ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС АРХИТЕКТУРЫ ЕДИНОЙ СЕРВЕРНОЙ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ ПОДСИСТЕМ ЦИФРОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ 35 - 110 КВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ВИРТУАЛИЗАЦИИ Российский патент 2021 года по МПК G06F15/163 H02J13/00 

Область техники

Изобретение относится к устройствам электрических подстанций для подстанций систем электроснабжения и может использоваться для осуществления функций систем подсистем и их компонентов подстанционного уровня, а также в составе систем электрических подстанций.

Уровень техники

Системы электрических подстанций - это многоуровневые иерархические системы, осуществляющие функции управления, измерения, защиты, хранения и обработки информации и включающие в свой состав совокупность технических и программных средств и каналов связи, обеспечивающих комплексное автоматическое и автоматизированное управление всеми технологическими процессами в пределах одной подстанции, а также возможность дистанционного управления.

Используется целый ряд систем электрических подстанций:

- Автоматизированная система управления технологическим процессом;

- Система релейной защиты и автоматики;

- Автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учета электроэнергии;

- Автоматизированная информационно-измерительная система технического учета электроэнергии;

- Система видеонаблюдения;

- Система охранно-пожарной сигнализации;

- Система мониторинга и диагностики цифровых коммуникаций;

- Система информационной безопасности;

- Регистратор аварийных событий;

- Система определения места повреждения;

- Автоматизированная система диагностики и мониторинга силового оборудования;

- Система обеспечения единого времени;

- Система оперативных блокировок разъединителей

- и др.

Компоненты всех систем и подсистем электрических подстанций распределяются по трем основным уровням:

Полевой уровень - уровень первичных датчиков и преобразователей;

Уровень присоединения - уровень интеллектуальных электронных устройств, осуществляющих функции измерения, управления, защиты, ограниченных зоной работы (присоединение, группа присоединений);

Подстанционный уровень - уровень интеллектуальных электронных устройств и серверных составляющих различных программно-технических комплексов электрических подстанций, осуществляющих централизованный сбор, обработку, хранение и передачу информации, а также осуществляющие функции автоматизированного управления.

Для большинства приведенных систем на подстанционном уровне используются отдельные серверы с установленным специализированным программным обеспечением, позволяющим осуществлять функции систем и подсистем подстанционного уровня электрической подстанции. Для систем, требующих бесперебойной непрерывной работы, используется резервирование серверов и соответствующего программного обеспечения, к таким системам, как правило, относится только система АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом), в случае выхода из строя сервера АСУ ТП, резервный сервер продолжает работать. При этом, выход из строя сервера любой другой системы приводит к потере функций подстанционного уровня до момента восстановления работы сервера.

Наличие большого количества отдельностоящих серверов, для которых используются отдельные шкафы и коммуникации, приводит к усложнению организации работы систем, при этом отсутствие механизмов резервирования аппаратных составляющих ряда систем и подсистем подстанционного уровня приводит к большому времени восстановления и ремонта для достижения полноценного функционала.

Для достижения резервирования работы систем и подсистем подстанционного уровня электрической подстанции используется дублирование, что приводит к повышенному потреблению вычислительных мощностей за счет удвоения необходимых аппаратных и программных компонентов, а также экономически не оправдано для большинства систем.

Кроме того, из патента РФ №2468407, опубл. 27.11.2012, известна автоматизированная система мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции, которая включает датчики технических параметров оборудования электрической подстанции, соединенные с преобразователем электрического сигнала в оптический. Кроме этого, известная система содержит оптическую шину передачи данных и преобразователи оптического сигнала в электрический сигнал. Также в нее входит устройство для мониторинга, защиты, регистрации и управления оборудованием электрической подстанции. Устройство для мониторинга выполнено в виде кластера серверов, состоящего из нескольких компьютеров, соединенных в единую систему. Кластер серверов соединен с устройством управления оборудованием электрической подстанции, расположенным на рабочем месте оператора. Также он соединен отдельной шиной с устройствами, исполняющими команды управления, расположенными на оборудовании электрической подстанции, и с терминалом удаленного доступа.

В известной автоматизированной системе используется отказоустойчивый аппаратный кластер аппаратных (не виртуальных) серверов с функцией распределения нагрузки и поддержкой перераспределения процессов при отказе узлов кластера. Вычислительная кластерная платформа состоит из группы однотипных серверов. Функционально серверы подразделяются на две группы, выполняющие задачи взаимодействия автоматизированной системы мониторинга, защиты и управления оборудованием электрической подстанции с периферийным оборудованием, и узлы кластера, обеспечивающие выполнение прикладного программного обеспечения. Серверы - участники кластера объединяются посредством специализированной высокопроизводительной LAN - шиной кластера, выполняющей функции взаимодействия компонентов кластера.

Существенным недостатком данной системы является то, что система реализует функционал не всех систем электрических подстанций, объединяет функционал уровня присоединения и подстанционного уровня, что нарушает принцип независимости работы уровней, а также накладывает ограничение на использования программных компонентов, способных работать в описанной системе.

Кроме того, из патента РФ 2720318, опубл. 28.04.2020, известно централизованное интеллектуальное электронное устройство системы автоматизированной электрической подстанции. Это известное устройство системы автоматизации электрической подстанции содержит размещенные в корпусе модуль человеко-машинного интерфейса (HMI), соединенный с дисплеем с сенсорной панелью, модули релейной защиты и автоматики (РЗА), модули счетчика учета (СУ) электрической энергии и контроля качества электрической энергии, подключенные к общей шине питания, которая снабжена модулем резервирования шины питания. При этом модуль резервирования шины питания подключен к основному и резервному источникам питания, а центральный процессор модуля HMI снабжен постоянным запоминающим устройством. Модули РЗА и СУ выполнены с возможностью приема данных от источников измерений величин тока и напряжения системы автоматизации электрической подстанции.

В этом известном централизованном интеллектуальном электронном устройстве используется модульный принцип, позволяющий масштабировать функционал. Также в устройстве содержится модуль человеко-машинного интерфейса HMI для взаимодействия с пользователем устройства.

Существенным недостатком данного устройства является ограниченный функционал. В частности, реализация функционала устройств уровня присоединения без использования компонентов подстанционного уровня, за исключением человеко-машинного интерфейса. При этом реализуется функционал не всех систем и подсистем электрической подстанции.

Из патента ЕР 2207252, опубл. 03.07.2013 известна система и устройство автоматизации подстанции («Substation automation device and system»). Это известное устройство обладает централизованным функционалом уровня присоединения и подстанционного уровня, разделение функционала в рамках одного устройства осуществляется с помощью технологии виртуализации, при этом для осуществления информационного обмена с прочими устройствами используются протоколы стандартов МЭК 61850 - MMS, GOOSE, Sampled Values.

К недостаткам данного устройства можно отнести ограничение функционала функциями релейной защиты и функционала АСУ ТП без рассмотрения функционала прочих систем и подсистем электрических подстанций. Устройства полевого уровня вне зависимости от применяемой архитектуры невозможно интегрировать в ПАК ПС (программно-аппаратный комплекс подстанции), поскольку устройства полевого уровня соединяются с первичным оборудованием и шиной процесса и используются для цифровизации данных. Для осуществления функций ПДС (преобразователей дискретных сигналов) и ПАС (преобразователей аналоговых сигналов) требуется подключение большого количества аналоговых и дискретных медных связей, что делает невозможным централизацию данных функций. Работа в шине процесса делает невозможным перенос функций на подстанционный уровень.

Устройства уровня присоединения вне зависимости от применяемой архитектуры организации систем и подсистем электрической подстанции невозможно интегрировать в ПАК ПС, поскольку устройства уровня присоединения осуществляют обработку данных процесса, выполняют все логические функции процесса. ИЭУ (интеллектуальные электронные устройства) РЗА должны работать независимо от прочих систем автоматизации ПС, поэтому интеграция в ПАК ПС не рассматривается. Интеграция функционала КП (контроллера присоединения) в ПАК ПС в полном объеме невозможна, поскольку устройства КП осуществляют логику и обработку данных, получаемых с шины процесса или по медным связям.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в сокращении физического оборудования, используемого для систем и подсистем подстанционного уровня электрических подстанций, повышение отказоустойчивости системы за счет сокращения времени восстановления ряда систем и подсистем подстанционного уровня электрических подстанций в случае возникновения аппаратных неисправностей, а также повышение универсальности за счет возможности применения оборудования и программного обеспечения различных производителей.

Раскрытие сущности изобретения

Объектом заявляемого технического решения является программно-аппаратный комплекс архитектуры единой серверной платформы для подсистем цифровых подстанций 35-110 кВ с использованием средств виртуализации, включающий серверный кластер, включающий по меньшей мере два сервера, систему хранения данных, сетевой коммутатор, управляемый концентратор USB-портов, источник бесперебойного питания, сетевой коммутатор выполнен с возможностью подключения посредством локальной вычислительной сети к физическому оборудованию подстанции, система хранения данных содержит программные компоненты для осуществления управления элементами физического оборудования подстанции, а также содержит машиночитаемые инструкции, при выполнении которых серверный кластер выполнен с возможностью создания на по меньшей мере одном из серверов по меньшей мере двух виртуальных машин, и по меньшей мере одного виртуального коммутатора, причем виртуальный коммутатор выполнен с возможностью образования виртуальных связей между по меньшей мере двумя виртуальными машинами, и выполнен с возможностью обмена данными с сетевым коммутатором и управляемым концентратором USB портов, серверный кластер выполнен с возможностью установки и исполнения программных компонентов на по меньшей мере двух виртуальных машинах для осуществления управления элементами физического оборудования подстанции, а источник бесперебойного питания электрически связан с сетевым коммутатором, по меньшей мере двумя серверами, управляемым концентратором USB портов и системой хранения данных.

Возможен вариант осуществления, в котором все виртуальные машины работают на одном из по меньшей мере двух серверов кластера.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер выполнен с возможностью миграции виртуальных машин с одного из по меньшей мере двух серверов на другой.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер выполнен с возможностью моментального мигрирования по меньшей мере некоторых виртуальных машин с обеспечением непрерывной доступности.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер выполнен с возможностью временного сохранения работоспособности при потере внешнего электропитания посредством источника бесперебойного питания.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер выполнен с возможностью программного отключения по меньшей мере некоторых аппаратных компонентов серверного кластера при потере внешнего электропитания и/или в случае низкого заряда аккумуляторных батарей источника бесперебойного питания.

Возможен вариант осуществления, в котором сетевой коммутатор выполнен с возможностью подключения каждого из по меньшей мере двух серверов серверного кластера к физическому оборудованию подстанции посредством по меньшей мере двух независимых физических интерфейсов.

Возможен вариант осуществления, в котором независимые физические интерфейсы представляют собой одно или несколько из: интерфейсы Ethernet медные с разъемом 8Р8С, интерфейсы Ethernet многомодовые оптические с разъемом LC.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер выполнен с возможностью установки и исполнения на каждой из по меньшей мере двух виртуальных машин не более двух программных компонентов управления физическим оборудованием подстанции.

Возможен вариант осуществления, в котором система хранения данных содержит программные компоненты для осуществления управления по меньшей мере некоторыми элементами физического оборудования подстанции, выбранными из: терминалы релейной защиты и автоматики по протоколу, контроллеры присоединения, микропроцессорные измерительные преобразователи, сетевые коммутаторы, камеры видеонаблюдения охранного и/или технологического, датчики охрано-пожарной сигнализации, терминалы регистраторов аварийных событий, терминалы определения места повреждения, устройства мониторинга сети, автоматизированные рабочие места, сервера для нужд информационной безопасности.

Возможен вариант осуществления, в котором управляемый концентратор USB портов выполнен с возможностью подключения USB-ключей к любому из по меньшей мере двух серверов серверного кластера.

Техническим результатом заявленного изобретения является сокращение физического оборудования, сокращение объема лицензий программного обеспечения, а также повышение отказоустойчивости систем и подсистем подстанционного уровня электрических подстанций в случае возникновения аппаратных неисправностей.

В контексте настоящего описания под термином виртуализация понимается предоставление набора вычислительных ресурсов или их логического объединения, абстрагированное от аппаратной реализации, и обеспечивающее при этом логическую изоляцию друг от друга вычислительных процессов, выполняемых на одном физическом ресурсе.

В контексте настоящего описания под термином виртуальная машина понимается виртуальная вычислительная система, которая состоит из виртуальных устройств обработки, хранения и передачи данных, и которая дополнительно может содержать программное обеспечение и пользовательские данные.

В контексте настоящего описания под термином информационная безопасность понимается состояние защищенности личности, организации и государства и их интересов от угроз, деструктивных и иных негативных воздействий в информационном пространстве.

В контексте настоящего описания под термином кластер понимается группа компьютеров, объединенных высокоскоростными каналами связи, представляющая с точки зрения пользователя единый аппаратный ресурс.

В контексте настоящего описания под термином локальная вычислительная сеть (ЛВС) понимается коммуникационная сеть, предназначенная для связывания между собой компьютеров и других интеллектуальных устройств в ограниченной географической области.

В контексте настоящего описания под термином программно-аппаратный комплекс подстанции (ПАК ПС) понимается платформа определенной архитектуры, позволяющей организовать и обеспечить работу ряда систем подстанционного уровня независимо друг от друга в рамках единой серверной платформы с использованием средств виртуализации.

В контексте настоящего описания под термином сервер понимается компьютер, выделенный из группы компьютеров для выполнения сервисной задачи без непосредственного участия человека.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - структурная схема подстанции.

Фиг. 2 - структурная схема программно-аппаратного комплекса

Фиг. 3 - структурная схема виртуального пространства.

Осуществление изобретения

Со ссылкой на Фиг. 1-3 будет описан заявляемый программно-аппаратный комплекс 1, расположенный на подстанционном уровне 2. Программно-аппаратный комплекс 1 архитектуры единой серверной платформы для подсистем цифровых подстанций 35-110 кВ с использованием средств виртуализации, включающий серверный кластер 10, включающий по меньшей мере два сервера 5, систему хранения данных 6, сетевой коммутатор 8, управляемый концентратор USB-портов 7, источник бесперебойного питания 9. Сетевой коммутатор 8 выполнен с возможностью подключения посредством локальной вычислительной сети (ЛВС) 4 к физическому оборудованию 3 подстанции.

Архитектура сервера 5 никак конкретно не ограничена, так, например, может быть использован компьютерный сервер DELL R640 или HP DL360 Gen10 или Lenovo SR. 650 и т.д.

Итоговой архитектурой ПАК ПС выбирается кластер высокой доступности. Минимальное количество оборудования, которое необходимо для использования данной архитектуры, должно включать в себя минимум два сервера 5 и одну систему хранения данных 6.

При выборе серверов 5, для создания ПАК ПС 1 необходимо учитывать параметры программного обеспечения, которое будет использовано, при организации работы подстанционного уровня 2 цифровой подстанции.

При этом благодаря технологии виртуализации обеспечивается полное аппаратное резервирование работы систем подстанционного уровня, т.к. при выходе из строя одного сервера, благодаря функции миграции, виртуальные машины автоматически переместятся, на работающий узел (оставшийся в работе сервер).

Таким образом, при выборе архитектуры единой серверной платформы для подсистем цифровых подстанций 35 - 110 кВ с использованием средств виртуализации необходимо учитывать, что при создании ПАК ПС:

- на базе двух серверов, каждый сервер 5 должен обеспечить одновременную работу всех систем на своей аппаратной базе;

- на базе другого количества серверов, каждый сервер 5 должен обеспечить одновременную работу систем, в зависимости от общего распределения оставшейся вычислительной мощности кластера, требует дополнительного технико-экономического обоснования.

При выборе количества серверов 5 также необходимо учитывать, количество серверов 5, которое будет обслуживаться в процессе эксплуатации.

Таким образом, учитывая, что обеспечивается полное аппаратное и программное резервирование, эксплуатация двух серверов 5 является более выгодной, по сравнению с реализацией ПАК ПС 1 на базе кластера из трех и более серверов, так как количество серверов 5, в данном случае, не влияет на надежность, отказоустойчивость и быстродействие системы.

Надежность аппаратной архитектуры ПАК ПС определяется надежностью компонентов ПАК ПС. Основными компонентами являются серверы и СХД.

Для надежной работы от сервера необходимо выполнения ряда условий:

1) Обеспечение резервирования питания на независимых блоках;

2) Обеспечение резервирования интерфейсов связи;

3) Обеспечение бесперебойной работы в течение заявленного срока работы при соблюдении технических условий.

Для надежной работы от СХД необходимо выполнения ряда условий:

1) Обеспечение резервирования питания на независимых блоках;

2) Обеспечение резервирования интерфейсов связи с серверами;

3) Обеспечение бесперебойной работы в течение заявленного срока работы при соблюдении технических условий.

Система хранения данных (СХД) 6 содержит программные компоненты для осуществления управления элементами физического оборудования 3 подстанции, а также содержит машиночитаемые инструкции, при выполнении которых серверный кластер 10 выполнен с возможностью создания в виртуальном пространстве 11 на по меньшей мере одном из серверов 5 по меньшей мере двух виртуальных машин 12, и по меньшей мере одного виртуального коммутатора 13.

В качестве системы хранения данных 6 могут быть использованы, например: DELL МЕ4012, HP MSA 1050, Lenovo S3200 и др.

Системы, разворачиваемые на программно-аппаратном комплексе 1 электрической подстанции:

- автоматизированная система управления технологическим процессом в части серверной части SCADA-системы (Supervisory Control And Data Acquisition - система диспетчерского управления и сбора данных) и функционала коммуникационного контроллера;

- автоматизированная информационно-измерительная система технического учета электроэнергии в части сервера сбора, обработки и хранения информации;

- система охранно-пожарной сигнализации в части сервера сбора, обработки и хранения информации;

- система видеонаблюдения в части сервера сбора, обработки и хранения информации;

- система обеспечения информационной безопасности, серверная часть;

- система мониторинга и диагностики цифровых коммуникаций в части сервера сбора, обработки и хранения информации;

- система, обеспечивающая сбор и анализ файлов осциллограмм с устройств РАС (регистратор аварийных событий (процессов))в составе SCADA-системы, в случае реализации РАС, сбор и хранение информации с автономного РАС;

- система, обеспечивающая сбор и анализ данных с устройств ОМП (определения места повреждения на линии)) в составе SCADA-системы, в случае реализации ОМП, сбор и хранение информации с автономного РАС с функцией ОМП;

- система виртуальной оперативной блокировки разъединителей в составе серверной части SCADA-системы;

- автоматизированная система диагностики и мониторинга силовых трансформаторов в части сервера сбора, обработки и хранения информации.

Возможен вариант осуществления, в котором система хранения данных 6 содержит программные компоненты для осуществления управления по меньшей мере некоторыми элементами физического оборудования 3 подстанции, выбранными из: терминалы релейной защиты и автоматики по протоколу, контроллеры присоединения, микропроцессорные измерительные преобразователи, сетевые коммутаторы, камеры видеонаблюдения охранного и/или технологического, датчики охранно-пожарной сигнализации, терминалы регистраторов аварийных событий, терминалы определения места повреждения, устройства мониторинга сети, автоматизированные рабочие места, сервера для нужд информационной безопасности.

В частности, программно-аппаратный комплекс 1 обеспечивает возможность управления физическим оборудованием 3 следующим образом:

- терминалы РЗА (релейной защиты и автоматики - выдача команд управления и сбор сигнализации и измерений по протоколу МЭК 61850-8-1 MMS,

- КП (контроллеры присоединения - выдача команд управления и сбор сигнализации и измерений по протоколу МЭК 61850-8-1 MMS,

- МИП микропроцессорные измерительные преобразователи -выдача команд управления и сбор сигнализации и измерений по протоколу МЭК 61850-8-1 MMS,

- сетевые коммутаторы - сбор информации и сигнализации по протоколу SNMP,

- СОЕВ (системы обеспечения единого времени) - получение меток времени,

- камеры видеонаблюдения (охранного и технологического) -(получение видеосигнала) по TCP/IP,

- датчики охранно-пожарной сигнализации - сбор информации по протоколу Modbus,

- терминалы РАС (регистраторы аварийных событий) - сбор аварийных осциллограмм и сбор сигнализации по протоколу МЭК 61850-8-1 MMS и FTP,

- терминалы ОМП (определения места повреждения) - сбор информации по протоколу МЭК 61850-8-1 MMS,

- устройства мониторинга сети - сбор информации о цифровых коммуникациях, сбор осциллограмм по проприетарному протоколу производителя,

- АРМ (автоматизированные рабочие места) персонала и серверов для нужд ИБ (информационной безопасности) - сбор информации, управление политиками безопасности по проприетарному протоколу производителя.

Для обеспечения независимой работы программного обеспечения систем, подсистем и/или их компонентов, реализуемых на подстанционном уровне 2 используется технология виртуализации для создания независимых виртуальных машин 12 в виртуальном пространстве 11.

Для создания виртуального пространства 11, виртуальных машин 12 и виртуальных коммутаторов 13 могут быть применены, например, технологии виртуализации (гипервизоры) таких производителей как Microsoft, VMWare и RedHat, например, VMware vSphere.

Взаимодействие программного обеспечения систем, подсистем и/или их компонентов, установленных на виртуальные машины 12 в рамках кластера осуществляется с помощью технологии создания виртуальных связей через виртуальный коммутатор 13, при этом возможно подключение виртуального интерфейса к нескольким виртуальным коммутаторам 13 для гибкости настройки. Благодаря этому возможно взаимодействие виртуальных машин 12 без дополнительной нагрузки на ЛВС (локальной вычислительной сети) 4 шины станции электрической подстанции.

Физические интерфейсы связи узлов кластера 10 также подключаются к виртуальному коммутатору 13, что обеспечивает связь между виртуальными машинами 12 и ЛВС 4 шины процесса электрической подстанции.

Виртуальный коммутатор 13 выполнен с возможностью образования виртуальных связей между по меньшей мере двумя виртуальными машинами 12, и выполнен с возможностью обмена данными с сетевым коммутатором 8 и управляемым концентратором USB-портов 7.

Серверный кластер 10 выполнен с возможностью установки и исполнения программных компонентов на по меньшей мере двух виртуальных машинах 12 для осуществления управления элементами физического оборудования 3 подстанции, а источник бесперебойного питания 9 электрически связан с сетевым коммутатором 8, по меньшей мере двумя серверами 5, управляемым концентратором USB-портов 7 и системой хранения данных 6.

Возможен вариант осуществления, в котором все виртуальные машины 12 работают на одном из по меньшей мере двух серверов 5 кластера 10.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер 10 выполнен с возможностью миграции виртуальных машин 12 с одного из по меньшей мере двух серверов 5 на другой.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер 10 выполнен с возможностью моментального мигрирования по меньшей мере некоторых виртуальных машин 12 с обеспечением непрерывной доступности.

Для повышения надежности функционирования и резервирование аппаратных составляющих используется технология кластеризации. Организуется серверный кластер 10 высокой доступности, обеспечивающий высокую доступность при малых временах задержки на восстановление. Благодаря наличию нескольких узлов (серверов 5) в кластере 10 обеспечивается возможность запуска виртуальных машин 12 на свободных вычислительных мощностях работающих серверов 5.

Программное обеспечение физического оборудования 3 подстанционного уровня 2 электрических подстанций распределяется по виртуальным машинам 12 согласно распределению зон ответственности различных служб эксплуатационной организации, а также для разделения выделяемых аппаратных ресурсов кластера 10.

Например:

1) Первая виртуальная машина 12 содержит программное обеспечение серверной части SCADA-системы и автоматизированной системы диагностики и мониторинга силового оборудования;

2) Вторая виртуальная машина 12 содержит программное обеспечение системы охранной-пожарной сигнализации и системы видеонаблюдения;

3) Третья виртуальная машина 12 содержит программное обеспечение системы диагностики и мониторинга цифровых коммуникаций;

4) Четвертая виртуальная машина 12 содержит программное обеспечение серверной части системы информационной безопасности;

5) Пятая виртуальная машина 12 используется для конфигурирования и администрирования кластера 10.

Благодаря использованию кластера 10 высокой доступности все системы в случае аппаратных неисправностей обладают временем восстановления равным времени миграции виртуальной машины 12, что повышает доступность систем по сравнению с традиционным использованием отдельных серверов для каждого программного обеспечения без резервирования.

Для первой виртуальной машины 12 используется технология непрерывной доступности для бесшовной миграции виртуальной машины 12 с около нулевым временем восстановления в случае выхода из строя сервера, на котором виртуальная машина 12 была развернута. Данный подход позволяет сохранить доступность программного обеспечения без использования дублирования программного обеспечения SCADA-системы.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер выполнен с возможностью временного сохранения работоспособности при потере внешнего электропитания посредством источника бесперебойного питания.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер выполнен с возможностью программного отключения по меньшей мере некоторых аппаратных компонентов серверного кластера при потере внешнего электропитания и/или в случае низкого заряда аккумуляторных батарей источника бесперебойного питания.

Для обеспечения резервирования питания и предотвращения аварийного отключения оборудования программно-аппаратного комплекса 1 электрической подстанции используются, например, два источника бесперебойного питания (9) с аккумуляторными батареями, позволяющим временно сохранить работоспособность. В случае низкого заряда аккумуляторных батарей посредством программного обеспечения осуществляется штатное отключение всего кластера 10 для предотвращения повреждения данных или, например одного из серверов 5 кластера 10 для снижения нагрузки на аккумуляторные батареи источника бесперебойного питания 9.

Возможен вариант осуществления, в котором сетевой коммутатор 8 выполнен с возможностью подключения каждого из по меньшей мере двух серверов 5 серверного кластера 10 к физическому оборудованию 3 подстанции посредством по меньшей мере двух независимых физических интерфейсов.

Возможен вариант осуществления, в котором независимые физические интерфейсы представляют собой одно или несколько из: интерфейсы Ethernet медные с разъемом 8Р8С, интерфейсы Ethernet многомодовые оптические с разъемом LC.

Для соединения серверов 5 и системы хранения данных 6 может использоваться соединение «точка-точка», чтобы не использовать дополнительное сетевое оборудование, являющееся дополнительной точкой отказа.

Однако для аппаратной поддержки протокола бесшовного резервирования РТР и протокола синхронизации времени PTPv2 требуется использование специализированных плат расширения с интерфейсами для подключения к шине станции. Основными производителями подобных плат являются компании Advantech, Welotec и Relyum.

При необходимости программно-аппаратный комплекс 1 оснащается преобразователями RS-485/Ethernet для обеспечения возможности интеграции оборудования, оснащенного последовательными интерфейсами.

Обеспечение взаимодействия с системами и подсистемами подстанции, не входящими в объем реализации ПАК 1 ПС, с компонентами систем, реализуемых на ПАК ПС, а также отдельных ИЭУ уровня присоединения и полевого уровня классов напряжения 6-110 кВ осуществляется через технологическую ЛВС ПС посредством использования различных протоколов передачи данных. Данная архитектура взаимодействия предусмотрена для многократного использования и применима для всех понижающих ПС 110 кВ, 35 кВ.

Основные используемые протоколы передачи данных, используемые на ПС для систем подстанционного уровня и их компонентов, а также протоколы обмена данным с системами уровня присоединения и полевого уровня согласно [1]:

- Modbus (TCP);

- SNMP;

- SNTP;

- РТР;

- МЭК 61850-8-1 MMS;

- МЭК 60870-5-101;

- МЭК 60870-5-103;

- МЭК 60870-5-104.

ПАК ПС 1 имеет подключения только к ЛВС 4 шины станции ПС, поэтому при наличии необходимости подключения прочих систем и подсистем для взаимодействия ПАК ПС по прочим протоколам или по отличным физическим средам, необходимо использовать преобразователи, способные конвертировать информацию с подключаемых прочих систем и подсистем в протоколы, поддерживаемые ПАК ПС.

Поддержка данных протоколов обеспечивается конечным ПО систем, разворачиваемых на ПАК ПС и не ограничивается выбранной архитектурой ПАК ПС.

Алгоритм взаимодействия с внешними системами и подсистемами ПС, а также их отдельными компонентами не изменяется при внедрении ПАК ПС.

Возможен вариант осуществления, в котором серверный кластер выполнен с возможностью установки и исполнения на каждой из по меньшей мере двух виртуальных машин 12 не более двух программных компонентов управления физическим оборудованием 3 подстанции.

Возможен вариант осуществления, в котором управляемый концентратор USB портов выполнен с возможностью подключения USB-ключей к любому из по меньшей мере двух серверов серверного кластера.

Поскольку программное обеспечение может снабжаться аппаратными ключами лицензирования, то для подключений аппаратных ключей используется управляемый концентратор USB-портов 7, позволяющий осуществлять подключение аппаратных USB-ключей по ЛВС 4, при этом при использовании виртуальных машин 12 в рамках кластера с функцией миграции нет необходимости использовать несколько лицензий программного обеспечения систем и подсистем подстанционного уровня электрических подстанций без наращения условий лицензирования.

Например, могут использовать аппаратные USB-ключи, следующие компоненты физического оборудования 3: серверная часть SCADA-системы, серверная часть системы видеонаблюдения, серверная часть охранно-пожарной сигнализации.

Объединение нескольких аппаратных вычислительных единиц для получения совокупной вычислительной мощности позволяет существенно сократить количество применяемого оборудования.

В сочетании с технологией виртуализации реализация на кластере 10 ряда подсистем подстанции, использующих совокупную вычислительную мощность получившегося кластера 10, позволяет оптимизировать аппаратную составляющую систем с сохранением надежности.

Возможна реализация миграции виртуальных машин 12 в составе кластера 10, при этом виртуальная машина 12 с одного сервера 5 кластера 12 может дублироваться на другом, что дает возможность выполнить аппаратное резервирование. Если выделенных ресурсов на виртуальную машину 12 не хватает, то есть возможность распределения свободной вычислительной мощности в пределах одного сервера 5 для определенной виртуальной машины 12, что позволяет осуществлять балансировку нагрузки с использованием нескольких аппаратных единиц.

Данный подход возможно применить для систем подстанционного уровня, так как все они в ряде реализаций строятся на работе ПО на отдельных серверах.

Из плюсов данного подхода можно выделить:

1) Возможность уменьшения количества аппаратных вычислительных единиц при полноценной реализации функционала;

2) Возможность подбора архитектуры, позволяющей сохранить высокую надежность функционирования;

3) Снижение материальных затрат на аппаратную составляющую и снижение количества требуемых лицензий программного обеспечения.

Предшествующее описание является скорее примерным, чем ограничивающим. Таким образом, объем представленной технологии ограничен только объемом прилагаемой формулы изобретения.

Перечень позиций:

1 - Программно-аппаратный комплекс электрической подстанции

2 - Подстанционный уровень

3 - Физическое оборудование подстанции

4 - ЛВС

5 - Сервер

6 - Система хранения данных

7 - Управляемый концентратор USB- портов

8 - Сетевой коммутатор

9 - Источник бесперебойного питания

10 - Кластер

11 - Виртуальное пространство

12 - Виртуальная машина

13 - Виртуальный коммутатор.

Изобретение относится к устройствам электрических подстанций для подстанций систем электроснабжения. Техническим результатом является сокращение физического оборудования, сокращение объема лицензий программного обеспечения, а также повышение отказоустойчивости систем и подсистем подстанционного уровня электрических подстанций в случае возникновения аппаратных неисправностей. Программно-аппаратный комплекс содержит серверный кластер, включающий по меньшей мере два сервера, систему хранения данных, сетевой коммутатор, управляемый концентратор USB-портов, источник бесперебойного питания, сетевой коммутатор выполнен с возможностью подключения посредством локальной вычислительной сети к физическому оборудованию подстанции, система хранения данных содержит программные компоненты для осуществления управления элементами физического оборудования подстанции, а также содержит машиночитаемые инструкции, при выполнении которых серверный кластер выполнен с возможностью создания на по меньшей мере одном из серверов по меньшей мере двух виртуальных машин и по меньшей мере одного виртуального коммутатора. Серверный кластер выполнен с возможностью установки и исполнения программных компонентов на по меньшей мере двух виртуальных машинах для осуществления управления элементами физического оборудования подстанции. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Программно-аппаратный комплекс архитектуры единой серверной платформы для подсистем цифровых подстанций 35-110 кВ с использованием средств виртуализации, включающий серверный кластер, включающий по меньшей мере два сервера, систему хранения данных, сетевой коммутатор, управляемый концентратор USB-портов, источник бесперебойного питания, сетевой коммутатор выполнен с возможностью подключения посредством локальной вычислительной сети к физическому оборудованию подстанции, система хранения данных содержит программные компоненты для осуществления управления элементами физического оборудования подстанции, а также содержит машиночитаемые инструкции, при выполнении которых серверный кластер выполнен с возможностью создания на по меньшей мере одном из серверов по меньшей мере двух виртуальных машин и по меньшей мере одного виртуального коммутатора, причем виртуальный коммутатор выполнен с возможностью образования виртуальных связей между по меньшей мере двумя виртуальными машинами и выполнен с возможностью обмена данными с сетевым коммутатором и управляемым концентратором USB портов, серверный кластер выполнен с возможностью установки и исполнения программных компонентов на по меньшей мере двух виртуальных машинах для осуществления управления элементами физического оборудования подстанции, а источник бесперебойного питания электрически связан с сетевым коммутатором, по меньшей мере двумя серверами, управляемым концентратором USB портов и системой хранения данных.

2. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, в котором все виртуальные машины работают на одном из по меньшей мере двух серверов кластера.

3. Программно-аппаратный комплекс по п. 2, в котором серверный кластер выполнен с возможностью миграции виртуальных машин с одного из по меньшей мере двух серверов на другой.

4. Программно-аппаратный комплекс по п. 3, в котором серверный кластер выполнен с возможностью моментального мигрирования по меньшей мере некоторых виртуальных машин с обеспечением непрерывной доступности.

5. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, в котором серверный кластер выполнен с возможностью временного сохранения работоспособности при потере внешнего электропитания посредством источника бесперебойного питания.

6. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, в котором серверный кластер выполнен с возможностью программного отключения по меньшей мере некоторых аппаратных компонентов серверного кластера при потере внешнего электропитания и/или в случае низкого заряда аккумуляторных батарей источника бесперебойного питания.

7. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, в котором сетевой коммутатор выполнен с возможностью подключения каждого из по меньшей мере двух серверов серверного кластера к физическому оборудованию подстанции посредством по меньшей мере двух независимых физических интерфейсов.

8. Программно-аппаратный комплекс по п. 7, в котором независимые физические интерфейсы представляют собой одно или несколько из: интерфейсы Ethernet медные с разъемом 8Р8С, интерфейсы Ethernet многомодовые оптические с разъемом LC.

9. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, в котором серверный кластер выполнен с возможностью установки и исполнения на каждой из по меньшей мере двух виртуальных машин не более двух программных компонентов управления физическим оборудованием подстанции.

10. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, в котором система хранения данных содержит программные компоненты для осуществления управления по меньшей мере некоторыми элементами физического оборудования подстанции, выбранными из: терминалы релейной защиты и автоматики по протоколу, контроллеры присоединения, микропроцессорные измерительные преобразователи, сетевые коммутаторы, камеры видеонаблюдения охранного и/или технологического, датчики охрано-пожарной сигнализации, терминалы регистраторов аварийных событий, терминалы определения места повреждения, устройства мониторинга сети, автоматизированные рабочие места, сервера для нужд информационной безопасности.

11. Программно-аппаратный комплекс по п. 1, в котором управляемый концентратор USB портов выполнен с возможностью подключения USB-ключей к любому из по меньшей мере двух серверов серверного кластера.