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Fehlertolerante und echtzeitfähige Ausführungsplattformen und Kommunikationsnetze für Schutz- und Leitsysteme

Fachliche Zuordnung Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
Förderung Förderung von 2011 bis 2018
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 167470000
 
Erstellungsjahr 2019

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)

 
 

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