Технология построения систем с гибкой динамической архитектурой
(Flexible Dynamic Architecture)

Содержание:

Предпосылки

Функциональные блоки Концепция "Цифровой подстанции" предусматривает унификацию информационных протоколов, среды передачи данных и разделение полевого уровня (уровня ввода/вывода аналоговой и дискретной информации) и уровня IED терминалов (уровня вычисления/принятия решений). Полевой уровень характеризуется наличием различных аналоговых и дискретных интерфейсов и связан с уровнем IED терминалов через шину процесса подстанции (специализированная Ethernet сеть).

IED терминалы "Цифровой подстанции" обмениваются технологической информацией через шину процесса. Интерфейсная часть IED терминалов при этом становится унифицированной и включает в себя коммуникационнные интерфейсы, интерфейсы электропитания и человеко-машинный интерфейс. Функциональная специализация устройств определяется встраиваемым программным обеспечением и реализованными алгоритмами.

Таким образом, в рамках "Цифровой подстанции" любая функция могла бы исполняться на произвольном IED терминале, обладающем достаточной коммуникационной и вычислительной мощностью.

Данные свойства "Цифровой подстанции" послужили основой для создания технологии создания автоматизированных систем с гибкой динамической архитектурой (Flexible Dynamic Architecture).

В составе автоматизированной системы предусматривается использование унифицированной вычислительно-коммуникационной платформы (терминалов) и функциональных блоков (экземпляров встраиваемого программного обеспечения), при этом распределение функций по терминалам не является статичным во время эксплуатации. Причиной для перераспределения функциональных блоков по терминалам может являться отказ любого из терминалов, повреждение коммуникационной сети, изменение состава функциональных задач и иные внешние факторы, влияющие на работу автоматизированной системы.

По данной технологии может быть построена как вся автоматизированная система управления подстанцией, так и ее функциональные сегменты (например, отдельно выбранная подсистема).

Технологический базис

В составе представленной технологии можно выделить следующие основные элементы:

Терминалы: Терминалами автоматизированной системы с гибкой динамической архитектурой являются программно-аппаратные комплексы, обладающие большой коммуникационной и вычислительной производительностью.

Распределенная операционная система: Операционная система терминалов, обеспечивающая функционирование автоматизированной системы с динамической архитектурой, механизмов распределения функций, контроля функциональной целостности и т.д.

Средства разработки: Специализированное программное обеспечение, предоставляющее возможность разработки новых функций, их интеграции в систему, средства отладки и моделирования поведения системы.

Инженерные средства: Специализированные комплексы, позволяющие оператору контролировать работу автоматизированной системы (текущую функциональную схему, распределение коммуникационной и вычислительной нагрузок и т.д.), вносить соответствующие изменения в конфигурацию системы (регистрировать новые терминалы, подключать дополнительные функции).

Технология систем с гибкой динамической архитектурой предусматривает, что все используемые в рамках "Цифровой подстанции" (в данном сегменте) коммутаторы поддерживают протоколы MRP (механизмы регистрации и перерегистрации специальных атрибутов, таких как идентификаторы VLAN и членство в мультикастовых группах), при этом широковещательные и групповые пакеты распространяются в соответствующих мультикастовых группах и VLAN сетях. Данные коммуникационные решения являются типовыми для "Цифровой подстанции" и поддерживаются большинством производителей коммуникационного оборудования.

В составе системы с гибкой динамической архитектурой можно выделить следующие базовые сущности (общие для всех терминалов формируемого функционального сегмента):

  • функциональное облако (состав и связи исполняемых функций, их распределение по функциональным блокам);
  • модель поведения (набор правил и алгоритмов, регламентирующих поведение терминалов и системы на внешние и внутренние события).

Схема

Одним из ключевых элементов технологии систем с гибкой динамической архитектурой является инструментарий для разработки прикладного алгоритмического обеспечения (функциональное обеспечение), и средства конфигурирования системы с динамической архитектурой.

Поддержка протоколов "Цифровой подстанции" и механизмов распределенной операционной системы с динамической архитектурой предоставляется пользователю в виде соответствующих SDK. Функциональное обеспечение регистрируется в системе и конфигурируется при формировании программы для группы терминалов.

Помимо средств разработки, предусмотрены средства отладки и тестирования системы с динамической архитектурой, позволяющие пользователю отладить и испытать созданные конфигурации перед установкой их на объект, либо моделировать поведение системы на изменение внешних факторов.

Варианты применения

Одним из ключевых вопросов при построении автоматизированной системы управления подстанцией является обеспечение надежности ее функционирования и отказоустойчивости. Существующие на данный момент решения по повышению надежности аппаратным дублированием являются весьма дорогостоящими и неоптимальными. В рамках систем с гибкой динамической архитектурой предоставляются возможности построение схем, повышающих надежность системы, но не требующих аппаратного дублирования.

Скользящий резерв

Схема Одним из вариантов использования систем с гибкой динамической архитектурой является автоматизация замены вышедшего из строя терминала. В рамках системы формируется группа терминалов, являющихся функциональным резервом. При выходе из строя одного из основных терминалов, все его функции будут запущены на терминале из функционального резерва. Таким образом, достигается автоматическое восстановление коэффициента готовности системы, и ее надежность не уменьшается на время ремонта и восстановления вышедшего из строя терминала.

Функциональное дублирование

Схема Технология позволяет резервировать функции за счет аппаратных резервов менее загруженных терминалов, либо самостоятельно конфигурировать терминалы на дублирование критически важных функций. Данное решение позволяет значительно снизить стоимость резервирования дублированием и повысить надежность системы.



Резервирование с деградацией функций

Схема В рамках современных интеллектуальных электронных устройств могут быть выделены базовые функции, выполнение которых является главной задачей устройства, и функции дополнительные, опциональные, повышающие эффективность, удобство и иные функции более низкого приоритета.

Технология систем с гибкой динамической архитектурой предусматривает поддержку механизмов, позволяющих высвободить ресурс одного из терминалов для выполнения базовых функций отказавшего терминала за счет отказа от выполнения собственных менее важных функций.

Механизм приоритезации функций является многоуровневым и позволяет построить многоуровневую систему с большой глубиной резервирования, способную сохранить жизненно-важные функции подстанции при множественных отказах терминалов (например, при отказе группы терминалов, размещенных в одной стойке, помещении и т.д.).

Резервирование алгоритмов

Схема Технология систем с гибкой динамической архитектурой предусматривает возможность создания функций, выполняющих идентичные задачи, но реализованные различными алгоритмами. Потребность в резервировании алгоритмов существует в рамках критически важных систем (например, релейная защита и противоаварийная автоматика).

Существующие решения по реализации резервирования алгоритмов требуют установки дублированных полнофункциональных устройств различных производителей.

Функциональная гибкость

Схема Возможность управляемого распределения функций по терминалам позволяет достичь максимальной эффективности использования вычислительно-коммуникационной мощности терминалов, оптимизировать их работоспособность. Технология допускает варианты использования терминалов с различными характеристиками, включая терминалы оптимизированные для решения определенных задач.

Другим аспектом оптимизации является гибкость в распределении потоков данных, позволяя за счет концентрации максимального количества вычислительных задач в точке получения первичных данных (например, потока IEC 61850-9-2) значительно снизить общую коммуникационную нагрузку на сеть "Цифровой подстанции".

Масштабируемость

Схема Единство аппаратной платформы и независимость функций от конкретного терминала позволяет гибко оперировать вычислительно-коммуникационной мощностью системы в целом, позволяя добавлять новые функции, увеличивать глубину резервирования, оптимизировать систему путем добавления необходимого количества терминалов.

Модернизация системы с динамической архитектурой содержит в себе два аспекта: добавление новых функций, при наличии резерва вычислительной и коммуникационной мощности, осуществляемая на базе существующих терминалов, и увеличение вычислительной и коммуникационной мощности путем добавления унифицированных терминалов.

Текущее состояние и перспективы направления

Технология систем с гибкой динамической архитектурой является идеологическим продолжением направления "Цифровой подстанции" и позволяет достичь значительно большего эффекта от внедрения IEC 61850.

ИТЦ Континуум в течение последних лет ведет активную работу, направленную на практическую реализацию системы с гибкой динамической архитектурой. Достигнут значительный прогресс как в теоретической проработке направления, так и в практической реализации базовых элементов технологии.

Создание автоматизированных систем управления с гибкой динамической архитектурой для "Цифровой подстанции" является весьма науко- и ресурсоемкой задачей, но технико-экономический эффект данного проекта значительно превышает затраты на его реализацию.

   
         
   


© ЗАО "ИТЦ Континуум"
Все права защищены.


телефон: +7 (4852) 31-38-84
e-mail: continuum@ec-continuum.ru