工业物联网助力智能电网变电站

October 10, 2019 Alix Paultre

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随着越来越多的设备加入工业物联网,便需要更多的能量来为其供电。虽然这给电网带来了更大的压力,但同时也引入了智能供电的新方法。

工业物联网技术可以加速智能电网自动化并提供前所未有的能源优化。举例来说,像预测性负载监控、预防性交换和高精度变压这样的变电站应用,可以产生更高水平的效率和正常运行时间。

但将物联网连接和分析功能添加到电网可能会带来风险。这会涉及到计算和网络设备的资本支出。安全漏洞随之增多。而且,新系统与旧系统之间始终存在互操作性问题的可能性。

新兴的电子系统设计正在平衡能源行业的可靠性、互操作性和成本问题。这些系统主要基于工作负载合并的概念。

但是在解决工作负载合并之前,让我们考虑一下典型变电站的功能和架构。

制定标准是实现自动化的前提

变电站负责从一个供电来源收集、转换、输送和/或分配电力,并依靠称为合并单元 (MU) 的设备对来自变压器的模拟电流进行采样和数字化(图 1)。

变电站依赖于一系列模数转换和通信系统。
图 1。变电站依赖于一系列模数转换和通信系统。(资料来源:Electrical Engineering Portal)

MU 也是变电站通信网络中的第一个节点。许多这类网络均基于 IEEE 61850 标准(该标准支持使用多种协议在不同供应商提供的电源子系统之间传输数字信号)。它们还通过工业以太网将信息传送到 HMI 平台和 SCADA 网络(图 2)。

IEC 61850 网络为变电站提供了低延迟、企业兼容的通信。
图 2。IEC 61850 网络为变电站提供了低延迟、企业兼容的通信。(资料来源:Khorasan Regional Electric Company)

IEC 61850 网络为变电站节点之间的实时信令提供了小于 4 毫秒的延迟。这些协议还支持与企业系统兼容的抽象数据模型和报告方案。

这种混合的 IT 和 OT 网络功能意味着一个支持 IEC 61850 的网关平台可以执行嵌入式控制和企业数据分析,对工作负载进行整合。

成本降低,智能化程度提高

工作负载整合基于多核处理器和虚拟化技术。

通过虚拟化,可以使用对安全至关重要的实时管理程序,将数据和进程安全地隔离到一个或多个特定处理器内核。管理程序还可以包含这些内核的漏洞、故障和缺陷,以便即使企业应用出现故障,关键功能也可以继续发挥作用。

有关工作负载整合的更多信息,请阅读嵌入式虚拟化技术助力混合关键型物联网系统

在混合关键型网关中,这意味着诸如电压转换之类的 OT 工作负载可以与预测性负载管理等分析应用并行运行(图 3)。

工作负载整合可以降低变电站的成本,提高智能化程度。
图 3. 工作负载整合可以降低变电站的成本,提高智能化程度。(资料来源:Lanner Electronics Inc.)

虚拟化技术的另一个优势是冗余系统设计。在四核系统中,两个内核可以专用于运行虚拟网络交换机(在 OT/IT 网络边界上路由流量)。另外两个内核可专用于数据采集,其中一个内核执行主要工作负载,第二个内核提供应用冗余。

总而言之,工作负载整合为能源系统设计人员带来了诸多便利:

可靠性。在本地部署预测性监控、交换和其他基于分析的应用可以提高变电站的正常运行时间和效率。在短期内,可帮助避免电涌和电压尖峰的负面影响。从长远来看,则可保护设备免受破坏性事件的磨损。

安全性。将平台细分为可靠的分区意味着可以将暴露于低完整性网络的应用与系统的其余部分隔离。这可以帮助防范源自企业/IT 环境的恶意软件或威胁,比方说,2015 年,乌克兰电网遭到网络攻击

成本将多个功能集成到一个平台上可立即节省资本支出,还可以使整个基础设施更易于管理。而可靠性的提高也可以在变电站的整个生命周期内节省大量资金。

耐久可靠的智能电网自动化

需要一种特定类型的多核处理器来充分发挥工作负载整合的优势。在变电站自动化网关中,这款处理器必须足够强大,能够支持高带宽网络和分析,同时还要具有耐久性和确定性。

从外形、尺寸和功能上与整合工作负载的变电站自动化网关相匹配的是英特尔® 至强® E3-1500 处理器家族。四核至强 E3-1500 处理器可提供 8 个线程的性能,但热设计功率 (TDP) 仅为 25W。这款处理器还提供嵌入式选件,以确保延长生命周期支持和可用性。

E3-1500 系列处理器将英特尔® 虚拟化技术(英特尔® VT-x)等企业功能与英特尔® 主动管理技术(英特尔® AMT)集成在一起。性能、可靠性和可管理性的这种罕见组合为变电站网关上的工作负载整合提供了所有基本构建模块。

为了将 E3-1500 融入智能电网设置,Lanner Electronics Inc. 开发了 LEC-3340(符合 IEC 61850 和 IEEE 1613 的 3U 架装控制器系统),旨在实现高可靠性和高可用性的变电站自动化(图 4)。

Lanner LEC-3340 架装控制器系统。
图 4. Lanner LEC-3340 架装控制器系统。(资料来源:Lanner Electronics Inc.

Lanner 网关包括冗余 AC/DC 电源(16.6 至 160 VDC/100 至 240 VAC),有助于充分提高平台可靠性。该系统还包括两个可热插拔的 2.5 英寸驱动器托架。

驱动器托架可用于支撑其他电源设备,使该平台可用作备用电池组。或者,用于支持固态盘 RAID 存储器,以提高数据弹性。而且,由于支持热插拔,更可以在不关闭系统电源的情况下予以更换。

平台将可靠性和可用性发挥到了极致,支持可选的高可用性无缝冗余 (HSR) 和并行冗余协议 (PRP) 卡。

Lanner Electronics Inc. 营销经理 Brian Chen 说:“LEC-3340 是一款采用可扩展式设计的平台,搭载虚拟化就绪的处理器,支持 PCI 扩展。根据设备的部署位置,它可以支持用于不同连接目的的 PCI 模块:例如用于发电厂中网络故障转移的 HSR 和 PRP 模块卡。”

ESD 浪涌保护、ECC 存储器和选装可信平台模块 (TPM) 2.0 完善了平台的可靠性。

人工智能自动化?

工作负载整合和高性能处理器也为人工智能和机器学习打开了大门,能够在变电站采用本地部署的方式。在 LEC-3340 之类的平台上运行,可以实时分析整个变电站的运行状况,以实现优化目的。

短时传入的压峰或压降会降低转换效率,可立即予以分析。某些电流可以切换到经过优化以处理这些特定电压电平的特定变压器。

通过整合高性能工作负载,这个未来比您想象的更美好。

作者简介

Alix Paultre

With a career that began over 30 years ago as a signals intelligence analyst, Alix Paultre has been a tireless journalist and advocate for the embedded electronics industry. From his days at Electronic Products, to running the award-winning Design Group at Advantage Business Media, to covering the European electronics community today, Alix has been reporting on the international electronic design community with with a focus and zeal to bring the latest technology news and information to the marketplace with timeliness and accuracy.

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