虛擬化推進數位變電站部署
作者 : Peter Kreutzer，Hitachi Energy資深產品經理
變電站內部的數位化趨勢導致越來越需要減少硬體資產的數量，這使得虛擬化和功能整合成為可能可行的概念...
虛擬化主要用於IT環境和伺服器機房，但許多公用事業公司正在探索如何在不影響關鍵任務應用的性能、可用性和可靠性的情況下使用虛擬化。變電站內部的數位化趨勢也導致越來越需要減少硬體資產的數量，這使得虛擬化和功能整合成為可能可行的概念(圖1)。
圖1：代表主導概念的典型變電站自動化架構。
由於營運技術(OT)基礎設施與變電站的IT部份分離，公用事業公司面臨著多重挑戰，包括：
- 在變電站層級的OT/IT系統複雜性急劇增加；
- 需要使用大量有線介面和連接來支援整個過程，因此需要大量的CAPEX和OPEX支出；
- 介面複雜且缺乏標準化的專案交付時間長(這還涉及耗時的設計工作、測試、安裝和除錯)；
- 由於有多個獨立系統，基礎設施佔用空間大；
- 監控主要資產的能力有限，導致對資產健康狀況知之甚少，需要進行不必要的維護工作；
- 每個功能都使用獨立的盒子，導致基礎設施發生巨大變化，並需要大量備件庫存；
- 導致服務工程師面臨高風險的控制和保護的測試，例如電流互感器開路、過程電纜的高壓；
- 增加網路安全需求，以便OT基礎設施能夠遵守法規。
這些挑戰要求電網營運商在不影響關鍵任務基礎設施現有要求的情況下評估當前概念，尤其是當它們分佈廣泛且難以存取時。
虛擬化是一種可實現更有效利用實體電腦硬體的過程，換句話說，能以更少的硬體實現更多的功能。然而，電網營運商實施虛擬化和功能整合，可以透過不同的方式來實現。
圖2展示了具有四台獨立站電腦的全冗餘變電站自動化系統。圖3中將其轉換成虛擬化系統，其中只有兩台站電腦託管虛擬環境，以對站HMI和GW功能實現虛擬化。
圖2：典型的冗餘架構。
圖3：虛擬化的站級變電站自動化。
第二步，除了站級的虛擬化，我們還可以在間隔級運用功能整合的概念。在現代變電站自動化間隔控制中，智慧電子裝置(IED)可以將控制和備援保護的多種功能整合在一個設備中。這不僅提高了功能的可用性，而且減少了IED的數量。
接下來，我們可以遵循數位變電站的概念，將輸入輸出(IO)從控制和保護中分離出來，從而產生如圖4所示的新變電站自動化架構。
圖4：I/O解耦、功能整合和虛擬化。
新架構帶來了以下優勢和好處：
- 將IO從控制和保護中分離出來，提高了安全性並更容易更換間隔層功能；
- 減少了用於控制和保護的硬體變體，從而減少了設計階段和備件數量；
- 重複應用減少間隔層應用，從而減少了測試；
- 控制和保護的功能整合提高了可用性；
- 透過HMI和閘道的功能整合減少了站級硬體，從而減少了設計和測試時間以及備件數量；
- 透過在過程級I/O附近導入有線/電纜介面，從而減少基礎設施佔用空間、設計、安裝和測試；
- 增加監管區域並改進了對主要資產的監控，從而實現更好的資產健康監控。
雖然上述步驟側重於變電站自動化應用的OT部分，但還有許多其他應用和系統可以從可用的站級虛擬化基礎架構中受益。圖5突出顯示了整合其他應用的下一步。
圖5：站級功能整合/虛擬化。
由此產生的架構帶來了以下額外的優勢和好處：
- 將額外的站級功能整合到虛擬化平台上，減少了站級硬體並減少了所需備件的數量；
- 虛擬化透過集群提高整合功能的可用性和可靠性；
- 變更遠端部署，以實現企業級虛擬化應用的集中管理；
- 可在站級輕鬆部署未來功能；
- 可在系統出現故障或需要回滾更改時輕鬆備份和恢復；
- 可對虛擬化應用進行輕鬆的補增程式管理；
- 當廣域通訊系統提供所需的頻寬和服務品質時，能夠將應用從站級轉移到企業級。
編譯：Franklin Zhao
(參考原文：How Virtualization Can Act as an Enabler for Digital Substation Deployment，by Peter Kreutzer)
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