はじめに| デジタル変電所はどのように機能するのか？
電力系統の保護・制御技術の進化は、デジタル化への大きな転換を遂げてきた。変電所のデジタル化、特にIEC 61850規格の導入により、資源要件の削減、資産利用率の向上、状況認識能力の強化といった利点がもたらされている。この規格は変電所内での高度なデジタル通信プロトコルを可能にし、インテリジェント電子機器（IED）と上位制御システム間のプロセスバスおよび ステーションバス通信を実現する。 プロセスバスは、遮断器や計器用変成器などの一次機器から、制御室の自動化装置内の保護リレーへデータを転送することを可能にする。プロセスバス通信は、汎用オブジェクト指向変電所イベント（GOOSE）メッセージとサンプリング値（SV）プロトコルを通じて実現される。 ステーションバス向けの製造メッセージ仕様（MMS）プロトコルは、監視制御およびデータ収集（SCADA）システムと変電所機器間の効果的なデータ交換を保証します。
これらの進歩は変電所運用の効率性と信頼性を高め、個々のIEDデバイスレベルではなく変電所レベルでの包括的な試験を可能にします。
デジタル変電所の主要構成要素には以下が含まれる：
- 標準化された通信：IEC 61850規格は、デバイス間の相互運用性と標準化を保証し、変電所内でのシームレスな統合と通信を可能にします。
- 高可用性シームレス冗長化（HSR）および並列冗長化プロトコル（PRP）：これらの冗長化機構は、ネットワーク障害や機器故障時においても変電所の機能を維持し、継続的な運用と高可用性を保証します。
- 精密時間プロトコル（PTP）およびグランドマスタークロック（GMC）：これらのコンポーネントは、データサンプリングとイベント記録のための正確なタイミングを提供し、変電所内のすべてのデバイスが同期して動作することを保証します。
- インテリジェント電子デバイス（IED）：これらのデバイスはGOOSEメッセージとサンプリング値（SV）を用いて通信し、リアルタイムデータ交換を可能にするとともに、保護・制御機構の精度を向上させます。
- 合流ユニット（MU）：従来の測定用変圧器からのアナログ信号をIEC 61850デジタル信号に変換し、その後IEDによって処理される。
- 低電力計器用変成器（LPIT）：磁気コア飽和の影響を受けないデジタルインターフェースを提供し、より信頼性の高い測定を実現します。
デジタル変電所の主要設備は、電力変圧器（PT）、遮断器（CB）、計器用変圧器（CT/VT）である。これらはそれぞれ電圧レベルの昇圧・降圧、回路保護、電気的パラメータの測定に不可欠である。高可用性とデータ保護を確保するため、冗長化機構、時刻同期、サイバーセキュリティ対策がネットワーク全体に統合されている。
HILテスト｜デジタル変電所におけるHILデバイスの活用方法
変電所保護技術者の日常業務において、ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）システムを使用する用途と理由は複数存在する：
- システム保護試験：HIL技術により、デジタル変電所内の保護システムを包括的に試験することが可能となる。変電所の各ポイントで故障をシミュレートすることで、技術者は機能性、性能、感度、選択性を評価できる。例えば、過電流保護や方向性過電流保護を様々な故障条件下で試験し、適切な動作を保証する。
- エンジニア向けトレーニング：HILシステムは 、エンジニアや技術者にとって非常に貴重なトレーニングプラットフォームを提供します。制御された環境で現実のシナリオを繰り返し、安全にシミュレートできる能力により、研修生は変電所自動化システムの取り扱いにおいて、短期間で数年分に相当する実践的経験を急速に習得できます。これは特に、運用上の安全性を損なうリスクなしに、新技術やプロトコルを使用するエンジニアを訓練する際に有用です。
- 開発および試運転：デジタル変電所の開発段階では、HILシステムを活用することで、ハードウェアが実際に用意される前、さらには現場展開よりはるか以前に、保護・制御アルゴリズムのテストを実施できます。試運転段階では、HILシステムにより工場受入試験（FAT）および現場受入試験（SAT）が可能となり、全システムが正常に機能することを確認した上で稼働開始できます。
HILの利点| 変電所自動化システムのテストにHILを活用する理由
ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）技術は、変電所自動化システム（SAS）の試験および訓練における画期的な技術である。HILはリアルタイムシミュレーション機能と変電所の物理的コンポーネントを統合し、物理的な混乱を招くことなく様々なシナリオを試験できる仮想環境を提供する。
テスト環境には、制御および監視用のSCADAシステムを構成する産業用コンピュータ（サーバー）、試験対象の複数のIED（インテリジェント電子デバイス）、スイッチを備えたネットワーク（IEEE1588v2 PTP対応の有無を問わず）、時刻同期用のGPSマスタークロック、および変電所のデジタルツインを備えたHILシミュレータが含まれる。
HILテストの主な特徴は以下の通りです：
- リアルタイムシミュレーション：HILシステムは、変圧器や遮断器などの主要機器を含む、接続された電力システムと連動した変電所の電力処理部分全体をシミュレートできます。これにより、様々な故障状態や標準的な動作シナリオをエミュレートすることで、保護スキームの試験が可能となります。
- 通信プロトコル：IEC 61850を活用することで、HILシステムはGOOSEメッセージとSV（システム変数）を送受信でき、変電所機器間の実際の通信を高忠実度でエミュレートします。
- SCADAシステムとの統合：HILセットアップには、製造メッセージ仕様（MMS）通信を通じて変電所運用を管理・制御する監視制御およびデータ収集（SCADA）システムが組み込まれることが多い。
事例研究｜中電圧変電所モデル試験
従来の試験手法では、コストと時間効率が主要な懸念事項であり、高価な実地試験が必要となることが多く、ダウンタイムを招く。HILは仮想的かつ完全自動化された試験を可能にし、コストを大幅に削減する。さらに、HIL試験は試験カバレッジを拡大することで安全性を高め、リスクを軽減する。
詳細なケーススタディでは、変電所とHIL（ハードウェア・イン・ザ・ループ）システムの数学モデル開発が行われた。 変電所モデルは10のベイを含み、保護システムを試験するために故障を導入できる特定のポイントが設けられていた。保護装置の応答を評価するため、相間故障や地絡故障など様々なタイプの故障がシミュレートされた。ハードウェア構成は、スマート集中型保護装置、GPSマスタークロック機能を備えた産業用スイッチ、およびHIL606デバイスで構成されている。
変圧器の二次側における相電流の実験結果は以下の通りです：
- 過電流保護：あるベイで過電流故障を模擬的に発生させ、システムの応答時間と精度を測定した。保護装置は故障を検知すると、正常に遮断器をトリップさせた。
- 零相過電流保護：地絡故障を発生させ、変電所の他の部分に影響を与えずに故障を隔離するシステムの能力を試験した。保護装置は適切な遮断器をトリップさせ、システムの選択性を実証した。
- 方向性過電流保護：分散型発電設備を有する区画において、方向性過電流保護の試験を実施し、故障が適切に隔離され、系統への逆送電を防止することを確認した。
結論| HILテストの利点
デジタル変電所の試験、ライフサイクル保守、および要員訓練におけるHIL技術の導入は、インテリジェントデジタル電力システム分野における重要な進歩を意味します。実際、HILはリアルタイムシミュレーションと試験のための堅牢なプラットフォームを提供することで、デジタル変電所運用の信頼性、安全性、効率性を向上させます。電力業界が進化を続ける中、デジタル変電所のシームレスな運用を確保する上でHILの役割はますます重要になっていくでしょう。 詳細については、デジタル変電所向けモデルベースHIL試験ソリューションのデモ動画をご覧いただくか、お客様の具体的な適用事例に関するご質問にお答えする無料デモを当社チームとご予定ください。
クレジット
著者 | シミサ・シミッチ
ビジュアル | ミリカ・オブラドヴィッチ、カール・ミッケイ
編集者 | イヴァン・チェラノヴィッチ、ドヴリン・カーティス、デボラ・サント
謝辞| このデジタル変電所試験ソリューションの開発に関してご協力いただいたゾラン・ストヤノヴィッチ教授およびベオグラード大学電気工学部に対し、感謝申し上げます。
