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Stromnetze müssen robust und unempfindlich gegenüber Störeinflüssen sein. Bild: heibaihui, wbritten/iStockphoto, Moxa
Energieverteilung & -speicherung

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Stopp dem Stromausfall

Text: Daniel Lai, Moxa
Um Stromausfälle oder deren Dauer nachhaltig zu reduzieren, werden innerhalb der weltweiten Stromnetze immer mehr bestehende Umspannstationen nachgerüstet. Sie sollen stärker automatisiert und intelligenter werden.

Aufgrund der betriebskritischen Natur von Anwendungen in Umspannstationen ist die Systemredundanz die wichtigste Komponente bei der Nachrüstung elektrischer Umspannstationen. Sie kann mithilfe von dezentralen oder zentralen System­architekturen realisiert werden. In dezentralen Architekturen wird die Netzwerkredundanz durch eine Vielzahl physischer Computer erreicht, von denen jeder nur für ein einziges Betriebssystem oder eine einzige Anwendung verantwortlich ist. In zentralen Architekturen lässt sich Netzwerkredundanz dadurch erzielen, dass eine Vielzahl von Betriebssystemen und Anwendungen auf demselben physischen Server läuft (Server-Virtualisierung).

Obwohl beide Formen von Architekturen effektiv zum Nachrüsten von Umspannstationen eingesetzt werden können, müssen sich Systemintegratoren mit einer Menge von Steuerungs- und Management-Herausforderungen auseinandersetzen. Bestehende Umspannstationen durch neu gebaute automatisierte Systeme zu ersetzen, ist grundsätzlich unpraktisch und kostenintensiv. Daher stützen sich die meisten Anwendungen in der Automatisierung von Umspannstationen auf die Nachrüstung oder den Ersatz der vorhandenen Ausstattung und die Integration bestehender Sub-Systeme. Dabei werden im Allgemeinen intelligente elektronische Geräte (IEDs, Intelligent Electronic Devices) eingesetzt, um die Primärausstattung intelligent zu gestalten oder um als Zweitausstattung für das Bus-Netzwerk einer Umspannstation zu dienen. Der Einsatz für ein Bus-Netzwerk erfolgt, indem vorher noch analoge Daten von der Zustandsüberwachung in digitale Daten oder Protokolle umgewandelt werden, um sie zu übertragen oder für die Verarbeitung mittels eines Computer-Managementsystems bereit zu stellen. Der Trend zur Automatisierung von Umspannstationen geht deshalb vor allem dahin, die Daten von Überwachungs-Subsystemen zu sammeln und in ein leistungsfähiges, sicheres Steuerungssystem zu überführen.

Aufgrund der betriebskritischen Natur von Anwendungen in Umspannstationen kann bereits ein geringer Datenverlust zum Ausfall einer Umspannstation führen – denn, wenn das Managementsystem nicht einhundertprozentig funktioniert, sind Fehlfunktionen des Gesamtsystems die Folge.

Deshalb liegt bei der Um- oder Nachrüstung von bestehenden Umspannstationen und deren Sub-Systemen ein deutlicher Schwerpunkt auf der Redundanz des Managementsystems. Dies gilt besonders für dezentrale Systeme an entfernt gelegenen Orten, welche per Fernwirken und -warten ohne das Zutun von Personal gesteuert und überwacht werden sollen. Darüber hinaus kann ein besonderes Augenmerk auf die Redundanz des Managementsystems dabei unterstützen, die System-Ausfallzeiten zu verringern und Ressourcen für die Fehlersuche und -behebung frei zu machen.

Wenn eine Umspannstation nachgerüstet wird, müssen sich Systemintegratoren einer Vielzahl von Herausforderungen bei der Steuerung und Verwaltung stellen. Stürzen beispielsweise eine instabile Anwendung oder ein instabiles System ab, wirken sich die Systemfehler nicht nur auf die Anwendung selbst aus, sondern sie können das ganze System betreffen und weitere Anwendungen beeinflussen, die auf demselben Computer laufen. Probleme bei der Steuerung und Verwaltung können auch dann auftreten, wenn bestehende Betriebssysteme und Anwendungen migriert werden sollen. Viele der vorhandenen Anwendungen in bestehenden Umspannstationen wurden ursprünglich für ältere Versionen von Betriebssystemen entwickelt, die möglicherweise von einem Drittanbieter stammten, der aktuell keinen Support mehr für die ursprüngliche Anwendung bietet. Ebenso ist es möglich, dass das Betriebssystem an sich zu alt ist, das heißt, dass es auf einem veralteten Kernel läuft. In beiden Fällen reicht ein einfaches Upgrade der Firmware nicht aus, um die vorhandenen Software-Anwendungen so zu migrieren, dass sie mit den neuesten Betriebssystemen und der aktuellsten Hardware kompatibel sind. Oftmals müssen deshalb neue Anwendungen für das neue Betriebssystem entwickelt werden.

Zu guter Letzt müssen Systemintegratoren verschiedene fortschrittliche Funktionen in das System integrieren, damit die Geschäftskontinuität und die Betriebsbereitschaft sichergestellt werden können. Im Einzelnen sind das die dezentrale Planung von Ressourcen, eine hohe Verfügbarkeit, Fehlertoleranz und die Migration von Speichersystemen. Bei der Nach- und Umrüstung von Umspannstationen kann der Fokus auf die Systemredundanz diese Herausforderungen lösen, indem entweder dezentrale oder zentrale Architekturen für das Systemmanagement eingesetzt werden.

Dezentrale Managementarchitektur

In einer dezentralen Managementarchitektur wird die Systemredundanz durch eine Vielzahl von physischen Computern sichergestellt, auf denen jeweils nur ein Betriebssystem und eine Anwendung laufen. Da auf jedem Computer in einem dezentralen System nur eine einzige Anwendung läuft, entspricht eine instabile Anwendung nur einer einzelnen Fehlerquelle im Gesamtnetzwerk mit vielen verschiedenen Knotenpunkten. Darin liegt ein klarer Vorteil eines einzelnen Betriebssystems oder einer einzelnen Anwendung pro physischem Server.

Um allerdings jeweils einen Computer für jede Anwendung zu installieren, ist eine Menge zusätzliche Hardware und damit zusätzlicher Mehraufwand an Ausstattung und Wartung erforderlich. Darüber hinaus kann es sein, dass eine dezentrale Architektur die Herausforderungen bei der Migration bestehender Betriebssysteme und Anwendungen nicht löst – nämlich dann, wenn die neuen Computer-Plattformen die Treiber für vorhandene Systeme nicht unterstützen. In einer zentralisierten Managementarchitektur wird die Systemredundanz dadurch erzielt, dass eine Vielzahl von Betriebssystemen und Anwendungen auf demselben Server laufen, und zwar über die Virtualisierungstechnologie (beispielsweise durch VMWare). Der Einsatz verschiedener Betriebssysteme und Anwendungen auf demselben Server ermöglichen es, Kosten zu reduzieren und die Effizienz sowie die Auslastung vorhandener x86-Hardware zu maximieren. Im Gegensatz zur physischen Separierung von Anwendungen auf verschiedenen Computern bietet die Server-Virtualisierung ebenfalls eine Anwendungsisolierung. Gleichzeitig löst sie aber auch noch Kompatibilitätsprobleme, indem sie viele virtuelle Maschinen über deutlich weniger physische Server konsolidiert. Außerdem schützen integrierte Verfügbarkeit und Fehlertoleranz alle virtualisierten Anwendungen. Wenn ein Serverknoten ausfällt, starten alle virtuellen Computer (sprich: VMWare) neu oder führen das Begonnene auf einem anderen Computer weiter – ohne Ausfallzeiten oder Datenverluste.

Die Softwarefunktion „virtuelle Maschine“ ist jedoch nur auf der PC-Plattform verfügbar. Schließlich lässt sich die Lebensdauer bestehender Anwendungen durch ihre Virtualisierung und Verkapselung effektiv verlängern. Außerdem kann man die Betriebsverfügbarkeit des Systems erhöhen und alternde Ausstattung im Netzwerk durch die neueste Hardware ersetzen.

Die vorhandene Ausstattung in Umspannstationen durch IEDs zu ersetzen und die relevanten Subsysteme zu integrieren, ist keine leichte Aufgabe. Der Fokus auf die Redundanz des Managementsystems ist eine Schlüsselaufgabe bei der Nachrüstung. Nur durch sie lassen sich die Herausforderungen an die Steuerung und Verwaltung erfüllen. Effektive, redundante Managementsysteme lassen sich sowohl mit dezentralen als auch mit zentralen Vorgehensweisen erzielen. Obwohl die Wahl nicht leicht fällt, reduziert eine Vielzahl von Betriebssystemen und Anwendungen auf demselben physischen Server Kosten und steigert die Effizienz und Auslastung vorhandener x86-Hardware.

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