Fehlertolerante und echtzeitfähige Ausführungsplattformen und Kommunikationsnetze für Schutz- und Leitsysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zukünftige Energienetze erfordern aufgrund einer zunehmenden Dynamik durch volatile Einspeisung und liberalisierte Strommärkte ein hohes Maß an aktiver Überwachung und Steuerung. Die hierfür benötigten schutz- und leittechnischen Softwarekomponenten müssen sowohl zuverlässig Informationen über große Distanzen austauschen können, als auch im Fehlerfall jederzeit verfügbar sein. Zur Gewährleistung eines stabilen Netzbetriebs ist es deshalb erforderlich, dass für die gesamte Informations- und Kommunikationsinfrastruktur Echtzeitfähigkeit, Fehlertoleranz und Zuverlässigkeit gewährleistet werden. Dies bedeutet, dass auch bei Ausfall eines Rechenknotens oder einer Kommunikationsverbindung alle Kontroll- und Steuerungsfunktionen weiterhin verfügbar sein sollen. Dabei dürfen zu keiner Zeit Grenzwerte für die Übertragungs- und Ausführungszeit von Schaltbefehlen oder Schutzalgorithmen überschritten werden. In diesem Teilprojekt wurde, unter Berücksichtigung der oben genannten Anforderungen, eine neuartige Informationsverarbeitungs- und Kommunikationsinfrastruktur erforscht und entwickelt. Wichtige Grundlage hierfür war, sowohl auf Seiten der Ausführungsplattform als auch der Kommunikationsinfrastruktur, der Einsatz von Virtualisierung. Für die Realisierung der Ausführungsplattform wurde die etablierte Virtualisierungslösung Xen [PB1] ausgewählt und erweitert. Das Kommunikationsnetzwerk wurde auf Basis des Ansatzes von Software-Defined Networking (SDN) [MK1] verwirklicht. Dadurch konnte die Idee einer vollständig virtualisierten IKT-Infrastruktur realisiert und evaluiert werden. Im Vergleich zu State-of-the-Art-Lösungen gewährleistet diese – auf allen Ebenen der Infrastruktur – eine zuverlässigere, kosteneffizientere und fehlertolerantere Verarbeitung und Übertragung zeitkritischer Daten. Im Einzelnen wurden im Rahmen des Projektes die folgenden Forschungsergebnisse sowie technologischen Fortschritte erzielt: Kommunikationsnetz und Ausführungsplattform wurde hinsichtlich der Echtzeitanforderungen der cyber-physischen Systeme optimiert. - Ein neues Modell für die Replikation von virtuellen Maschinen wurde konzipiert und umgesetzt. Dies ermöglicht eine effektive Realisierung von Hochverfügbarkeitslösungen für den Schutz von virtualisierten, elektrotechnischen Softwarekomponenten und gewährleistet somit ein hohes Maß an proaktiver Fehlertoleranz. - Eine Methodologie des Planens von effizienten und sicheren Rechnerverbünden für virtualisierte cyber-physikalische Systeme wurde erforscht. Den Kern des Vorgehens bildet die Kombination von heuristischen Methoden mit formalen Leistungsbewertungsmethoden. Solch ein Ansatz ermöglicht es, unter Berücksichtigung der nicht-funktionalen Anforderungen, eine optimal dimensionierte Infrastruktur für das zu integrierende cyber-physikalische System zu finden – und das mit einem in der Praxis akzeptablem Zeitaufwand. - Die im TP6 implementierte Ausführungsplattform wurde in Form einer Open Source Software auf der GitHub-Projektseite CPS-Xen öffentlich zur Verfügung gestellt. - Ein Testbed für virtualisierte, intelligente Schaltanlagen wurde entworfen und realisiert. Es ermöglicht experimentelle Echtzeit-Untersuchungen virtualisierter Smart-Grid-Anwendungen sowie der Wechselwirkungen von IKT-Infrastruktur und elektrotechnischen Geräten (z.B. PMUs). - Auf Basis von Software-Defined Networking wurden lokale und zentralisierte Fehlertoleranz-Konzepte erforscht, welche die zuverlässige Wiederherstellung der Kommunikationsflüsse innerhalb von weniger als fünf Millisekunden nach einem Ausfall erlauben, wobei nahezu durchgängig optimale Routen garantiert werden. - Zur Realisierung von Echtzeitgarantien wurde eine feingranulare Priorisierungsmethodik entwickelt, die auf einer dynamischen Zuweisung von Routen und Warteschlangen basiert. - Die analytische Technik des Network Calculus wurde in den Software-Defined Networking Controller integriert, um die kontinuierliche Einhaltung der Echtzeitanforderungen zu überwachen und gegebenenfalls Gegenmaßen anzustoßen. - Darüber hinaus wurde die Kosteneffizienz der virtualisierten Kommunikationsinfrastruktur mit der von traditionellen Netzwerk-Konzepten verglichen und ein deutlicher Vorteil der Software-Defined Networking-basierten Lösung identifiziert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Software-Defined Networking for Smart Grid Communications: Applications, Challenges and Advantages, IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm) 2014, November 2014
N. Dorsch, F. M. Kurtz, H. Georg, C. Hägerling, C. Wietfeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/SmartGridComm.2014.7007683) - CPS-Remus: Eine Hochverfügbarkeitslösung für virtualisierte cyber-physische Anwendungen. In W. A. Halang and O. Spinczyk, Ed., Tagungsband zum Thema Betriebssysteme und Echtzeit (Echtzeit 2015), November 2015
B. Jablkowski, O. Spinczyk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-662-48611-5_5) - CPS-Xen: A virtual execution environment for cyber-physical applications. 28th International Conference on Architecture of Computing Systems (ARCS '15), Porto, Portugal, März 2015
B. Jablkowski, O. Spinczyk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-16086-3_9) - Holistic Modelling Approach for Techno- Economic Evaluation of ICT Infrastructures for Smart Grids, IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm) 2015, Miami, USA, November 2015
N. Dorsch, S. Böcker, C. Hägerling, C. Wietfeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/SmartGridComm.2015.7436397) - Empirical Comparison of Virtualised and Bare-Metal Switching for SDN-based 5G Communication in Critical Infrastructures, IEEE Conference on Network Softwarization (NetSoft), Seoul, Südkorea, Juni 2016
F. Kurtz, N. Dorsch, C. Wietfeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/NETSOFT.2016.7502484) - Enhanced Fast Failover for Software-Defined Smart Grid Communication Networks, IEEE Globecom, Washington, USA, Dezember 2016
N. Dorsch, F. Kurtz, F. Girke, C. Wietfeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/GLOCOM.2016.7841813) - Evolutionary planning of virtualized cyber-physical compute and control clusters, Journal of Systems Architecture, Februar 2017
B. Jablkowski, U. T. Gabor, O. Spinczyk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.sysarc.2016.11.001) - Synchronized Measurement Concept for Failure Handling in Software-Defined Smart Grid Communications, IEEE International Conference on Smart Grid Communications (SmartGridComm) 2017, Dresden, Deutschland, Oktober 2017
F. Kurtz, N. Dorsch, C. Bektas, C. Wietfeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/SmartGridComm.2017.8340741) - vGridLab: A Testbed for Virtualized Smart Grids, D-A-CH+ Energieinformatik 2017, Lugano, Schweiz, Oktober 2017
B. Jablkowski, M. Kuech, N. Dorsch, A. Kubis, O. Spinczyk, C. Wietfeld, C. Rehtanz
- High availability in cyber-physical systems by self-determined virtual machine replication. In Proceedings of the 13th IEEE International Symposium on Industrial Embedded Systems (SIES 2018), June 2018
B. Jablkowski, M. Mueller, and O. Spinczyk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/SIES.2018.8442105) - On the Economic Benefits of Software-Defined Networking and Network Slicing for Smart Grid Communications, NETNOMICS : Economic Research and Electronic Networking, 2018
N. Dorsch, F. Kurtz, C. Wietfeld
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11066-018-9124-3)
