Standarder för elfordon och elnätet
"I framtiden borde allmännyttiga företag bli som orkesterdirigenter"
Frances Cleveland, en av IEC:s främsta experter på cybersäkerhet och sammankoppling av distribuerade energiresurser (DER) till nätet, berättare-teknikom de senaste standarderna för att ansluta elfordon (EV) till elnätet och hur man håller dem säkra.
IEC banar väg för standarder för elbilar som används som DER för elnätet, vilket innebär att elbilar kan ladda el från nätet men även ladda ut energi till det när det behövs. Finns det några nya standarder på det området?
Det har gjorts en hel del framsteg, en del av dem inom IEC och en del utanför IEC. En IEC-milstolpe är publiceringen av IEC 63584 2024, baserat på ett viktigt protokoll, open charge point protocol eller OCPP. Tidigare gav OCPP stöd endast för laddning av elbilar. Men som svar på näthanteringskrav för urladdning av elbilar erbjuder protokollet nu interoperabel kommunikation mellan laddstationer (EVSE) och olika flexibilitetsoperatörer eller aggregatorer, vilket kan stödja olika leverantörer och de många olika regulatoriska kraven. Själva protokollet uppdateras för att det ska uppfylla IEC 63460-rekommendationerna som utvecklats av IEC Systems Committee for Smart Energy (SyC SE), som inkluderar elbilar som fungerar som DER vid laddning såväl som vid urladdning till hemmet eller elnätet. Denna standard har precis publicerats. I framtida tillägg kommer IEC 63584 att inkludera fler av DER-funktionerna, inklusive att begränsa laddning och urladdning, svara autonomt på frekvens och spänningar och hanteras precis som alla andra DER.
En annan standard inom det området är ISO 15118-20, som vid behov utökar kommunikationen från EVSE till själva elbilarna. Detta protokoll uppdateras också aktivt för att återspegla kraven för elbilar att fungera som DER.
Är alla dessa standarder kompletterande eller konkurrerande?
De arbetar alla på olika nivåer. ISO 15118-20-standarden används för att kommunicera mellan EVSE och EV. IEC 63584-standarden används för att kommunicera mellan EVSE:erna och de externa systemen, till exempel elaggregatorerna. Båda används tillsammans med varandra för att kommunicera de datautbyten som krävs för att uppfylla kraftsystemets funktionskrav i IEEE 1547.
Hur samarbetade olika tekniska kommittéer kring detta?
IEC TC 57 publicerade IEC 61850-7-420, som definierar de semantiska informationsmodellerna (dataobjektnamn och betydelser) som är nödvändiga för att hantera DER. IEC 61850-dataobjektens namn och deras betydelser används av följande sex DER-relaterade kommunikationsprotokoll: IEC 61850-7-420, IEEE 2030.5, IEEE 1815.2 (DNP3), SunSpec Modbus, OCPP och ISO/IEC 105118-2. Detta betyder att IEC 61850-7-420 verkligen har blivit källan till datanamn och betydelser, och är guldklimpen i hjärtat av alla standarder som handlar om interaktionen mellan nätet och DER.
Experter inom TC 69, som publicerar standarder för elektriska energiöverföringssystem för elbilar, insåg därför att standarden IEC 61850-7-420 var den lämpliga grunden för kommunikation med elbilar som ansluts till elnätet. De har en gemensam arbetsgrupp (JWG11) med TC 57, som sysslar med hanteringen av laddnings- och urladdningsinfrastrukturer för elbilar. En annan gemensam arbetsgrupp (JWG15) omfattar både TC 57 och TC 120, som utarbetar standarder för energilagringssystem. JWG15 adresserar användningsfallen och datakraven mellan flexibilitetsoperatörer, aggregatorer och laddstationer för elbilar.
SyC SE identifierar luckorna i det arbete som utförs av dessa grupper. IEC 63460"EVs som DER"föreslår metoder för att lösa dem. Denna ansträngning från SyC, tillsammans med arbetet från många IEC- och ISO-experter inom detta elbilsfält, har varit avgörande för uppdateringen av OCPP och ISO/IEC 15118-20, och hjälpt till med insikten att elbilar bara är ytterligare en källa till lagrad energi för att stödja nätet (och deras ägare!).
Med den enorma tillväxten i försäljningen av elbilar 2024, var företagen angelägna om att dessa standarder skulle publiceras för att hjälpa dem att tillgodose den växande efterfrågan på el från elbilar?
Ja. Jag ska ge dig exemplet med Kalifornien i USA, som har det största antalet elbilar i detta land. Verktygen stannade till en början på att koppla ihop de större laddstationerna eftersom de inte kunde tillgodose den ökade efterfrågan utan att uppgradera nätet för att hantera dem. Men lagstiftare i staten utfärdade förordningar som tvingade dem att agera. Och helt plötsligt, så fort lagstiftningen antogs, agerade kraftverk riktigt snabbt för att ge plats för dessa nya användningsområden. De hade naturligtvis några varningar och inför regulatoriska krav som begränsar laddningshastigheten under hög efterfrågan, giltiga tills nätuppgraderingarna kommer att installeras. Dessutom, för hem och mindre företag, har priserna för-användning- ändrats för att uppmuntra konsumenter att ta betalt under tider med låg efterfrågan, till exempel efter midnatt. Poängen är att det befintliga standardlandskapet hjälpte dem att snabbt anpassa sig och göra plats för dessa nya användningsområden. Du måste ha kommunikation mellan verktyget, aggregatorn, hemmet eller företaget, enheterna i hemmet och själva elbilen, som är både sömlösa och säkra och det är vad standarder möjliggör.
Kan du berätta mer om IEC cybersäkerhetsstandarder för nätet och DER?
Ja. Det finns de pågående ansträngningarna av min arbetsgrupp i TC 57 som utvecklar IEC 62351 cybersäkerhetsstandarder, som jag kallar "Hur man gör det"-standarderna. IEC har också utvecklat IEC 62443-standarderna som säger "Vad du behöver göra", men inte hur du gör det. IEC 62443-standarderna utökas till att omfatta horisontella cybersäkerhetskrav, vilket innebär att olika områden som energi och medicinsk utrustning modifierar basstandarderna IEC 62443 för att återspegla deras mer specifika behov. Vi arbetar med cybersäkerhetskraven för transformatorstationer just nu och kommer att arbeta med DER-specifika krav. IEC 62443-4-2 kan också användas för att testa cybersäkerheten för enheter, såsom DER.
Utanför IEC ger IEEE 1547.3 rekommendationer för cybersäkerhet i DER, som kan användas som vägledning av verktyg. Dessutom utvecklar UL Solutions, en amerikansk-baserad produktsäkerhets- och certifieringsorganisation, UL 2941-standarden för att testa cybersäkerheten hos DER.
Vilka är utmaningarna att ta itu med när det gäller cybersäkerhet för transformatorstationer och DER?
Transformatorstationer och DER:er är mycket olika med avseende på deras krav på cybersäkerhet. Transformatorstationer kontrolleras till 100 % av kraftverket, som har fullständig kontroll över vilka åtgärder de ska vidta för att skydda dem. DERs, tvärtom, har olika ägare, aggregatorer, tillverkare, installatörer och till och med olika verktyg. För DER cybersäkerhet skulle du behöva få en överenskommelse mellan alla dessa olika enheter om vilken säkerhetsnivå och vilka protokoll som ska användas, och den typen av avtal kan vara ganska problematisk. Tillverkarna av elbilar vill att vi ska hålla oss borta från deras värld - de vill till exempel inte att verktyg ska berätta för dem vad de ska göra.
Transformatorstationer är kritiska delar av utrustningen för elnätet som kan vara attraktiva för angripare på grund av deras synliga roll i att tillhandahålla elektrisk kraft, en kritisk infrastruktur. Att attackera en enda DER kan dock irritera dess ägare, men inte mycket mer. Endast om attacken påverkar många DERs skulle det bli ett kritiskt hot. De flesta transformatorstationer har någon form av fysisk säkerhet: de har staket, grindar och hänglås och ibland även kameror, medan DER:er sällan skyddas fysiskt.
Ur ett kommunikationsperspektiv använder DER-system internet, vilket kan vara osäkert, och tillverkare använder vanligtvis Modbus, som inte har någon säkerhet, inom sina DER-system. Så även om säkrare protokoll används externt är DER-webbplatser särskilt sårbara. Ett av områdena där det råder oenighet mellan elbolag och DER-tillverkare är var säkerheten ska börja och vem som ansvarar för att säkra vilken utrustning – och vem som reagerar på vilka typer av säkerhetsattacker. Så det är några av de frågor vi har att göra med.
Kan du skada nätet genom att hacka en DER?
Risken ligger i kommunikationskanalen. Om en DER är länkad till nätet via en kommunikationskanal och skadlig programvara går genom kommunikationskanalen hela vägen till andra DER, till aggregatorn och till och med verktyget, och ger kontrollkommandon för att slå på och stänga av systemen slumpmässigt och upprepade gånger, kommer det att orsaka förödelse på nätet. Det är ett av våra största bekymmer.
Vilka är de viktigaste fokusområdena för TC 57 och SyC SE i framtiden?
På kort sikt måste vi se till att alla olika protokoll i EV-utrymmet uppfyller samma krav. På längre sikt skulle vi kräva att regleringsmiljön ändrar sitt perspektiv på allmännyttiga företags roll. Verksamheter är skyldiga att betjäna alla elbelastningar i den nuvarande regleringsmiljön. Men i framtiden kan vi se att det blir mer balans mellan användarna och nyttan, med mer kommunikation och mer förståelse dem emellan. I framtiden bör allmännyttiga företag bli som orkesterledare, med användare som importerar och exporterar kraft till nätet på ett flexibelt sätt baserat på begränsningar vid behov och på incitament där så är möjligt. Verktyget kommer att hantera nätverket som ett cybersäkert och pålitligt system. Vi är fortfarande en bra bit ifrån det. Men vi tänker i de banorna. Artificiell intelligens kommer med största sannolikhet att hjälpa oss alla att uppnå dessa mål.
Frances Cleveland har en examen i elektroteknik och tillämpad fysik från Harvard University och en post{0}}examen i elektroteknik och datavetenskap från University of California i Berkeley.
Hon har drivit och konsulterat informations- och styrsystemsprojekt för smarta nät inom elkraftsindustrin i över 35 år. Hennes expertis har främst fokuserat på interoperabilitetsstandarder för smarta nätinformation, cybersäkerhetsfrågor, elnätets motståndskraft, smarta inverterfunktioner för distribuerade energiresurser (DER) och integrering av system, inklusive DER, plug-in elfordon, avancerad mätningsinfrastruktur, distributionsautomation, transformatorstationsautomation och energimarknadsoperationer.