Smartere trafostasjoner med virtualisering

Morgendagens smarte, toveis kraftoverføringsnett må balansere integreringen av sentralisert og distribuert kraftproduksjon med viktige faktorer som nettstabilitet, kantanalyse og cyberrobusthet – alt mens de er i samsvar med ambisiøse nasjonale mål for karbonnøytralitet. I transformatorstasjoner har hundrevis av mikroprosessorbaserte intelligente elektroniske enheter (IED-er) allerede erstattet tusenvis av konvensjonelle elektriske enheter som en del av digitaliseringsfremstøtet, men dette er bare starten. I fremtiden, med en programvaredefinert arkitektur og virtualisering, vil disse IED-ene se ytterligere konsolidering til kun noen dusin av høyytelses servere, med betydelige fordeler for alle interessenter.

Vekst i smarte nett

Det globale markedet for smarte transformasjonsstasjoner opplever rask endring ettersom kraftselskaper moderniserer aldrende nettinfrastruktur med intelligente digitale løsninger. Endringen inkluderer IED-er, fiberoptisk kommunikasjon og avansert overvåkingsprogramvare for smartere strømstyring og distribusjon, med forbedret pålitelighet og effektivitet. Drevet av raskt økende investeringer i smarte nett, forventes markedet for digitale transformasjonsstasjoner å oppleve betydelig vekst. Faktisk antyder Zion Market Research at det vil vokse fra rundt 8,15 milliarder amerikanske dollar i 2024 til rundt 16,34 milliarder amerikanske dollar innen 2034, med en imponerende sammensatt årlig vekstrate (CAGR) på omtrent 7,2 % i denne perioden.

Tid for endring

Tradisjonelle beskyttelses-, automatiserings- og styresystemer (PAC) i transformatorstasjoner krever dedikert maskinvare, noe som begrenser valgfriheten ved å knytte forsyningsselskaper til bestemte leverandører. Skalerbarhet er et annet problem, der introduksjon av nye funksjoner ofte nødvendiggjør bruk av ekstra enheter, noe som øker kostnader og kompleksitet.

En annen utfordring er knyttet til livssyklushåndtering. Et sammensatt enhetslandskap betyr håndtering av en rekke forskjellige ferdigheter, programvareiterasjoner og potensielle svakheter i datasikkerhet. Langsom tilpasning kan også vise seg å være problematisk, der rigid fastvare begrenser responsen på løpende nettbehov og nye teknologier.

Virtualisert PAC (vPAC) overvinner disse utfordringene ved å introdusere en programvaredefinert arkitektur, som gjør det mulig å migrere PAC-funksjonaliteter fra dedikert maskinvare til virtuelle maskiner (VM-er) som kjører på sentraliserte servere.

Primærstasjoner

Primære transformatorstasjoner, som fungerer som det viktigste grensesnittet mellom høyspenningsnettet og det lavspente distribusjonsnettet, er det første målet for disse transformative prosjektene. Det er her vPAC-teknologi kan fungere som en viktig driver for den fremtidige utviklingen av transformatorstasjoner, og støtte deres intelligente endring i forkant av den økende etterspørselen etter enda smartere kraftnett.

Som ordet antyder, betyr virtualisering å erstatte fysiske enheter med virtuelle, noe som gir en rekke fordeler i prosessen. Disse inkluderer bedre pålitelighet, sikkerhet, robusthet, administrasjon og kantanalyse for sanntidsbeskyttelse og -kontroll i strømnettapplikasjoner. Spesielt virtualisering av funksjoner i transformatorstasjoner som kjører på en delt, åpen økosystemarkitektur, gir driftsfleksibilitet og bidrar til å overvinne begrensningene til tidligere datasiloer.

Velprøvd pålitelighet

Selv om virtualisering ikke er en ny teknologi, kan den vise til en dokumentert merittliste som en pålitelig IT-løsning på tvers av en rekke bransjer. I dag er bruken av virtualisering i PAC-applikasjoner for transformatorstasjoner i rask vekst, spesielt der ytelse i sanntid er avgjørende.

Potensialet for vPAC i transformatorstasjoner begynte å få momentum for rundt syv eller åtte år siden, da bransjen startet diskusjoner om potensialet for et programvaredefinert beskyttelses- og kontrollsystem for forsyningsselskaper. Med denne tilnærmingen ville det bli mulig å erstatte fysiske siloenheter med tilsvarende virtuelle for å forenkle transformatorstasjonsarkitekturen betraktelig.

Samarbeid om løsning

Bruken av vPAC er det kritiske utgangspunktet for enhver transformatorstasjon som tar i bruk en programvarebasert strategi. Faktisk har Advantech, ABB og VMware allerede samarbeidet om en vertikalt integrert vPAC-løsning for modernisering av transformatorstasjoner. Løsningen har flerlagsarkitektur: En maskinvareplattform (Advantech-servere), et virtualiseringslag (VMware) og et programvareapplikasjonslag (ABB). Det muliggjør konsolidering av flere PAC-funksjoner på færre fysiske servere.

Bakgrunnen for utviklingen av vPAC-løsninger er det betydelige antallet fordeler som er tilgjengelige for systeminteressenter. Fullt engasjerte partnere som forventes å dra nytte av dette inkluderer transmisjonssystemoperatører (TSO-er), distribusjonssystemoperatører (DSO-er), systemintegratorer for transformatorstasjonsautomatisering og leverandører av PAC-løsninger.

Fordelene som oppstår ved bruk av vPAC inkluderer forbedret standardisering og interoperabilitet, samt forenklet ressursforvaltning, hovedsakelig gjennom innsamling og analyse av mer data. Energiselskaper er svært ivrige etter å ta eierskap til datadrevne nettsystemer. Ved å bygge en intelligent transformatorstasjonskant konsolideres all informasjon på det stedet. Med dataene på plass kan kunstig intelligens (KI) og dyplæringsteknologi (DL) trekke ut enda høyere nivåer av intelligens fra informasjonen for større synlighet og raskere beslutningstaking.

Fleksibel og skalerbar

En annen viktig fordel med virtualiseringsteknologi er mer fleksibel og skalerbar nettdrift, noe som bidrar til å motvirke økende kompleksitet.

Moderne krav til nettinfrastruktur – inkludert elektriske kjøretøy, fornybar energi, mikronett og distribuerte energiressurser (DER) – øker kompleksiteten og kapasitetskravene. Beskyttelse og styring av kraftsystemer er derfor avgjørende for sammenkoblingen av forsyningsselskaper og DER, og følgelig legge til rette for pålitelig og sikker levering av strøm til forbrukerne. Dette resultatet er avgjørende i en tid der noen estimater antyder at etterspørselen etter strøm kan firedobles i det kommende tiåret etter hvert som verden elektrifiserer transportsektoren.

For primære transformatorstasjoner sikrer vPAC-teknologi enkel tilpasningsevne i den innledende prosjektfasen, noe som bidrar til å bygge og vedlikeholde en smidig og pålitelig infrastruktur på en kostnadseffektiv måte. Fremover kan TSO-er fortsette å introdusere flere virtualiserte programvaredefinerte løsninger. De avanserte Advantech-serverne er fullt skalerbare for å tillate gradvis utskifting av fysiske systemer. I praksis blir én server til mange virtuelle maskiner, og erstatter dermed helt og holdent den tradisjonelle modellen med én datamaskin og én applikasjon.

Sikkerhet og bærekraft

Bruken av en avansert server med integrerte brannmur- og gatewayfunksjoner gir også bedre nettverks-/cybersikkerhet og robusthet mot nettinfrastruktur, langt mer enn det som er tilgjengelig med en standard RTU (ekstern terminalenhet). Ved å gå over fra fysiske maskinvarebaserte systemer til programvaredefinert infrastruktur, reduserer vPAC-systemer maskinvareavhengighet og forbedrer vedlikeholdsevnen, noe som bidrar til en sterkere sikkerhetsposisjon. Lagdelte sikkerhetskontroller, forbedret fjerndrift og forbedrede trusseldeteksjonsfunksjoner er alle en del av optimale vPAC-løsninger.

Bærekraft er en annen sentral fordel med vPAC som kommer med forbedret energieffektivitet, hovedsakelig ved å konsolidere flere applikasjoner og systemer på færre servere. Færre fysiske enheter betyr også mindre varmeproduksjon, noe som reduserer behovet for energikrevende kjølesystemer, mens ytterligere fordeler med å erstatte fysiske enheter (potensielt opptil 50 %) med virtuelle inkluderer færre forsendelser og opptil 75 % lavere drifts- og vedlikeholdskostnader.

Kostnader

De som tar i bruk vPAC-teknologi kan redusere CAPEX-kostnader gjennom redusert maskinvare, forenklet infrastruktur og minimert plass i kontrollrommet. Bruken av en vPAC-løsning lar flere virtuelle maskiner kjøre på én fysisk server, noe som reduserer det totale antallet fysiske servere som trengs. Denne konsolideringen minimerer den første investeringen i servere, lagringssystemer og nettverksutstyr. Ved å virtualisere kontrollsystemer kan vPAC dessuten eliminere behovet for separat, dedikert maskinvare for hver kontrollfunksjon. Denne tidligere systemkritiske maskinvaren blir rett og slett overflødig, noe som ytterligere senker maskinvarekostnadene.

Langtidstesting

For tiden gjennomgår virtualiseringsprogramvaren sanntids ytelsestesting i PAC-applikasjoner. De langsiktige testresultatene er lovende og viser at maksimal hypervisor-latens kan opprettholdes under 120 mikrosekunder. Dette resultatet er viktig fordi transformatorstasjoner har mange kritiske funksjoner som krever sanntids ytelse. Dessuten er de virtuelle maskinene isolert slik at sanntidsarbeidsbelastninger kan kjøre ved siden av ikke-sanntidsarbeid på samme vert. Langvarige utholdenhetstester på opptil ett år pågår for å sikre fullstendig pålitelighet.

Sterkere sammen

Det er verdt å merke seg at Advantech er et av grunnleggerne av vPAC Alliance, som gjennom sitt voksende medlemskap driver frem utviklingen av virtualiseringsteknologier for transformatorstasjoner. vPAC Alliance setter fart på adopsjonen ved å standardisere kantprosesseringsløsninger spesialbygd for nettoperatører, basert på åpne plattformer og førsteklasses teknologi.

Det endelige målet er å støtte digitaliseringen innen automatisering og styring av transformatorstasjoner gjennom virtualisering. Sentralt i denne ambisjonen vil vPAC-alliansen definere og vedlikeholde tekniske spesifikasjoner, og føre tilsyn med publiseringen av standarder i samarbeid med standardutviklingsorganisasjoner. Den vil fremme markedsbevissthet og økosystemvekst gjennom strategiske initiativer og bransjeengasjement.

Selv om vPAC-teknologien ennå ikke er på massedistribusjonsstadiet, presenterer en programvaredefinert tilnærming en klar vei videre, som starter med vPAC før den fortsetter gjennom ytterligere faser som vRTU, vIED, vHMI og så videre. I fremtiden forventes teknologien gradvis å utvikle seg mot containeriserte og til og med containeriserte-på-virtualiserte arkitekturer. Hvorfor? Fordi programvaredefinerte transformatorstasjoner er uavhengige, fleksible, fremtidssikre, ressurseffektive og støtter beste praksis innen IT.

Viktig rolle

Advantech har selvsagt en stor rolle å spille både i sine egne løsningsutviklingsprogrammer og som en del av vPAC-alliansen. Utfordringene inkluderer behovet for maskinvare som viser miljømessig robusthet og robusthet over mye lengre livssykluser enn det som er vanlig i bedriftsanvendelser. Ekstremt høy tilgjengelighet/oppetid er også avgjørende for disse virksomhetskritiske transformatorstasjonene i kraftnettet. Å legge til virtualisering øker selvfølgelig behovet for mer prosessorkraft, noe som igjen øker skalerbarhetskravet. Den gode nyheten? Advantech har kontroll over det og utvikler pålitelige industrielle servere for transformatorstasjoner i en spesialbygd maskinvareplattform.