2019年5月21日

コントローラ・ハードウェア・イン・ループとモデルベース・エンジニアリングがリスクを低減する4つの方法

読書時間｜8分

インダストリー4.0の幕開けとともに、デジタル化、脱炭素化、分散化（D3）が電力網革命を推進し、チャンスと課題を生み出している。分散型エネルギー資源、インテリジェントセンサー、クラウドソフトウェアを備えたサイバーフィジカルグリッドには、新しい設計、テスト、配備、ライフサイクル保守ツールが必要です。いくつかの例を通して、Typhoon HILの高忠実度C-HILマイクログリッドテストベッドの有用性を示し、モデルベースエンジニアリングがパワーエレクトロニクスとマイクログリッド設計をどのように変革するかを紹介します。C-HILテストがどのようにグリッド管理の未来を形成しているかについては、ブログをお読みください。

はじめに

インダストリー4.0が幕を開け、デジタル化、脱炭素化、分散化（通称D3）が電力網の進化に拍車をかけている。D3は膨大な価値創造の機会を生み出すが、新しい技術や設計コンセプトを生み出し、変化はリスクをもたらす。

分散型エネルギー資源（太陽光発電、風力発電、発電機、バッテリーなど）、組込みコントローラー、インテリジェントセンサー、通信リンク、大容量データ、多層分散型デジタル制御、クラウドソフトウェアなどが普及しつつあるサイバー・フィジカル・グリッドでは、業界のリーダーたちは、新しい設計、テスト、配備、ライフサイクル・メンテナンスのツールやプロセスの導入を余儀なくされている。

20世紀の電力システムは、誘導発電機、モーター、変圧器が支配的な電気機械システムの物理学を取り入れ、最終的には世界最大の機械と呼ばれる同期送電網へと成長した。サイバー・フィジカル・システムは、データの劇的な増加だけでなく、根本的に異なるパワーデバイスをもたらす。今日、家庭、インフラ、工場に設置されているインバーター、電力変換器、モーター駆動装置は、電流、電圧、周波数、その他の属性を必要に応じて操作するために、迅速なデジタル電子電力スイッチングを利用している。その柔軟性により、従来のエンジニアリングツールでは適切に解析できないシステムの動作や相互作用の可能性が飛躍的に増加します。C-HIL（Controller Hardware in the Loop）ツールのようなモデルベースの手法は、パワーエレクトロニクスとマイクログリッドの設計、および導入プロセスを強化し始めています。

HILテストは、ジェットエンジンコントローラーユニットのテストから自動操縦に至るまで、数十年にわたり航空宇宙産業の標準となっている。航空機の制御システムの安全性は極めて重要であるため、制御ソフトウェアの開発、テスト、メンテナンス・プロセスのハードルは高く設定されています。例えば、ジェットエンジンの制御装置は、定期的な実験室でのテストと相当数の飛行時間に加え、HILテストの広範な記録なしに飛行認証を取得することはできません。HILテストは、テストカバレッジを最大化し、テストあたりのコストを削減し、航空宇宙分野で必要な信頼性を達成するためのユビキタスなツールとなっている。

高性能なモデリング・シミュレーション・ツールが手頃な価格で入手できるようになるにつれ、マイクログリッドは次の段階に進んでいる。ほとんどの機器ベンダーがHILテストを採用しており、マイクログリッドシステムインテグレーターは、性能、信頼性、サイバーセキュリティを保証するために、DERやスマートデバイスと統合されたマイクログリッド制御システムの性能を特徴付け、検証するために、その広範なテストと検証機能を使用し始めている。HILテスト環境は、システムの開発中に、ファームウェアとソフトウェアを安全で反復可能かつ体系的な方法で仮想的にテストする能力を提供します。

イートンのQiang Fuが、Typhoon HILの高忠実度C-HILマイクログリッド・テスト・ベッドを用いて、ループ内のイートン・マイクログリッド・コントローラーを実演している。

ここでは、C-HIL（Controller Hardware in the Loop）とモデルベースエンジニアリングが、マイクログリッドの設計、展開、運用時のリスクを低減する4つの方法を紹介する：

1. 制御の複雑さを管理し、相互運用性を保証する。

過去30年間、組込みシステムは、SLOC(Source Lines Of Code)数で測定される制御コードの複雑さにおいて、指数関数的な成長を遂げてきました。この傾向を説明するために、3つの例を考えてみましょう：

F-35戦闘機のコードは2006年の6.8M（SLOC）から2013年には24M（SLOC）に増加
自動車 （ハイエンド）：2000年の200万台（SLOC）から2018年の1億台（SLOC）へ
PVインバーター：2018年に0.05M（SLOC）から0.2（SLOC）へ

スマート・インバータやその他のサイバー・フィジカル・コンポーネントが高度化するにつれて、そのプログラミングの複雑さも同様に指数関数的な曲線を描いて上昇する。現在でも、10台のスマート・インバータ、10台の保護リレー、1台のマイクログリッド・コントローラを備えた典型的なマイクログリッドは、SLOCを合計すると500万に簡単に達する。仮想発電所や同様のシステム・アーキテクチャで数百のマイクログリッドをネットワーク化すれば、すぐに10億SLOCを超える規模に達するだろう。

実際、コードベースの飛躍的な増加は、マイクログリッドとユーティリティを、真に柔軟で、多機能で、適応力のある（レジリエントな）サイバー・フィジカル・システムへと変貌させるだろう。この変換をサポートし、加速するための適切なツールとプロセスが必要なのは明らかだ。

ファームウェアの品質を損なうことなく、テスト・カバレッジを拡大し、開発時間を短縮することは、HILテストが当社の製品ポートフォリオに追加されると感じている品質面です。
Sau Ngosi
CTO Residential Solar & Storage
シュナイダーエレクトリック

指数関数的に増大する複雑性を管理しながら、マイクログリッド制御ソフトウェアの品質を維持・向上させるにはどうすればいいのだろうか？それは簡単なことだが、容易なことではない。航空宇宙産業と自動車産業は、宗教的ハードウェア・イン・ザ・ループ、モデルベーステスト、継続的インテグレーション（CI）ソフトウェア開発プロセス、広範な開発テスト、テスト自動化の価値を実証してきた。VDCリサーチの結果によると、C-HIL(Controller Hardware in the Loop)を設計プロセスの初期段階からライフサイクルを通して使用した場合、ソフトウェアバグの数が38%減少し、C-HIL手法を使用して組込みソフトウェアを開発・テストした場合、バグ修正コストが60%減少することが示されています。

2. 市場投入までの時間を短縮し、自信を持ってイノベーションを起こす。

従来、パワーエレクトロニクスや電力システム業界は、新製品や新機能の導入に手間取ってきた。限られた実験室でのテストと現場での操作経験が唯一のフィードバックであり、ミスは高くつくものでした。うまくいくなら何も変えるな」というアプローチにより、製品の設計サイクルは5年以上となり、製品ライフサイクルは25年を超えることもあった。

HILテストはこのパラダイムをひっくり返し、新しいソフトウェア機能を簡単に追加することで、開発者に継続的な改善と新機能の統合を促す。製品の変更やアップグレードがますますソフトウェアベースになっていく中で、より優れたコードプロセスがイノベーションを加速させる。テスラ車の例を考えてみよう。リモート・アップデートにより、オーナーは朝目覚めると、新しい機能を搭載し、性能が向上した別の車になっていることがよくある。将来的には、マイクログリッドも同じように、C-HILテストベッドを使用して何万ものテストシナリオの下で徹底的にテストされた新しいソフトウェアによってアップグレードされ、改良されることになるだろう。

当社のシステム・インテグレーターであるレイセオンは、マイクログリッドが建設される前の設計・開発段階で、C-HIL（Controller Hardware in the Loop）テストベッドを広範に使用し、故障状態を含むさまざまな運用シナリオをテスト・検証した。これにより、相互運用性のリスクが大幅に軽減された。
ショーン・ドイル
マサチューセッツ州オーティス空軍基地
レイセオン

オーティス航空国家警備隊基地（ANGB）マイクログリッド。国防総省初の外部接続によるサイバーセキュアなコントローラと、国防総省初の風力ベースのマイクログリッドが、Typhoon HILの超高忠実度C-HILテストベッドでテストされ、検証された。

3. システムインテグレーターに権限を与える。

今日、マイクログリッド・プロジェクトのほとんどは、ブラウンフィールドか、既存のインフラを改造するものである。ブラウンフィールド・プロジェクトでは、システム・インテグレーターが新旧の機器をうまく調和させ、新しい制御・通信インフラを既存の資産と連動させ、既存のDERをアップグレードし、新しいマイクログリッド・コントローラーを配電システム運用と統合する必要がある。

私たちは私たちのシステムのモデルを提供し、他の人たち（サードパーティ、私たちの顧客やシステム・インテグレーター）は、私たちのモデルを彼らのシステム・モデルに統合して使用する。
Nicolas LaRue
グローバル・オファー・マネージャー
シュナイダーエレクトリック

C-HILとモデルベースエンジニアリングにより、システムインテグレーターは、設計段階の早い段階で、完全な忠実度で複合システムのプロトタイプを作成し、開発したモデルを使用して、マイクログリッド設計のあらゆる段階でテストと検証を行うことができる。

HILは顧客との関係を変え始めています。インバータの動作をよりよく理解してもらうことで、能力や動作シーケンスなどに関する顧客自身の質問に答えてもらうことができるのです。
ライアン・スミス
最高技術責任者
EPCパワー

4. C-HILデジタルツインでライフサイクルメンテナンスを強化。

今日、多くの場合、プロジェクトの受注、設計、試運転に焦点が当てられている。しかし、すべてのインフラと同様に、マイクログリッドのライフサイクルの運用と保守は、投資家、ユーザー、運用者にとって極めて重要であるにもかかわらず、前もって真剣に検討されることはほとんどありません。C-HILテストベッド、または非常に忠実度の高いマイクログリッド・デジタル・ツインは、以下のことを行うのに適した環境を提供することができる：

スマートデバイスやマイクログリッドコントローラーのファームウェアやソフトウェアのアップグレードを、配備前にシームレスにテスト；
運転中に予想される、または発見される可能性のある異常をモデル化し、シミュレートし、修正をテストする；
配備前に、機器のアップグレードや相互運用性の問題をテストする。

実際、C-HILテストベッドは、マイクログリッドが進化するにつれて保守とアップグレードが可能な、構築されたままのマイクログリッドの高忠実度モデルを提供する。

私たちのプロジェクトは、長期にわたってテストと改良が必要です。試運転の準備を進めている現在でも、私たちのシステムコントローラを "動揺 "させるような送電網の微小停電や周波数異常が予想されます。C-HILテストベッドという形でデジタルツインを持つことで、これらのイベントをC-HILデジタルツインで再現し、機器の損傷や現場での停電を心配することなく、これらの問題のトラブルシューティングや最適化を行うことができます。
ショーン・ドイル
マサチューセッツ州オーティス空軍基地
レイセオン

これは、21世紀の電力系統の開発と保守におけるリスク低減の新たな基準を示すものである。

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