Aplicações de proteção, automação e controle em tempo real conforme a IEC 61850 em ambiente virtualizado

Abstract

Tecnologias de virtualização e middlewares de comunicação trazem uma nova perspectiva e um novo paradigma que podem ser aproveitados na implementação de sistemas industriais de uma maneira geral. O objetivo deste trabalho de doutorado é avaliar a viabilidade de implementar aplicações de Proteção, Automação e Controle (PAC) no caso de Sistemas Elétricos de Potência (SEP), conforme a norma IEC 61850, em ambiente virtualizado. Tal avaliação requer a proposta de uma arquitetura em camadas e implementação de uma aplicação PAC IEC 61850 em um ambiente virtualizado. Foi utilizado o middleware de comunicação DDS e o estudo de caso de uma aplicação IEC 61850 típica. A primeira etapa do trabalho avalia a comunicação fim-a-fim a partir da camada do middleware de comunicação DDS, executando-se as aplicações de benchmark dos testes de desempenho da implementação OpenDDS. O ambiente de experimentação distribuído e virtualizado usado considera dois hosts físicos comuns conectados por uma rede simples. A camada de virtualização é realizada com KVM como hosted hypervisor com Linux Ubuntu e TinyCore como Guest-OS. Nessa avaliação inicial do middleware DDS, é definido um conjunto de cenários de teste combinando comunicações host-host, host-VM e VM-VM. Cada teste mede o tempo de round-trip de cada mensagem, derivando-se a respectiva latência e jitter. A segunda etapa do trabalho avalia a comunicação fim-a-fim da aplicação IEC 61850 do estudo de caso. A aplicação final, composta por 6 módulos, foi desenvolvida seguindo um método claro e objetivo. Os dois cenários de teste usados definem testes local e distribuído. No cenário local, todos os 6 módulos executam em um único host. No cenário distribuído, o sistema é particionado em 2 hosts e 4 VMs. Cada cenário de teste realiza um conjunto de 15 casos de teste definidos em 3 scripts. Os resultados obtidos são apresentados em formato tabular e gráfico. Os resultados preliminares do teste do DDS mostram que aplicação de tempo real leve com deadlines de até 1 ms poderiam executar no ambiente virtualizado proposto. O trabalho mostra o potencial de executar aplicações de automação em um ambiente virtualizado e distribuído. Os resultados do estudo de caso, por outro lado, mostram a limitação da infraestrutura convencional utilizada. As latências máximas chegam a 20 ms e até 30 ms em alguns casos. A contribuição dessa tese é fornecer informações, baseadas na arquitetura de referência proposta e respectiva caracterização temporal, para engenheiros responsáveis pelo design de soluções de automação e pesquisadores. Dessa forma, eles podem começar a considerar e avaliar o uso de arquiteturas e tecnologias modernas de computação, particularmente de virtualização e middleware de comunicação, em novos projetos de Engenharia ou estudos de caso e investigações científicas mais específicas.

Abstract: Virtualization and communication middleware technologies bring a new perspective and a new paradigm shift that can be used in the implementation of industrial systems. The goal of this thesis is to assess the feasibility to implement Protection, Automation and Control (PAC) applications in the domain of Electrical Power Systems, according to the IEC 61850 standard, in virtualized environment. Such assessment demands the proposal of a layered architecture and the implementation of a PAC IEC 61850 application in a virtualized environment. The implementation is based on the DDS communication middleware and the case study of a typical IEC 61850 application. The first step of the work asseses the end-to-end communication from the DDS communication middleware layer, running the benchmark applications of the OpenDDS implementation performance tests. The distributed and virtualized testing environment used considers two ordinary physical hosts connected by a simple network. The virtualization layer is implemented using KVM as hosted hypervisor with Linux Ubuntu and TinyCore as Guest-OS. This initial assessment of the DDS middleware defines a set of test scenarios based on the combination of host-host, host-VM and VM-VM communications. Each test measures the round-trip time of each message, from which latency and jitter are obtained. The second step of the work asseses the end-to-end communication of the case study IEC 61850 application. The final application, composed of 6 modules, was developed following a clear and straight method. The two test scenarios used define local and distributed tests. In the local scenario, all the 6 modules run in a single host. In the distributed scenario, the system is partitioned in 2 hosts and 4 VMs. Each test scenario performs a set of 15 test cases defined in 3 scripts. The results obtained are presented in tabular and graphical formats. The preliminary results of the DDS test show that soft real-time applications with deadlines up to 1 ms could run in the proposed virtualized environment. The work shows the potential to run PAC applications in a virtualized and distributed environment. The case study results, on the other hand, show the limitations of the ordinary infrastructure used. The maximum latencies reach up to 20 ms and 30 ms in a few cases. The contribution of this thesis is the information provided, based on the proposed reference architecture and respective time characterization, available to engineers responsible by the design of PAC solutions and researchers. In this way, they can begin to consider and evaluate the use of modern computing architectures and technologies, particularly virtualization and communication middleware, in new Engineering projects or case studies and more specific scientific investigations.