コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループとモデルベース設計がリスクを低減する4つの方法

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（r）evolutionを推進している。D3は膨大な価値創造の機会を生み出す一方で、新たな技術と設計概念を必要とし、変化にはリスクが伴う。

新興のサイバーフィジカルグリッド——分散型エネルギー資源（太陽光発電、風力、発電機セット、蓄電池など）の急増、組み込み制御装置、インテリジェントセンサー、通信リンク、ビッグデータ、多層分散型デジタル制御、クラウドソフトウェア——は、業界リーダーに対し、新たな設計、試験、導入、ライフサイクル保守のためのツールとプロセスを採用することを迫っている。

20世紀の電力システムは、誘導発電機、電動機、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、やがて世界最大の機械と呼ばれる同期グリッドへと発展した。 サイバーフィジカルシステムは、データ量の劇的な増加をもたらすだけでなく、根本的に異なる電力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、電力変換器、モーター駆動装置は、高速デジタル電子電力スイッチングを利用して、必要に応じて電流、電圧、周波数、その他の特性を操作する。その柔軟性は、従来の工学ツールでは十分に分析できない、システムの挙動や相互作用の可能性を劇的に増大させる。 コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）ツールなどのモデルベース手法は、パワーエレクトロニクスやマイクログリッドの設計、さらには導入プロセスを飛躍的に強化し始めている。

HILテストは数十年にわたり航空宇宙産業の標準手法であり、ジェットエンジン制御装置のテストからオートパイロットに至るまで幅広く活用されている。 航空機制御システムの安全上の重要性は、制御ソフトウェアの開発・試験・保守プロセスにおいて高い基準を設定しています。例えば、ジェットエンジンコントローラーは、通常のラボ試験や相当数の飛行時間に加え、広範なHIL試験の記録なしに飛行認証を取得できません。HIL試験は、試験カバレッジの最大化、試験単価の削減、航空宇宙分野で要求される信頼性の達成を可能にする普遍的なツールとなっています。

高性能モデリングおよびシミュレーションツールの価格が手頃になるにつれ、マイクログリッドが次の対象となる。ほとんどの機器ベンダーは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、分散型エネルギー資源（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性評価・検証し、性能、信頼性、サイバーセキュリティを確保するために、その広範なテストおよび検証能力を活用し始めている。HIL Tested 、システム起動後まで待つのではなく、開発段階において安全かつ反復可能で体系的な方法でファームウェアやソフトウェアを仮想的にテストする能力を提供する。

コントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）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・運用におけるリスクを低減する4つの方法をご紹介します：

1. 制御の複雑性を管理し、相互運用性を保証する。

過去30年間で、組み込みシステムはソースコード行数（SLOC）で測定される制御コードの複雑性が指数関数的に増加してきた。この傾向を示すため、3つの例を挙げる：

1. F-35戦闘機のコード量は、2006年の680万行（SLOC）から2013年には2400万行（SLOC）に増加した
2. 自動車（ ハイエンド）：2000年の200万行（ソースコード行数）から2018年の1億行（ソースコード行数）へ
3. 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、そのプログラミングの複雑性も同様の指数関数的曲線を描いて増加する。今日でも、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では、合計で容易に500万行のソースコード（SLOC）に達する。仮想発電所や類似のシステムアーキテクチャにおいて数百のマイクログリッドをネットワーク化すれば、間もなく10億行を超える規模に達するだろう。

確かに、コードベースの指数関数的増加は、マイクログリッドと公益事業者を真に柔軟で多機能かつ適応性（レジリエント）のあるサイバーフィジカルシステムへと変革する。明らかに、この変革を支援し加速させるための適切なツールとプロセスが必要である。

テストカバレッジの向上と開発期間の短縮を、ファームウェアの品質を損なうことなく実現する点は、HILテストが当社の製品ポートフォリオに付加価値をもたらす品質面であると確信しております。

サウ・ンゴシ
住宅用太陽光発電・蓄電システム CTO
シュナイダーエレクトリック

複雑性の指数関数的増加を管理しながら、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よいか？ 答えは単純だが容易ではない。航空宇宙産業と自動車産業は、厳格なハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）による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いる。VDCリサーチの結果によれば、設計プロセスの初期段階からライフサイクル全体にわたりコントローラ・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）を採用した場合、ソフトウェアバグ数が38％減少する。さらにC-HIL手法を用いた組込みソフトウェアの開発・テストでは、バグ修正コストが60％削減されることが確認されている。

2. 市場投入までの時間を短縮し、自信を持って革新を推進する。

従来、パワーエレクトロニクスおよび電力システム産業では、新製品や新機能の導入が遅れがちであった。限られた実験室試験と運用現場での経験が唯一のフィードバック源であり、失敗は多大なコストを伴った。「動作しているなら何も変えるな」という姿勢が、5年以上の製品設計サイクルを生み出し、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覆し、開発者が新たなソフトウェア機能を容易に追加することで、継続的な改善と新機能の統合を可能にしています。製品の変更やアップグレードがソフトウェアベースになるにつれ、優れたコードプロセスがイノベーションを加速させます。 テスラ車の例を考えてみましょう。リモートアップデートにより、所有者は朝目覚めると新たな機能と性能向上を備えた、まったく別の車に乗っていることに気づくことがよくあります。将来、マイクログリッドも同様の方法でアップグレード・改良されるでしょう。C-HILテストベッドで数万のテストシナリオを用いて徹底的に検証された新ソフトウェアによって実現されるのです。

当社のシステムインテグレーターであるレイセオンは、マイクログリッドの構築前段階である設計・開発フェーズにおいて、コントローラー・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）テストベッドを多用し、故障状態を含む多様な運用シナリオの検証を実施しました。これにより相互運用性のリスクを大幅に低減しました。

ショーン・ドイル
オーティス空軍州兵基地、マサチューセッツ州
レイセオン

オーティス空軍州兵基地（ANGB）マイクログリッド。国防総省初の外部接続を備えたサイバーセキュリティ対応コントローラーと、初の風力発電ベースの国防総省マイクログリッドが、Typhoon 超高忠実度C-HILテストベッドを用いて試験・検証された。

3. システムインテグレーターを強化する。

現在、ほとんどのマイクログリッドプロジェクトは既存施設（ブラウンフィールド）または既存インフラの改修である。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設備を円滑に連携させ、新たな制御・通信インフラを既存資産と接続し、既存の分散型エネルギー資源（DER）をアップグレードし、新たなマイクログリッド制御装置を配電システム運用に統合する必要がある。

当社システムモデルを提供し、その後、第三者（顧客やシステムインテグレーターなど）がそのモデルを自社のシステムモデルに統合することで、システム全体のシミュレーションが可能となります。

ニコラス・ラルー
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および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複合システムを完全な忠実度でプロトタイピングし、開発したモデルを用いてマイクログリッド設計の各段階をテストおよび検証することが可能となる。

HILは顧客との関係性を変えつつあります。ハードウェア・イン・ザ・ループシステムへのアクセスを提供することで、顧客はインバーターの動作をより深く理解できるようになり、性能や動作シーケンスなどに関する疑問を自ら解決できるようになっています。

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する。

今日の焦点はプロジェクトの受注、それに続く設計と試運転に置かれがちである。しかし、あらゆるインフラと同様に、マイクログリッドのライフサイクルにおける運用と保守は、投資家、利用者、運営者にとって極めて重要であるにもかかわらず、事前に真剣に検討されることは稀である。C-HILテストベッド、あるいは超高精度のマイクログリッド・デジタルツインは、以下の点において好機を提供する環境となり得る：

• スマートデバイスおよびマイクログリッドコントローラーへのファームウェアおよびソフトウェアのアップグレードを、導入前にシームレスにテストする；
• 運用中に予期される、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、修正策をテストする。
• テスト機器のアップグレードおよび導入前に発生する可能性のある相互運用性の問題。

実際、C-HILテストベッドは、マイクログリッドの進化に合わせて維持・アップグレード可能な、実機と同等の高忠実度モデルを提供する。

当プロジェクトでは、時間の経過とともにテストと改良が必要となります。現在、試運転準備段階においても、システムコントローラーを「混乱させる」可能性のある微小な停電や周波数異常が送電網で発生することを想定しています。C-HILテストベッドという形態のデジタルツインを活用することで、これらの事象をC-HILデジタルツイン上で再現し、機器の損傷や現場での停電を懸念することなく、問題のトラブルシューティングと最適化が可能となります。

ショーン・ドイル
オーティス空軍州兵基地、マサチューセッツ州
レイセオン

これは、21世紀の電力システム開発および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。

クレジット

著者 | Ivan Celanovic
ビジュアル | Typhoon
編集者 | Debora Santo