Wirtualizacja serwerów brzegowych – nowa siła w stacjach transformatorowych

Wirtualizacja serwerów brzegowych efektem rozwoju

Nowoczesne rozwiązania, takie jak wirtualizacja serwerów brzegowych są efektem ciągłego rozwoju sektora elektroenergetycznego. W przypadku stacji transformatorowych proces ich cyfryzacji postępuje od wielu lat. Wcześniejsze wdrożenia wykorzystujące protokoły, takie jak Modbus, DNP3.0 czy IEC 60870 minimalizowały konieczność fizycznego okablowania obiektu i otworzyły możliwość zdalnego monitorowania oraz współpracy różnych podsystemów w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Nie były to jednak rozwiązania powszechnego zastosowania, co skutkowało brakiem pełnej współpracy z innymi systemami lub produktami różnych producentów. Prędkość komunikacji była również bardzo niska w porównaniu z prędkością niektórych monitorowanych i sterowanych procesów, co oznaczało, że nadal musiały one polegać na tradycyjnych zabezpieczeniach przewodowych.

Aby temu zaradzić, przygotowano i wdrożono normę IEC 61850, która wprowadziła zwirtualizowany model stacji transformatorowej, wraz ze standardowymi konwencjami nazewnictwa zarówno dla obiektów, jak i danych, które wytwarzają. Użytkownicy mogli zaopatrywać się w urządzenia różnych producentów oraz łączyć je poprzez Ethernet, mając pewność, że można je skonfigurować za pomocą standardowych narzędzi i że będą one z powodzeniem działać razem.

W 2023 r. model ten uległ dalszej ewolucji, dzięki wprowadzeniu inteligentnych serwerów brzegowych, sieci definiowanych programowo oraz wirtualizacji oprogramowania za pomocą kontenerów i środowisk nadzorowanych, co wyeliminowało konieczność stosowania pojedynczych urządzeń związanych z każdym procesem obiektowym czy też połączeń ethernetowych między nimi.

Nowe wyzwania w zakresie wytwarzania i dystrybucji energii elektrycznej

Część przyczyn tej ewolucji ma charakter finansowy. Jeśli dużą liczbę dedykowanych urządzeń sprzętowych można zastąpić jednym, inteligentnym serwerem brzegowym, to zarówno koszt kapitałowy związany z początkowym zakupem, jak i – co równie ważne – koszty instalacji, podłączenia oraz utrzymania sprzętu w obiekcie ulegają zmniejszeniu. Niemniej to tylko częściowe ujęcie genezy zmian. Równie istotnym ich czynnikiem są nowe modele wytwarzania i konsumpcji energii powstające w wyniku coraz częstszego zastosowania odnawialnych źródeł energii, mikrosieci oraz lokalnych magazynów energii.

W przeszłości produkcja energii elektrycznej była scentralizowana oraz wytwarzana przez niewielką liczbę elektrowni o bardzo dużej mocy i stabilnej, sterowalnej, a także przewidywalnej produkcji. Sieć przesyłowa oraz rozdzielcza umożliwiała podłączenie do sieci odbiorców indywidualnych, komercyjnych i przemysłowych poprzez stosunkowo prostą hierarchię dystrybucji – wysokiego, średniego oraz niskiego napięcia.

Obecnie kilka czynników zmienia ten model. Obiekty energetyki odnawialnej charakteryzuje duża liczba mniejszych, geograficznie rozproszonych źródeł wytwórczych, a nie jak w przeszłości scentralizowanych elektrowni o dużej mocy. Nie zapewniają one stabilności, ani w pełni przewidywalnej produkcji. Wytwórcami stali się również konsumenci, oddając do sieci nadwyżkę mocy, np. z paneli fotowoltaicznych zamontowanych na dachu, która może być wykorzystana przez innych konsumentów, co z kolei oznacza, że systemy kontroli sieci muszą radzić sobie z dwukierunkowym pomiarem oraz związanymi z tym kwestiami równoważenia obciążenia i synchronizacji częstotliwości. W przyszłości przewidywany wzrost wykorzystania pojazdów elektrycznych, w połączeniu z odejściem od paliw kopalnych w domowych i przemysłowych systemach grzewczych, spowoduje wzrost zapotrzebowania na moc przekraczający możliwości obecnej infrastruktury krajowych sieci przesyłowych.

Biorąc pod uwagę przejście na bardziej zmienne, lokalne i zróżnicowane źródła energii, wyzwaniem staje się elastyczna oraz dynamiczna współpraca z siecią niezależnych wytwórców i konsumentów, a także związana z tym duża różnorodność metod wytwarzania, urządzeń, wielkości instalacji i przypadków użycia, w celu utrzymania równowagi obciążenia, stabilności częstotliwości oraz dostaw na poziomie regionalnym lub krajowym.

Wirtualizacja serwerów brzegowych jako odpowiedź na nowe wyzwania

Wirtualizacja serwerów brzegowych to rozwiązanie oparte na serwerze brzegowym, w którym pojedynczy inteligentny komputer brzegowy lub redundantna para takich komputerów zastępuje dużą liczbę poszczególnych urządzeń, przy czym funkcja każdego urządzenia fizycznego jest skutecznie replikowana przez aplikację tworzącą wirtualny odpowiednik działający w skonteneryzowanym środowisku programowym. Kontenery te są zarządzane przez element oprogramowania zwany hipernadzorcą (hypervisor), który każdemu z nich, a tym samym działającemu w nim urządzeniu wirtualnemu, przydziela wyizolowane i dedykowane zasoby serwera, takie jak bloki pamięci, interfejsy fizyczne, przestrzeń dyskową oraz rdzenie/zasoby procesora. Kluczowe jest wzajemne odizolowanie kontenerów, jako środek do nadania priorytetu różnym procesom. Umożliwia to współistnienie w tym samym fizycznym urządzeniu brzegowym krytycznych systemów bezpieczeństwa i obliczeń procesowych, takich jak aplikacje dostarczające mniej znaczące dane, np. aplikacje wizualizacyjne lub historyczne, w taki sposób, aby mniej newralgiczne aplikacje nie mogły zakłócać pracy tych o znaczeniu kluczowym. Aplikacje są podłączone za pomocą wewnętrznej magistrali pracującej jako zdefiniowana programowo sieć LAN, która w porównaniu z zewnętrzną architekturą LAN oferuje znaczne korzyści w zakresie wydajności, zarówno pod względem prędkości, jak i bezpieczeństwa.

Atrakcyjność tej metody polega na tym, że użytkownicy mogą wdrożyć wspólne rozwiązanie sprzętowe do obsługi różnorodnych typów stacji i operacji poprzez proste wdrożenie różnych obciążeń w kontenerach. Przykładowo, jeśli wdrożenie dotyczy stacji wtórnego rozdziału energii, może obejmować aplikacje przeznaczone do monitorowania szyn niskiego napięcia, regulacji parametrów transformatora, inteligentnych mierników itp., podczas gdy wdrożenie w miejscu sterowania turbiny wiatrowej może obejmować aplikacje sterujące kątem natarcia, wykrywające zakłócenia, sterujące farmą i optymalizujące wytwarzanie energii. W podobny sposób ten sam sprzęt można wykorzystać do monitorowania oraz kontroli mikrosieci lub do ochrony i kontroli obiektów poprzez zwykłe wdrożenie różnych konfiguracji kontenerów, urządzeń wirtualnych czy obciążeń.

W dzisiejszym, połączonym świecie równie istotną kwestią jest to, że wirtualizacja serwerów brzegowych może zapewnić spójne, kompleksowe i kontrolowane środowisko bezpieczeństwa, w którym możliwe jest wdrażanie oraz uruchamianie wszystkich wirtualnych zadań. Dzięki temu zabezpieczenie przed cyberatakiem jest znacznie łatwiejsze niż w przypadku, gdy w każdym obiekcie znajduje się wiele urządzeń pochodzących od różnych producentów, operujących różnymi mechanizmami bezpieczeństwa, z których każdy oferuje większy lub mniejszy stopień ochrony.

Wirtualizacja serwerów brzegowych zapewnia elastyczność

Drugą, istotną zaletą środowiska zwirtualizowanego jest elastyczność inteligentnego serwera brzegowego w tworzeniu, zmienianiu i realokacji konfiguracji kontenerów oraz zadań przez nich wykonywanych. Oznacza to, że w miarę pojawiania się nowych aplikacji, np. wykorzystujących postępy w dziedzinie interpretacji w warstwie brzegowej AI lub uczenia maszynowego, mogą one zostać zintegrowane z infrastrukturą sieciową przy niewielkim lub zerowym wpływie na sprzęt zainstalowany na miejscu. Po sprawdzeniu w warunkach testowych, nowe typy urządzeń można wprowadzać w trakcie produkcji, a nowe usługi uruchamiać zdalnie w procesie bezprzewodowej konfiguracji i wdrażania, a nie w drodze projektowania, instalacji oraz wycofywania z eksploatacji/ponownego uruchamiania na obiekcie.

Podsumowanie

Dzisiejsze systemy informacyjne dla przedsiębiorstw użyteczności publicznej, takie jak SCADA, EMS, DMS i SAS, opierają się na tych samych koncepcjach sieciowych i wykorzystują te same typy serwerów oraz stacji roboczych (również działających w trudnych warunkach), co systemy informacyjne w każdej innej branży. Wirtualizacja serwerów brzegowych pozwala użytkownikom na tworzenie użytecznych usług i aplikacji brzegowych sieci bez zależności od konkretnych, pojedynczych urządzeń sprzętowych. Dzięki wirtualizacji wiele systemów znajduje się na jednej platformie, co pozwala zmniejszyć liczbę oraz rodzaj urządzeń i sprzętu w stacjach, zaoszczędzić pieniądze czy zasoby naturalne, zwiększyć niezawodność oraz uprościć konserwację.

Sieć cyfrowa wykorzystuje gospodarkę opartą na łączności w celu zintegrowania konsumentów/producentów z rynkiem energii, co skutkuje dwukierunkowym przepływem energii, wykraczającym poza tradycyjny przesył energii elektrycznej, mając na celu zapewnienie na terenie klienta niezawodnych usług w zakresie płatnych towarów udostępnianych w ramach fizycznej infrastruktury sieciowej. Cyfryzacja i wirtualizacja stacji stała się jednym z najważniejszych obszarów inwestycji w sieci cyfrowe. W stacjach wdrażanych jest wiele nowych technologii, które decydują o przyszłości sieci cyfrowych, np. technologie brzegowe (edge computing, edge AI), integracja systemów IT/OT, zaawansowana ochrona dystrybucji, stacyjne urządzenia IED i urządzenia programowalne.

Wirtualizacja serwerów brzegowych stała się niezbędnym narzędziem do zapewnienia stabilności i odporności sieci energetycznej – jest to kluczowy krok do wprowadzenia czystej energii na świecie. Służy nie tylko konsolidacji rozwiązań wielu dostawców czy systemów operacyjnych, ale także ułatwia zarządzanie zdalnymi urządzeniami oraz organizacyjną synchronizację aplikacji i oprogramowania specjalistycznego. Jest to szczególnie ważne w przypadku aplikacji związanych z bezpieczeństwem, sztuczną inteligencją itp., które w przyszłości prawdopodobnie będą wymagały znacznie częstszych aktualizacji niż tradycyjne aplikacje o stałym kodzie, takie jak Telecontrol, SCADA czy PAC.

O Advantech

Advantech jest głównym globalnym dostawcą platform i rozwiązań z zakresu obliczeń przemysłowych, komunikacji i sensoryki. Oferuje szereg serwerów, komputerów automatyki przemysłowej i urządzeń sieciowych zgodnych z IEC 61850-3 wraz z rozwiązaniami do wirtualizacji, redundancji, treningu AI i interpretacji brzegowej, uczenia maszynowego, cyfrowej wizji i interfejsów HMI. Firma Advantech ma główną siedzibę na Tajwanie oraz biura i centra serwisowe w kilku miejscach w Europie. We współpracy z licznymi wysokiej klasy partnerami aktywnie działa w zakresie dostarczania współczesnych rozwiązań automatyki stacji elektroenergetycznych.

Jeśli potrzebujesz więcej informacji na temat wirtualizacji serwerów brzegowych lub produktów i rozwiązań firmy Advantech, skontaktuj się z biurem sprzedaży:
sprzedaz@advantech.com
tel. +48 22 315 11 00

www.advantech.com/en-eu