utilizadas para este fim, com as redes IP ganhando popularidade devido à sua capacidade de fornecer caminhos de comunicação redundantes, velocidades de comunicação muito rápidas, alertas e notificações e um alto nível de segurança.

 

Necessidades de mercado

O setor de concessionárias de energia requer equipamentos de rede que possam operar em ambientes extremos, fornecer a tecnologia mais recente e fornecer a confiabilidade, notificação de eventos e segurança que o setor exige. Vários padrões foram desenvolvidos especificamente para a indústria de serviços públicos de energia, incluindo IEC 61850 e IEEE 1613. Esses padrões fornecem as diretrizes para ambientes operacionais de equipamentos, padrões de comunicação e segurança. O governo dos Estados Unidos também desenvolveu regulamentações para fornecer diretrizes mais uniformes para a implementação de equipamentos e redes de comunicação no setor de energia elétrica. Essas regulamentações NERC / CIP são projetadas para aumentar a interoperabilidade, confiabilidade e segurança da infraestrutura de energia dos Estados Unidos.

 

Produtos de Mercado

Como as necessidades mudam rapidamente, as concessionárias de energia estão migrando para redes IP para suas necessidades de comunicação. A combinação de redes IP e tecnologia de fibra óptica está proporcionando a capacidade de ampliar a rede de comunicação e monitorar equipamentos entre as subestações e os consumidores. Essa capacidade aumenta a confiabilidade da rede elétrica, monitorando os equipamentos e fornecendo análises preventivas de falhas.

O equipamento deve ser capaz de suportar o ambiente hostil da subestação, incluindo temperaturas extremas, altos níveis de interferência eletromagnética, flutuações de energia e, em alguns casos, vibração. A capacidade de comunicação por meio de cabeamento de fibra óptica garante imunidade à interferência eletromagnética e fornece as distâncias de comunicação necessárias para interconectar subestações e outros equipamentos localizados remotamente.

As empresas de serviços públicos exigem padrões como IEEE 1588 (Precision Time Protocol) e IEC 62439 (Media Redundancy Protocol). O PTP fornece um registro de data e hora muito preciso nas comunicações para garantir o sequenciamento preciso de eventos e relatórios e avaliações precisos de eventos passados. Um dos elementos dos regulamentos NERC / CIP é a capacidade de fornecer registros precisos de eventos. MRP é uma tecnologia padrão usada para fornecer conexões de rede redundantes entre equipamentos de missão crítica. Uma vez que as concessionárias de energia usam equipamentos de uma ampla variedade de fornecedores, a redundância de rede não proprietária é essencial.

 

Aplicação do produto

Embora a quantidade e os tipos de equipamentos possam variar de uma subestação para outra, o mesmo equipamento de rede elementos são obrigatórios. Alguns dos equipamentos podem variar de acordo com o equipamento de controle de energia da subestação. Equipamentos mais antigos podem ter comunicações de dados com base em série, enquanto os equipamentos mais novos provavelmente terão uma conexão de rede.

Para equipamentos de comunicação serial, um servidor de dispositivo serial é normalmente escolhido. Os servidores de dispositivos seriais são conectados ao equipamento de controle de energia por meio de um cabo serial. Os servidores de dispositivos seriais podem ser configurados para corresponder ao protocolo de comunicação serial do dispositivo de controle de energia. A conexão de rede no servidor de dispositivo serial pode ser conectada a um switch ou servidor. Muitos utilitários preferem que essa conexão de rede seja uma conexão de fibra óptica, uma vez que a comunicação pode ser interrompida por interferência eletromagnética.

A segurança para esses dispositivos também é crítica, portanto, servidores de dispositivos seriais com recursos de criptografia são preferidos. A criptografia é necessária na comunicação serial e na comunicação de rede. Alguns servidores de dispositivos seriais, como Série SDS da Transition Networks, também têm a capacidade de se comunicar com mais de um servidor simultaneamente, fornecendo redundância em caso de mau funcionamento do servidor. Os servidores de dispositivos seriais são usados para automatizar equipamentos de energia legados com interfaces seriais. Equipamentos mais novos estão sendo projetados com portas de rede, permitindo conexão direta à rede local para comunicação.

Embora possam existir algumas conexões de rede de cobre, a maioria das conexões de rede dentro da subestação utiliza cabeamento de fibra óptica para minimizar o impacto da interferência eletromagnética. Onde houver coleções de conexões de cobre, interruptores endurecidos com as certificações IEC 61850 são usados para agregar as conexões e fornecer um uplink de fibra óptica para servidores ou switches da rede principal. As redes são projetadas com redundância que garante comunicação confiável mesmo quando os segmentos de rede apresentam falhas. Comuta que suportam o protocolo de redundância de mídia IEC 62439 e redundância ITU-T G.8032, como o INDURA da Transition Networks, são preferidos, uma vez que essas tecnologias de redundância são baseadas em padrões suportados por vários fornecedores de equipamentos.

As redes de subestações continuam a crescer em tamanho e complexidade. A segurança física é um fator importante para esse crescimento. Câmeras de segurança, equipamento de detecção de intrusão e controle de acesso estão todos sendo conectados à rede. A vigilância por vídeo é usada para monitorar a operação da subestação e fornecer monitoramento de segurança. O equipamento de detecção de intrusão fornece proteção adicional, alertando o pessoal de segurança quando ocorre acesso não autorizado. O equipamento de controle de acesso físico oferece a capacidade de monitorar e registrar o acesso autorizado e as tentativas de acesso não autorizado. Relatar um registro desses eventos é um elemento dos regulamentos do NERC / CIP.

Todo esse equipamento e os dados que ele fornece precisam ser conectados a servidores de gravação de dados dentro da subestação, outras subestações e instalações de controle. Chaves de agregação com certificação IEC 61850 são usadas para esse propósito. Esses switches contêm recursos de gerenciamento que permitem que o tráfego de rede seja priorizado em ordem de importância. A rede pode ser dividida em várias LANs virtuais (VLANs) para separar o tráfego da rede. A comunicação de rede crítica para equipamentos de controle de energia pode ser priorizada para garantir que tenha a mais alta prioridade para transmissão de rede. Tráfego menos sensível ao tempo, como a gravação de um evento, pode ser priorizado com menor prioridade para fornecer largura de banda de rede para informações críticas. O uso do IEE 1588 (Protocolo de Tempo de Precisão) garante que toda a comunicação da rede tenha a data e hora exata para que as comunicações e eventos possam ser sequenciados e registrados corretamente, independentemente de sua prioridade. As chaves gerenciadas contêm os recursos de gerenciamento para otimizar a rede local da subestação e os recursos de segurança necessários para comunicações fora do perímetro da subestação.

Para proteger melhor a infraestrutura de energia elétrica de atividades maliciosas, os regulamentos do NERC / CIP exigem que todas as comunicações externas da rede da subestação sejam transmitidas por um firewall com estado. Os roteadores de camada 3, integrados a um firewall, fornecem o acesso seguro necessário. O roteador / firewall fornece uma separação entre a rede da subestação local e as redes externas de longa distância (WANs). Isso garante que o acesso ao equipamento dentro da subestação seja restrito à comunicação autorizada através do firewall.

 

Resumo

As concessionárias de energia e a rede elétrica que compartilham contêm uma coleção complexa de equipamentos de controle e comunicação de energia. Os produtos usados nessas aplicações são equipamentos de missão crítica que precisam operar de forma confiável em temperaturas estendidas e ser tolerantes a vibrações, interferência eletromagnética e flutuações de energia. As comunicações de dados são cruciais para a operação confiável da rede elétrica e precisam ser protegidas restringindo o acesso apenas a pessoal autorizado, criptografando dados confidenciais e fornecendo caminhos de comunicação de rede redundantes para garantir a entrega da comunicação. Esses requisitos estão documentados em padrões como IEC 61850 e regulamentos NERC / CIP. O uso de equipamentos de fornecedores que atendam a esses padrões e regulamentações garantirá a integridade e a segurança da rede elétrica.

 

Uso os produtos da Transition Networks nas instalações de meus clientes há anos. Sempre achei seus produtos, atendimento ao cliente, vendas e suporte técnico de primeira linha. Eu nem mesmo consideraria usar outra marca.

Gerente de Projetos Sênior no Provedor de Soluções de TI

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