ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ I Γ. ΚΟΡΡΕΣ ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ε.Μ.Π. 1
Τι είναι ένα ΣΕΕ; Σύστημα υλικού (hardware) και λογισμικού (software) το οποίο αποσκοπεί στην: παρακολούθηση λειτουργία έλεγχο ανάλυση του συστήματος παραγωγής και μεταφοράς μιας ηλεκτρικής εταιρείας 2
Τρέχουσα κατάσταση ΣΕΕ Συγκεντρωτικές υπολογιστικές αρχιτεκτονικές Διάταξη εφεδρικών (dual-redundant) Η/Υ μεγάλης ή μεσαίας κλίμακας Τοπικά Δίκτυα (LAN) για διασύνδεση τερματικών και περιφερειακών συσκευών Επικοινωνία RTUs και Η/Υ μέσω γραμμών συνδεδεμένων στο κύριο ή στο εμπρόσθιο υπολογιστικό σύστημα Εφαρμογές SCADA και ΣΗΕ τρέχουν στον κύριο Η/Υ 3
Τεχνολογίες Υπολογιστών Η/Υ μεγάλης κλίμακας Minis και PCs Τερματικά αλφαριθμητικά και ημιγραφικών Τερματικά γραφικών Κεντρικές αρχιτεκτονικές Κατανεμημένες αρχιτεκτονικές Κλειστά λειτουργικά συστήματα Λειτουργικά συστήματα μεταφέρσιμα Κλειστά πρωτόκολλα επικοινωνίας Προσέγγιση LAN και WAN Ιεραρχικά και δικτυακά μοντέλα Β.Δ. Σχεσιακό μοντέλο Β.Δ. Γλώσσες 3ης & 4ης γενιάς Γλώσσες αντικειμενοστραφείς 4
Ανοικτό ΣΕΕ Η δυνατότητα επέκτασης ή αντικατάστασης μέρους ή συνόλου ενός υπάρχοντος ΣΕΕ, χωρίς να βασιζόμαστε σε έναν κατασκευαστή. Χαρακτηριστικά : ανεξαρτησία εφαρμογών από δεσμευμένο ιδιοκτησιακά hardware πρόσβαση σε κοινή Β.Δ. από όλες τις εφαρμογές κοινό MMI για όλες τις εφαρμογές δυνατότητα επικοινωνίας με άλλα συστήματα μέσω τυποποιημένων πρωτοκόλλων 5
Κριτήρια Ανοικτού ΣΕΕ Τυποποίηση (standards) (POSIX, X-Window, MOTIF, SQL, OSI, TCP/IP) Συντήρηση λογισμικού Περιβάλλον (κατανεμημένο και ετερογενές) Αναβάθμιση, από μικρά σε πολύπλοκα συστήματα Διαθεσιμότητα & Ασφάλεια, για κρίσιμα δεδομένα, βασισμένα σε συγκεντρωτικές υπολογιστικές αρχιτεκτονικές Αρθρωτήδομήεφαρμογών Πρόσβαση δεδομένων υψηλής απόδοσης Επικοινωνία Προγραμμάτων Εφαρμογής (APIs) 6
Δομή τυπικού ΣΕΕ 7
Δομή εφαρμογών ΣΕΕ GUI 3rd PARTY Data Processing Unit SCADA GEN NET DTS Οι εφαρμογές δεν επικοινωνούν απευθείας, αλλά μέσω Β.Δ. ελεγχομένων από εξυπηρετητές δεδομένων 8
Εισαγωγή Ενα κατανεμημένο περιβάλλον επεξεργασίας (ΚΠΕ) χρησιμοποιείται από τις ηλεκτρικές εταιρείες ως πληροφοριακό σύστημα και σύστημα ελέγχου. Είναι αρθρωτό αποτελούμενο από έναν ή περισσότερους διασυνδεδεμένους κόμβους επεξεργασίας. Είναι προσαρμοσμένο να παρακολουθεί μεταβαλλόμενες ανάγκες και να μεγιστοποιεί πόρους υπολογιστικούς, δικτύου, δεδομένων, ελέγχου και παρακολούθησης, για τα ακόλουθα τμήματα μιας ηλεκτρικής επιχείρησης : Παραγωγή Μεταφορά Διανομή 9
Μεταφερσιμότητα (I) Ενα ΚΠΕ κτίζεται πάνω σε de facto βιομηχανικά standards, παρέχοντας ένα στέρεο, πλήρως μεταφέρσιμο και αναβαθμίσιμο σύστημα λογισμικού: SCSI - the Small Computer System Interface (SCSI), για τη σύνδεση όλων των περιφερειακών συσκευών POSIX - the Portable Operating System Interface standard extensions UNIX - το λειτουργικό σύστημα UNIX και τα συμβατά με UNIX συστήματα πραγματικού χρόνου VME - το βιομηχανικό standard VMEbus για ενδοκομβική σύνδεση X Windows - υποστηρίζει το standard X Window και τον διαχειριστή MOTIF Window. Βασίζεται σε μοντέλο client/server και είναι ανεξάρτητο από λειτουργικό σύστημα και hardware. SQL - the Structured Query Language. Το standard interface για σχεσιακές Β.Δ. επιχειρησιακών εφαρμογών 10
Μεταφερσιμότητα (II) C / Fortran - λογισμικό σε C ή Fortran Ethernet - IEEE Ethernet standard 802.3 για LANs TCP/IP - το Transmission Control Protocol (TCP/IP), για ενδοεπικοινωνίες επεξεργαστών και ανταλλαγή δεδομένων OSI - έχει αναπτυχθεί από το ISO, υποστηρίζει τις αρχές διαστρωμάτωσης του μοντέλου αναφοράς Open Systems Interface (OSI). Ειδικότερα αναφέρεται στην ενδοϋπολογιστική επικοινωνία σε ετερογενές περιβάλλον. UCA - the Utility Communications Architecture (UCA), που χρησιμοποιείται ως βάση για τυποποίηση πρωτοκόλλων ηλεκτρικών εταιρειών. Το UCA είναι η βάση του πρωτοκόλλου Ιntercontrol Center Communications Protocol (ICCP) και του emerging standard IEC 870-6 TASE.2 που βασίζεται στο UCA/MMS (Manufacturing Message Specification). 11
Διαθεσιμότητα Η υψηλή διαθεσιμότητα του ΚΠΕ βασίζεται σε τεχνικές ανάκτησης σφαλμάτων, όπως : εφεδρικότητα κρίσιμων τμημάτων του συστήματος μία κατανεμημένη Β.Δ. σε όλους τους κόμβους επεξεργασίας ευέλικτη κατανομή εργασιών σε όλο το δίκτυο Η/Υ Με την κατανεμημένη υπολογιστική ισχύ και την πλήρη χρήση βιομηχανικών standards, το σύστημα αποκτά απεριόριστη δυναμική επέκτασης και διάρκεια ζωής. 12
Κατανεμημένη Αρχιτεκτονική Επεξεργασίας Η ραχοκοκκαλιά ενός ΚΠΕ είναι ένα τοπικό δίκτυο Ethernet ή ένα κατανεμημένο σύστημα δεδομένων με οπτικές ίνες (fiber distributed data interchange - FDDI). Το LAN ανταλλάσσει και μεταδίδει δυναμικά δεδομένα και ενημερώνει την κατανεμημένη Β.Δ. σε όλους τους κόμβους. Αλλα δεδομένα, όπως ορισμοί οθονών, αποθηκεύονται σ αυτούς τους κόμβους. Οι τύποι κόμβων είναι οι ακόλουθοι : Επεξεργαστής εφαρμογών Λήψη δεδομένων και έλεγχος (Data acquisition and control) Επικοινωνία με το χρήστη (User Ιnterface) 13
Κόμβος Επεξεργασίας Εφαρμογών Ο κόμβος αυτός επιτελεί : Παρακολούθηση και έλεγχο συστήματος Process Specific Applications (PSA) Οι PSA συμπεριλαμβάνουν τις ακόλουθες λειτουργίες : Ελέγχουκλειστούβρόχου(AGC) Κoστολόγησης παραγωγής (Accounting) Οικονομικές και ασφάλειας, όπως βέλτιστη ροή φορτίου (optimal power flow), ανάλυση ασφάλειας (security analysis) Ενταξης μονάδων, προγραμματισμού αποθεμάτων καυσίμου, Ροής φορτίου χειριστή Αποκατάστασης και απομόνωσης σφαλμάτων, βέλτιστης μεταγωγής διακοπτών 14
Κόμβος Data Acquisition και Control Οι κόμβοι DAC διαχειρίζονται το εξωτερικό δίκτυο των RTUs και τα βοηθητικά συστήματα ελέγχου σε ένα WAN και : έχουν ταχεία ανταπόκριση και υψηλή απόδοση εγκαθίστανται σε ένα VME chassis βασίζονται με διπλούς εμπρόσθιους H/Y (redundant front-end processors) 15
Κόμβος User Interface Ο κόμβος γραφικής επικοινωνίας (full graphics) με το χρήστη : υποστηρίζει τα X Windows και το MOTIF αποτελείται από ανεξάρτητους σταθμούς εργασίας συνδεδεμένους στο LAN. Ολες οι λειτουργίες απεικόνισης εκτελούνται στον Η/Υ του χειριστή. Μονογραμμικά διαγράμματα και Β.Δ. πραγματικού χρόνου αποθηκεύονται στη μνήμη του τοπικού Η/Υ. Λόγω ανοικτής αρχιτεκτονικής μπορούν να χρησιμοποιηθούν τερματικά (consoles) από διάφορους κατασκευαστές. Κάθε κόμβος διατηρεί ένα τοπικό αντίγραφο της Β.Δ. το οποίο ενημερώνεται από άλλους κόμβους μέσω του LAN. Ετσι προκύπτει ένα δίκτυο από ανεξάρτητους κόμβους επεξεργασίας με πρόσβαση δεδομένων εντός του κόμβου. 16
Αρχιτεκτονική Πραγματικού Χρόνου 17
Ανοικτό Σύστημα Βάσεως Δεδομένων Μία Ανοικτή Βάση Δεδομένων αποτελείται από ένα σύνολο κατανεμημένων Β.Δ. οι οποίες καλύπτουν πολλαπλούς κόμβους ενός δικτύου Η/Υ. Το μοντέλο Β.Δ. Αποτελείται από μία λογική και μία φυσική Β.Δ. 18
Λογική Β.Δ. (I) Η λογική Β.Δ. παρέχει μια λογική άποψη του ΣΗΕ σε μία σχεσιακή βάση δεδομένων, θωρακίζοντας το χρήστη από τις δομές της φυσικής βάσης δεδομένων. Το αντικειμενοστραφές μοντέλο της λογικής Β.Δ. περιέχεται εντός της βάσης γνώσης - όλατααντικείμενα(objects), οι τάξεις (classes) καιοιιεραρχικέςτουςσχέσεις. Το μοντέλο του ΣΗΕ στη βάση γνώσης, συμπεριλαμβάνει δεδομένα στοιχείων ηλεκτρικού δικτύου, Η/Υ, εξοπλισμό DAC, λειτουργικά χαρακτηριστικά και ιστορικά δεδομένα. 19
Λογική Β.Δ. (II) Η λογική αντιπροσώπευση όλων των στιγμιοτύπων αντικειμένων, συντηρείται από την πηγαία βάση δεδομένων. Αυτή είναι μία RDBMS με πλήρη υποστήριξη SQL και χρησιμοποιείται κυρίως από το υποσύστημα κατανεμημένης Β.Δ. για τη δημιουργία και συντήρηση αρχείων δεδομένων.. Η σύνταξη (editing) της Β.Δ. γίνεται μέσω του database administration subsystem. Οι αλλαγές και η συντήρηση της Β.Δ. διαμέσου του κατανεμημένου δικτύου Η/Υ, γίνονται μέσω επικοινωνίας (interface) μεταξύ λογικού και φυσικού τμήματός της. Οι αλλαγές στη φυσική Β.Δ. γίνονται διαμέσου όλων των κόμβων του συστήματος. 20
Φυσική Β.Δ. Το τμήμα της φυσικής Β.Δ. αποτελείται από αποδοτικές, συνεχούς καταγραφής, ιστορικές Β.Δ. Τα πεδία της φυσικής Β.Δ. καταγράφουν κάθε αλλαγή στη Β.Δ. πραγματικού χρόνου, επιθεωρούν ή αναπαράγουν (review or replay) την κατάσταση του ΣΗΕ για μια χρονική περίοδο. Ολες οι αλλαγές (analogs, events, tags) αποθηκεύονται και αναπαράγονται, ως πηγή δεδομένων για οποιαδήποτε απεικόνιση (display), παρέχοντας στον χρήστη ένα ισχυρό εργαλείο ανάλυσης. Τηλεμετρούμενα δεδομένα και τυχαία συμβάντα (alarms, messages, logs) συλλέγονται και καταχωρούνται στην ιστορική βάση δεδομένων, η οποία βασίζεται στο σχεσιακό μοντέλο (ORACLE, SYBASE, κλπ) και χρησιμοποιεί τη γλώσσα SQL με βάση το πρότυπο ANSI X3.135 1989 SQL89. 21
Διαχωρισμός της Β.Δ. Edit Database: Τροποποείται μέσω του Database Editor και είναι απομονωμένη από εφαρμογές on-line. Υποστηρίζει τμηματικούς ορισμούς (partial definitions). Commit Database: Επιλεκτικές αλλαγές στην Edit Β.Δ. μπορούν να εφαρμοστούν ως βηματικές συναλλαγές μ αυτή τη Β.Δ. η οποία εξασφαλίζει ακεραιότητα δεδομένων. Μεταγωγή οn-line εφαρμογών σ αυτή τη Β.Δ. μπορεί να γίνει, ώστε να απορρίψουμε ή να αποδεχθούμε τις όποιες αλλαγές. Αποδεκτές αλλαγές προκαλούν τροποποίηση στη Source Database. Source Database: Η κύρια on-line Β.Δ. που χρησιμοποιείται από τιςδιάφορεςεφαρμογές. Υπό κανονικές συνθήκες οι Source και Commit Databases ταυτίζονται. Σε περίπτωση αστοχίας η διαδικασία ανάκτησης χρησιμοποιεί είτε την Source είτε την Commit Database για εκκίνηση. 22
Σύστημα επικοινωνίας με το χρήστη (I) Το user interface (UI) βασίζεται στα X Windows και διαχειρίζεται το σύστημα ελέγχου. Τα καθοριστικά γνωρίσματα ενός user interface είναι: Η υψηλή απόδοση για απαιτητικές τοπικές ή απομακρυσμένες λειτουργίες κατανομής (dispatch) Η εύκολη συντήρησή του με χρήση διαδεδομένων εργαλείων CAD 23
Σύστημα επικοινωνίας με το χρήστη (II) Βασίζεται στο σύστημα X Windows. Χρησιμοποιεί αρχιτεκτονική client/server, παρέχοντας ένα δικτυακό παραθυρικό σύστημα γραφικών. Τα X Windows είναι ανεξάρτητα από πλατφόρμα και επιτρέπουν στις εφαρμογές να τρέχουν σε ένα τερματικό από οποιαδήποτε πλατφόρμα υποστηρίζει το X πρωτόκολλο. Οι χρήστες φαίνεται σαν να τρέχουν τις εφαρμογές από τον τοπικό σταθμό εργασίας, ενώ στην πραγματικότητα τρέχουν σε απομακρυσμένους Η/Υ. Κάθε θέση χειρισμού σχετίζεται με έναν σταθμό εργασίας UNIX με ένα ή περισσότερα τερματικά. Κάθε τερματικό περιλαμβάνει ένα σύνολο οθονών και την κατανεμημένη Β.Δ. αποθηκευμένη στην τοπική μνήμη. 24
Τυπική απεικόνιση υποσταθμού 25
Τυπική απεικόνιση μονογραμμικού διαγράμματος 26
Διαχειριστής εκθέσεων και γραφικών απεικονίσεων 27
Ισχυρά χαρακτηριστικά απεικονίσεων Πλοήγηση: Διαχείριση μεγάλων και σύνθετων δικτυακών και γεωγραφικών απεικονίσεων (displays) με χρήση ισχυρών γραφικών. Απεικονίσεις από πολλαπλές πηγές: Το σύστημα χρησιμοποιεί την ίδια οθόνη για διάφορες εφαρμογές, λαμβάνοντας δεδομένα δυναμικά, από διάφορες πηγές, όπως η Β.Δ. πραγματικού χρόνου (real-time database), Εκτιμητής Κατάστασης, load flow study cases ή continuous recording ή playback της Β.Δ. Απομακρυσμένες λειτουργίες τερματικών υψηλής απόδοσης: Εχουν την ίδια ανταπόκριση όπως και τα τοπικά τερματικά. 28