はじめに| デジタル変電所はどのように機能しますか?
電力システムの保護と制御の進化により、デジタル化への大きな転換が見られました。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、特にIEC 61850 規格の実装による変電所のデジタル化によってもたらされる利点のほんの一部です。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) と上位レベルの制御システム間のプロセスバスとステーションバスの通信を可能にします。プロセスバスは、回路遮断器や計器用変圧器などの主要な機器から制御室の自動化デバイスの保護リレーにデータを移動することを可能にします。プロセスバス通信は、Generic Object-Oriented Substation Event (GOOSE) メッセージとサンプル値 (SV) プロトコルを通じて促進されます。ステーションバス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) システムと変電所デバイス間の効率的なデータ交換を保証します。
これらの進歩により、変電所の運用の効率と信頼性が向上し、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テストが可能になります。
デジタル変電所の主要コンポーネントは次のとおりです。
- 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性 (HSR) および並列冗長プロトコル (PRP):これらの冗長メカニズムにより、継続的な運用と高可用性が保証され、ネットワークまたはコンポーネントの障害が発生した場合でも変電所の機能を維持できます。
- 高精度時間プロトコル (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 サンプリングとイベント記録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て、保護および制御メカニズムの精度を向上させます。
- マージング ユニット (MU):従来の計測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 で処理します。
- 低電力計器用変圧器 (LPIT):磁気コア飽和の影響を受けないデジタル インターフェイスを提供し、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）、遮断器（CB）、計器用変圧器（CT/VT）です。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す。冗長化メカニズム、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おり、高可用性とデータ保護を確保しています。
HIL テスト| デジタル変電所で HIL デバイスをどのように使用できますか?
変電所保護エンジニアの日常業務でハードウェア・イン・ザ・ループ (HIL) システムを使用する用途と理由は複数あります。
- システム保護テスト：HILテクノロジーは、デジタル変電所内の保護システムの包括的なテストを可能にします。変電所内の様々な箇所で故障をシミュレーションすることで、エンジニアは機能、性能、感度、選択性を評価できます。例えば、過電流保護と方向性過電流保護を様々な故障条件下でテストし、適切な応答性を確認できます。
- 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世界のシナリオを繰り返し、安全にシミュレートできるため、受講者は短期間で、変電所自動化システムの運用に関する人年分の実践経験を迅速に習得できます。これは、運用上の安全性を損なうことなく、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。
- 開発と試運転：デジタル変電所の開発段階では、HILシステムを使用することで、ハードウェアが準備される前、現場への導入よりはるかに前に、保護・制御アルゴリズムをテストできます。試運転段階では、HILシステムにより工場受入試験（FAT）と現場受入試験（SAT）を実施し、オンライン稼働前にすべてのシステムが正しく機能することを確認できます。
HIL の利点| 変電所自動化システムのテストに HIL を使用する理由
ハードウェア・イン・ザ・ループ（HIL）テクノロジーは、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進歩です。HILは、リアルタイム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、物理的な混乱を伴わずに様々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、制御および監視用の SCADA システムを表す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 (IEEE1588v2 PTP の有無にかかわらず) を備えたネットワーク、時間同期用の 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ます。
HIL テストの主な機能は次のとおりです。
- 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、接続された電力系統を備え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、保護スキームのテストが可能になります。
- 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 を送受信し、変電所デバイス間の実際の通信を高精度にエミュレートできます。
- SCADA システムとの統合: HIL セットアップには、多くの場合、監視制御およびデータ収集 (SCADA) システムが含まれており、製造メッセージ仕様 (MMS) 通信を通じて変電所の操作を管理および制御します。
ケーススタディ| 中電圧変電所モデル試験
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、高額なフィールドテストが必要となることが多く、ダウンタイムが発生します。HILは仮想テストと完全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テストはテストカバレッジを拡大することで安全性を高め、リスクを軽減します。
詳細なケーススタディでは、変電所の数学モデルとHILセットアップの開発を行いました。変電所モデルには10個のベイが含まれており、保護システムをテストするために特定の故障ポイントを導入することができました。相間故障や地絡故障など、様々な種類の故障をシミュレーションし、保護装置の応答を評価しました。ハードウェアセットアップは、スマートな集中保護装置、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。
変圧器の二次側の相電流の実験結果は次のとおりです。
- 過電流保護：ベイの1つで過電流障害をシミュレーションし、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知すると回路ブレーカーを正常にトリップしました。
- ゼロシーケンス過電流保護：地絡故障を発生させ、変電所の他の部分に影響を与えることなく故障を隔離するシステムの能力をテストしました。保護装置は適切な回路遮断器をトリップさせ、システムの選択性を実証しました。
- 方向性過電流保護:分散型発電を備えたベイでは、障害が正しく分離され、グリッドへの逆流を防止することを確認するために、方向性過電流保護がテストされました。
結論| HILテストの利点
デジタル変電所のテスト、ライフサイクルメンテナンス、そして人員トレーニングへの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の分野における大きな進歩です。リアルタイム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における信頼性、安全性、そして効率性を向上させます。電力業界が進化を続ける中で、デジタル変電所のシームレスな運用を確保する上でHILが果たす役割はますます重要になっていきます。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ください。または、当社のチームによる無料デモをご予約ください。お客様の具体的なアプリケーションケースに関するご質問にお答えいたします。
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|イワン・セラノヴィッチ、ドブリン・カーティス、デボラ・サント
謝辞| このデジタル変電所テストソリューションの開発に関して協力していただいた Zoran Stojanović 教授とベオグラード大学電気工学部に感謝します。
