オーティス・マイクログリッド、軍事マイクログリッド事業のモデルとなる
レイセオンは、マサチューセッツ州オーティス空軍州兵基地向けに、マイクログリッド監視制御システムの設計と試験にTyphoon を採用している。
この基地は1938年に建設され、オーティス空軍基地として知られていたが、その後現役基地から空軍州兵基地に移管され、第102情報航空団を擁するようになった。同航空団はサイバーセキュリティ情報および土木通信部隊であり、世界中の作戦を支援している。基地は停電のリスクを冒すことができず、商用電力網に何らかの問題が発生した場合でも、24時間365日、安全で安定した電力供給が必要である。
この成功事例は、軍事用マイクログリッドが再生可能エネルギーへの移行を実現しつつ、エネルギー自立性とサイバーセキュリティを確保するための課題と解決策の両方を示している。
オーティス・マイクログリッド構成部品：
- 発電設備：1.5MW風力タービンおよび1.6MWディーゼル発電機
- 貯蔵：イーストペン社製 1.6MW/1.2MWh バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESS）。エコルト社のウルトラバッテリー鉛蓄電池を基に構築。
- 制御：レイセオンのインテリジェント電力・エネルギー管理（IPEM）マイクログリッド制御システム。
このようなマイクログリッドを構築する上で大きな課題となるのは、個々の構成要素がシステムに組み込まれた後、独自の構成における相互作用の結果として生じる創発的挙動を予測することである。あらゆる電力システムにおいて、特に軍事システムにおいては、無停電運転の確保が極めて重要である。
幸いなことに、当社の発電容量と実際の負荷量はかなり互換性があります。
ショーン・ドイル
元オーティス・マイクログリッド・プロジェクトマネージャー
レイセオン
オーティス・マイクログリッドは、国防総省向けマイクログリッド開発において複数の重要なマイルストーンを達成した¹：
- 国防総省（DoD）施設全体を支える初の風力発電マイクログリッド
- 地域電力網へのサイバーセキュリティを確保した接続を実現した初の米軍施設
- マサチューセッツ州東部およびISOニューイングランド地域で初めて、補助サービスを提供するマイクログリッド
- BESSを活用して電力会社網から完全に独立した初のマイクログリッド。
マイクログリッド制御装置の設計と試験における課題
監視レベルのマイクログリッド制御を設計・試験する際、特に軍事用途においては、電力系統関連の主要な懸念事項がいくつか存在する。様々な発電要素を調整し、マイクログリッド内の需給を長時間にわたって均衡させる負荷制御を確保する必要がある。定常状態での運用を可能にするだけでなく、急激な負荷変動など様々な動的条件下での安全な運用も要求される。
機能は、システム固有の設計や設置場所に伴う過渡現象が存在する場合でも、電力供給の維持、品質、安定性を確保できるよう設計されなければならない。例えば、この地域ではハリケーンや冬の嵐といった特定の自然災害が頻発化し、その強度も増している。
同時に、ケープコッドの電力インフラの多くはかなり古く、そのため脆弱性が高い。したがって、電力供給が中断した場合、商用グリッドがダウンした際にマイクログリッドが完全に孤立化することを確実にし、一般的に、これがハードウェアシステムに損害を与えないよう対策を講じることが重要である。
何もかもが、本に書かれている通りの振る舞いや伝わり方をすることは決してない。
デイブ・アルトマン
オーティス・マイクログリッド主任研究員
レイセオン
本プロジェクトにおいて、レイセオン社は電力システム内の各種コンポーネントの創発的挙動を予測するため、独自のシステム構成におけるコンポーネント挙動の理解を確保する必要があった。制御試験はマイクログリッド制御装置の試験基準を定めるIEEE 2030.8規格要件に基づいて実施された。推奨規格に沿った試験体制を構築するため、強力な外部協力者との連携がプロジェクト成功の基盤となった。
市販機器の統合にはさらなる課題が生じる。これらの機器は本質的にセキュリティが十分でないためだ。セキュリティ要件が課されていないからだ。したがって、監視制御システム自体に追加のセキュリティレベルを組み込む必要がある。マイクログリッドとのサイバーセキュリティを確保した接続を維持することは、特に軍事用途において主要な要件である。
ソリューション | C-HILはリスクを低減し、テストカバレッジを向上させます。
国防総省（DoD）はリスク回避傾向が非常に強いため、資本設備や長期契約を含む大規模投資を行う際には、常にその内容を徹底的に把握しようとする。レイセオンはTyphoonを活用することで、システムのデジタルツイン内においてシステム統合問題を高精度でシミュレートし、様々な分散型エネルギー資源（DER）を統合する際の新たな挙動を予測する能力を有していた。
これにより、シミュレーション環境での結果を活用して国防総省の投資判断を支援することが可能となった。レイセオン社はまた、C-HILがパワーHIL（P-HIL）よりもはるかに適した手法であると判断した。その理由は、パワーデバイスよりも制御器の挙動を理解することが重要であり、また高価な専用試験設備を必要としないため大規模システムのシミュレーションに便利であったためである。
C-HILへの移行は、実機ハードウェアを使用する代わりに大規模システムをシミュレートできる利便性によって推進された。
デイブ・アルトマン
オーティス・マイクログリッド主任研究員
レイセオン
C-HILのテスト自動化機能により、プロジェクト内の作業速度も向上した。Typhoon は、シミュレートされたパワーステージと物理コントローラーとのインターフェースという最も困難な部分において直接支援を行った。
シミュレーションとテスト自動化の設定を適切に行う作業に最も時間と知識を要するにもかかわらず、完全なテスト計画はわずか数日で稼働状態に達した。その後は、テストの繰り返しや問題の修正が格段に容易になる。
シミュレーション環境でのテストは、設定変更が容易かつ迅速で多様な可能性を探索できるため、比類のない柔軟性を提供します。したがってC-HILは、テスト中のリスクを低減すると同時に、現場でのシステム統合問題を未然に防ぎます。この品質保証の向上は、顧客の信頼構築に寄与します。
同時に、技術の進歩に伴い制御システムはそれらの変更をテストする能力を備える必要がある。デジタルツインを保有することで、マイクログリッドの各部分を継続的に改善し、物理的なマイクログリッドへの更新アップロードのテストとリスク軽減を同時に行いながら、各調整後のシステム全体の挙動をリスクなしで検証できる。
C-HILの利点は、それなしでは発生するであろう統合活動を加速し、リスクを低減することにある。
デイブ・アルトマン
オーティス・マイクログリッド主任研究員
レイセオン
デジタルツインを活用し、商用電力網が停止した際にマイクログリッドが完全な独立運転を実現できるよう設定された。バッテリーで発電機を起動し、商用電力網が復旧したことを検知するまでこれを継続する。さらに、サイバーセキュリティ対策を施した接続を確保し、基地内のハードウェアシステムへの損傷を防止している。
レイセオンはC-HILを用いて、リアルタイムシミュレーション環境でマイクログリッド監視制御アルゴリズムの試験を実施した。これらのHIL試験シナリオは現場での試験が困難であった。C-HILは様々な過渡現象や故障シナリオに対する試験カバレッジを拡大する。
C-HILを用いたテストシナリオの例：
- ディーゼル発電機セットは非常運転モードから通常運転モードに移行する。
- BESSインバーターの出力範囲が-800kWから800kWへ移行する
- 孤立運転時の過渡現象（保護継電器のトリップ）
- 電力系統からの切断
- 系統連系モードから孤立モードへの移行
- 系統連系点（PCC）における系統接続の失敗。
制御システムが、これらすべての想定されるテストシナリオやその他の多くの極端なテストシナリオにおいて、安全かつ信頼性の高いリアルタイムテスト環境下でマイクログリッドの運転安全性を確保していることを確認したことで、システムの品質が保証された。
クレジット
著者 | デボラ・サント
ビジュアル | レイセオン
編集者 | デボラ・サント
参考文献 1 | アンドルー・バーガー。オティス・マイクログリッド、マサチューセッツ州でエネルギーの歴史を刻む準備がほぼ整う。マイクログリッド・ナレッジ。https://microgridknowledge.com/otis-microgrid-development/2018年8月22日公開。2020年9月11日アクセス。
