Virtualisierungstechnologie
Wie beschrieben legen die IEC-Normen die Grundlage für die Weiterentwicklung des CPCKonzepts. Eine logische Entwicklung ist die Virtualisierung des CPC-Systems – ein Konzept, das in der Informationstechnologie (IT) in Nicht-Echtzeit-Anwendungen bereits gang und gäbe ist. Da sich die für P&C-Aufgaben notwendige Deterministik und Zuverlässigkeit sowohl durch Hardware-Virtualisierung (HWV) als auch durch Kernel-basierte Virtualisierung und Virtualisierung auf Betriebssystemebene (OS) erreichen lassen, hängt die bevorzugte Wahl von den jeweiligen Anforderungen an die Performance und den Overhead ab. Jüngste Studien zeigen, dass sich die erforderliche Echtzeit-Performance mit Virtualisierungstechnologien erreichen lässt, die sowohl virtuelle Maschinen (VMs) als auch Container beinhalten, denn HWV bietet die stärkste Trennung zwischen verschiedenen VMs, während sich die Virtualisierung auf OS-Ebene durch den geringsten Overhead auszeichnet. Aber warum sollte man P&C-Funktionen in einer Schaltanlage überhaupt virtualisieren? Da Virtualisierung ein plattformunabhängiges Bereitstellen, Ausführen, Austauschen und Migrieren von Software ermöglicht, lassen sich Anwendungen schnell und flexibel in einer Schaltanlage implementieren. Dies würde die Wartung und Aktualisierung der Hardware erleichtern und Kunden die Nutzung von Anwendungen verschiedener Anbieter sowie die Aktualisierung von Funktionen bei Bedarf ermöglichen. Doch das ist nur möglich, wenn die Virtualisierung in Echtzeit erfolgt – und genau das hat ABB erfolgreich getestet und verifiziert.
Mögliche Architekturen
Bevor ABB die Wirksamkeit der CPC- und VPC-Konzepte in Labor- und Feldversuchen testete, wurden verschiedene Architekturen evaluiert. Die Wahl der richtigen Architektur ist abhängig von den besonderen Anforderungen der jeweiligen Schaltanlage wie der Schutzphilosophie, den festgelegten Spezifikationen, den zeitkritischen P&C-Anwendungen, den Redundanzanforderungen auf der physischen, funktionalen und der Kommunikationsebene, der Flexibilität zur Anpassung an aktuelle Veränderungen des Verteilnetzes usw. Traditionelle P&C-Architekturen verteilen den Schutz ‚dezentralisiert‘ auf mehrere numerische Schutzrelais (Numerical Protection Relays, NPRs). Beim CPC-Konzept hingegen konzentriert sich die gesamte sicherheitskritische Intelligenz in einem Gerät. Eine entsprechende Redundanz sorgt dafür, dass bei einem Ausfall der vollständige funktionale Schutz gewährleistet bleibt. Dies kann zum Beispiel durch Duplizieren des zentralen Geräts erreicht werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines hybriden Systems, das beide Ansätze miteinander kombiniert – einen Reserveschutz auf Feldebene (für einen vereinfachten Schutz) und ein CPC-Gerät (für einen erweiterten Schutz). Der hybride Ansatz eignet sich für die Nachrüstung bestehender Anlagen, da er die Einführung neuer Funktionalitäten wie Remote-Asset-Management und Fernkonfiguration, Upgrades, Analysen und fortschrittliche Anwendungen wie die Virtualisierung ermöglicht. Nach erfolgreicher Evaluierung der drei Architekturen wählte ABB aufgrund der einfacheren Umsetzung den hybriden Ansatz für die ersten Pilotversuche in einer realen Umgebung.
Piloterfahrungen
Die ersten Pilotversuche für das CPC-System mit einer hybriden Architektur wurden von 2017 bis 2019 in Zusammenarbeit mit dem finnischen Verteilnetzbetreiber Caruna in einer Schaltanlage für 110 V/20 kV mit Doppelsammelschiene und einem Leistungstransformator durchgeführt. Die Anlage im finnischen Noormarkku wurde zwischen dem 16. Juni 2017 und dem 2. Januar 2019 mit einer hybriden Architektur ausgestattet. Während der Pilotphase traten 99 Kurzschlüsse und 69 Erdschlüsse auf, die alle erfolgreich von der CPC-Einheit (dem SSC600 von ABB) geklärt wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die CPC-Technologie die erforderliche Zuverlässigkeit und Effizienz bietet. Neben dem beschriebenen aktiven CPC-System hat ABB den Prototyp einer Lösung erstellt, die die hardwarebasierte CPC-Lösung durch Wrapping in einen Docker-Container virtualisiert. Containerisierung ist eine schlanke Virtualisierungstechnologie, bei der sich Container den Betriebssystem-Kernel teilen. Eine solche Lösung bietet verbesserte Echtzeitfähigkeiten und erfüllt die Latenzanforderungen für Anwendungen zur Schaltanlagenautomatisierung. Die VPC-Lösung von ABB beinhaltete zwei separate VPC-Container auf einer Host-Hardware, die in der Schaltanlage im Standby-Modus betrieben wurden. Das heißt, sie haben die gleichen Schutzfunktionen wie die CPC-Einheit bereitgestellt, waren aber nicht in der Lage, Auslösebefehle an die Relais zu senden. Die beiden VPC-Container liefen als Pilotsysteme vom 27. September 2021 bis zum 5. Januar 2023 über ein Jahr lang in der Anlage. Die dabei erfassten Ergebnisse zeigen, dass das Verhalten beider VPC-Instanzen im untersuchten Zeitraum mit dem des physischen CPC-Geräts fehlerlos übereinstimmt. Die Schutzereignisse in beiden VPC-Images wiesen im Ereignisprotokoll die gleichen Zeitstempel auf wie das CPC-Gerät. Die Verarbeitung der vielen Fehler hatte keinerlei negative Auswirkung auf die Echtzeit-Performance.
