工業物聯網推動智慧電網變電所

October 10, 2019 Alix Paultre

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隨著越來越多裝置加入工業物聯網,勢必要有更多的能源為其供電。雖然這讓電力網得承受更大的壓力,卻也促成了智慧供電的新方法。

工業物聯網技術可加速智慧電網自動化,提供前所未有的能源最佳化。例如,預測性負載監控、預先切換、高準確度電壓變換等變電所應用,讓效率與運作時間能更上一層樓。

不過,將物聯網連線和分析加入電力網有其風險,會有電腦與網路設備的成本開支、安全性弱點可能會增加,以及新舊系統之間永遠可能存在互通性的問題。

新的電子系統設計陸續問世,在能源產業的可靠性、互通性和成本考量之間需取得平衡,這些系統主要奠基於工作負載整合的概念。

但是在處理工作負載整合的問題之前,讓我們先設想一般變電所的功能與架構。

各項標準為自動化鋪路

變電所負責收集、轉換、傳輸和/或分配來自能源的電力。它們仰賴稱為「合併單元」(MU) 的裝置,針對來自變壓器的類比電流進行取樣和數位化(圖 1)。

變電所仰賴一系列類比數位轉換與通訊系統。
圖 1。變電所仰賴一系列類比數位轉換與通訊系統。(資料來源:Electrical Engineering Portal

MU 也是變電所通訊網路中的第一個節點。這些網路有許多都是以 IEEE 61850 標準為基礎,這套標準支援多種通訊協定,可在不同供應商的電力子系統之間傳輸數位訊號。它們也透過工業乙太網路,將資訊提供給 HMI 平台與 SCADA 網路(圖 2)。

IEC 61850 網路為變電所提供低延遲、企業相容的通訊。
圖 2。IEC 61850 網路為變電所提供低延遲、企業相容的通訊。(資料來源:Khorasan Regional Electric Company

使用 IEC 61850 網路,變電所節點的即時訊號之間延遲可低於 4 毫秒。這些通訊協定也支援抽象的資料模型,以及與企業系統相容的回報機制。

這種混合 IT 與 OT 網路的功能,意味著啟用 IEC 61850 的單一閘道平台既可以執行嵌入式控制,也可以進行企業資料分析。

這就是工作負載整合的舞台。

降低成本,提升智慧

工作負載整合基於多核心處理器和虛擬化技術。

虛擬化技術可透過即時的安全關鍵監管程式,將資料和程序安全地隔離到特定的處理器核心或多個核心上。監管程式也能涵蓋這些核心的漏洞、故障和弱點,這麼一來,即使企業應用程式發生故障,關鍵功能也會繼續運作。

如需有關工作負載整合的詳細資訊,請參閱嵌入式虛擬化帶動混合關鍵性的物聯網系統

對於混合關鍵性閘道而言,這表示像是電壓轉變等 OT 工作負載可以與分析應用程式(例如預測性負載管理)同時執行(圖 3)。

工作負載整合可降低成本,提升變電所的智慧性。
圖 3。工作負載整合可降低成本,提升變電所的智慧性。(資料來源:Lanner Electronics Inc.

虛擬化技術的另一個優勢是備援系統設計。在四核心系統中,有兩個核心專門用於執行虛擬網路交換器,輸送流量至 OT/IT 網路邊界。另外兩個核心則專用於資料擷取,其中一個核心執行主要工作負載,第二個核心提供應用程式備援功能。

整體來說,工作負載整合滿足了能源系統設計師的需求:

可靠性。在內部部署預測性監控、切換及其他以分析數據為基礎的應用程式,可提升變電所的運作時間與效率。短期而言,這有助於避免電源突波和峰值電壓的負面影響;長期之下,這可以保護設備免於損壞事件所造成的磨損。

安全性。將平台分割成穩固的分割區,這代表如果有應用程式位於完整性較低的網路中,這些應用程式可以與系統的其他部份隔離。這麼做有助於防範源自公司/IT 環境的惡意軟體或威脅,例如 2015 年針對烏克蘭電力網發動的網路攻擊案例。

成本。將多種功能整合至單一平台上,能立即節省資本支出,也更容易管理整體基礎架構。由於可靠性提升,變電所的生命週期就能大幅省下成本。

堅固可靠的智慧電網自動化

要發揮工作負載整合的最大效益,需要特定類型的多核心處理器。在變電所自動化閘道中,這個處理器的效能必須夠強大,才能在堅固耐用、具確定性之餘,還能促成高頻寬網路和分析。

對工作負載整合的變電所自動化而言,Intel® Xeon® E3-1500 處理器系列產品無論在外型、大小、功能上,都是匹配之選。四核心 Xeon E3-1500 處理器可提供八個執行緒的效能,同時將散熱設計功耗 (TDP) 維持在僅僅 25 瓦。它們也提供嵌入式選擇,確保長效的生命週期支援及可用性。

E3-1500 系列處理器整合企業功能,例如 Intel® 虛擬化技術及 Intel® 主動管理技術。這種集結了效能、可靠性和管理性的罕見組合,為變電所閘道上的工作負載整合提供了所有的基本建構模塊。

為了將 E3-1500 納入智慧電網設定,
立端科技股份有限公司 (Lanner Electronics Inc.) 開發了 LEC-3340,這是和 IEC 61850、IEEE 1613 相容的 3U 機架式控制器系統,專為高可靠性及高可用性的變電所自動化所設計(圖 4)。

Lanner LEC-3340 機架式控制器系統。
圖 4。Lanner LEC-3340 機架式控制器系統。(資料來源:Lanner Electronics Inc.

這個 Lanner 閘道包含備援 AC/DC 電源供應器(16.6 至 160 VDC/100 至 240 VAC),能協助將平台可靠性最大化。系統也包含兩個可熱插拔的 2.5 吋磁碟機槽。

磁碟機槽可用來支援額外的電源供應器,讓平台成為電池備援庫。此外,它們也能用來支援 SSD RAID 儲存裝置,以提升資料復原力。由於它們可熱插拔,因此不需要關閉系統電源就能變更。

這些平台也支援選購的高可用性無縫備援 (HSR) 和平行備援通訊協定 (PRP) 卡,將可靠性和可用性推向極致。

立端科技股份有限公司 (Lanner Electronics Inc.) 行銷經理 Brian Chen 表示:「LEC-3340 是以可擴充平台為目標所設計,具備 PCI 擴充與能充分運用虛擬化技術的處理器。根據設備的部署位置,它可以針對不同的連線目的來支援 PCI 模組,像是針對發電站網路故障轉移的 HSR 和 PRP 模組卡。」

ESD 突波防護、ECC 記憶體,以及選購的信賴平台模組 (TPM) 2.0,使平台的可靠性重點更為完備。

人工智慧自動化?

工作負載整合與高效能處理器也開啟了大門,讓 AI 及機器學習可以在變電所本機進行部署。在 LEC-3340 這類平台上運作,可即時分析整個變電所的運作狀況,以達到最佳化目的。

輸入電壓若短暫地突升或下降,造成轉換效率降低,便可即時對其進行分析。而特定的電流可切換至經過最佳化處理的特定變壓器,以處理那些特定的電壓。

有了高效能的工作負載整合,這樣的未來比您想像的更觸手可及。

作者簡介

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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