2024年9月4日

デジタル変電所のテスト：ハードウェア・イン・ザ・ループ技術の進歩

読書時間｜7分

HIL（Hardware-in-the-Loop）技術の進歩は、デジタル変電所のテストとライフサイクル保守に革命をもたらし、効率性、信頼性、安全性を大幅に改善します。リアルタイムシミュレーションと変電所コンポーネントを統合することで、HILシステムは保護スキームの包括的なテスト、エンジニアの効果的で安全なトレーニング、SCADAシステムとのシームレスな統合を可能にし、同時にコストの削減と運用の中断を最小限に抑えます。HILがデジタル変電所オペレーションをどのように変革しているか、またそのアプリケーションの詳細については、当社のブログをお読みください。

はじめに｜デジタル変電所の仕組み

電力系統の保護と制御の進化は、デジタル化へと大きくシフトしている。リソース要件の削減、資産利用率の向上、状況認識の向上は、変電所のデジタル化、特にIEC 61850規格の実装によってもたらされるメリットのほんの一部に過ぎません。この規格は、変電所内の高度なデジタル通信プロトコルを促進し、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・バス通信を可能にします。プロセス・バスは、サーキット・ブレーカや計器用変圧器のような一次装置から、制御室の自動化装置の保護リレーへのデータ移動を可能にします。プロセスバスの通信は、Generic Object-Oriented Substation Event (GOOSE)メッセージとSampled Values (SV)プロトコルによって促進される。ステーションバス用のMMS（Manufacturing Message Specification）プロトコルは、SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）システムと変電所デバイス間の効果的なデータ交換を保証します。

これらの進歩により、変電所運営の効率と信頼性が向上し、個々のIED機器レベルではなく、変電所レベルでの包括的なテストが可能になります。

デジタル変電所の主な構成要素には次のようなものがある：

標準化された通信：IEC 61850規格は、機器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）と並列冗長化プロトコル（PRP）：これらの冗長化メカニズムは、継続的な運用と高可用性を保証し、ネットワークやコンポーネントに障害が発生した場合でも変電所の機能を維持できるようにします。
精密時間プロトコル（PTP）とグランド・マスター・クロック（GMC）：これらのコンポーネントは、データのサンプリングとイベントの記録に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機器（IED）：これらのデバイスはGOOSEメッセージとサンプル値（SV）を使用して通信し、リアルタイムのデータ交換を可能にし、保護と制御メカニズムの精度を向上させます。
マージユニット（MU）：従来の計測トランスからのアナログ信号をIEC 61850デジタル信号に変換し、IEDで処理する。
低電力計器用変圧器（LPIT）：磁気コアの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機器は、電力変圧器（PT）、回路遮断器（CB）、計器用変圧器（CT/VT）である。これらはそれぞれ、電圧レベルの降圧／昇圧、回路の保護、電気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に、冗長メカニズム、時間同期、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｜HILデバイスはデジタル変電所でどのように利用できるか？

変電所保護エンジニアの日常業務において、HIL（Hardware-in-the-Loop）システムを使用する用途や理由は複数あります：

システム保護テスト：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テストできます。変電所のさまざまなポイントで故障をシミュレートすることで、エンジニアは機能、性能、感度、選択性を評価できます。たとえば、過電流保護と方向性過電流保護は、さまざまな障害条件下でテストすることができ、適切に応答することを確認できます。

エンジニアのためのトレーニング HILシステムは、エンジニアや技術者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、繰り返し、安全に実環境のシナリオをシミュレートできるため、研修生は変電所自動化システムの取り扱いについて、短期間で何年もの実務経験を積むことができます。これは、運転の安全性を危険にさらすことなく、新しい技術やプロトコルを使用するエンジニアのトレーニングに特に役立ちます。

**図4.**訓練校での受講者トレーニングに使用されるデジタル変電所テストソリューション。

開発と試運転：デジタル変電所の開発段階では、HILセットアップを使用して、ハードウェアが利用可能になる前に、保護および制御アルゴリズムをテストすることができます。試運転の段階では、HILシステムによって工場受入試験（FAT）と現場受入試験（SAT）が可能になり、オンラインになる前にすべてのシステムが正しく機能することが保証されます。

HILのメリット｜なぜ変電所オートメーションシステムのテストにHILを使うのか？

HIL（Hardware-in-the-Loop）技術は、変電所自動化システム（SAS）のテストとトレーニングにおける画期的な技術です。HILはリアルタイムのシミュレーション機能を変電所の物理コンポーネントと統合し、物理的な中断を必要とせずにさまざまなシナリオをテストできる仮想環境を提供します。

テスト環境には、制御・監視用のSCADAシステムを代表する産業用コンピュータ（サーバー）、テスト対象の複数のIED、スイッチ付きネットワーク（IEEE1588v2 PTPの有無は問わない）、時刻同期用のGPSマスタークロック、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。

**図6.**デジタル変電所をテストするためのモデルベースHILソリューションのセットアップ。

HILテストの主な特徴は以下の通りである：

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一次機器を含む、電力系統が接続され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、さまざまな障害条件や標準的な動作シナリオをエミュレートして、保護スキームをテストすることができます。
通信プロトコル：IEC 61850を利用することで、HILシステムはGOOSEメッセージとSVを送受信することができ、変電機器間の実際の通信を忠実にエミュレートすることができます。
SCADAシステムとの統合：HILのセットアップには、製造メッセージ仕様（MMS）通信を通じて変電所のオペレーションを管理・制御するSCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）システムが含まれることが多い。

ケーススタディ｜中電圧変電所のモデルテスト

従来のテスト方法では、コストと時間効率が大きな懸念事項であり、高価なフィールドテストが必要となり、ダウンタイムが発生することが多い。HILは仮想的で完全な自動テストを可能にし、コストを大幅に削減します。さらに、HILテストは安全性を高め、テストカバレッジを拡大することでリスクを軽減します。

詳細なケーススタディでは、変電所の数学的モデルの開発とHILセットアップが行われた。変電所モデルには10個のベイが含まれ、保護システムをテスト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に、相間や地絡など、さまざまなタイプの故障がシミュレートされました。ハードウェア・セットアップは、スマート集中型保護デバイス、GPSマスター・クロック・ソース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ます。

**図7.**集中型保護を備えたデジタル変電所をテストするためのモデルベースHILソリューション実験室のセットアップ。

以上が変圧器2次側の相電流に関する実験結果である：

過電流保護：ベイの1つで過電流障害をシミュレートし、システムの応答時間と精度を測定しました。保護装置は、障害を検出するとサーキットブレーカーを正常にトリップさせた。

ゼロシーケンス過電流保護：地絡が発生し、変電所の他の部分に影響を与えることなく障害を隔離するシステムの能力がテストされた。保護装置は適切なサーキットブレーカーをトリップさせ、システムの選択性を実証しました。

方向性過電流保護：分散型発電のあるベイでは、故障が正しく絶縁され、グリッドへの逆送を防ぐために、方向性過電流保護がテストされた。

結論｜HILテストのメリット

デジタル変電所の試験、ライフサイクル保守、人材育成にHIL技術が導入されたことは、インテリジェントなデジタル電力システムの分野における大きな進歩である。実際、リアルタイムのシミュレーションとテストのための堅牢なプラットフォームを提供することで、HILはデジタル変電所の運用の信頼性、安全性、効率性を高めます。電力産業が進化を続ける中、デジタル変電所のシームレスな運用を保証するHILの役割は、ますます重要になるでしょう。詳細については、デジタル変電所向けモデルベースHILテストソリューションのデモビデオをご覧になるか、当社チームによる無料デモをご予約ください。