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エンジニアリングがリスクを軽減する4つの方法

導入

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）が電力網の革命を加速させています。D3は莫大な価値創造の機会を生み出す一方で、新たな技術や設計コンセプトを駆使し、変化はリスクをもたらします。

分散型エネルギー資源（PV、風力、発電機、バッテリーなど）、組み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、多層分散デジタル制御、クラウドソフトウェアが急増する新たなサイバーフィジカルグリッドにより、業界のリーダーは新しい設計、テスト、展開、ライフサイクルメンテナンスのツールとプロセスを採用する必要に迫られています。

20世紀の電力システムは、誘導発電機、モーター、変圧器を主体とする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グリッドへと発展しました。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、根本的に異なる電力デバイスをもたらします。今日、家庭、インフラ、工場に設置されているインバータ、電力コンバータ、モータードライブは、高速デジタル電子電力スイッチングを利用して、電流、電圧、周波数、その他の属性を必要に応じて操作します。これらの柔軟性により、従来のエンジニアリングツールでは適切に分析できないシステムの動作や相互作用の可能性が劇的に増加します。Controller Hardware in the Loop（C-HIL）ツールなどの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、そして導入プロセスを大幅に加速させ始めています。

HILテストは、ジェットエンジン制御装置から自動操縦装置に至るまで、航空宇宙産業において数十年にわたり標準となっています。航空機制御システムの安全性は極めて重要であり、制御ソフトウェアの開発、テスト、保守プロセスにおいて高い基準が求められています。例えば、ジェットエンジン制御装置は、定期的な実験室テストと相当な飛行時間に加え、HILテストの広範な記録がなければ、飛行認証を取得できません。HILテストは、テストカバレッジの最大化、テストコストの削減、そして航空宇宙産業における必要な信頼性の達成において、広く利用されている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がより手頃な価格になるにつれ、マイクログリッドもその流れに加わっています。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、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パフォーマンスを特性評価および検証するために、その広範なテストおよび検証機能を活用し始めています。これにより、パフォーマンス、信頼性、サイバーセキュリティが確保されます。HILテスト環境は、システムの立ち上げ後まで待つことなく、開発段階からファームウェアとソフトウェアを安全かつ反復可能で体系的な方法で仮想的にテストする機能を提供します。

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 エンジニアリングによって、マイクログリッドの設計、展開、運用中のリスクを軽減できる 4 つの方法をご紹介します。

1.制御の複雑さを管理し、相互運用性を保証します。

過去30年間、組み込みシステムの制御コードの複雑さは、ソースコード行数（SLOC）で測ると指数関数的に増大してきました。この傾向を示すために、3つの例を考えてみましょう。

1. F-35戦闘機のコードは、2006年の680万（SLOC）から2013年には2400万（SLOC）に増加しました。
2. 自動車（高級）：2000年の200万台（SLOC）から2018年の1億台（SLOC）へ
3. PVインバータ：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、プログラミングの複雑さも同様に指数関数的に増加します。現在でも、10台のスマートインバータ、10台の保護リレー、そして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、合計SLOCが500万SLOCに容易に達します。数百のマイクログリッドを仮想発電所や同様のシステムアーキテクチャでネットワーク化すると、まもなく10億SLOCを超える規模に達するでしょう。

実際、コードベースの急激な増加は、マイクログリッドと公共事業を真に柔軟で多機能、そして適応性（レジリエンス）に優れたサイバーフィジカルシステムへと変革するでしょう。この変革を支援し、加速させるには、適切なツールとプロセスが不可欠です。

ファームウェアの品質を損なうことなくテスト範囲を拡大し、開発時間を短縮することは、HIL テストによって当社の製品ポートフォリオに追加される品質面であると考えています。

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

マイクログリッド制御ソフトウェアの品質を維持し、向上させながら、指数関数的に増大する複雑さを管理するにはどうすればよいでしょうか。答えはシンプルですが、容易ではありません。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、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、そしてテスト自動化の価値を実証してきました。VDCリサーチの調査結果によると、設計プロセスの初期段階からライフサイクル全体を通して、コントローラー・ハードウェア・イン・ザ・ループ（C-HIL）を活用することで、ソフトウェアバグの数が38%削減され、C-HIL手法を用いて組み込みソフトウェアを開発・テストすることで、バグ修正コストが60%削減され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、自信を持って革新を推進します。

従来、パワーエレクトロニクスおよび電力システム業界は、新製品や新機能の導入が遅れていました。限られた実験室での試験と現場での運用経験からしかフィードバックが得られず、ミスは大きな代償を伴いました。「うまく機能するなら何も変えない」というアプローチは、製品設計サイクルを5年以上に延ばし、製品ライフサイクルは25年を超えることもありました。

HILテストはこのパラダイムを根本から覆し、開発者が新しいソフトウェア機能を容易に追加することで、継続的に改善し、新機能を統合できるようにします。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、より優れたコードプロセスはイノベーションを加速させます。テスラ車を例に考えてみましょう。リモートアップデートにより、オーナーは朝起きた時に、新しい機能とより優れた性能を備えた別の車に気づいていることがよくあります。将来的には、マイクログリッドも同様にアップグレードと改善が行われ、C-HILテストベッドを用いて数万ものテストシナリオで徹底的にテストされた新しいソフトウェアが使用されるようになるでしょう。

システムインテグレーターのレイセオンは、マイクログリッドの構築前、設計・開発段階において、C-HIL（Controller Hardware in the Loop）テストベッドを広範囲に活用し、障害状態を含む様々な運用シナリオのテストと検証を行いました。これにより、相互運用性リスクが大幅に軽減されました。

ショーン・ドイル
マサチューセッツ州オーティス空軍州兵基地
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型サイバーセキュリティコントローラーと、国防総省初の風力発電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および検証されました。

3.システム インテグレーターの権限を強化する。

現在、ほとんどのマイクログリッドプロジェクトは ブラウンフィールドまたは既存インフラの改修。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適切に統合し、新しい制御・通信インフラを既存の資産と連携させ、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の運用に統合する必要があります。

当社がシステムのモデルを提供すると、サードパーティ、お客様、システム インテグレーターなどの他の人が、そのモデルを自社のシステム モデルに統合して使用し、システム全体をシミュレートできるようになります。

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 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、開発されたモデルを使用してマイクログリッド設計をあらゆる段階でテストおよび検証できます。

HILはお客様との関係に変化をもたらし始めています。お客様にHIL（Hardware-in-the-Loop）システムへのアクセスを提供することで、インバータの動作をより深く理解し、機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ります。

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します。

今日では、プロジェクトの受注に重点が置かれ、その後に設計と試運転が行われます。しかし、他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全体の運用と保守は、投資家、ユーザー、そして事業者にとって極めて重要ですが、事前に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、つまり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、以下のことを実現する絶好の環境を提供します。

• 展開前にスマート デバイスとマイクログリッド コントローラーへのファームウェアとソフトウェアのアップグレードをシームレスにテストします。
• 運用中に予測または発見される可能性のある異常をモデル化してシミュレートし、修正をテストします。
• 展開前に、機器のアップグレードと発生する可能性のある相互運用性の問題をテストします。

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およびアップグレードできる、構築済みのマイクログリッドの高忠実度モデルを提供します。

私たちのプロジェクトには、長期にわたるテストと改良が必要です。現在、試運転の準備を進めている最中ですが、系統における微小な停電や周波数異常がシステムコントローラーに「混乱」をきたす可能性を懸念しています。C-HILテストベッドという形で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、問題のトラブルシューティングと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州兵基地
レイセオン

これは、21 世紀の電力システムの開発と保守におけるリスク軽減の新しい基準を表しています。

クレジット

著者| イヴァン・チェラノヴィッチ
ビジュアル| 台風HIL
編集者| デボラ・サント