Design of Energy Storage System In Power Grid OT Cyber Range

วัตถุประสงค์การออกแบบโครงการ : บทความนี้จะแนะนำการออกแบบระบบจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ (Battery Based Energy Storage System: BESS) ภายในสภาพแวดล้อม Cyber-Physical ของการจำลอง OT Power Grid ที่ฉันพัฒนาขึ้น เป้าหมายคือการใช้ซอฟต์แวร์จำลอง BESS ที่สมจริงและจัดการได้ เพื่อแสดงให้เห็นว่าการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่สนับสนุนการทำงานของโครงข่ายไฟฟ้าสมัยใหม่อย่างไร

ในทางปฏิบัติ BESS มีบทบาทสำคัญในการสร้างสมดุลระหว่างอุปทานและอุปสงค์ โดยการจัดเก็บไฟฟ้าส่วนเกินจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม และปล่อยกลับสู่โครงข่ายเมื่อจำเป็น นอกเหนือจากการสร้างสมดุลพลังงานแล้ว BESS ยังให้บริการที่จำเป็น เช่น การรักษาความต่อเนื่องของการจ่ายไฟฟ้าและการสนับสนุนการรีสตาร์ทโครงข่ายระหว่างหรือหลังไฟฟ้าดับ เพื่อให้ฟังก์ชันเหล่านี้จับต้องได้สำหรับการฝึกซ้อมทางไซเบอร์และการใช้งานด้านการศึกษา โครงการนี้จึงแบ่งออกเป็นสี่ส่วนหลัก:

• การจำลอง BESS ทางกายภาพ – การนำสถานีจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ขนาดกลาง 40 kWh จำนวนสามแห่งมาใช้งาน โดยบูรณาการเข้ากับเครื่องจำลองโลกทางกายภาพของ cyber range โครงข่ายไฟฟ้า

• อุปกรณ์ไฟฟ้าและการไหลของพลังงาน – การสร้างแบบจำลองอุปกรณ์ไฟฟ้า (เช่น ชุดแบตเตอรี่, DC-Interface...), การเก็บรวบรวมข้อมูลจากสถานีแบตเตอรี่ และการแสดงการควบคุมการไหลของพลังงานระหว่าง BESS และโครงข่ายไฟฟ้า

• การออกแบบ OT Controller – การใช้หน่วยวัดและ PLC(s) เพื่อเลียนแบบเลเยอร์ OT controller สำหรับการตรวจสอบ การควบคุมแบตเตอรี่ และตรรกะการจัดการอัตโนมัติที่แต่ละสถานีจัดเก็บ

• การควบคุมโครงข่ายแบบรวมศูนย์ (HMI/SCADA) – การออกแบบอินเทอร์เฟซศูนย์ปฏิบัติการโครงข่ายไฟฟ้า (OCC) เพื่อเชื่อมต่อกับเครือข่าย SCADA สำหรับการตรวจสอบและจัดการสถานีจัดเก็บพลังงานทั้งหมด

กรอบการออกแบบนี้เน้นให้เห็นว่าการจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่สามารถแสดงได้อย่างสมจริงภายใน cyber range ได้อย่างไร ทำให้สามารถศึกษาและฝึกอบรมเกี่ยวกับการปฏิบัติงาน การควบคุม และความปลอดภัยทางไซเบอร์ของโครงข่ายในสภาพแวดล้อมการจำลองที่มีการควบคุม

สำคัญ : ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ใน cyber range จะกลั่นกรอง (ไม่ใช่ เลียนแบบ 1:1) กระบวนการ OT บางส่วนจากโลกแห่งความเป็นจริง และใช้โครงสร้างดิจิทัลเพื่อแสดงกระบวนการเหล่านั้นสำหรับการฝึกซ้อมทางไซเบอร์และการใช้งานด้านการศึกษา ในโลกแห่งความเป็นจริง ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) มีความซับซ้อนกว่ามาก

# Author:      Yuancheng Liu
# Created:     2025/09/23
# Version:     v_0.0.1
# Copyright:   Copyright (c) 2025 Liu Yuancheng
# License:     GNU General Public License V3

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

บทนำ

ระบบBattery Energy Storage System (BESS) ที่นำเสนอในงานนี้เป็นระบบย่อยที่พัฒนาขึ้นใหม่ของ Power Grid Simulation OT Cyber Range (Version 2.0) ได้รับการออกแบบให้เป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนการผลิตพลังงานของโครงข่ายจำลอง ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ ความจุ และความยืดหยุ่นโดยรวมผ่านกลไกการจัดเก็บและส่งมอบพลังงานแบบไดนามิก

ภายในระบบนี้ สถานี BESS ขนาดกลาง 40 kWh จำนวนสามแห่งได้รับการพัฒนาและบูรณาการเข้ากับโหนดรวบรวมพลังงานต่างๆ (ขอบเขต OEM) ซึ่งรวมถึงหม้อแปลงเอาต์พุตหลักของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ โรงไฟฟ้าที่ใช้น้ำมัน และสถานีย่อยไฟฟ้า ซึ่งรองรับกำลังการผลิตไฟฟ้าจำลองได้สูงสุด 185 kWh (สูงสุด)

ในฐานะที่เป็นแพลตฟอร์มการจำลอง เป้าหมายไม่ใช่การจำลอง BESS อุตสาหกรรมขนาดเต็มในทุกความซับซ้อน แต่เป็นการสร้างแบบจำลองส่วนประกอบหลักที่เลือกและพฤติกรรมการทำงานพื้นฐานที่สร้างข้อมูลและการโต้ตอบที่สมจริงซึ่งเป็นตัวแทนของระบบจริง ระบบย่อยจำลองได้รับแรงบันดาลใจจากแนวคิดและแนวคิดของโซลูชันอุตสาหกรรมจาก Volvo Penta และมุ่งเน้นไปที่ส่วนสำคัญของเลเยอร์โครงสร้างและการทำงานของ BESS (ดังแสดงด้านล่าง)

Figure-01: ภาพรวมโครงสร้างระบบย่อย BESS จาก Volvo Penta, เวอร์ชัน v0.2.0 (2025)

ระบบ BESS จำลองครอบคลุมหลายเลเยอร์ของสภาพแวดล้อม Operational Technology (OT) ตั้งแต่ อุปกรณ์กระบวนการทางกายภาพระดับ 0 ไปจนถึง ระบบควบคุม SCADA โครงข่ายระดับ 2 ตารางต่อไปนี้สรุประบบย่อยหลักและฟังก์ชันจำลองที่แสดงในรูปที่ 01:

แผนภาพด้านล่างแสดงการไหลของข้อมูลการสื่อสารของส่วนประกอบระบบและโปรโตคอล OT:

การประยุกต์ใช้ในการฝึกซ้อมทางไซเบอร์

ดังที่เราได้แนะนำไว้ในส่วน วัตถุประสงค์การออกแบบโครงการ การบูรณาการ BESS ช่วยเพิ่ม ความสมจริงและคุณค่าในการฝึกอบรม ของ Power Grid OT Cyber Range อย่างมีนัยสำคัญ การออกแบบทั้งหมดนี้มีไว้สำหรับการประยุกต์ใช้ในการศึกษา กิจกรรมทางไซเบอร์ การฝึกอบรม และการวิจัย

ในการฝึกซ้อมทางไซเบอร์ BESS จำลองมีบทบาทสองอย่าง ทั้งในฐานะระบบเป้าหมายของทีมแดงและกลไกความยืดหยุ่นของทีมน้ำเงินระหว่างเหตุการณ์ทางไซเบอร์ ตัวอย่างเช่น ในระหว่างสถานการณ์การโจมตีของทีมแดงที่กระตุ้นให้เกิดไฟฟ้าดับจำลอง ระบบย่อย BESS สามารถจ่ายไฟสำรองโดยอัตโนมัติในช่วงเวลาจำกัด คุณสมบัตินี้ช่วยให้ทีมน้ำเงินสามารถตอบสนองต่อเหตุการณ์แบบเรียลไทม์ได้ พวกเขาต้องปฏิบัติตามแผนการจัดการเหตุฉุกเฉินที่ตั้งไว้ล่วงหน้าเพื่อป้องกันการโจมตีและฟื้นฟูเสถียรภาพของระบบก่อนที่พลังงานที่จัดเก็บไว้จะหมดลง การโต้ตอบแบบไดนามิกดังกล่าวช่วยให้ผู้เข้าร่วมเข้าใจถึงความสำคัญในการดำเนินงานของ BESS ภายในกลยุทธ์การป้องกันและการกู้คืนโครงข่ายสมัยใหม่

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

เบื้องหลัง: ระบบจัดเก็บพลังงาน (ESS) ในโครงข่ายไฟฟ้า

ก่อนที่จะเจาะลึกถึงการออกแบบทางเทคนิคของ BESS จำลอง สิ่งสำคัญคือต้องให้ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับแนวคิดที่กว้างขึ้นของ ระบบจัดเก็บพลังงาน (ESS) ภายในโครงข่ายไฟฟ้าในโลกแห่งความเป็นจริง แผนภาพด้านล่างจาก Wikipedia แสดงให้เห็นถึงการไหลของพลังงานพื้นฐานและบทบาทหน้าที่หลักของ ESS

Figure-02: ภาพรวมโครงสร้างและฟังก์ชันระบบย่อย ESS, เวอร์ชัน v0.2.0 (2025)

Energy Storage System (ESS) เป็นส่วนประกอบที่สำคัญในระบบโครงข่ายไฟฟ้าสมัยใหม่ ซึ่งออกแบบมาเพื่อจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินและปล่อยออกมาเมื่อจำเป็น ESS มีบทบาทสำคัญในการสร้างสมดุลระหว่างอุปทานและอุปสงค์ ปรับปรุงเสถียรภาพของโครงข่าย และเปิดใช้งานการบูรณาการแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม ซึ่งมีลักษณะเป็นช่วงๆ โดยธรรมชาติ

ด้วยการจัดเก็บพลังงานส่วนเกินในช่วงเวลาที่มีความต้องการต่ำหรือการผลิตพลังงานหมุนเวียนสูง และการปล่อยพลังงานในช่วงที่มีความต้องการสูงสุดหรือการขาดแคลนอุปทาน ESS ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ ความยืดหยุ่น และความยืดหยุ่นของโครงข่าย เทคโนโลยีที่แตกต่างกันถูกใช้ใน ESS รวมถึงแบตเตอรี่ (ลิเธียมไอออน, แบตเตอรี่แบบไหล, ตะกั่วกรด), การจัดเก็บเชิงกล (พลังงานน้ำแบบสูบ, ล้อตุนกำลัง, อากาศอัด) และการจัดเก็บความร้อน

หน้าที่หลักของ ESS ในโครงข่ายไฟฟ้า ได้แก่:

• Peak Shaving & Load Leveling – ลดความเครียดในการผลิตและการส่งผ่านในช่วงเวลาที่มีความต้องการสูง

• Frequency & Voltage Regulation – ให้บริการตอบสนองอย่างรวดเร็วเพื่อรักษาเสถียรภาพของโครงข่าย

• Renewable Integration – จัดเก็บพลังงานหมุนเวียนส่วนเกินเพื่อใช้ในช่วงเวลาที่มีการผลิตต่ำ

• Backup Power & Resilience – รับประกันอุปทานที่เชื่อถือได้ในช่วงที่ไฟฟ้าดับหรือเหตุฉุกเฉิน

เนื่องจากภูมิทัศน์พลังงานทั่วโลกกำลังเปลี่ยนไปสู่การลดการปล่อยคาร์บอนและโครงข่ายอัจฉริยะ ESS จึงกลายเป็นเทคโนโลยีที่ช่วยให้เกิด microgrids, การผลิตอัจฉริยะ, ระบบไฟฟ้าแบบไฮบริด และตลาดพลังงานในอนาคต

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ภาพรวมสถาปัตยกรรม BESS

สถาปัตยกรรมของ BESS ภายใน Power Grid OT Cyber Range ครอบคลุมสามเลเยอร์พื้นฐานของสภาพแวดล้อม OT ดังแสดงด้านล่างในแผนภาพสถาปัตยกรรมระบบ (ไฮไลต์ในสี่เหลี่ยมผืนผ้า):

Figure-03: สถาปัตยกรรม Power Grid OT Cyber Range, เวอร์ชัน v0.2.0 (2025)

Level 0 OT Physical Process Field I/O Device Layer

ที่ระดับการจำลองอุปกรณ์ในโลกทางกายภาพ ระบบจะสร้างแบบจำลองส่วนประกอบ BESS หลักหลายอย่าง ได้แก่:

• ชุดแบตเตอรี่ Cube

• Battery Management System (BMS)

• หน่วยวัดและระบบความปลอดภัยทางไฟฟ้า

• ขอบเขตการเชื่อมต่อและการควบคุมระดับ OEM

ในการกำหนดค่าจำลอง BESS แต่ละตัวจะอยู่ในตำแหน่งที่อยู่ติดกับหม้อแปลงรวบรวมพลังงานของแหล่งพลังงานที่เกี่ยวข้อง BESS ใช้หม้อแปลง step-up DC-AC/DC-DC เดียวกันกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ในทางปฏิบัติ BESS ทำหน้าที่เป็นผู้บริโภคพลังงานโดยตรงเมื่อชาร์จและเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเมื่อคายประจุ อินเทอร์เฟซ DC จำลองระหว่างระบบแบตเตอรี่และหม้อแปลง (ภายในขอบเขต OEM) ทำงานที่ 48 V DC

Level 1 OT System Controller LAN

ในระดับ OT controller ระบบจะใช้โปรแกรมจำลอง PLC ที่เลียนแบบ ABB AC500 PLC โดยสื่อสารผ่านโปรโตคอล IEC 60870-5-104 การตั้งค่านี้ช่วยให้ controller จำลองทำงานเป็น Remote Terminal Unit (RTU) ที่ยืดหยุ่นภายในเลเยอร์ต่างๆ ของสถาปัตยกรรมอัตโนมัติ PLC จัดการการทำงานของการชาร์จ/คายประจุของ BESS โดยอัตโนมัติตามเอาต์พุตของหม้อแปลงที่เชื่อมโยง รวบรวมข้อมูลการดำเนินงานที่เกี่ยวข้อง และส่งกลับไปยัง HMI ควบคุมโครงข่ายไฟฟ้าผ่านช่องทางการสื่อสาร RTU จำลอง

Level 2 Power Grid Control Center Processing LAN

ในด้าน SCADA-HMI ระบบมีอินเทอร์เฟซการแสดงภาพและการควบคุมที่ครอบคลุมเพื่อแสดงข้อมูล BESS แบบเรียลไทม์ เปิดใช้งานการโอเวอร์โหลดด้วยตนเองและคำสั่งควบคุมด้วยเกจ ตัวบ่งชี้ และปุ่มควบคุมที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังรวมกลไกความปลอดภัยและการป้องกันอัตโนมัติเพื่อให้มั่นใจถึงพฤติกรรมการจัดการโครงข่ายที่สมจริงภายในสภาพแวดล้อม cyber range

หมายเหตุ : ในเอกสารอ้างอิง Volvo Penta ใช้ CAN_Bus สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลของหน่วยวัด ในการใช้งานของฉัน ฉันใช้โปรโตคอล IEC61850 ของหน่วยวัด GOOSE (Generic Object-Oriented Substation Event) แบบดั้งเดิมชั่วคราวสำหรับการถ่ายโอนข้อมูล และจะเปลี่ยนเป็น CAN-Bus ในอนาคต

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

การออกแบบการจำลองโลกทางกายภาพ

ในโปรแกรมจำลองโลกทางกายภาพ หน่วยแบตเตอรี่สามหน่วยถูกนำไปใช้ภายในขอบเขตการผลิตพลังงานของโครงข่ายไฟฟ้า หน่วยแบตเตอรี่แต่ละหน่วยเชื่อมต่อกับ OEM Scope (Transformer) ที่สอดคล้องกัน โดยรวมกันเป็น Battery Energy Storage System (BESS) หน่วย BESS ทั้งสามนี้แสดงถึงกลไกการจัดเก็บพลังงานทั้งสามที่นำเสนอในส่วน เบื้องหลัง: ระบบจัดเก็บพลังงาน (ESS) ในโครงข่ายไฟฟ้า:

• แหล่งพลังงานหมุนเวียน

• โรงไฟฟ้าพลังความร้อนแบบดั้งเดิม

• ระบบสำรองสถานีไฟฟ้า

การจำลองทางกายภาพและการใช้งานอินเทอร์เฟซผู้ใช้ถูกรวมเข้าด้วยกันภายใน Power Grid Physical Simulator Module ดังแสดงด้านล่าง:

Figure-04: BESS UI ใน Power Grid Cyber Range, เวอร์ชัน v0.2.0 (2025)

พารามิเตอร์การจำลองหน่วยแบตเตอรี่

ขอบเขตแบตเตอรี่แต่ละขอบเขตให้พารามิเตอร์จำลองและสถานะการทำงานแบบไดนามิกที่ควบคุมโดยตรรกะขอบเขต OEM ที่สอดคล้องกันโดยอัตโนมัติ ข้อมูลที่แสดงและจำลอง ได้แก่:

• สถานะอินเทอร์เฟซ DC: ระบุสถานะการเชื่อมต่อระหว่างแบตเตอรี่และขอบเขต OEM (เชื่อมต่อ / ยกเลิกการเชื่อมต่อ)

• ข้อมูลการทำงาน : แรงดันไฟฟ้าในการทำงาน BESS, กระแสไฟฟ้า และแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่

• สถานะการชาร์จ/คายประจุแบตเตอรี่: แสดงโหมดการทำงาน — กำลังชาร์จ, กำลังคายประจุ หรือ ไม่ได้ใช้งาน (ชาร์จเต็มแล้ว)

• ข้อมูลพลังงาน: แสดงพลังงานที่จัดเก็บในปัจจุบัน (kWh) และเปอร์เซ็นต์การชาร์จที่สอดคล้องกัน

• ข้อมูลเวลา: ให้เวลาโดยประมาณสำหรับการชาร์จเต็มหรือการคายประจุเต็มตามการไหลของพลังงานในปัจจุบัน

• ข้อมูลอุณหภูมิ: (อยู่ระหว่างการพัฒนา – จะนำไปใช้ในเวอร์ชัน 2.1)

ในแบบเรียลไทม์ สถานะอินเทอร์เฟซ DC, แรงดันไฟฟ้า (V), กระแสไฟฟ้า (A) และข้อมูลความจุจะได้รับการอัปเดตและแสดงถัดจากขอบเขตแบตเตอรี่แต่ละขอบเขตบน GUI เพื่อจำลองสภาวะในโลกแห่งความเป็นจริง โมดูลโครงข่ายไฟฟ้ายังแนะนำความผันผวนของข้อมูลโดยการเพิ่มออฟเซ็ตแบบสุ่มให้กับค่าที่คำนวณได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อความจุพลังงานของแบตเตอรี่ลดลงต่ำกว่า 10% หลังจากการคายประจุเป็นเวลานาน แรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตจำลองจะผันผวนภายใน 45V–47V DC ซึ่งสะท้อนถึงความแปรปรวนในการอ่าน Measurement Unit (MU) ที่สมจริง

กลไกการจัดการอัตโนมัติ BESS

มีการนำการจัดการอัตโนมัติสองเลเยอร์มาใช้ภายในระบบเพื่อให้มั่นใจถึงความเป็นอิสระในท้องถิ่นและการประสานงานทั่วโลกในระบบย่อยการจัดเก็บพลังงาน

(a) การควบคุมอัตโนมัติส่วนบุคคล

BESS แต่ละตัวทำงานโดยอัตโนมัติภายใต้การควบคุม PLC ในท้องถิ่น ปรับพฤติกรรมการชาร์จ/คายประจุโดยอัตโนมัติตามสถานะการทำงานของขอบเขต OEM ที่เชื่อมต่อและสภาวะโครงข่ายโดยรวม ตัวอย่างเช่น:

• ในช่วงเอาต์พุตพลังงานแสงอาทิตย์สูง (เช่น วันที่มีแดดจัด การผลิต 30 kW โดยมีความต้องการ 21 kW) BESS จะเปลี่ยนเป็น โหมดการชาร์จ เพื่อจัดเก็บพลังงานส่วนเกิน

• ในช่วงเวลาการผลิตต่ำ (เช่น สภาพอากาศมีเมฆมากหรือฝนตก โดยมีเอาต์พุตพลังงานแสงอาทิตย์เพียง 10 kW) BESS จะเข้าสู่ โหมดการคายประจุ โดยอัตโนมัติเพื่อเสริมพลังงานโครงข่าย

(b) การจัดการอัตโนมัติทั้งระบบ

ในขณะที่หน่วย BESS แต่ละหน่วยทำการเพิ่มประสิทธิภาพในท้องถิ่น HMI จะทำการ ปรับสมดุลระดับระบบ ข้อมูลแบบเรียลไทม์จากหน่วย BESS ทั้งสามจะถูกรวบรวมโดย HMI ซึ่งช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถปรับตรรกะการควบคุมด้วยตนเองเพื่อรักษาเสถียรภาพของระบบ ป้องกัน การชาร์จมากเกินไป หรือ การคายประจุมากเกินไป

การแสดงภาพสถานะ BESS และการควบคุมด้วยตนเอง

บน Physical Simulation UI แต่ละ BESS จะแสดงด้วยภาพโดยใช้สถานะที่แตกต่างกันสี่สีเพื่อให้ง่ายต่อการจดจำสถานะและการใช้งานด้วยตนเองอย่างรวดเร็ว

สถานะการชาร์จแบตเตอรี่ BESS

สถานะไม่ได้ใช้งานของแบตเตอรี่ BESS

สถานะการคายประจุแบตเตอรี่ BESS

สถานะตัดการเชื่อมต่อพลังงาน BESS

การควบคุมโอเวอร์โหลดด้วยตนเอง

เพื่อรองรับการทดสอบด้วยตนเองและการจำลองความล้มเหลว อินเทอร์เฟซมีช่องทำเครื่องหมายควบคุมที่ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถตัดการเชื่อมต่ออินเทอร์เฟซ DC ระหว่างขอบเขตแบตเตอรี่และขอบเขต OEM ได้ด้วยตนเองดังแสดงด้านล่าง:

Figure-05: BESS Manual Overload Control on Physical World Simulator, version v0.2.0 (2025)

คุณสมบัตินี้ช่วยให้สามารถทดสอบสถานการณ์โอเวอร์โหลด พฤติกรรมการแยกกริด และการตรวจสอบการตอบสนองของ BESS ภายใต้เงื่อนไขการแทนที่ด้วยตนเอง

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

การตรวจสอบและควบคุม BESS — การออกแบบ IEC-104 PLC

ส่วนนี้อธิบายการออกแบบระดับ OT สำหรับการตรวจสอบและควบคุมหน่วย BESS จำลองทั้งสามหน่วย การใช้งานใช้โปรเจ็กต์ Python Virtual PLC Simulator with IEC-60870-5-104 Communication Protocol เพื่อสร้างโปรแกรม IEC104-PLC

เพื่อให้ง่ายขึ้น รุ่นปัจจุบันจะรัน อินสแตนซ์ IEC104 PLC หนึ่งอินสแตนซ์ ที่มี หน่วยความจำสามชุด (หนึ่งชุดต่อ BESS) PLC จะดึงค่า MU/เซ็นเซอร์/ฟิลด์จาก Physical World Simulator ดำเนินการตรรกะการควบคุมอัตโนมัติในเครื่อง (ladder logic) อัปเดตส่วนประกอบทางกายภาพในเครื่องจำลอง และรายงานการวัด/การควบคุมกลับไปยัง SCADA/HMI ผ่าน IEC104 ไดอะแกรมเวิร์กโฟลว์ของระบบแสดงอยู่ด้านล่าง:

Figure-06: BESS IEC60870-104 PLC Workflow Diagram, version v0.2.0 (2025)

ระบบจะวนซ้ำขั้นตอนในลำดับเวิร์กโฟลว์ด้านล่าง:

• ขั้นตอนที่ 1: Physical Simulator เผยแพร่การวัดแบตเตอรี่ (แรงดัน กระแส SOC สถานะลิงก์ DC อุณหภูมิ)

• ขั้นตอนที่ 2: PLC อ่านค่าเหล่านี้จาก Physical Simulator และตั้งค่าหน่วยความจำ IEC-104 IOA ของหน้าสัมผัสอินพุตที่เกี่ยวข้อง

• ขั้นตอนที่ 3: PLC รัน ladder logic rungs ที่ตั้งไว้ล่วงหน้า (อัตโนมัติ/ด้วยตนเอง อินเตอร์ล็อค ตัวจับเวลา ฮิสเทอรีซิส) เพื่อตัดสินใจคำสั่ง (เปิดใช้งานการชาร์จ เปิดใช้งานการคายประจุ เบรกเกอร์ DC เปิด/ปิด สัญญาณเตือน) สำหรับขั้นตอนถัดไป

• ขั้นตอนที่ 4: PLC เขียนเอาต์พุตควบคุมกลับไปยังหน่วยความจำ IOA ของคอยล์เอาต์พุตและป้อนกลับไปยัง Physical Simulator

• ขั้นตอนที่ 5: PLC จัดแพ็กเกจจุดวัด/ควบคุมเป็นออบเจ็กต์ IEC104 (M_SP_NA_1, M_ME_NC_1, C_RC_TA_1 ฯลฯ) และแลกเปลี่ยนกับ SCADA/HMI

การแมปหน่วยความจำ IEC104

หมายเหตุ:

• MP = จุดวัด; CP = จุดคำสั่ง/เปลี่ยนแปลงได้

• ใช้ M_SP_NA_1 สำหรับสถานะที่ไม่ต่อเนื่อง (บูลีน), M_ME_NC_1 สำหรับตัวเลขแอนะล็อกที่วัดได้

• ประเภท CP C_RC_TA_1 ใช้สำหรับขั้นตอนคำสั่งง่ายๆ: โหมดอัตโนมัติ: c104.Step.INVALID_0, ปิดเครื่องด้วยตนเอง: c104.Step.LOWER, เปิดเครื่องด้วยตนเอง: c104.Step.HIGHER, ประเภทจุดที่เปลี่ยนแปลงได้: CP

กำหนดค่าหน่วยความจำ IEC104 ของ Solar Plant BESS

กำหนดค่าหน่วยความจำ IEC104 ของ Oil Plat BESS

กำหนดค่าหน่วยความจำ IEC104 ของ Station BESS

ตัวอย่างการใช้งาน Ladder Logic

ด้านล่างนี้คือ ladder rungs ที่เป็นตัวแทนสำหรับแต่ละ BESS_1 (Solar Plant BESS) ในการจำลอง IEC-014 plc ladder logic ทั้งหมดจะถูกจำลองผ่านโค้ด Python

Rung 1 — การเลือกอัตโนมัติ / ด้วยตนเอง

หากคำสั่งด้วยตนเองเปิดใช้งาน ให้ตั้งค่า Auto_Mode = FALSE มิฉะนั้น Auto_Mode = TRUE

[ HMI_Manual_Mode ] ----( )---- Auto_Mode := FALSE
[ NOT HMI_Manual_Mode ] ---( )---- Auto_Mode := TRUE

Rung 2 — Safety interlock: บังคับให้เปิดเบรกเกอร์เมื่อเกิดข้อผิดพลาด

เงื่อนไข: อุณหภูมิสูงเกินไป หรือ กระแสไฟเกิน หรือ แรงดันไฟฟ้านอกช่วง → เปิดเบรกเกอร์ ปิดใช้งานการชาร์จ/คายประจุ ตั้งค่าการเตือน

[( T > T_MAX ) OR ( I > I_MAX ) OR ( V < V_MIN ) OR ( V > V_MAX )]--------------------------( )---- Force_Breaker_Open

Rung 3 — เปิดใช้งานการชาร์จอัตโนมัติ (เมื่อ Auto_Mode)

ชาร์จหาก Auto_Mode AND Grid_Surplus AND SOC < CHARGE_ENABLE_TH (เช่น 95%) AND NOT Force_Breaker_Open

[ Auto_Mode ] + [ Grid_Surplus ] + [ SOC < 95 ] + [ NOT Force_Breaker_Open ]-------------------( )---- Charge_Enable

Rung 4 — เปิดใช้งานการคายประจุอัตโนมัติ (เมื่อ Auto_Mode)

คายประจุหาก Auto_Mode AND Grid_Deficit AND SOC > DISCHARGE_ENABLE_TH (เช่น 10%) AND NOT Force_Breaker_Open

[ Auto_Mode ] + [ Grid_Deficit ] + [ SOC > 10 ] + [ NOT Force_Breaker_Open ]-------------------( )---- Discharge_Enable

Rung 5 — ตรรกะคำสั่งเบรกเกอร์พร้อมการแทนที่ด้วยตนเอง

คำสั่งด้วยตนเองจาก HMI (ปิด/เปิด) มีลำดับความสำคัญ มิฉะนั้น ให้ปิดเบรกเกอร์หากเปิดใช้งานการชาร์จหรือคายประจุ และไม่มีการบังคับเปิด

[ Manual_Close ] ----------------( )---- Breaker_CMD := CLOSE
[ Manual_Open ] -----------------( )---- Breaker_CMD := OPEN
[ NOT Manual_Close ] + [ NOT Manual_Open ] + (Charge_Enable OR Discharge_Enable) + [ NOT Force_Breaker_Open ]---------------------( )---- Breaker_CMD := CLOSE ELSE Breaker_CMD := OPEN

Rung 6 — การล็อกสัญญาณเตือน [อยู่ระหว่างการพัฒนา]

หากเงื่อนไขด้านความปลอดภัยใดๆ เป็นจริง ให้ตั้งค่าการล็อกสัญญาณเตือนจนกว่าผู้ปฏิบัติงานจะรับทราบ

[( T > T_MAX ) OR ( I > I_MAX ) OR ( V < V_MIN ) OR ( V > V_MAX )] --------------------------------( )---- Alarm_Latch
[ HMI_Ack ] --------------------------------(R)---- Alarm_Latch RESET

การแมปกับ BESS-X อื่นๆ ตรรกะการควบคุมจะเหมือนกัน:

• DC_OK = BESS_x_DC_interface_state (บูลีน)

• SOC = BESS_x_Battery_Percentage (%)

• V = BESS_x_Operation_Voltage (V)

• I = BESS_x_Operation_Current (A)

• T = BESS_x_Battery_Temperature (°C)

• Grid_Surplus = แฟล็กที่คำนวณ (การผลิต > โหลด + ส่วนต่าง) — ได้มาจาก PLC จากการวัดกริด

• Grid_Deficit = แฟล็กที่คำนวณ (โหลด > การผลิต + ส่วนต่าง)

• Auto_Mode = ลิงก์อัตโนมัติ/ด้วยตนเองของ PLC และตัวสลับสถานะแบตเตอรี่ (จริง=อัตโนมัติ)

• Manual_Open / Manual_Close = คำสั่ง HMI CP ไปยังเบรกเกอร์ (enum/latch)

• Breaker_CMD = คอยล์ที่ควบคุม BESS_x_DC_interface_Breaker CP

เงื่อนไขที่ทริกเกอร์สัญญาณเตือนความปลอดภัย:

• หาก Temperature > T_max → บังคับให้เปิดเบรกเกอร์ DC ปิดใช้งานการชาร์จ/คายประจุ ยกสัญญาณเตือน

• หาก Voltage < V_min หรือ Voltage > V_max หรือ Current > I_max → เปิดเบรกเกอร์และเตือน

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

การออกแบบ SCADA HMI ของระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS)

Human-Machine Interface (HMI) ของระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบ Power Grid SCADA ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถ ตรวจสอบ ควบคุม และจัดการ หน่วยจัดเก็บพลังงานแบบกระจายได้แบบเรียลไทม์

BESS HMI สร้าง การเชื่อมต่อไคลเอนต์ IEC 60870-5-104 (IEC104) กับคอนโทรลเลอร์ PLC เฉพาะ ผ่านช่องทางการสื่อสารนี้ ระบบจะดึงข้อมูลการทำงานของ BESS แบบสดๆ อย่างต่อเนื่อง (แรงดัน กระแส ความจุ และสถานะ) และอนุญาตให้ส่งคำสั่งควบคุมระยะไกลที่ปลอดภัยกลับไปยัง PLC

อินเทอร์เฟซการตรวจสอบและควบคุมของ BESS แสดงอยู่ด้านล่าง (ไฮไลต์ในสี่เหลี่ยมสีแดง):

Figure-07: BESS Control Panel in Power Grid Cyber Range HMI, version v0.2.0 (2025)

การออกแบบรวม แผงเฉพาะห้าแผง ที่ให้ผู้ปฏิบัติงานทั้งความสามารถในการแสดงภาพและการควบคุมแบบโต้ตอบ:

แผงแสดงแผนภาพวงจร IEC 60617

• ประเภทแผง: จอภาพข้อมูล BESS ดิบ

• ฟังก์ชัน: แสดงมุมมองแผนผังวงจรของกริดพลังงานตามสัญลักษณ์กราฟิก IEC 60617 แผงแสดงภาพไอคอน BESS และพารามิเตอร์แบบเรียลไทม์ (สถานะการชาร์จ แรงดัน กระแส และเปอร์เซ็นต์แบตเตอรี่) ที่ได้มาจาก IEC104 PLC

แผง IEC 104 PLC [Storage Control]

• ประเภทแผง: จอภาพสถานะ PLC และการสื่อสาร

• ฟังก์ชัน: ตรวจสอบสถานะการสื่อสารระหว่างระบบ SCADA และ IEC60870-104 PLC แสดงข้อมูลการเชื่อมต่อ PLC รวมถึงที่อยู่ IP พอร์ตการสื่อสาร ID PLC ดัชนีสถานี และสถานะการเชื่อมต่อ

แผงควบคุมลิงก์จัดเก็บพลังงาน

• ประเภทแผง: จอภาพและคอนโทรลเลอร์อินเทอร์เฟซ DC ของ BESS

• ฟังก์ชัน: ให้การควบคุมด้วยตนเองและอัตโนมัติผ่านอินเทอร์เฟซลิงก์พลังงาน DC ระหว่าง BESS แต่ละตัวและบัสกริดหลัก ปุ่ม Power-Link[Connect]: การควบคุมด้วยตนเองเพื่อเปิดลิงก์พลังงานอินเทอร์เฟซ DC, ปุ่ม Power-Link[Cut-OFF]: การควบคุมด้วยตนเองเพื่อตัดลิงก์พลังงานอินเทอร์เฟซ DC, ปุ่ม Power-Link[PW-Manual]: สลับระหว่างโหมดควบคุมอัตโนมัติ/ด้วยตนเอง

IED-MU Detail Data Panel [Energy Capacity]

• Panel Type: ตัวตรวจสอบข้อมูล BESS ที่ประมวลผลแล้ว

• Function: แสดงการคำนวณความจุพลังงานแบตเตอรี่ที่เหลืออยู่จากแต่ละหน่วยจัดเก็บ ผู้ปฏิบัติงานสามารถสังเกตเปอร์เซ็นต์การชาร์จแบบเรียลไทม์ของ BESS แต่ละตัว ทำให้สามารถจัดการพลังงานและติดตามประสิทธิภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพ

Alert Code Display Panel

• Panel Type: ตัวตรวจสอบข้อผิดพลาดและคำเตือน

• Function: แสดงรหัสข้อผิดพลาดและคำเตือนที่ใช้งานอยู่ซึ่งได้รับจากแต่ละโมดูล BESS ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานสามารถระบุสถานะที่ผิดปกติได้อย่างรวดเร็ว และกระตุ้นการบำรุงรักษาหรือการดำเนินการด้านความปลอดภัยที่เหมาะสม

ด้วยการสื่อสาร IEC 60870-104 และแผง SCADA ที่มีโครงสร้าง ผู้ปฏิบัติงานจะได้รับความตระหนักรู้ถึงสถานการณ์ทั้งหมดเกี่ยวกับประสิทธิภาพของระบบ สถานะการสื่อสาร และการควบคุมการเชื่อมโยงพลังงาน ทำให้มั่นใจได้ทั้งความน่าเชื่อถือของกริดและความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Conclusion

โดยสรุปสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่จำลอง (BESS) ภายใน Power Grid OT Cyber ​​Range งานที่รวมการจำลองกระบวนการทางกายภาพ ตรรกะของคอนโทรลเลอร์ OT กับ PLCs IEC-104 และ SCADA HMI ส่วนกลาง โครงการนี้สร้างแบบจำลองที่สมจริงและจัดการได้ของการดำเนินงาน BESS ได้สำเร็จ แม้ว่าจะเป็นการกลั่นกรองความซับซ้อนในโลกแห่งความเป็นจริง แต่กรอบการทำงานนี้เป็นแพลตฟอร์มที่สำคัญสำหรับการฝึกอบรมภาคปฏิบัติ แบบฝึกหัดด้านความปลอดภัยทางไซเบอร์ และการวิจัยเชิงปฏิบัติการ ซึ่งท้ายที่สุดจะช่วยเพิ่มความเข้าใจและความยืดหยุ่นของโครงสร้างพื้นฐานโครงข่ายไฟฟ้าสมัยใหม่ในสภาพแวดล้อมจำลองที่มีการควบคุม

Reference Doc Link

• https://en.wikipedia.org/wiki/Grid_energy_storage

• https://new.abb.com/plc/plc-technology/ac500-plc-technical-features/ac500-connectivity/iec-60870

• https://www.gminsights.com/industry-analysis/energy-storage-systems-market?gad_source=1&gad_campaignid=21841937168&gbraid=0AAAAACuPGhW9A41yu679JCuOFyIOTxLRx&gclid=CjwKCAjwisnGBhAXEiwA0zEOR8s86vp5s4b601uN1anye_K9fQlpZlEQtxNF8SO68G8cOFxTQ5PdthoC8eQQAvD_BwE

• https://www.volvopenta.com/industrial/battery-energy-storage/?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=SI_search-BESS_phrase&utm_content=&gad_source=1&gad_campaignid=21901328062&gbraid=0AAAAAozWkbnoHn2eJuiAvLdXR6sbNBpPl&gclid=CjwKCAjwisnGBhAXEiwA0zEORzkOMW7mcfFOm7rkM_-W0W2QGQlL_xZUvZFt8RrahJO9xDbDRgVnWhoCnwwQAvD_BwE

last edit by Liu Yuancheng ([email protected]) by 11/10/2025 if you have any question, please send me a message.